CN117797730A - 一种基于电磁感应的氨分解反应器及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于电磁感应的氨分解反应器及系统，包括氨气入口、反应部和混合气出口，氨气入口和混合气出口分别设置在反应部的两端；反应部由金属材料制成，反应部的外壁上覆盖有间隔层，间隔层的厚度小于或者等于5厘米；间隔层的外周上螺旋缠绕有感应线圈，感应线圈与交流电电连通，当感应线圈与交流电电连通时，在感应线圈内部能够产生交变磁场。该基于电磁感应的氨分解反应器；使得内部的氨气能够均匀并且充分受热，提高了氨气的分解效率；节省了整个反应器的体积，从而能够适用于不同应用环境下的氨气分解使用。

Description

一种基于电磁感应的氨分解反应器及系统

技术领域

本发明涉及清洁能源设备技术领域，具体涉及一种基于电磁感应的氨分解反应器及系统。

背景技术

氨不仅是重要的无机化工产品，其作为氢载体也具有独特的优势。氨易于液化，具有刺激性气味、不可燃且低浓度下无毒害、储氢密度高、生产储运技术成熟，并且制氢过程中无碳排放，是一种高效、清洁和安全的储氢载体；通过分解氨气来制备氢气也是一种可行有效的制氢技术路线之一；现有技术通常使用氨分解反应器来分解氨气，完成对氢气和氮气的制备；在氨分解反应过程中，通常需要对氨气进行高温加热，提供所需的热量从而促进氨气的受热分解；而现有的氨分解反应器通常采用发热电阻丝或者发热电阻带发热后，通过热辐射来为氨分解提供热量，然而现有的氨分解反应器通常体积较大，氨分解过程中存在着传热效率低，反应器受热不均匀等缺陷，影响氨气分解效果。

中国专利CN103601150B公开了一种用于氨分解制氢的管式等离子体反应器，使用两根金属管分别作为高压电极和接地电极，一根充当氨气进料口，一根充当产物气出料口，至少一根金属管材内部含有用于催化氨分解活性的金属元素，并且在反应器壳体外侧设置有间隔层。该等离子反应器通过气相等离子分解反应和电极催化反应的共同作用，提高了电极表面催化氨分解的能力以及氨气转化的效率；但是该管式等离子体反应器的电极反应仅发生在通电接口两端，对于管道中间的氨气无法充分加热，从而存在着氨气分解不均匀，整体分解效率不高的问题。

发明内容

针对现有技术中的氨分解反应器通常采用热辐射对氨气进行加热，存在着反应器体积较大、热辐射传热效率低以及反应器受热不均匀，整体氨气分解效率不高的缺陷；提供一种能够体积紧凑、加热效率高且能够对氨分解反应器进行充分均匀地加热的基于电磁感应的氨分解反应器及系统。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于电磁感应的氨分解反应器，包括氨气入口、反应部和混合气出口，氨气入口和混合气出口分别设置在反应部的两端；反应部的外壁上覆盖有间隔层，反应部由金属材料制成，间隔层的厚度小于或者等于5厘米；间隔层的外周上螺旋缠绕有感应线圈，感应线圈与交流电电连通；当感应线圈与交流电电连通时，在感应线圈内部能够产生交变磁场。

进一步的，反应部内部设置有氨分解催化剂。

进一步的，间隔层的制造材料的导热率小于0.05W/(m·K)；间隔层上远离反应部的一侧覆盖有气凝胶层，气凝胶层的导热率小于0.018W/(m·K)。

进一步的，感应线圈的两端均与加热控制器连通，加热控制器能够调整通入感应线圈中的交流电的频率；反应部中设置有用于检测温度的温度传感器，温度传感器与加热控制器电连通。

