CN113184806A

CN113184806A - 一种太阳能氨分解制氢系统及工艺方法

Info

Publication number: CN113184806A
Application number: CN202110590892.5A
Authority: CN
Inventors: 陈晨; 杜伟; 赵建国; 钱挺; 何兴
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2021-05-28
Filing date: 2021-05-28
Publication date: 2021-07-30

Abstract

本发明公开了一种太阳能氨分解制氢系统及工艺，属于氨分解制氢技术领域，该系统包括太阳能吸热系统、熔盐式储热系统、氨反应发生系统和熔盐储存系统；所述太阳能吸热系统、熔盐式储热系统和氨反应发生系统依次通过热盐管道连接，氨反应发生系统、熔盐储存系统和太阳能吸热系统通过冷盐管道连接。本发明将太阳能转化成热能，对熔盐进行加热，然后将熔盐的热量传递给氨气使氨气分解制氢，本发明的储热系统可以维持系统进行24小时稳定运行，有利于太阳能的高效利用，借助熔盐的反复利用，可以大大减少运行过程中的材料损耗效率，使得经济成本比现有的电解水制氢低，同时具有更高效，对环境更环保等优点。

Description

一种太阳能氨分解制氢系统及工艺方法

技术领域

本发明属于氨分解制氢技术领域，具体涉及一种太阳能氨分解制氢系统及工艺方法。

背景技术

在工业革命开始以来，由于传统化石能源的开发和利用已经发展到了十分成熟的阶段，大规模的开采和利用不仅造成了资源的缺乏，还造成了环境的污染破坏。近些年来，对氢气的研发一直在进行中，世界各国对氢能的研究都给予了一定程度上的重视。氢在自然界中的形式大部分都是以氢原子组成的，氢气都极少存在，因此对氢气的开发利用都只能先从制氢开始，人为生产出氢气。

目前存在的制氢工艺基本上都是利用电解水制氢，比较新颖的是利用风能发电或者是利用太阳能发电来电解水制氢。这个主要是由于风光发电行业存在的“弃风弃电”现象，通过电解水制氢就可以较好地缓解这一问题，但是利用电解水制氢还需要电解质等特殊材料，同时也受到风电和光热间歇性的问题，制氢效果并不能达到最好，而氨分解制氢技术，在理论上可以实现24小时制氢的效果，通过熔盐塔式技术，利用熔盐将太阳能储存起来，并储存在热盐罐中，同时热盐罐也是采用保温技术，将热盐罐中的熔盐温度保持在一个较稳定的状态，不会存在较高的能量损失。白天熔盐吸收热量并进行工作，同时将过多的热熔盐储存在热盐罐中，等到夜间再进行放热。

利用可逆热化学反应如式（1）:

（1）

通过热能与化学能转换进行储能，NH₃系统储能具有密度高、可逆反应易控制且无副反应、技术成熟、应用可靠、储存与分离简单等优点，使其成为太阳能热力发电首选的热化学储能物质，国外已进行了利用氨分解反应作为太阳能储热发电的实验研究，其效率多在0.6以上，因此该系统具有一定的实用前景。

发明内容

针对上述情况，本发明的目的在于提供太阳能氨分解制氢系统及工艺方法。

为达到上述目的，提出以下技术方案：

一种太阳能氨分解制氢系统，包括太阳能吸热系统、熔盐式储热系统、氨反应发生系统和熔盐储存系统；所述太阳能吸热系统、熔盐式储热系统和氨反应发生系统依次通过热盐管道连接，氨反应发生系统、熔盐储存系统和太阳能吸热系统通过冷盐管道连接。

进一步地，所述的氨反应发生系统包括氨分解反应器、氨储存罐、氢气储存罐和氮气储存罐，从热盐泵的出口汇成一管路后与氨分解反应器的内部通道的入口连接，氨分解反应器的外部通道通过气体管道分别与氨储存罐、氢气储存罐和氮气储存罐连接，氨分解反应器的内部通道的出口通过冷盐管道与熔盐储存系统连接。

进一步地，所述的熔盐储存系统包括熔盐预热器、冷盐罐和冷盐泵，氨分解反应器的内部通道的出口通过冷盐管道与熔盐预热器连接，熔盐预热器与冷盐罐连接，然后冷盐罐与冷盐泵连接，冷盐泵通过冷盐管道与太阳能吸热系统连接。

进一步地，所述的太阳能吸热系统包括定日镜场、吸热管和吸热塔，定日镜场将太阳能反射给吸热管，吸热管设于吸热塔上，冷盐泵通过冷盐管道与吸热管连接，吸热管通过热盐管道与熔盐式储热系统连接。

