CN110203882B - 一种氨分解装置及系统和制氢方法 - Google Patents

一种氨分解装置及系统和制氢方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于制氢技术领域，具体涉及一种氨分解装置及系统和制氢方法。本发明提供的氨分解装置，包括壳体，加热区、换热区、反应段、换热盘管，通过将换热盘管螺旋缠绕在反应段外壁，可以对氨气进行充分加热，提高了氨气的加热效率；通过在反应段设置依次连通的第一反应段和第二反应段，可以保证氨气在进入第一反应段后就被分解产生氮氢混合物，提高了氨气的分解效率，第二反应段可以对第一反应段产生的氮氢混合物中残留的氨气进行二次分解，降低了第二反应段氮氢混合物中氨气的残留量，使氨气分解的更加彻底；该装置可以使氨气的转化率达到99.9％以上，氮氢混合物中氨气的残留量小于1000ppm。

Description

一种氨分解装置及系统和制氢方法
技术领域
本发明属于制氢技术领域，具体涉及一种氨分解装置及系统和制氢方法。
背景技术
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器，它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转化成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高。另外，燃料电池和氧气作为原料，同时没有机械传动部件，没有噪声污染，排放出的有害气体较少。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池具有较好的发展前景。
氢是燃料电池的首选燃料，但是氢的存储技术还存在诸多挑战，如常温常压下氢气的体积能量密度为0.0108MJ·L-1，为满足车用燃料电池的续航里程需求，需要将氢气增压至35MPa才能将氢的体积能量密度提升至3MJ·L-1，这也相应的投资成本将加大，降低了车用燃料电池的安全性。采用富氢燃料，如氨、甲醇、汽油和天然气等重整来提供氢气更为简易、安全、高效和经济。氨是一种富氢燃料，含氢量可达17.6wt％，具有易液化、能量密度高、无碳排放、安全性高、燃料成本低等优势，仅需2MPa即可将氨液化为体积能量密度高达13MJ·L-1的液体，高出压缩储氢3-4倍，因此通过氨催化分解制氢为燃料电池供氢是一条高效、可靠的新途径。现有的氨分解制氢方法存在系统结构复杂、催化剂利用效率低、能量浪费严重，氨分解不彻底、氨分解后的气体中氨气残留量较高。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的氨分解制氢中氨气分解不彻底、气体产物中氨气残留量高等缺陷，从而提供一种氨分解装置及系统和氨分解方法。
为此，本发明提供了以下技术方案。
本发明提供了一种氨分解装置，包括壳体，所述壳体包括依次连通的加热区和换热区；所述加热区和换热区可以沿壳体的长度方向依次连通设置，也可以通过孔道并排连通设置；
反应段，包括依次连通设置的第一反应段和第二反应段，所述第一反应段设置于所述加热区内且其内填充镍基催化剂以形成镍基催化剂层，所述第二反应段设置于所述换热区内且其内填充钌基催化剂以形成钌基催化剂层；
换热盘管，依次螺旋缠绕于所述第二反应段和第一反应段的外壁上，所述换热盘管的氨气进口靠近所述第二反应段的氢氮混合气出口端设置，所述换热盘管的氨气出口与所述第一反应段的氨气进口段连通，以将预热后的氨气依次送入所述第一反应段和第二反应段内并进行反应。
