CN111957270A - 一种氨分解制氢系统及加氢站系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的氨分解制氢系统及加氢站系统，氨分解装置包括氨分解单元以及作用在氨分解单元上的燃烧单元，氨气从第一净化气进口进入氨分解单元进行氨分解反应，生成的混合气从第二净化气出口排出后通过第二净化气进口进入到燃烧单元中，混合气中包括氮气、氢气及未分解氨气，混合气进入燃烧单元可以为氨分解单元的氨分解反应提供热量，实现了氨分解制氢系统中热量的自给自足，不需要额外的燃料进行供能，从而降低了氨分解制氢系统的成本。
Description
技术领域
本发明涉及制氢技术领域，具体涉及一种氨分解制氢系统及加氢站系统。
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。燃料电池具有效率高、噪音小、无污染的优点。目前氢能源汽车的主流发展方面正是氢燃料电池汽车。氢燃料电池车的工作原理大致为，氢气经过电池的阳极板在铂的催化剂下电离出氢离子(质子)，电子通过外电路产生电流供汽车使用，而氢离子则穿过质子交换膜到达阴极与空气中的氧原子重新结合为水。与传统汽车相比，燃料电池车能量转化效率高达60～80％，为内燃机的2～3倍。燃料电池的燃料是氢和氧，生成物是清洁的水，它本身工作不产生一氧化碳和二氧化碳，也没有硫和微粒排出。因此，氢燃料电池汽车是真正意义上的零排放、零污染的汽车。加氢站是给燃料电池汽车提供氢气的燃气站。
氨分解制氢是一种化学反应，是指液氨加热至800～850℃，在镍基催化剂作用下，将氨进行分解，可以得到含75％H2、25％N2的氢氮混合气体。原料氨容易得到，价格低廉，原料消耗较少。因此通过氨催化分解制氢为燃料电池供氢是一条高效、可靠的途径。然而由于氨分解反应为吸热反应，为了提供热量，反应过程中需要提供燃料罐，燃料罐中设置有燃料，燃料燃烧后产生的热量用来提供氨分解所需的热量。现有技术中的氨分解制氢系统中，均需要在燃料罐中供给额外的燃料进行反应，导致系统复杂，最终的成本相对较高。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有氨分解制氢系统需要采用额外的燃料进行供能、导致成本相对较高的缺陷，从而提供一种氨分解制氢系统及加氢站系统。
本发明提供一种氨分解制氢系统，包括氨分解装置，包括氨分解单元以及作用在所述氨分解单元上的燃烧单元，所述氨分解单元设置有第一净化气进口和第一净化气出口，所述燃烧单元上设置有第二净化气进口和第二净化气出口，通过所述第一净化气出口流出的混合气形成第一支路，并通过所述第二净化气进口进入到所述燃烧单元中。
进一步地，所述氨分解制氢系统还包括与所述第一支路彼此并联的第二支路，所述第二支路上设置有氨气吸附装置，沿混合气的流动方向，所述氨气吸附装置下游设置有氮气吸附装置，气体通过所述氮气吸附装置后形成第三支路和第四支路，所述第三支路连接有储氢装置，所述第四支路连接膜分离装置，通过所述膜分离装置形成第五支路和第六支路，所述第五支路连接有所述燃烧单元，所述第六支路连接作用在所述第二支路上并位于所述氮气吸附装置的上游。
进一步地，所述第二支路上位于所述氮气吸附装置与所述氨气吸附装置之间的部位设置有混合器，所述第六支路连接在所述混合器上。
进一步地，所述氨分解制氢系统还包括液氨储存装置，所述液氨储存装置与所述氨分解装置之间形成第七支路，所述第七支路与所述第二支路相交汇的位置上设置有第一换热装置，以使来自所述液氨储存装置的液氨在第一换热装置中换热汽化，并由所述第一净化气进口进入所述氨分解单元。
进一步地，混合气通过所述燃烧单元后形成第八支路，所述第八支路与所述氨气吸附装置相连接，用于氨气吸附装置的再生。
进一步地，所述氨分解制氢系统还包括第二换热装置，设置在所述第七支路上与所述第八支路交汇的部位，通过所述第一换热装置的氨气在第二换热装置内与来自燃烧单元的燃烧废气换热后进入所述第一净化气进口。
进一步地，所述氨分解制氢系统还包括还包括水冷单元，设置在所述第二支路上并位于所述第一换热装置的下游位置，来自第一换热装置的混合气在水冷单元内降温后，进入氨气吸附装置。
进一步地，所述第二支路上位于所述氨气吸附装置与所述氮气吸附装置之间的部位还设置有第一压缩机，来自所述氨气吸附装置的混合气经第一压缩机加压至所述氮气吸附装置所需的压力大小后，进入所述氮气吸附装置。
