CN115180592B - 一种加快氨裂解制氢接触反应的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种加快氨裂解制氢接触反应的装置和方法，所述装置包括进料单元、反应单元、加热单元、排气单元以及卸料单元；所述反应单元内部设置有滤网机构和搅拌机构；本发明所述装置通过搅拌机构以及滤网机构的设置，可使裂解炉内的氨气与催化剂充分接触，提高制氢效率；同时设计优化了卸料单元，方便催化剂的更换；所述方法基于装置结构的优化，再通过多方面反应条件的协同配合，进一步促进了氨气与催化剂的接触，有利于工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于氨裂解制氢技术领域，具体涉及一种加快氨裂解制氢接触反应的装置和方法。
背景技术
氨分解制氢主要是指将氨加热至800-850℃，在催化剂作用下，氨(气态)进行分解，得到含75％H2、25％N2的氢氮混合气体。后续再对混合气体进行氢气提纯处理，最后可制得高纯氢气。
现有氨分解装置存在较大的局限性。大多采用液氨为原料，在低压下，经气化器蒸发气化进入裂解炉。裂解炉内置电炉用于提供热源输出，来保证氨分解所需的高温；氨进入裂解炉胆，在催化剂的作用下高温裂解成氢氮混合气体。由于其结构与热量来源的限制，装置规模较小，制氢量基本在5000Nm3/h及以下，能耗高，电耗量≥1度/Nm3氢气。同时又要考虑内置电炉的安全性，装置只能在低压下工作。
如CN201512408U公开的一种氨裂解炉制氢装置，包括氨裂解炉，氨裂解炉固定在支座上，在氨裂解炉的下端有燃烧器，燃烧器通过管道与油泵连接，在氨裂解炉的下端中间有反应管，液氨蒸发器的一端与氨泵连接，液氨蒸发器的另一端有输氨管，输氨管穿过氨裂解炉并通入反应管内，反应管的下端有出气管，穿过输氨管并输出，氨裂解炉的顶端为排烟囱。该装置在反应管中进行，不仅规模较小，还会导致催化剂与氨气接触不充分。
CN214611516U公开了一种液态氨高温气化裂解制氢装置，包括出气气包、管束和进气气包，管束的底部连通有进气气包，管束的顶端连通有出气气包；该装置的本质相当于多个裂解反应管的并联，同样存在催化剂与氨气接触不充分的问题。
综上所述，如何提供一种可使氨气与催化剂充分接触，从而提升制氢效率的氨热裂解制氢装置与方法成为当前亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种加快氨裂解制氢接触反应的装置和方法，所述装置通过对反应单元内部结构的优化与设计，可使催化剂与氨气充分接触，并配合反应过程中参数条件的控制，有效提升了制氢效率，有利于工业化生产与应用。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种加快氨裂解制氢接触反应的装置，所述装置包括进料单元、反应单元、加热单元、排气单元以及卸料单元；
所述进料单元、所述排气单元以及所述卸料单元分别独立地与所述反应单元相连；所述加热单元用于给所述的反应单元加热；
所述反应单元内部设置有滤网机构和搅拌机构；
所述滤网机构包括水平设置的第一滤网和第二滤网；所述搅拌机构设置于所述第一滤网以及所述第二滤网之间；
所述搅拌机构包括驱动部分以及搅拌部分；所述搅拌部分包括横向固定杆，与所述横向固定杆垂直相连的纵杆，套设于所述纵杆上的从动伞齿轮，以及设置于所述纵杆末端的搅拌桨。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案，所述进料单元包括固体进料管和液氨进料管。
作为本发明优选的技术方案，所述反应单元包括裂解炉，但不包括炉胆，所述滤网机构与所述搅拌机构设置于所述裂解炉内。
作为本发明优选的技术方案，所述反应单元包括裂解炉以及设置于所述裂解炉内部的炉胆，所述滤网机构与所述搅拌机构设置于所述炉胆内。
作为本发明优选的技术方案，所述第一滤网固定安装于所述反应单元的上部，且高于所述固体进料管。
优选地，所述第二滤网固定安装于所述反应单元的下部，且位于所述固体进料管与所述液氨进料管之间。
作为本发明优选的技术方案，所述搅拌机构的驱动部分包括依次连接的电机、驱动轴以及主动伞齿轮，所述主动伞齿轮与所述从动伞齿轮相适配。
优选地，搅拌桨包括搅拌横杆以及与所述搅拌横杆相连的搅拌竖杆，或环形横板以及与所述环形横板相连的搅拌竖杆。
优选地，相邻搅拌竖杆间的间距为1.5-2cm，例如1.5cm、1.6cm、1.7cm、1.8cm、1.9cm或2cm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，搅拌竖杆的疏密会影响搅拌过程中催化剂与氨气的接触情况。若间距过密，催化剂多数在平面内被搅动，提升的接触面积有限；若间距过宽，搅拌效果较差。
优选地，所述搅拌竖杆的长度为16-22cm，例如16cm、17cm、18cm、19cm、20cm、21cm或22cm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，搅拌竖杆的长度需适宜，才能保证搅拌的效果。