所述镍基催化剂层与所述钌基催化剂层的厚度比为(1-3):1。
所述反应段的高径比为(5-10)：1。
所述氨分解装置，还包括，
燃烧器，设置于所述加热区内且位于所述壳体内壁与所述第一反应段之间，以维持所述第一反应段内的反应温度；
分割板，设置于所述壳体内，并将所述壳体分割为加热区和换热区，所述分割板上开设若干尾气通孔，以使所述燃烧器内的尾气通过所述尾气通孔进入所述换热区内作为换热介质。
所述反应段至少为两个，彼此并排设置于所述壳体内；
所述反应段的内径与镍基催化剂或钌基催化剂的颗粒粒径比为(8-50)：1。
所述反应段为固定床反应器；
所述燃烧器为多孔介质燃烧器或催化燃烧器；其中，多孔介质燃烧器是一种具有多孔介质结构的燃烧器。
本发明还提供了一种氨分解系统，包括上述氨分解装置，还包括，
第一换热装置，分别与所述换热盘管的氨气进口端及所述第二反应段的氢氮混合气出口端连接，以使在所述第一换热装置内与氢氮混合气进行间接换热后的氨气进入所述第一反应段；
第二换热装置，分别与所述换热区及所述加热区连接，以使在所述第二换热装置内与来自所述换热区内的尾气进行间接换热后的燃料气进入所述加热区燃烧。
所述氨分解系统还包括，
气体分离装置，与所述第一换热装置连接，以将换热后的氢氮混合气送入所述气体分离装置内并分离得到高纯氢；所述气体分离装置包括双向连通设置的变压吸附装置和膜分离装置，所述变压吸附装置与所述第一换热装置连接，以将换热后的氢氮混合气送入所述变压吸附装置内并分离得到高纯氢；所述变压吸附装置和膜分离装置双向连通，以将所述变压吸附装置内未分离的氮氢混合物经所述膜分离装置后循环送入所述变压吸附装置内并分离得到高纯氢；或，氨脱除装置，与所述第一换热装置连接，以将换热后的氢氮混合气送入所述氨脱除装置内脱除氢氮混合气中的残留氨；所述氨脱除装置与氢燃料电池连通，以将脱除残留氨后的氢氮混合气送入氢燃料电池内；所述氢燃料电池的尾气出口与所述第二换热装置连接，以将所述氢燃料电池排出的含氢尾气与燃料气混合并经换热后送入所述加热区内燃烧；
氨储罐，与所述第一换热装置连接；
燃料罐，与所述第二换热装置连接。
所述第一换热装置为换热器或蒸发器；
所述第二换热装置为换热器或蒸发器。
此外，本发明还提供了一种使用上述氨分解装置的氨分解方法，包括如下步骤：氨气以500-10000mL/(gcat·h)的空速依次经所述第一反应段和第二反应段进行分解产生氮氢混合物，所述第一反应段内的反应温度为650-850℃；所述第二反应段内的反应温度为450-600℃。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的氨分解装置，包括壳体，加热区、换热区、反应段、换热盘管，通过将换热盘管螺旋缠绕在反应段外壁，可以对氨气进行充分加热，提高了氨气的加热效率；通过在反应段设置依次连通的第一反应段和第二反应段，可以保证氨气在进入第一反应段后就被分解产生氮氢混合物，提高了氨气的分解效率，第二反应段可以对第一反应段产生的氮氢混合物中残留的氨气进行二次分解，降低第二反应段氮氢混合物中氨气的残留量，使氨气分解更加彻底；该装置可以使氨气的转化率达到99.9％以上，氮氢混合物中氨气的残留量小于1000ppm。
2.本发明提供的氨分解装置，控制镍基催化剂层和钌基催化剂层的厚度比为(1-3)：1，可以控制反应器温度分布，节约催化剂成本，提高装置紧凑性的效果。
3.本发明提供的氨分解系统，包括氨分解装置、第一换热装置、第二换热装置，该系统可以通过第一换热装置与第一反应段的氨气进口端及第二反应段的氢氮混合气出口端连接，以使在第一换热装置内与氢氮混合气进行间接换热后的氨气进入第一反应段；第二换热装置分别与换热区及加热区连接，以使在第二换热装置内与来自换热区内的尾气进行间接换热后的燃料气进入加热区燃烧，可以充分利用余热，提高系统的利用效率。