进一步的，感应线圈由能够承受至少1000℃温度的导电材料制成，感应线圈的直径与感应线圈的加热功率成正比。

进一步的，感应线圈为空心结构，感应线圈的制造材料为导热率大于397W/(m·K)的金属材料；感应线圈的空心结构中灌注有循环流动的冷却水。

进一步的，感应线圈包括多个线圈组，线圈组由多个线圈组成，线圈组中的线圈之间的距离彼此相等。

进一步的，线圈组中的多个线圈之间彼此平行设置，线圈组中的多个线圈的安装方向与反应部的延伸方向之间的夹角为80～90°。

本申请还公开了一种包括基于电磁感应的氨分解反应器的氨分解系统，还包括：

储氨装置，所述储氨装置与所述氨气入口连通，所述储氨装置用于向所述反应部中导入氨气；供电装置，供电装置与反应部上的感应线圈电连通，供电装置与感应线圈组成闭合的导电回路；吸附装置，吸附装置与混合气出口连通，所述吸附装置用于吸附从所述混合气出口中排出的含有氢气和氮气的混合气体中残留的氨气；

收集装置，所述收集装置与所述吸附装置连通，所述收集装置用于收集经过所述吸附装置吸附后的含有氢气和氮气的混合气体。

进一步的，感应线圈为空心结构，感应线圈的两端与冷却水循环装置连通，冷却水循环装置用于向感应线圈的空心结构中提供循环流动的冷却水。

本发明所述的一种基于电磁感应的氨分解反应器，通过采用由金属材料制备而成的反应部，并且反应部的外壁上设置间隔层，之后在所述间隔层上螺旋缠绕感应线圈，通过将感应线圈通电，在反应部内部形成磁场并将反应部内部温度升高，相比于传统的电加热或者气体加热，当感应线圈通电时，反应部内部的温度能够快速升高；使得反应部内部的氨气能够均匀并且充分受热，提高了氨气的加热效率和分解效率；且通过将感应线圈缠绕设置在反应部上，节省了整个反应器的体积，从而能够适用于不同应用环境下的氨气分解使用；通过将感应线圈设置为空心结构，并且向感应线圈的空心结构中灌注能够循环流动的冷却水，配合上感应线圈和间隔层，使得反应部中的温度能够得到快速且有效控制并且有效传递给氨气用于加热分解，同时也减少了出现由于加热温度过高造成感应线圈损坏的风险，提高了反应部内部的温度平衡。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式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为本发明所述的基于电磁感应的氨分解反应器的结构示意图；

图2为本发明所述的基于电磁感应的氨分解反应器的内部剖视图；

图3为本发明所述的另一种基于电磁感应的氨分解反应器的结构示意图；

图4为本发明所述的另一种基于电磁感应的氨分解反应器的内部剖视图。

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。

如图1所示，本发明所述的一种基于电磁感应的氨分解反应器，包括氨气入口1、反应部2和混合气出口3，所述氨气入口1和所述混合气出口3分别设置在所述反应部2的两端；

所述反应部2的外壁上覆盖有间隔层4，所述反应部2由金属材料制成；所述间隔层4的厚度小于或者等于5厘米；

所述间隔层4的外周螺旋缠绕有感应线圈5，所述感应线圈5与交流电电连通，当所述感应线圈5与交流电电连通时，在所述感应线圈5内部能够产生交变磁场。

本发明所述的一种基于电磁感应的氨分解反应器，通过在金属材料制成的反应部外侧缠绕感应线圈，并将感应线圈与交流电电连通，通过感应线圈产生的交变磁场对反应部进行加热，从而对位于反应部内部的氨气进行多角度均匀加热，加快氨气的受热分解，使得氨气能够快速且均匀的受热分解生成氢气和氮气；相比于传统的电加热或者气体加热，采用感应线圈与交流电通电加热反应部时，反应部能够较为快速的升温发热，因此具有较快的氨气加热效率。