优选地，所述搅拌竖杆的材质包括不锈钢。
作为本发明优选的技术方案，所述加热单元包括加热器。
优选地，所述反应单元包括裂解炉但不包括炉胆时，所述加热器固定安装与所述裂解炉的内壁上。
优选地，所述反应单元包括裂解炉以及炉胆时，所述加热器包括燃烧器，安装于所述裂解炉以及炉胆之间。
作为本发明优选的技术方案，所述卸料单元包括转动机构、伸缩挡块、第二滤网以及卸料管；
所述转动机构与所述第二滤网的一端相连，且设置于远离所述卸料管的反应单元侧壁；
所述伸缩挡块设置于所述第二滤网另一端的下方，用于支撑第二滤网；
所述卸料管设置于所述反应单元的底部。
本发明中，当需要更换催化剂时，伸缩挡块回缩，通过转动机构控制第二滤网向下转动，使催化剂通过卸料管排出。
第二方面，本发明提供了一种加快氨裂解制氢接触反应的方法，所述方法采用第一方面所述装置进行，所述方法包括以下步骤：
将催化剂加入反应单元内，并通入液氨，同时开启搅拌机构并进行加热，发生裂解反应，得到氢气和氮气。
作为本发明优选的技术方案，所述催化剂的粒度D50为1.5-2.5mm，例如1.5mm、1.7mm、1.9mm、2.0mm、2.3mm或2.5mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述加热的温度为400-650℃，例如400℃、450℃、500℃、550℃、600℃或650℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述搅拌机构的转速为60-80rpm，例如60rpm、65rpm、70rpm、75rpm或80rpm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，所述方法结合催化剂颗粒大小、搅拌竖杆间距、液氨通入速率、搅拌速度以及滤网的设置等多方面条件的协同配合，使氨气与催化剂实现充分接触，提升了制氢效率，具有一定的经济效益。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明所述装置通过搅拌机构以及滤网机构的设置，可使裂解炉内的氨气与催化剂充分接触，提高制氢效率；同时设计优化了卸料机构，方便催化剂的更换；所述方法再结合催化剂颗粒大小、搅拌竖杆间距、液氨通入速率以及搅拌速度等多方面条件的协同配合，进一步促进了氨气与催化剂的接触，有利于工业化生产。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的一种加快氨裂解制氢接触反应装置的立体结构示意图。
图2是本发明实施例1提供的一种加快氨裂解制氢接触反应装置的正视剖面结构示意图。
图3是图2中，圈A的局部放大图。
其中，1-进料单元，11-固体进料管，12-液氨进料管，2-反应单元，21-裂解炉，22-炉胆，3-排气单元，4-卸料单元，41-转动机构，42-伸缩挡块，43-卸料管，5-加热单元，6-滤网机构，61-第一滤网，62-第二滤网，7-搅拌机构，71-电机，72-驱动轴，73-主动伞齿轮，74-横向固定杆，75-纵杆，76-从动伞齿轮，77-搅拌横杆，78-搅拌竖杆。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。
以下为本发明典型但非限制性实施例：
实施例1：
本实施例提供了一种加快氨裂解制氢接触反应的装置和方法，所述装置的立体结构图如图1所示，正式剖面图如图2所示，图2中圈A的放大图如图3所示，所述装置包括进料单元1、反应单元2、加热单元5、排气单元3以及卸料单元4；
所述进料单元1、所述排气单元3以及所述卸料单元4分别独立地与所述反应单元2相连；所述加热单元5用于给所述的反应单元2加热；
所述反应单元2内部设置有滤网机构6和搅拌机构7；
所述滤网机构6包括水平设置的第一滤网61和第二滤网62；所述搅拌机构7设置于所述第一滤网61以及所述第二滤网62之间；
所述搅拌机构7包括驱动部分以及搅拌部分；所述搅拌部分包括横向固定杆74，与所述横向固定杆74垂直相连的纵杆75，套设于所述纵杆75上的从动伞齿轮76，以及设置于所述纵杆75末端的搅拌桨。
所述进料单元1包括固体进料管11和液氨进料管12。
所述反应单元2包括裂解炉21以及设置于所述裂解炉21内部的炉胆22，所述滤网机构6与所述搅拌机构7设置于所述炉胆22内。
所述第一滤网61固定安装于所述反应单元2的上部，且高于所述固体进料管11。
所述第二滤网62固定安装于所述反应单元2的下部，且位于所述固体进料管11与所述液氨进料管12之间。
所述搅拌机构7的驱动部分包括依次连接的电机71、驱动轴72以及主动伞齿轮73，所述主动伞齿轮73与所述从动伞齿轮76相适配；
搅拌桨包括搅拌横杆77以及与所述搅拌横杆77相连的搅拌竖杆78；相邻搅拌竖杆78间的间距为2cm；所述搅拌竖杆78的长度为20cm；所述搅拌竖杆78的材质不锈钢。