4.本发明提供的氨分解系统，当该系统包括气体分离装置时，气体分离装置包括变压吸附装置和膜分离装置，在对氮氢混合物进行分离制得高纯氢时可以提高氢气的纯度，使其体积分数达到99.9％以上；当包括氨脱除装置和氢燃料电池时，该系统既能够为氢燃料电池提供稳定的原料，又可以对氢燃料电池产生的含氢尾气进行循环利用，提高系统的利用率。
5.本发明提供的氨分解方法，该方法通过设置第一固定床反应器温度为650-850℃，第二固定床反应器温度为450-600℃，可以充分发挥催化剂的催化效果，提高氨气在镍基催化剂和钌基催化剂下的分解效率，降低产物中氨气的残留量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中的氨分解装置的结构示意图；
图2是本发明实施例1和实施例2中氨分解系统的结构示意图；
图3是本发明实施例2中的氨分解装置的结构示意图；
图4是本发明实施例3中氨分解系统的结构示意图；
图5是本发明实施例4中氨分解系统的结构示意图；
图6是本发明实施例5中氨分解系统的结构示意图；
图7是本发明实施例6中氨分解系统的结构示意图；
附图标记如下：
1-燃烧器；2-反应段；3-第一反应段；4-换热盘管；5-第二反应段；6-换热区；7-分割板；8-第一换热装置；9-第二换热装置；10-氨储罐；11-燃料罐；12-氨脱除装置；13-变压吸附装置；14-膜分离装置；15-氢燃料电池。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
本实施例提供了一种氨分解装置，结构见图1，包括壳体，沿所述壳体的长度方向，所述壳体包括依次连通的加热区和换热区6；
反应段2，包括依次连通设置的第一反应段3和第二反应段5，第一反应段设置于加热区内且其内填充镍基催化剂以形成镍基催化剂层，第二反应段设置于换热区内且其内填充钌基催化剂以形成钌基催化剂层；具体地，在本实施例中，反应段2为固定床反应器，固定床反应器的高径比为8:1，第一反应段和第二反应段设置在同一固定床反应器内，第一反应段3设置在固定床反应器内靠近加热区的一端，第二反应段5设置在固定床反应器内靠近换热区的一端，镍基催化剂层与所述钌基催化剂层的厚度比为3:1，固定床反应器的内径与镍基催化剂或钌基催化剂的颗粒粒径比为20:1；
换热盘管4，依次螺旋缠绕于第二反应段和第一反应段的外壁上，换热盘管的氨气进口靠近第二反应段的氢氮混合气出口端设置，换热盘管的氨气出口与第一反应段的氨气进口段连通，以将预热后的氨气依次送入第一反应段和第二反应段内并进行反应；具体地，在本实施例中，换热盘管螺旋缠绕于固定床反应器的外壁上；
燃烧器1，设置于加热区内且位于壳体内壁与第一反应段之间，以维持第一反应段内的反应温度；具体地，在本实施例中，燃烧器为多孔介质燃烧器；
分割板7，设置于壳体内，并将壳体分割为加热区和换热区，分割板上开设若干尾气通孔，以使燃烧器内的尾气通过尾气通孔进入换热区内作为换热介质。
本实施例还提供了一种包括上述装置的氨分解系统，见图2，包括，
第一换热装置8，分别与换热盘管的氨气进口端及所述第二反应段的氢氮混合气出口端连接，以使在所述第一换热装置内与氢氮混合气进行间接换热后的氨气进入所述第一反应段；具体地，在本实施例中，第一换热装置为第一换热器；
第二换热装置9，分别与所述换热区及所述加热区连接，以使在所述第二换热装置内与来自所述换热区内的尾气进行间接换热后的燃料气进入所述加热区燃烧；具体地，在本实施例中，第二换热装置为第二换热器；