进一步地，所述氨气吸附装置包括两个氨吸附单元，所述氮气吸附装置包括两个相互连通的变压吸附单元，所述氨分解单元的混合气出口、氨吸附单元及变压吸附单元连通。
进一步地，所述储氢系统包括依次连通的低压储氢单元、第二压缩机和高压储氢单元。
进一步地，所述变压吸附单元为变压吸附床，所述氨吸附单元为氨气吸附床。
本发明还提供一种加氢站系统，包括上述的氨分解制氢系统。
进一步地，上述加氢站系统还包括加氢系统，包括依次连通的氢气增压机、氢气冷却单元及加氢机。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的氨分解制氢系统及加氢站系统，氨分解装置包括氨分解单元以及作用在所述氨分解单元上的燃烧单元，氨气从第一净化气进口进入所述氨分解单元进行氨分解反应，生成的混合气从第二净化气出口排出后通过所述第二净化气进口进入到所述燃烧单元中，混合气中包括氮气、氢气及未分解氨气，混合气进入燃烧单元可以为氨分解单元的氨分解反应提供热量，实现了氨分解制氢系统中热量的自给自足，不需要额外的燃料进行供能，从而降低了氨分解制氢系统的成本。
2.本发明提供的氨分解制氢系统及加氢站系统，所述膜分离装置通过第五支路与所述燃烧单元连通，以使来自所述膜分离装置的废气进入燃烧单元，充分利用了废气中残留的氢气，从而降低了系统的整体能耗。
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为本发明的实施例中提供的氨分解制氢系统的结构示意图；
图2为本发明的实施例中提供的氨分解制氢系统的连接关系示意图；
附图说明：
1－氨分解装置；1a－氨分解单元；1b－燃烧单元；2－氨气吸附装置；2a－氨吸附单元；3－氮气吸附装置；3a－变压吸附单元；4－膜分离装置；5－液氨储存装置；6－第一换热装置；7－第二换热装置；8－混合器；9－水冷单元；10－储氢装置；10a－低压储氢单元；10b－高压储氢单元；10c－第二压缩机；11－加氢系统；11a－氢气增压机；11b－氢气冷却单元；11c－加氢机；12－氨气储存装置；13－第一压缩机；14－第三压缩机。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种氨分解制氢系统，包括氨分解装置1，氨分解装置1包括氨分解单元1a以及作用在氨分解单元1a上的燃烧单元1b，氨分解单元1a设置有第一净化气进口和第一净化气出口，燃烧单元1b上设置有第二净化气进口和第二净化气出口。其中，通过第一净化气出口流出的混合气形成第一支路，并通过第二净化气进口进入到燃烧单元1b中。
上述氨分解制氢系统，氨气从第一净化气进口进入氨分解单元1a进行氨分解反应，生成的混合气从第二净化气出口排出后通过第二净化气进口进入到燃烧单元1b中，混合气中包括氮气、氢气及未分解氨气，混合气进入燃烧单元1b可以为氨分解单元1a的氨分解反应提供热量，实现了氨分解制氢系统中热量的自给自足，不需要额外的燃料进行供能，从而降低了氨分解制氢系统的成本。
具体的，氨分解单元1a内填充有氨分解催化剂，燃烧单元1b内填充有催化燃烧催化剂，来自氨分解单元1a的混合气进入燃烧单元1b内，在催化燃烧催化剂的作用下与进入燃烧单元1b的空气发生反应并产生大量热量，该热量用于氨分解单元1a的氨分解反应。本实施例中，氨分解单元1a与燃烧单元1b的结构不做过多限定，氨分解单元与燃烧单元可相邻设置。进一步地，氨分解催化剂可以为Fe基氨分解催化剂、Ni基氨分解催化剂或Ru基氨分解催化剂，催化燃烧催化剂为氢催化燃烧催化剂或氨催化燃烧催化剂，其中，氢催化燃烧催化剂为MgAl2O4、Mn－Co－Cu－Fe－Ni/γ－Al2O3/堇青石、Pt/γ－Al2O3/堇青石或Pt/CexZr1－xO2/γ－Al2O3，氨催化燃烧催化剂为Fe2O3、V2O5、Cr2O3、MoOx或WOx。需要理解的是，本申请对燃烧单元1b中的空气进气口不做具体限定，仅需保证空气进入燃料单元1b中即可。
上述氨分解制氢系统还包括第二支路、第三支路、第四支路、第五支路、第六支路、第七支路和第八支路，各支路结构如图2所示：