所述加热单元5包括加热器；所述加热器为氨燃烧器，安装于所述裂解炉21以及炉胆22之间。
所述卸料单元4包括转动机构41、伸缩挡块42、第二滤网62以及卸料管43；所述转动机构41与所述第二滤网62的一端相连，且设置于远离所述卸料管43的炉胆22侧壁；所述伸缩挡块42设置于所述第二滤网62另一端的下方，用于支撑第二滤网62；所述卸料管43设置于所述反应单元2的底部。
采用上述装置进行的氨裂解制氢方法包括：
从固体进料管11向炉胆22中加入D50为2mm的镍基催化剂，使得镍基催化剂落至第二滤网62上；开启氨燃烧器进行点火，氨气燃烧产生的热量对炉胆22内部进行加热，控制加热温度为500℃；开启氨泵将液氨输送至炉胆22中，同时开启搅拌机构7，转速为80rpm，使加热后的氨在与镍基催化剂充分接触发生反应，产生氢气和氮气的混合气体，从排气单元3排出排出。
实施例2：
本实施例提供了一种加快氨裂解制氢接触反应的装置和方法，所述装置包括进料单元1、反应单元2、加热单元5、排气单元3以及卸料单元4；
所述进料单元1、所述排气单元3以及所述卸料单元4分别独立地与所述反应单元2相连；所述加热单元5用于给所述的反应单元2加热；
所述反应单元2内部设置有滤网机构6和搅拌机构7；
所述滤网机构6包括水平设置的第一滤网61和第二滤网62；所述搅拌机构7设置于所述第一滤网61以及所述第二滤网62之间；
所述搅拌机构7包括驱动部分以及搅拌部分；所述搅拌部分包括横向固定杆74，与所述横向固定杆74垂直相连的纵杆75，套设于所述纵杆75上的从动伞齿轮76，以及设置于所述纵杆75末端的搅拌桨。
所述进料单元1包括固体进料管11和液氨进料管12。
所述反应单元2包括裂解炉21，但不包括炉胆22，所述滤网机构6与所述搅拌机构7设置于所述裂解炉21内。
所述第一滤网61固定安装于所述反应单元2的上部，且高于所述固体进料管11。
所述第二滤网62固定安装于所述反应单元2的下部，且位于所述固体进料管11与所述液氨进料管12之间。
所述搅拌机构7的驱动部分包括依次连接的电机71、驱动轴72以及主动伞齿轮73，所述主动伞齿轮73与所述从动伞齿轮76相适配；
搅拌桨包括搅拌横杆77以及与所述搅拌横杆77相连的搅拌竖杆78；相邻搅拌竖杆78间的间距为1.5cm；所述搅拌竖杆78的长度为18cm；所述搅拌竖杆78的材质为不锈钢。
所述加热单元5包括加热器，固定安装与所述裂解炉21的内壁上。
所述卸料单元4包括转动机构41、伸缩挡块42、第二滤网62以及卸料管43；所述转动机构41与所述第二滤网62的一端相连，且设置于远离所述卸料管43的裂解炉21侧壁；
所述伸缩挡块42设置于所述第二滤网62另一端的下方，用于支撑第二滤网62；所述卸料管43设置于所述反应单元2的底部。
采用上述装置进行的氨裂解制氢方法包括：
从固体进料管11向炉胆22中加入D50为1.5mm的镍基催化剂，使得镍基催化剂落至第二滤网62上；开启氨燃烧器进行点火，氨气燃烧产生的热量对炉胆22内部进行加热，控制加热温度为600℃；开启氨泵将液氨输送至炉胆22中，同时开启搅拌机构7，转速为60rpm，使加热后的氨在与镍基催化剂充分接触发生反应，产生氢气和氮气的混合气体，从排气单元3排出排出。
实施例3：
本实施例提供了一种加快氨裂解制氢接触反应的装置和方法，所述装置参照实施例2中的装置，区别仅在于：相邻搅拌竖杆78间的间距为1cm。
所述方法与实施例1中的方法相同。
实施例4：
本实施例提供了一种加快氨裂解制氢接触反应的装置和方法，所述装置参照实施例1中的装置，区别仅在于：搅拌转速为40rpm。
所述方法与实施例1中的方法相同。
本实施例中，搅拌速度过低，无法保证氨与催化剂的充分接触，影响制氢效率。
对比例1：
本对比例提供了一种氨裂解制氢装置和方法，所述装置参照实施例1中的装置，区别仅在于不设置搅拌机构7。
采用上述装置进行的氨裂解制氢方法包括：
从固体进料管11向炉胆22中加入D50为2mm的镍基催化剂，使得镍基催化剂落至第二滤网62上；开启氨燃烧器进行点火，氨气燃烧产生的热量对炉胆22内部进行加热，控制加热温度为500℃；开启氨泵将液氨输送至炉胆22中，使加热后的氨在与镍基催化剂充分接触发生反应，产生氢气和氮气的混合气体，从排气单元3排出排出。
本对比例中，没有搅拌机构，仅靠加热后的氨气与催化剂自行接触，导致反应效率极大地降低。
对比例2：
本对比例提供了一种氨裂解制氢装置和方法，所述装置参照实施例1中的装置，区别仅在于不设置滤网机构6，适应性地，延长搅拌机构7中纵杆75的长度，以保证搅拌功能正常实施。
采用上述装置进行的氨裂解制氢方法包括：
从固体进料管11向炉胆22中加入D50为2mm的镍基催化剂，使得镍基催化剂落至炉胆22底部；开启氨燃烧器进行点火，氨气燃烧产生的热量对炉胆22内部进行加热，控制加热温度为500℃；开启氨泵将液氨输送至炉胆22中，使加热后的氨在与镍基催化剂充分接触发生反应，产生氢气和氮气的混合气体，从排气单元3排出排出。