氨储罐10，与第一换热装置连接；
燃料罐11，与第二换热装置连接；
此外，本实施例还提供了一种氨分解的方法，包括如下步骤，氨气以2000mL/(gcat·h)的空速依次经第一反应段和第二反应段进行分解，产生氮氢混合物；第一反应段的反应温度为700℃，第二反应段的反应温度为500℃；其中，氮氢混合物中，氢气的体积分数为75％，氮气的体积分数为25％，氨气小于1000ppm。
实施例2
本实施例提供了一种氨分解装置，结构见图3，包括壳体，还包括依次连通的加热区和换热区6，加热区和换热区通过孔道并排连通设置；
反应段，包括依次连通设置的第一反应段3和第二反应段5，第一反应段设置于加热区内且其内填充镍基催化剂以形成镍基催化剂层，第二反应段设置于换热区内且其内填充钌基催化剂以形成钌基催化剂层；具体地，在本实施例中，反应段为固定床反应器，固定床反应器的高径比为5:1，第一反应段和第二反应段分别设置在两个固定床反应器内，两个固定床反应器通过管道串联连通设置，第一反应段3设置在第一固定床反应器内，第二反应段5设置在第二固定床反应器内，镍基催化剂层与所述钌基催化剂层的厚度比为1:1，固定床反应器的内径与镍基催化剂或钌基催化剂的颗粒粒径比为40:1；
换热盘管4，依次螺旋缠绕于第二反应段和第一反应段的外壁上，换热盘管的氨气进口靠近第二反应段的氢氮混合气出口端设置，换热盘管的氨气出口与第一反应段的氨气进口段连通，以将预热后的氨气依次送入第一反应段和第二反应段内并进行反应；具体地，在本实施例中，换热盘管依次螺旋缠绕于第一固定床反应器和第二固定床反应器的外壁上；
燃烧器1，设置于加热区内且位于壳体内壁与第一反应段之间，以维持第一反应段内的反应温度；具体地，在本实施例中，燃烧器为多孔介质燃烧器；
分割板7，设置于壳体内，并将壳体分割为加热区和换热区，分割板上开设若干尾气通孔，以使燃烧器内的尾气通过尾气通孔进入换热区内作为换热介质。
本实施例还提供了一种包括上述装置的氨分解系统，见图2，包括，
第一换热装置8，分别与换热盘管的氨气进口端及所述第二反应段的氢氮混合气出口端连接，以使在所述第一换热装置内与氢氮混合气进行间接换热后的氨气进入所述第一反应段；具体地，在本实施例中，第一换热装置为第一换热器；
第二换热装置9，分别与所述换热区及所述加热区连接，以使在所述第二换热装置内与来自所述换热区内的尾气进行间接换热后的燃料气进入所述加热区燃烧；具体地，在本实施例中，第二换热装置为第二换热器；
氨储罐10，与第一换热装置连接；
燃料罐11，与第二换热装置连接；
此外，本实施例还提供了一种氨分解的方法，包括如下步骤，氨气以2000mL/(gcat·h)的空速依次经第一反应段和第二反应段进行分解，产生氮氢混合物；第一反应段的反应温度为700℃，第二反应段的反应温度为500℃；其中，氮氢混合物中，氢气的体积分数为75％，氮气的体积分数为25％，氨气小于1000ppm。
实施例3
本实施例提供了一种氨分解装置，结构见图1，包括壳体，沿所述壳体的长度方向，所述壳体包括依次连通的加热区和换热区6；
反应段2，包括依次连通设置的第一反应段3和第二反应段5，第一反应段设置于加热区内且其内填充镍基催化剂以形成镍基催化剂层，第二反应段设置于换热区内且其内填充钌基催化剂以形成钌基催化剂层；具体地，在本实施例中，反应段2为固定床反应器，固定床反应器的高径比为8:1，第一反应段和第二反应段设置在同一固定床反应器内，第一反应段3设置在固定床反应器内靠近加热区的一端，第二反应段5设置在固定床反应器内靠近换热区的一端，镍基催化剂层与所述钌基催化剂层的厚度比为3:1，固定床反应器的内径与镍基催化剂或钌基催化剂的颗粒粒径比为20:1；