第二支路，与第一支路彼此并联，氨分解单元1a生成的混合气一部分进入第一支路，另一部分进入第二支路，第二支路上设置有氨气吸附装置2，沿混合气的流动方向，氨气吸附装置2下游设置有氮气吸附装置3，来自氨分解单元1a的混合气进入第二支路后，首先在氨气吸附装置2中除去未分解氨气，随后进入氮气吸附装置3分离氮气以得到纯度较高的氢气。具体的，第一支路与第三支路的交汇处设置有三通阀，以使氨分解单元1a产生的混合气，一部分进入第一支路，另一部分进入第二支路；氨气吸附装置2包括两个氨吸附单元2a，氮气吸附装置3包括两个相互连通的变压吸附单元3a，氨分解单元1a的第一净化气出口、氨吸附单元2a及变压吸附单元3a连通，变压吸附单元3a为变压吸附床，氨吸附单元2a为氨气吸附床。
具体的，在第二支路上位于氨气吸附装置2与氮气吸附装置3之间的部位还设置有第一压缩机13，来自氨气吸附装置2的混合气经第一压缩机13加压至氮气吸附装置3所需的压力大小后，进入氮气吸附装置3。
第三支路，气体通过氮气吸附装置3后形成，连接有储氢装置10。气体经氮气吸附装置3进行氮气吸附后，分别形成纯度较高的氢气及具有少量氢气的混合气，其中，纯度较高的氢气进入储氢装置10进行氢气的储存。具体的，储氢系统包括依次连通的低压储氢单元10a、第二压缩机10c和高压储氢单元10b，其中低压储氢单元10a为低压储氢罐，高压储氢单元10b为高压储氢罐，氢气首先进入低压储氢罐中，经过第二压缩机10c增压后进入高压储氢罐进行存储。
第四支路，气体通过氮气吸附装置3后形成，连接膜分离装置4。来自氮气吸附装置3的具有少量氢气的混合气进入膜分离装置4，经过分离得到废气和含有少量氮气的混合气，废气为具有较少氢气的混合气。
第五支路，气体通过通过膜分离装置4形成，第五支路连接有燃烧单元1b。沿着废气流通的方向，膜分离装置4的下游设置有三通阀，以使来自膜分离装置4的部分废气排出，另一部分废气进入燃烧单元1b，从而充分利用废气中残留的氢气，降低系统的整体能耗。
第六支路，气体通过通过膜分离装置4形成，第六支路连接作用在第二支路上并位于氮气吸附装置3的上游。来自膜分离装置4的含有少量氮气的混合气经第六支路进入第二支路中，以在氮气吸附装置3中进行氨气吸附后进入储氢装置10。氮气吸附装置3和膜分离装置4通过第二支路、第四支路和第六支路实现了双向连通，使氮气吸附装置3内未分离的混合气经膜分离装置4后循环送入氮气吸附装置3内并分离得到高纯氢。
具体的，第二支路上位于氮气吸附装置3与氨气吸附装置2之间的部位设置有混合器8，第六支路连接在混合器8上，混合器8用于将来自膜分离装置4的含有少量氮气的混合气和来自氨气吸附装置2的混合气混合，使其一同进入氮气吸附装置3进行氢气的分离；
在第四支路上位于氮气吸附装置3与膜分离装置4之间的部位还设置有第三压缩机14，来自氮气吸附装置3的具有少量氢气的混合气经第三压缩机14加压至膜分离装置4所需的压力大小后，进入膜分离装置4。
第七支路，形成于液氨储存装置5与氨分解装置1之间，第七支路与第二支路相交汇的位置上设置有第一换热装置6，以使来自液氨储存装置5的液氨在第一换热装置6中换热汽化，并由第一净化气进口进入氨分解单元1a。具体的，第一换热装置6为蒸发器，液氨储存装置5为液氨储存罐。液氨储存装置5与氨分解装置1之间还设置有氨气储存装置12，氨气储存装置12为氨气储存罐，以将来自第一换热装置6的氨气储存在氨气储存罐内。
第八支路，混合气通过燃烧单元1b后形成，第八支路与氨气吸附装置2相连接。在第七支路上与第八支路交汇的部位还设置有第二换热装置7，通过第一换热装置6的氨气在第二换热装置7内与来自燃烧单元1b的燃烧废气换热后进入第一净化气进口，以充分利用燃烧废气中的热量，第二换热装置7可为管壳式换热器。沿着燃烧废气的流通方向，第一换热装置6的下游设置有三通阀，经第二换热装置7换热的部分燃烧废气经三通阀排出，另一部分燃烧废气进入氨气吸附装置2，作为吹扫气用于氨气吸附床的脱附。需要理解的是，氨气吸附床中的氨气吸附柱在室温下可以吸附氨气，在吸附量接近饱和时需要对其进行脱附处理，脱附处理过程需要对氨气吸附柱进行加热。来自燃烧单元1b的燃烧废气具有一定的热量，将其作为吹扫气可以在对氨气吸附柱进行加热的同时，将脱附的氨气带走并排出，实现了燃烧废气的热量的梯度利用。
此外，在第二支路上并位于第一换热装置6的下游位置还设置有水冷单元9，来自第一换热装置6的混合气在水冷单元9内降温后，进入氨气吸附装置2。具体的，水冷单元9可为管壳式水冷器、螺旋盘管式水冷器或板翅式换热器。
