CN115353070B - 氨裂解制氢装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及氢气制备技术领域，提供了一种氨裂解制氢装置、系统及方法，其中，氨裂解制氢装置包括至少一根进气管和至少一根反应管，所述反应管作为氨裂解反应室；所述反应管内部设置有加热装置；所述进气管和所述反应管连通；所述进气管外部套设有换热器，所述反应管和所述换热器连通；氨气通过所述进气管进入所述反应管内发生氨裂解反应，反应后产生的气体流入所述换热器后排出。本发明能使氨裂解反应后产生的混合气体能对进气管内的氨气进行换热，实现能源的可持续利用，有助于降低能耗，节约成本。

Description

氨裂解制氢装置、系统及方法

技术领域

本申请涉及氢气制备技术领域，具体而言，涉及一种氨裂解制氢装置、系统及方法。

背景技术

现有的氨裂解制氢设备，能够进行氨裂解反应，将氨气转化为清洁能源—氢气。但是一般通入氨裂解制氢设备的氨气为常温状态，相比要达到能使氨气发生裂解反应的温度还存在比较大的温差，因此现有的氨裂解制氢设备中的加热装置如果要在短时间内将反应室的温度升到800摄氏度以上（即达到氨裂解反应的温度条件），就需要加热装置以超高的功率进行加热，非常耗费能源，能耗比较高。

基于上述问题，目前尚未有有效的解决方法。

发明内容

本申请的目的在于提供一种氨裂解制氢装置、系统及方法，能够降低氨裂解制氢装置的能耗，提高能源利用率。

第一方面，本申请提供了一种氨裂解制氢装置，包括：至少一根进气管和至少一根反应管，所述反应管作为氨裂解反应室；所述反应管内部设置有加热装置；

所述进气管和所述反应管连通；所述进气管外部套设有换热器，所述反应管和所述换热器连通；氨气通过所述进气管进入所述反应管内发生氨裂解反应，反应后产生的气体流入所述换热器后排出。

本申请的氨裂解制氢装置，通过在进气管外部套设换热器，使氨裂解反应后产生的混合气体能对进气管内的氨气进行换热，实现能源的可持续利用，有助于降低能耗，节约成本。

进一步地，所述换热器包括套设在所述进气管外的换热管，所述换热管和所述进气管之间具有间隙，所述反应管与所述间隙连通。

在实际应用中，管状结构有利于气体的流动，提高气体流动效率。

进一步地，所述换热器还包括隔片，所述隔片均匀绕设在所述进气管的外部，所述隔片把所述进气管和所述换热管之间的所述间隙分隔为螺旋流道。

在实际应用中，隔片可以增加热量的交换面积。另外，将进气管和换热管之间的间隙分隔为螺旋流道可以增加气体流动路程，从而增加气体和进气管的接触时间，提高换热效率。

进一步地，所述进气管和所述反应管均为U形管。

进一步地，所述加热装置为加热管，所述加热管和所述反应管同心设置。

在实际应用中，加热管的加热面积较大，能充分与氨气接触，提高反应效率。

进一步地，所述加热管的两端分别套设有环形挡板，所述环形挡板和所述反应管的内壁围成催化室；所述催化室内设置有催化剂。

通过这种设置方式，可以防止催化剂被气流冲进换热管，造成堵塞。

进一步地，所述环形挡板上均匀开设有多个透气孔。

进一步地，所述换热器和所述反应管内设置有至少一个温度传感器。

在实际应用中，设置温度传感器可以实时获取换热管和反应管内的温度信息，从而调整加热装置的工作功率，保持良好的反应温度条件。

本申请提供的氨裂解制氢装置，通过在进气管外部套设换热器，使氨裂解反应后产生的混合气体能对进气管内的氨气进行换热，实现能源的可持续利用，有助于降低能耗，节约成本。

第二方面，本申请提供了一种氨裂解制氢系统，用于制备氢气，包括：

液氨供给装置、氨蒸发装置、稳压装置、上述第一方面所述的氨裂解制氢装置以及氢净化装置；所述液氨供给装置、所述氨蒸发装置、所述稳压装置、所述氨裂解制氢装置和所述氢净化装置依次连接；

所述液氨供给装置用于向所述氨蒸发装置提供液氨；所述氨蒸发装置用于使液氨蒸发，形成氨气；所述稳压装置用于使输出的氨气气压稳定；所述氨裂解制氢装置用于使氨气发生氨裂解反应，生成氢气，并使用裂解反应后的混合气体对进气管内的氨气进行换热，实现能源的可持续利用；所述氢净化装置用于对氢气进行净化处理。