换热盘管4，依次螺旋缠绕于第二反应段和第一反应段的外壁上，换热盘管的氨气进口靠近第二反应段的氢氮混合气出口端设置，换热盘管的氨气出口与第一反应段的氨气进口段连通，以将预热后的氨气依次送入第一反应段和第二反应段内并进行反应；具体地，在本实施例中，换热盘管螺旋缠绕于固定床反应器的外壁上；
燃烧器1，设置于加热区内且位于壳体内壁与第一反应段之间，以维持第一反应段内的反应温度；具体地，在本实施例中，燃烧器为多孔介质燃烧器；
分割板7，设置于壳体内，并将壳体分割为加热区和换热区，分割板上开设若干尾气通孔，以使燃烧器内的尾气通过尾气通孔进入换热区内作为换热介质。
本实施例还提供了一种包括上述装置的氨分解制氢系统，见图4，包括，
第一换热装置8，分别与换热盘管的氨气进口端及所述第二反应段的氢氮混合气出口端连接，以使在所述第一换热装置内与氢氮混合气进行间接换热后的氨气进入所述第一反应段；具体地，在本实施例中，第一换热装置为第一换热器；
第二换热装置9，分别与所述换热区及所述加热区连接，以使在所述第二换热装置内与来自所述换热区内的尾气进行间接换热后的燃料气进入所述加热区燃烧；具体地，在本实施例中，第二换热装置为第二换热器；
气体分离装置，与第一换热装置连接，以将换热后的氢氮混合气送入气体分离装置内并分离得到高纯氢；气体分离装置包括双向连通设置的变压吸附装置13和膜分离装置14，变压吸附装置与第一换热装置连接，以将换热后的氢氮混合气送入变压吸附装置内并分离得到高纯氢；变压吸附装置和膜分离装置双向连通，以将变压吸附装置内未分离的氮氢混合物经膜分离装置后循环送入变压吸附装置内并分离得到高纯氢；具体地，在本实施例中，从变压吸附装置进入到膜分离装置中的未分离氮氢混合物中氮氢体积比为1:1；
氨储罐10，与第一换热装置连接；
燃料罐11，与第二换热装置连接；
此外，本实施例还提供了一种氨分解的方法，包括如下步骤，氨气以5000mL/(gcat·h)的空速依次经第一反应段和第二反应段进行分解，产生氮氢混合物；氮氢混合物经气体分离装置后制得高纯氢；其中，第一反应段的反应温度为850℃，第二反应段的反应温度为450℃，制得的高纯氢气的体积分数＞99.9％，氢气回收率为85％。。
实施例4
本实施例提供了一种氨分解装置，结构见图1，包括壳体，沿所述壳体的长度方向，所述壳体包括依次连通的加热区和换热区6；
反应段2，包括依次连通设置的第一反应段3和第二反应段5，第一反应段设置于加热区内且其内填充镍基催化剂以形成镍基催化剂层，第二反应段设置于换热区内且其内填充钌基催化剂以形成钌基催化剂层；具体地，在本实施例中，反应段2为固定床反应器，固定床反应器的高径比为8:1，第一反应段和第二反应段设置在同一固定床反应器内，第一反应段3设置在固定床反应器内靠近加热区的一端，第二反应段5设置在固定床反应器内靠近换热区的一端，镍基催化剂层与所述钌基催化剂层的厚度比为3:1，固定床反应器的内径与镍基催化剂或钌基催化剂的颗粒粒径比为8:1；
换热盘管4，依次螺旋缠绕于第二反应段和第一反应段的外壁上，换热盘管的氨气进口靠近第二反应段的氢氮混合气出口端设置，换热盘管的氨气出口与第一反应段的氨气进口段连通，以将预热后的氨气依次送入第一反应段和第二反应段内并进行反应；具体地，在本实施例中，换热盘管螺旋缠绕于固定床反应器的外壁上；
燃烧器1，设置于加热区内且位于壳体内壁与第一反应段之间，以维持第一反应段内的反应温度；具体地，在本实施例中，燃烧器为多孔介质燃烧器；