进一步地，所述熔盐式储热系统包括热盐罐和热盐泵，吸热管通过热盐管道与热盐罐连接，热盐罐与热盐泵连接，热盐泵的出口与氨分解反应器连接。

本发明还提出了一种太阳能氨分解制氢工艺方法，具体包括如下步骤：

1）定日镜场将太阳光反射到吸热管中，吸热管中的熔盐吸热，受热完成后的热熔盐从吸热管沿热盐管道流进热盐罐中进行储存保温；

2）通过热盐泵把热熔盐从热盐罐中抽取出来，熔盐通过热盐管道进入氨分解反应器中；

3）高温熔盐经过热盐管道进入到氨分解反应器的内部通道中，为氨分解制氢过程提供温度条件；

4）氨气从氨储存罐中流进氨分解反应器的外部通道内进行分解，得到H₂和N₂两种气体，随后分别进入到氢气储存罐和氮气储存罐中，熔盐经过换热之后温度就会下降到冷盐状态，经过冷盐管道进入到熔盐预热器中进行预热，以防发生凝固，随后进入到冷盐罐中进行储存，等到有阳光的时候再经过冷盐泵将冷熔盐经过冷盐管道打入到吸热塔上的吸热管中，如此循环反复，不断地为氨分解进行热量提供。

进一步地，所述的热盐罐中的热熔盐的温度为540~560℃，甚至温度可以更高。

进一步地，氨气从氨储存罐中流进氨分解反应器的外部通道内进行分解，得到H₂和N₂两种气体，经过膜分离进行提纯，随后分别进入到氢气储存罐和氮气储存罐中。

进一步地，冷盐罐（11）中的熔盐的温度为260℃以上。

本系统应用的主要是二元熔盐，由质量分数分别为 60%、40% 的 NaNO₃和 KNO₃组成，通常称为太阳盐。该盐最高耐温 620 ℃，实际运行温度为260～565 ℃。

本发明的有益成果是：

1、一种基于储热式的太阳能氨分解制氢系统，由于太阳能具有间歇性，储热系统可以维持系统进行24小时稳定运行，有利于太阳能的高效利用。

2、氨基系统原料丰富廉价、可以全天候连续供能，储能密度高、可逆反应易控制且无副反应、技术成熟、应用可靠、储存与分离简单。

3、基于储热式的太阳能氨分解制氢系统，借助熔盐的反复利用，可以大大减少运行过程中的材料损耗效率，使得经济成本比现有的电解水制氢低，同时具有更高效，对环境更环保的优点。

附图说明

图1为本发明的系统流程工艺图；

图中：1—定日镜场；2—吸热管；3—吸热塔；4—热盐管道；5—氨分解反应器；6—氨储存罐; 7—氢气储存罐；8—氮气储存罐；9—气体管道；10—熔盐预热器；11—冷盐罐；12—冷盐泵；13—热盐罐；14—热盐泵；15—冷盐管道。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行进一步地说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1所示，太阳能氨分解制氢系统包括定日镜场1、吸热管2、吸热塔3、热盐管道4、氨分解反应器5、氨储存罐6、氢气储存罐7、氮气储存罐8、气体管道9、熔盐预热器10、冷盐罐11、冷盐泵12、热盐罐13、热盐泵14和冷盐管道15，定日镜场1吸收太阳光给吸热管2，吸热管2设置于吸热塔3上，吸热管2通过热盐管道4与热盐罐13连接，热盐罐13与热盐泵14连接，热盐泵14的出口通过热盐管道4与氨分解反应器5的入口连接，与氨分解反应器5的内部管道的进口连接，氨储存罐6、氢气储存罐7和氮气储存罐8通过气体管道9与氨分解反应器5的外部管道连接，氨分解反应器5的内部管道的出口与熔盐预热器10的入口通过冷盐管道15连接，熔盐预热器10的出口和冷盐罐11的入相连接，冷盐罐11的出口与冷盐泵12连接，冷盐泵12通过冷盐管道15与吸热管2连接，形成一个循环回路。

一种太阳能氨分解制氢工艺方法，具体包括如下步骤，太阳光从空中照射下来，经过定日镜场1的反射，光线就会反射到吸热管2中，在吸热管2中的熔盐就会进行吸热工作，熔盐就会从260℃左右提升为560℃以上，受热完成后的热熔盐就会从吸热管2中流向热盐管道4，在热盐管道4中的熔盐就会流进热盐罐13中进行储存保温，熔盐温度就会保持在560℃左右，把热熔盐从热盐罐13中抽取出来，就是利用热盐泵14将熔盐从热盐罐13中取出，然后再借助热盐管道4把熔盐传输到氨反应发生系统中，熔盐通过热盐管道4进入到氨分解反应器5的内部通道中，为氨分解制氢过程提供温度条件，再接着，氨气从氨储存罐6中流进氨分解反应器5的外部通道内进行分解，就会按照如式（2）反应进行，

（2）

得到H₂和N₂两种气体，产生的N₂和H₂由于性质的差异，在产生之后就不会进行融合，再通过膜分离将N₂和H₂筛选分离开来，随后进入到氢气储存罐7和氮气储存罐8中，熔盐经过换热之后温度就会下降到冷盐状态，经过冷盐管道15进入到熔盐预热器10中进行预加热，防止熔盐过冷发生凝固，预加热到260℃左右，熔盐再经过冷盐管道15进入到冷盐罐中进行储存，同时冷盐罐也具有保温功能，使得熔盐不会发生凝固。等到有阳光的时候再经过冷盐泵12将冷熔盐经过冷盐管道15打入到吸热塔3上的吸热管2中，阳光经过定日镜场1的反射后，将光集聚在吸热管2中，冷熔盐在吸热管2中再次进行吸热，升高温度成为热熔盐。热熔盐再经过热盐管道4进行后续流程，这样就完成了一次又一次的循环，不断地为氨分解进行热量提供。