本申请提供的氨裂解制氢系统，可以实现制备出纯净的氢气，并且能耗低，制备氢气效率高。

第三方面，本申请提供一种氨裂解制氢方法，用于第一方面所述的氨裂解制氢装置，用于制备氨氢混合气体，其中，包括以下步骤：

S1.获取所述氨氢混合气体中氨气和氢气之间的目标比例值；

S2.获取反应温度信息；

S3.根据所述氨气和氢气之间的目标比例值和所述反应温度信息调整所述氨裂解制氢装置的氨气的流入压强值，使氨气发生不完全的氨裂解反应。

本申请提供的氨裂解制氢方法，通过获取所述氨氢混合气体中氨气和氢气之间的目标比例值；获取反应温度信息；根据所述氨气和氢气之间的目标比例值和所述反应温度信息调整所述氨裂解制氢装置的氨气的流入压强值，使氨气发生不完全的氨裂解反应；可以满足不同装置对燃烧能源的要求，适用性高。

本申请的氨裂解制氢装置，通过在进气管外部套设换热器，使氨裂解反应后产生的混合气体能对进气管内的氨气进行换热，实现能源的可持续利用，有助于降低能耗，节约成本；本申请提供的氨裂解制氢系统，可以实现制备出纯净的氢气，并且能耗低，制备氢气效率高；本申请提供的氨裂解制氢方法，通过获取所述氨氢混合气体中氨气和氢气之间的目标比例值；获取反应温度信息；根据所述氨气和氢气之间的目标比例值和所述反应温度信息调整所述氨裂解制氢装置的氨气的流入压强值，使氨气发生不完全的氨裂解反应；可以满足不同装置对燃烧能源的要求，适用性高。

附图说明

图1为本申请提供的氨裂解制氢装置的结构示意图。

图2为本申请提供的氨裂解制氢装置的气体流向简图。

图3为本申请提供的氨裂解制氢系统的模块结构示意图。

图4为本申请提供的氨裂解制氢方法的一种流程图。

标号说明：

100、进气管；110、出气口；200、反应管；210、加热装置；220、环形挡板；300、换热器；310、隔片；1、液氨供给装置；2、氨蒸发装置；4、稳压装置；5、氨裂解制氢装置；6、氢净化装置。

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施方式。基于本申请的实施方式，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在实际应用中，氨裂解制氢装置是以液氨为原料，液氨经汽化后形成氨气，将氨气加热到一定温度，在催化剂的作用下，氨发生分解成氨氢混合气体。氨裂解的化学方程式为现有技术。

参阅图1，图1为本申请实施方式提供的一种氨裂解制氢装置的结构示意图，用于使氨气发生氨裂解反应，其中，包括：至少一根进气管100和至少一根反应管200，反应管200作为氨裂解反应室；反应管200内部设置有加热装置210；

进气管100和反应管200连通；进气管100外部套设有换热器300，反应管200和换热器300连通；氨气通过进气管100进入反应管200内发生氨裂解反应，反应后产生的气体流入换热器300后排出。

其中，进气管100和反应管200连通的方式可以是进气管100的出气口110和反应管200的一端连通。

在实际应用中，通入进气管100的氨气的温度一般为常温，例如在15-30摄氏度之间。其中，反应管200内存放有催化剂，催化剂的种类为现有技术。其中，加热装置210用于将反应管200的内部温度加热到380℃-450℃，提供发生氨裂解反应的温度条件；氨气在反应管200裂解产生氢气和氮气，产生的混合气体进入到换热器300，由于混合气体是从反应管200内流出，因此混合气体的温度和反应管200内的温度相同，当混合气体经过换热器300时，会将一些热量传递给进气管100，从而使进气管100内的氨气温度提高，虽然进气管100内的氨气经过换热后温度还不能达到380℃以上，但是相比原来的常温也提高了不少，实现了对进气管100内的氨气进行提前预热，使加热装置210无需长时间以大功率对反应管200进行加热。

由上可知，本申请提供的一种氨裂解制氢装置，通过在进气管100外部套设换热器300，使氨裂解反应后产生的混合气体能对进气管100内的氨气进行换热，实现能源的可持续利用，有助于降低能耗，节约成本。

在一些实施方式中，换热器300可以采用现有技术中的换热器。

在一些优选的实施方式中，换热器300包括套设在进气管100外的换热管，换热管和进气管100之间具有间隙，反应管200与间隙连通。在实际应用中，管状结构有利于气体的流动，提高气体流动效率。

在一些优选的实施方式中，换热器300还包括隔片310，隔片310均匀绕设在进气管100的外部，隔片310把进气管100和换热管之间的间隙分隔为螺旋流道。在实际应用中，隔片310可以增加热量的交换面积。另外，将进气管100和换热管之间的间隙分隔为螺旋流道可以增加气体流动路程，从而增加气体和进气管100的接触时间，提高换热效率。