分割板7，设置于壳体内，并将壳体分割为加热区和换热区，分割板上开设若干尾气通孔，以使燃烧器内的尾气通过尾气通孔进入换热区内作为换热介质。
本实施例还提供了一种包括上述装置的氨分解系统，见图5，包括，
第一换热装置8，分别与换热盘管的氨气进口端及所述第二反应段的氢氮混合气出口端连接，以使在所述第一换热装置内与氢氮混合气进行间接换热后的氨气进入所述第一反应段；具体地，在本实施例中，第一换热装置为第一换热器；
第二换热装置9，分别与所述换热区及所述加热区连接，以使在所述第二换热装置内与来自所述换热区内的尾气进行间接换热后的燃料气进入所述加热区燃烧；具体地，在本实施例中，第二换热装置为第二换热器；
氨脱除装置12，与所述第一换热装置连接，以将换热后的氢氮混合气送入所述氨脱除装置内脱除氢氮混合气中的残留氨；所述氨脱除装置与氢燃料电池15连通，以将脱除残留氨后的氢氮混合气送入氢燃料电池内；所述氢燃料电池的尾气出口与所述第二换热装置连接，以将所述氢燃料电池排出的含氢尾气与燃料气混合并经换热后送入所述加热区内燃烧；
氨储罐10，与第一换热装置连接；
燃料罐11，与第二换热装置连接；
此外，本实施例还提供了一种氨分解的方法，包括如下步骤，氨气以1000mL/(gcat·h)的空速依次经第一反应段和第二反应段进行分解，产生氮氢混合物；氮氢混合物经氮脱除装置后进入氢燃料电池，为其提供原料，氢燃料电池排出含氢尾气与燃料气混合并经换热后送入所述加热区内燃烧；其中，第一反应段的反应温度为650℃，第二反应段的反应温度为450℃。
此外，本实施例还提供了一种氨分解制氢的方法及氢气的循环利用，包括，氨气从氨气储存装置中排出，经换热器后进入氨分解装置的盘管中，经加热后依次进入第一固定床反应器和第二固定床反应器进行分解，产生氮氢混合物，氮氢混合物经氨脱除装置后进入燃料电池中，为其供气，燃料电池排出的氢气尾气进行燃料，与燃料储存装置提供的燃料进行换热。
实施例5
本实施例提供了一种氨分解装置，结构见图1，包括壳体，沿所述壳体的长度方向，所述壳体包括依次连通的加热区和换热区6；
反应段2，包括依次连通设置的第一反应段3和第二反应段5，第一反应段设置于加热区内且其内填充镍基催化剂以形成镍基催化剂层，第二反应段设置于换热区内且其内填充钌基催化剂以形成钌基催化剂层；具体地，在本实施例中，反应段2为固定床反应器，固定床反应器的高径比为8:1，第一反应段和第二反应段设置在同一固定床反应器内，第一反应段3设置在固定床反应器内靠近加热区的一端，第二反应段5设置在固定床反应器内靠近换热区的一端，镍基催化剂层与所述钌基催化剂层的厚度比为3:1，固定床反应器的内径与镍基催化剂或钌基催化剂的颗粒粒径比为20:1；
换热盘管4，依次螺旋缠绕于第二反应段和第一反应段的外壁上，换热盘管的氨气进口靠近第二反应段的氢氮混合气出口端设置，换热盘管的氨气出口与第一反应段的氨气进口段连通，以将预热后的氨气依次送入第一反应段和第二反应段内并进行反应；具体地，在本实施例中，换热盘管螺旋缠绕于固定床反应器的外壁上；
燃烧器1，设置于加热区内且位于壳体内壁与第一反应段之间，以维持第一反应段内的反应温度；具体地，在本实施例中，燃烧器为多孔介质燃烧器；
分割板7，设置于壳体内，并将壳体分割为加热区和换热区，分割板上开设若干尾气通孔，以使燃烧器内的尾气通过尾气通孔进入换热区内作为换热介质。
本实施例还提供了一种包括上述装置的氨分解制氢系统，见图6，包括，
第一换热装置8，分别与换热盘管的氨气进口端及所述第二反应段的氢氮混合气出口端连接，以使在所述第一换热装置内与氢氮混合气进行间接换热后的氨气进入所述第一反应段；具体地，在本实施例中，第一换热装置为第一换热器；