本对比例中，由于未设置滤网机构，催化剂平铺在炉胆底部，液氨从侧面进入，二者之间的接触面积相较于对比例1中更低，反应效果更差。且第一滤网的缺失无法有效拦截催化剂，不仅会造成催化剂的损失，还会影响制氢纯度，不利于生产应用。
本发明通过上述实施例来说明本发明的装置和详细方法，但本发明并不局限于上述装置和详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述装置和详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明操作的等效替换及辅助操作的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (17)
1.一种加快氨裂解制氢接触反应的装置，其特征在于，所述装置包括进料单元、反应单元、加热单元、排气单元以及卸料单元；
所述进料单元、所述排气单元以及所述卸料单元分别独立地与所述反应单元相连；所述加热单元用于给所述的反应单元加热；
所述反应单元内部设置有滤网机构和搅拌机构；
所述滤网机构包括水平设置的第一滤网和第二滤网；所述搅拌机构设置于所述第一滤网以及所述第二滤网之间；
所述搅拌机构包括驱动部分以及搅拌部分；所述搅拌部分包括横向固定杆，与所述横向固定杆垂直相连的纵杆，套设于所述纵杆上的从动伞齿轮，以及设置于所述纵杆末端的搅拌桨；
所述搅拌桨包括搅拌横杆以及与所述搅拌横杆相连的搅拌竖杆，或环形横板以及与所述环形横板相连的搅拌竖杆；
相邻搅拌竖杆间的间距为1.5-2cm。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述进料单元包括固体进料管和液氨进料管。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反应单元包括裂解炉，但不包括炉胆，所述滤网机构与所述搅拌机构设置于所述裂解炉内。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反应单元包括裂解炉以及设置于所述裂解炉内部的炉胆，所述滤网机构与所述搅拌机构设置于所述炉胆内。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一滤网固定安装于所述反应单元的上部，且高于所述固体进料管。
6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第二滤网固定安装于所述反应单元的下部，且位于所述固体进料管与所述液氨进料管之间。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述搅拌机构的驱动部分包括依次连接的电机、驱动轴以及主动伞齿轮，所述主动伞齿轮与所述从动伞齿轮相适配。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述搅拌竖杆的长度为16-22cm。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述搅拌竖杆的材质包括不锈钢。
10.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述加热单元包括加热器。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述反应单元包括裂解炉但不包括炉胆时，所述加热器固定安装与所述裂解炉的内壁上。
12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述反应单元包括裂解炉以及炉胆时，所述加热器包括燃烧器，安装于所述裂解炉以及炉胆之间。
13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述卸料单元包括转动机构、伸缩挡块、第二滤网以及卸料管；
所述转动机构与所述第二滤网的一端相连，且设置于远离所述卸料管的反应单元侧壁；
所述伸缩挡块设置于所述第二滤网另一端的下方，用于支撑第二滤网；
所述卸料管设置于所述反应单元的底部。
14.一种加快氨裂解制氢接触反应的方法，其特征在于，所述方法采用如权利要求1-13任一项所述的装置进行，所述方法包括以下步骤：
将催化剂加入反应单元内，并通入液氨，同时开启搅拌机构并进行加热，发生裂解反应，得到氢气和氮气。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述催化剂的粒度D50为1.5-2.5mm。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述加热的温度为400-650℃。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述搅拌机构的转速为60-80rpm。
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