本实施例还提供一种加氢站系统，包括上述的氨分解制氢系统。该加氢站系统具有上述氨分解制氢系统的全部优点，在此不再赘述。
上述加氢站系统还包括加氢系统11，包括依次连通的氢气增压机11a、氢气冷却单元11b及若干并联设置的加氢机11c。在高压储氢罐中储存的氢气进入氢气增压机11a，将氢气加压到加氢所需要的压力水平，并经过氢气冷却单元11b进入加氢机11c中为汽车进行加氢。
需要理解的是，车载储氢罐内的压力有350bar和700bar两个等级，因此加氢站需要提供更高的氢气压力才可以进行加注，通常加氢站中最高压力水平为900bar。而低压储氢罐通常压力为5～20bar，从该压力至加氢站所需的最高压力水平，其总压比为45～180，因此本申请通过高压储氢罐及氢气增压机11a进行分段压缩，以便于得到较高压力的氢气。
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。而由此所引伸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)
1.一种氨分解制氢系统，其特征在于，包括
氨分解装置(1)，包括氨分解单元(1a)以及作用在所述氨分解单元(1a)上的燃烧单元(1b)，所述氨分解单元(1a)设置有第一净化气进口和第一净化气出口，所述燃烧单元(1b)上设置有第二净化气进口和第二净化气出口，通过所述第一净化气出口流出的混合气形成第一支路，并通过所述第二净化气进口进入到所述燃烧单元(1b)中。
2.根据权利要求1所述的氨分解制氢系统，其特征在于，还包括与所述第一支路彼此并联的第二支路，所述第二支路上设置有氨气吸附装置(2)，沿混合气的流动方向，所述氨气吸附装置(2)下游设置有氮气吸附装置(3)，气体通过所述氮气吸附装置(3)后形成第三支路和第四支路，所述第三支路连接有储氢装置(10)，所述第四支路连接膜分离装置(4)，通过所述膜分离装置(4)形成第五支路和第六支路，所述第五支路连接有所述燃烧单元(1b)，所述第六支路连接作用在所述第二支路上并位于所述氮气吸附装置(3)的上游。
3.根据权利要求2所述的氨分解制氢系统，其特征在于，还包括液氨储存装置(5)，所述液氨储存装置(5)与所述氨分解装置(1)之间形成第七支路，所述第七支路与所述第二支路相交汇的位置上设置有第一换热装置(6)，以使来自所述液氨储存装置(5)的液氨在第一换热装置(6)中换热汽化，并由所述第一净化气进口进入所述氨分解单元(1a)。
4.根据权利要求3所述的氨分解制氢系统，其特征在于，混合气通过所述燃烧单元(1b)后形成第八支路，所述第八支路与所述氨气吸附装置(2)相连接。
5.根据权利要求4所述的氨分解制氢系统，其特征在于，还包括第二换热装置(7)，设置在所述第七支路上与所述第八支路交汇的部位，通过所述第一换热装置(6)的氨气在第二换热装置(7)内与来自燃烧单元(1b)的燃烧废气换热后进入所述第一净化气进口。
6.根据权利要求2－5任一项所述的氨分解制氢系统，其特征在于，所述第二支路上位于所述氮气吸附装置(3)与所述氨气吸附装置(2)之间的部位设置有混合器(8)，所述第六支路连接在所述混合器(8)上。
7.根据权利要求3－5任一项所述的氨分解制氢系统，其特征在于，还包括水冷单元(9)，设置在所述第二支路上并位于所述第一换热装置(6)的下游位置，来自第一换热装置(6)的混合气在水冷单元(9)内降温后，进入氨气吸附装置(2)。
8.根据权利要求2－5任一项所述的氨分解制氢系统，其特征在于，所述第二支路上位于所述氨气吸附装置(2)与所述氮气吸附装置(3)之间的部位还设置有第一压缩机。
9.根据权利要求2－5任一项所述的氨分解制氢系统，其特征在于，所述氨气吸附装置(2)包括两个氨吸附单元(2a)，所述氮气吸附装置(3)包括两个相互连通的变压吸附单元(3a)，所述氨分解单元(1a)的混合气出口、氨吸附单元(2a)及变压吸附单元(3a)连通。
10.一种加氢站系统，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的氨分解制氢系统。
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