第二换热装置9，分别与所述换热区及所述加热区连接，以使在所述第二换热装置内与来自所述换热区内的尾气进行间接换热后的燃料气进入所述加热区燃烧；具体地，在本实施例中，第二换热装置为第二换热器；
变压吸附装置，与第一换热装置连接，以将换热后的氢氮混合气送入气体变压吸附装置内并分离得到高纯氢；
氨储罐10，与第一换热装置连接；
燃料罐11，与第二换热装置连接；
此外，本实施例还提供了一种氨分解的方法，包括如下步骤，氨气以5000mL/(gcat·h)的空速依次经第一反应段和第二反应段进行分解，产生氮氢混合物；氮氢混合物经变压吸附装置后制得高纯氢；其中，第一反应段的反应温度为850℃，第二反应段的反应温度为450℃，制得的高纯氢气的体积分数为99.9％，氢气回收率为60％。
实施例6
本实施例提供了一种氨分解装置，结构见图1，包括壳体，沿所述壳体的长度方向，所述壳体包括依次连通的加热区和换热区6；
反应段2，包括依次连通设置的第一反应段3和第二反应段5，第一反应段设置于加热区内且其内填充镍基催化剂以形成镍基催化剂层，第二反应段设置于换热区内且其内填充钌基催化剂以形成钌基催化剂层；具体地，在本实施例中，反应段2为固定床反应器，固定床反应器的高径比为8:1，第一反应段和第二反应段设置在同一固定床反应器内，第一反应段3设置在固定床反应器内靠近加热区的一端，第二反应段5设置在固定床反应器内靠近换热区的一端，镍基催化剂层与所述钌基催化剂层的厚度比为3:1，固定床反应器的内径与镍基催化剂或钌基催化剂的颗粒粒径比为20:1；
换热盘管4，依次螺旋缠绕于第二反应段和第一反应段的外壁上，换热盘管的氨气进口靠近第二反应段的氢氮混合气出口端设置，换热盘管的氨气出口与第一反应段的氨气进口段连通，以将预热后的氨气依次送入第一反应段和第二反应段内并进行反应；具体地，在本实施例中，换热盘管螺旋缠绕于固定床反应器的外壁上；
燃烧器1，设置于加热区内且位于壳体内壁与第一反应段之间，以维持第一反应段内的反应温度；具体地，在本实施例中，燃烧器为多孔介质燃烧器；
分割板7，设置于壳体内，并将壳体分割为加热区和换热区，分割板上开设若干尾气通孔，以使燃烧器内的尾气通过尾气通孔进入换热区内作为换热介质。
本实施例还提供了一种包括上述装置的氨分解制氢系统，见图7，包括，
第一换热装置8，分别与换热盘管的氨气进口端及所述第二反应段的氢氮混合气出口端连接，以使在所述第一换热装置内与氢氮混合气进行间接换热后的氨气进入所述第一反应段；具体地，在本实施例中，第一换热装置为第一换热器；
第二换热装置9，分别与所述换热区及所述加热区连接，以使在所述第二换热装置内与来自所述换热区内的尾气进行间接换热后的燃料气进入所述加热区燃烧；具体地，在本实施例中，第二换热装置为第二换热器；
膜分离装置，与第一换热装置连接，以将换热后的氢氮混合气送入膜分离装置内并分离得到高纯氢；
氨储罐10，与第一换热装置连接；
燃料罐11，与第二换热装置连接；
此外，本实施例还提供了一种氨分解的方法，包括如下步骤，氨气以5000mL/(gcat·h)的空速依次经第一反应段和第二反应段进行分解，产生氮氢混合物；氮氢混合物经膜分离装置后制得高纯氢；其中，第一反应段的反应温度为850℃，第二反应段的反应温度为450℃，制得的高纯氢气的体积分数为94％，氢气回收率为92％。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种氨分解装置，包括壳体，其特征在于，所述壳体包括加热区和换热区；