Claims

1.一种太阳能氨分解制氢系统，其特征在于，包括太阳能吸热系统、熔盐式储热系统、氨反应发生系统和熔盐储存系统；所述太阳能吸热系统、熔盐式储热系统和氨反应发生系统依次通过热盐管道（4）连接，氨反应发生系统、熔盐储存系统和太阳能吸热系统通过冷盐管道（15）连接。

2.如权利要求1所述的一种太阳能氨分解制氢系统，其特征在于，所述的熔盐式储热系统包括热盐罐（13）、热盐泵（14）以及热盐管道（4），利用热盐管道（4）将热盐泵（14）和氨分解反应器（5）连接起来，热盐泵（14）的出口经过热盐管道（4）后与氨反应发生系统连接。

3.如权利要求2所述的一种太阳能氨分解制氢系统，其特征在于，所述的氨反应发生系统包括氨分解反应器（5）、氨储存罐（6）、氢气储存罐（7）和氮气储存罐（8），热盐泵（14）的出口汇成一管路后与氨分解反应器（5）的内部通道的入口连接，氨分解反应器（5）的外部通道通过气体管道（9）分别与氨储存罐（6）、氢气储存罐（7）和氮气储存罐（8）连接，氨分解反应器（5）的内部通道的出口通过冷盐管道（15）与熔盐储存系统连接。

4.如权利要求3所述的一种太阳能氨分解制氢系统，其特征在于，所述的熔盐储存系统包括熔盐预热器（10）、冷盐罐（11）和冷盐泵（12），氨分解反应器（5）的内部通道的出口通过冷盐管道（15）与熔盐预热器（10）连接，熔盐预热器（10）与冷盐罐（11）连接，冷盐泵（12）通过冷盐管道（15）与太阳能吸热系统连接。

5.如权利要求4所述的一种太阳能氨分解制氢系统，其特征在于，所述的太阳能吸热系统包括定日镜场（1）、吸热管（2）和吸热塔（3），定日镜场（1）将太阳能传给吸热管（2），吸热管（2）置于吸热塔（3）上，冷盐泵（12）通过冷盐管道（15）与吸热管（2）连接，吸热管（2）通过热盐管道（4）与熔盐式储热系统连接。

6.如权利要求5所述的一种太阳能氨分解制氢系统，其特征在于，所述熔盐式储热系统包括热盐罐（13）和热盐泵（14），吸热管（2）通过热盐管道（4）与热盐罐（13）连接，热盐罐（13）与热盐泵（14）连接，热盐泵（14）的出口通过热盐管道（4）和氨反应发生器（5）的内部通道的入口连接。

7.一种太阳能氨分解制氢工艺方法，具体包括如下步骤：

1）定日镜场（1）将太阳光反射到吸热管（2）中，吸热管（2）中的熔盐吸热，受热完成后的热熔盐从吸热管（2）沿热盐管道（4）流进热盐罐（13）中进行储存保温；

2）通过热盐泵（14）把热熔盐从热盐罐（13）中抽取出来，熔盐通过热盐管道（4）进入氨分解反应器（5）中；

3）高温熔盐经过热盐管道（4）进入到氨分解反应器（5）的内部通道中，为氨分解制氢过程提供温度条件；

4）氨气从氨储存罐（6）中流进氨分解反应器（5）的外部通道内进行分解，得到H₂和N₂两种气体，随后分别进入到氢气储存罐（7）和氮气储存罐（8）中，熔盐经过换热之后温度就会下降到冷盐状态，经过冷盐管道（15）进入到熔盐预热器（10）中进行预热，以防发生凝固，随后进入到冷盐罐（11）中进行储存，等到有阳光的时候再经过冷盐泵（12）将冷熔盐经过冷盐管道（15）打入到吸热塔（3）上的吸热管（2）中，如此循环反复，不断地为氨分解进行热量提供。

8.如权利要求7所述的一种太阳能氨分解制氢工艺方法，其特征在于，所述的热盐罐（13）中的热熔盐的温度为540~560℃。

9.如权利要求7所述的一种太阳能氨分解制氢工艺方法，其特征在于，氨气从氨储存罐（6）中流进氨分解反应器（5）的外部通道内进行分解，得到H₂和N₂两种气体，经过膜分离进行提纯，随后分别进入到氢气储存罐（7）和氮气储存罐（8）中。

10.如权利要求7所述的一种太阳能氨分解制氢工艺方法，其特征在于，冷盐罐（11）中的熔盐的温度为260℃以上，所述熔盐主要是二元熔盐，由质量分数分别为 60%、40% 的NaNO₃和 KNO₃组成。