在进一步的实施方式中，隔片310由铝材制成或者由其他具有高导热效率的金属材料制成。通过这种方式，可以增加隔片310的导热效果，同时使隔片310能更快地将热量传递给进气管100，进一步提高换热效率。

在一些实施方式中，进气管100和反应管200为普通直管的管道结构。

参阅图2，图2是本申请提供的一种氨裂解制氢装置的气体流向简图，箭头为气体流动方向。在一些优选的实施方式中，进气管100和反应管200均为U形管。其中，进气管100可以是水平设置在反应管200的上方，具体可以参照图1的结构；也可以是进气管100水平设置在反应管200的下方，在此本申请不做限定。在实际应用中，将进气管100和反应管200设置成U形管结构可以减少氨裂解制氢装置的整体长度，有利于安装。

在进一步的实施方式中，可以在进气管100或者反应管200的两侧分别设置标准的插头和插孔（即各进气管100和各反应管200的插头和插孔相同，且插头与插孔相适配），通过这种设置方式，可以将氨裂解制氢装置（包括至少一根进气管100和至少一根反应管200）视作一个独立氨裂解单元，当需要对大量的氨气进行氨裂解反应时，可以通过进气管100或者反应管200的两侧的标准的插头和插孔对多个氨裂解单元进行并列式拼装（即插头和插孔并非用于连通对接的进气管100或者反应管200，而是为了使对接的进气管100或者反应管200的位置相对固定，从而连接为一个整体），实现氨裂解制氢装置的大型化。通过这种设置方式，可以实现根据需要对氨裂解制氢装置进行增配或者减配，方便安装，并且能满足不同需求。

在一些实施方式中，加热装置210为加热管，加热管和反应管200同心设置。在实际应用中，加热管的加热面积较大，能充分与氨气接触，提高反应效率。

在一些实施方式中，加热管的两端分别套设有环形挡板220，两个环形挡板220和反应管200的内壁围成催化室，催化室内设置有催化剂。通过这种设置方式，可以防止催化剂被气流冲进换热器300，造成堵塞。

在进一步的实施方式中，环形挡板220上均匀开设有多个透气孔。在实际应用中，该透气孔的直径应满足设置为只可通过混合气体。其中，环形挡板220也可以是滤网，同理，该滤网也只能满足通过混合气体，不能通过催化物颗粒。

在另一些优选的实施方式中，加热管外部套设有至少三个环形挡板220，任意相邻的两个环形挡板220之间构成一个催化室，催化室内存放有催化剂。在实际应用中，氨裂解反应是不可能完全裂解，还是会存在少量氨气。而通过这种设置方式，可以使氨气和混合气体连续经过多个催化室实现多层催化，实现多层氨裂解，从而使氨裂解反应更加充分，进一步提高反应效果，减少杂质气体。

在一些实施方式中，换热器300和反应管200内设置有至少一个温度传感器。在实际应用中，设置温度传感器可以实时获取换热器300和反应管200内的温度信息，从而调整加热装置210的工作功率，保持良好的反应温度条件。

参阅图3，图3为本申请实施方式提供的一种氨裂解制氢系统的模块结构示意图，氨裂解制氢系统用于制备氢气，其中，包括：

液氨供给装置1、氨蒸发装置2、稳压装置4、氨裂解制氢装置5以及氢净化装置6；液氨供给装置1、氨蒸发装置2、稳压装置4、氨裂解制氢装置5和氢净化装置6依次连接；其中，氨裂解制氢装置5为前文中的氨裂解制氢装置；

液氨供给装置1用于向氨蒸发装置2提供液氨；氨蒸发装置2用于使液氨蒸发，形成氨气；稳压装置4用于使输出的氨气气压稳定；氨裂解制氢装置5用于使氨气发生氨裂解反应，生成氢气，并使用裂解反应后的混合气体对进气管100内的氨气进行换热，实现能源的可持续利用；氢净化装置6用于对氢气进行净化处理。其中，液氨供给装置1、氨蒸发装置2、稳压装置4以及氢净化装置6均为现有技术。

通过本申请的氨裂解制氢系统，可以实现制备出纯净的氢气，并且能耗低，制备氢气效率高。

参阅图4，图4为本申请实施方式提供的一种氨裂解制氢方法的流程图，用于制备氨氢混合气体，其中，包括以下步骤：

S1.获取氨氢混合气体中氨气和氢气之间的目标比例值；

S2.获取反应温度信息；

S3.根据氨气和氢气之间的目标比例值和反应温度信息调整氨裂解制氢装置的氨气的流入压强值，使氨气发生不完全的氨裂解反应。

在一些实施例中，步骤S1获取的氨氢混合气体中氨气和氢气之间的目标比例值一般为1∶1或者1∶2，步骤S2获取到氨裂解制氢装置的反应温度一般为190-210摄氏度，将氨气的流入压强值可调范围值为0.5-0.8mPA。在实际应用中，当氨气和氢气之间的目标比例值一定时，氨裂解制氢装置的反应温度越低时，那么氨气的流入压强值也应该减小；当氨裂解制氢装置的反应温度一定时，所要获取比例更大的氨气时，那么氨气的流入压强值也应该减小。