反应段，包括依次连通设置的第一反应段和第二反应段，所述第一反应段设置于所述加热区内且其内填充镍基催化剂以形成镍基催化剂层，所述第二反应段设置于所述换热区内且其内填充钌基催化剂以形成钌基催化剂层；
换热盘管，依次螺旋缠绕于所述第二反应段和第一反应段的外壁上，所述换热盘管的氨气进口靠近所述第二反应段的氢氮混合气出口端设置，所述换热盘管的氨气出口与所述第一反应段的氨气进口段连通，以将预热后的氨气依次送入所述第一反应段和第二反应段内并进行反应；
所述加热区和换热区沿壳体的长度方向依次连通设置或者通过孔道并排连通设置。
2.根据权利要求1所述的氨分解装置，其特征在于，所述镍基催化剂层与所述钌基催化剂层的厚度比为(1-3):1。
3.根据权利要求1或2所述的氨分解装置，其特征在于，所述反应段的高径比为(5-10)：1。
4.根据权利要求1或2所述的氨分解装置，其特征在于，还包括，
燃烧器，设置于所述加热区内且位于所述壳体内壁与所述第一反应段之间，以维持所述第一反应段内的反应温度；
分割板，设置于所述壳体内，并将所述壳体分割为加热区和换热区，所述分割板上开设若干尾气通孔，以使所述燃烧器内的尾气通过所述尾气通孔进入所述换热区内作为换热介质。
5.根据权利要求1或2所述的氨分解装置，其特征在于，所述反应段至少为两个，彼此并排设置于所述壳体内；
所述反应段的内径与镍基催化剂或钌基催化剂的颗粒粒径比为(8-50)：1。
6.根据权利要求4所述的氨分解装置，其特征在于，所述反应段为固定床反应器；
所述燃烧器为多孔介质燃烧器或催化燃烧器。
7.一种氨分解系统，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述氨分解装置，还包括，
第一换热装置，分别与所述换热盘管的氨气进口端及所述第二反应段的氢氮混合气出口端连接，以使在所述第一换热装置内与氢氮混合气进行间接换热后的氨气进入所述第一反应段；
第二换热装置，分别与所述换热区及所述加热区连接，以使在所述第二换热装置内与来自所述换热区内的尾气进行间接换热后的燃料气进入所述加热区燃烧。
8.根据权利要求7所述的氨分解系统，其特征在于，还包括，
气体分离装置，与所述第一换热装置连接，以将换热后的氢氮混合气送入所述气体分离装置内并分离得到高纯氢；所述气体分离装置包括双向连通设置的变压吸附装置和膜分离装置，所述变压吸附装置与所述第一换热装置连接，以将换热后的氢氮混合气送入所述变压吸附装置内并分离得到高纯氢；所述变压吸附装置和膜分离装置双向连通，以将所述变压吸附装置内未分离的氮氢混合物经所述膜分离装置后循环送入所述变压吸附装置内并分离得到高纯氢；或，
氨脱除装置，与所述第一换热装置连接，以将换热后的氢氮混合气送入所述氨脱除装置内脱除氢氮混合气中的残留氨；所述氨脱除装置与氢燃料电池连通，以将脱除残留氨后的氢氮混合气送入氢燃料电池内；所述氢燃料电池的尾气出口与所述第二换热装置连接，以将所述氢燃料电池排出的含氢尾气与燃料气混合并经换热后送入所述加热区内燃烧；
氨储罐，与所述第一换热装置连接；
燃料罐，与所述第二换热装置连接。
9.根据权利要求7或8所述的氨分解系统，其特征在于，所述第一换热装置为换热器或蒸发器；
所述第二换热装置为换热器或蒸发器。
10.一种采用权利要求1-6中任一项所述的氨分解装置的氨分解方法，包括如下步骤：氨气以500-10000mL/(gcat·h)的空速依次经所述第一反应段和第二反应段进行分解产生氮氢混合物，所述第一反应段内的反应温度为650-850℃；所述第二反应段内的反应温度为450-600℃。
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