其中，氨气和氢气之间的目标比例值是指不同设备对燃烧能源的要求，例如1：1、1:2等不同比例值。步骤S2中的反应温度信息是指反应管内的温度。其中，不完全的氨裂解反应是指氨气会裂解产生氮气、氢气和氨气三种气体。其中，不完全的氨裂解反应的反应温度条件为190-210℃，200摄氏度为最优选的反应温度条件，一般反应时间为20分钟。其中，氨气的流入压强值影响氨气的流量，氨气的流量对反应时间和产生的氨气氢气比例有一定影响，所以要控制好输入氨裂解制氢装置的氨气的流量。其中，在进气管100的入口处，以及换热器300和反应管200的连接处均设置有电磁阀，只有达到预设的反应时间或者目标氨气的流入压强值时，控制系统才会控制电磁阀打开。本申请提供的氨裂解制氢方法，通过获取氨氢混合气体中氨气和氢气之间的目标比例值；获取反应温度信息；根据氨气和氢气之间的目标比例值和反应温度信息调整氨裂解制氢装置的氨气的流入压强值，使氨气发生不完全的氨裂解反应。可以满足不同装置对燃烧能源的要求，适用性高。

在本申请所提供的实施方式中，应该理解到，所揭露系统和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的系统实施方式仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，系统或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

另外，作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施方式方案的目的。

再者，在本申请各个实施方式中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上所述仅为本申请的实施方式而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种氨裂解制氢装置，用于使氨气发生氨裂解反应，其特征在于，包括：至少一根进气管（100）和至少一根反应管（200），所述反应管（200）作为氨裂解反应室；所述反应管（200）内部设置有加热装置（210）；

所述进气管（100）和所述反应管（200）连通；所述进气管（100）外部套设有换热器（300），所述反应管（200）和所述换热器（300）连通；氨气通过所述进气管（100）进入所述反应管（200）内发生氨裂解反应，反应后产生的气体流入所述换热器（300）后排出；

所述加热装置（210）为加热管，所述加热管和所述反应管（200）同心设置；

所述加热管的两端分别套设有环形挡板（220），两个所述环形挡板（220）和所述反应管（200）的内壁围成催化室；所述催化室内设置有催化剂；

所述环形挡板（220）上均匀开设有多个透气孔；

所述加热管外部套设有至少三个所述环形挡板（220），任意相邻的两个所述环形挡板（220）之间构成一个所述催化室。

2.根据权利要求1所述的氨裂解制氢装置，其特征在于，所述换热器（300）包括套设在所述进气管（100）外的换热管，所述换热管和所述进气管（100）之间具有间隙，所述反应管（200）与所述间隙连通。

3.根据权利要求2所述的氨裂解制氢装置，其特征在于，所述换热器（300）还包括隔片（310），所述隔片（310）均匀绕设在所述进气管（100）的外部，所述隔片（310）把所述进气管（100）和所述换热管之间的所述间隙分隔为螺旋流道。

4.根据权利要求1所述的氨裂解制氢装置，其特征在于，所述进气管（100）和所述反应管（200）均为U形管。

5.根据权利要求1所述的氨裂解制氢装置，其特征在于，所述换热器（300）和所述反应管（200）内设置有至少一个温度传感器。

6.一种氨裂解制氢系统，用于制备氢气，其特征在于，包括：

液氨供给装置、氨蒸发装置、稳压装置、权利要求1-5任一项所述的氨裂解制氢装置以及氢净化装置；所述液氨供给装置、所述氨蒸发装置、所述稳压装置、所述氨裂解制氢装置和所述氢净化装置依次连接；

所述液氨供给装置用于向所述氨蒸发装置提供液氨；所述氨蒸发装置用于使液氨蒸发，形成氨气；所述稳压装置用于使输出的氨气气压稳定；所述氨裂解制氢装置用于使氨气发生氨裂解反应，生成氢气，并使用裂解反应后的混合气体对进气管内的氨气进行换热，实现能源的可持续利用；所述氢净化装置用于对氢气进行净化处理。

7.一种氨裂解制氢方法，用于权利要求1-5任一项所述的氨裂解制氢装置，用于制备氨氢混合气体，其特征在于，包括以下步骤：

S1.获取所述氨氢混合气体中氨气和氢气之间的目标比例值；

S2.获取反应温度信息；

S3.根据所述氨气和氢气之间的目标比例值和所述反应温度信息调整所述氨裂解制氢装置的氨气的流入压强值，使氨气发生不完全的氨裂解反应。

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