在图1中，所述氨气入口1和所述反应部2的一端相连通，所述混合气出口3和所述反应部2相对的另一端相连通，所述氨气入口1的截面形状为圆形，所述混合气出口3的截面形状为圆形，所述氨气入口1和所述混合气出口3彼此相对设置，所述氨气入口1的中心和所述混合气出口3的中心位于同一条直线上，所述氨气入口1的中心和所述反应部2的中心相重合，所述混合气出口3的中心和所述反应部2的中心相重合；所述反应部2为圆柱形结构，所述反应部2内部用于氨气的分解反应；所述氨气入口1和所述反应部2内部相通，所述混合气出口3和所述反应部2内部相通，从所述氨气入口1导入的氨气能够直接进入所述反应部2的内部，然后在所述反应部2内部发生分解反应，生成含有氢气和氮气的混合气体，生成的含有氢气和氮气的混合气体经过所述混合气出口3排出所述反应部2；为了促进氨气在所述反应部2中的反应速度和分解完整度，使得氨气能够较为完整的分解生成氢气和氮气，减少混合气体中残留氨气的含量；具体的，所述反应部2中填充有氨分解催化剂，例如钌基催化剂或者镍基催化剂；其中，所述氨气入口1的直径以及所述混合气出口3的直径与导入的氨气的量成正比，当需要导入的氨气的量越大时，所述氨气入口的直径越大，所述混合气出口3的直径越大；所述氨气入口1的直径以及所述混合气出口3的直径还与所述感应线圈5通电时的功率相关；所述氨气入口1的直径与所述感应线圈5通电时的功率成正比，所述混合气出口3的直径与所述感应线圈5通电时的功率成正比。

为了减少所述反应部2在氨分解过程中出现的热量损失，更好地提高氨气分解的分解效果，具体的，所述反应部2的外部覆盖有具有保温功能的间隔层4，具有保温功能的间隔层4用于在氨气分解过程中减少反应部2中的热量损失，使得热量能够集中在所述反应部2中，进而提高氨气的分解效果和分解效率，同时也能够起到保护感应线圈的效果，其中所述间隔层4围绕着所述反应部2设置在所述反应部2的外壁上，并且将所述反应部2的外壁完整覆盖；对所述反应部2的外壁进行完整的保温处理，以及对感应线圈5的保护作用；最大程度地减少氨分解过程中的热量损失并且提高加热效果；同时，为了在起到保温和保护作用的同时保证所述反应部2内部对氨气的加热效果，使得感应线圈通电时产生的热量能够有效传递给氨气用于加热分解，具体的，所述间隔层4的厚度小于或者等于5厘米，使得有足够的热量能够通过所述间隔层4到达所述反应部2并加热所述反应部2中的氨气；其中，所述间隔层4的制作材料为能够承受至少1000℃高温，并且导热率小于0.05W/(m·K)的陶瓷材料，例如硅酸铝；通过采用能够承受至少1000℃高温并且导热率小于0.05W/(m·K)，在提高所述间隔层4的保温效果的同时，使得反应部2的体积要求能够进一步减小，使得整体的氨气分解效率得到提高；也提高所述基于电磁加热感应的氨分解反应器的应用广泛性；为了更进一步提高所述间隔层4的保温效果，同时降低整体的导热率，优选的，所述间隔层4远离所述反应部2的一侧覆盖有气凝胶层，所述气凝胶层的导热率小于0.018W/(m·K)。

如图1和图2所示，在所述间隔层4上的气凝胶层上，螺旋缠绕有感应线圈5，所述反应部2的制造材料为金属材料，例如奥氏体铬镍不锈钢；所述感应线圈5的两端均与加热控制器(未示出)连通，所述加热控制器与外部交流电电源电连通，其中，与所述加热控制器连通的外部交流电电源为三相交流电，所述外部交流电源的输入电压为380伏，所述外部交流电电源的频率为50HZ，外部交流电源将交流电输入所述加热控制器中，所述加热控制器将输入的交流电的频率提高到10～30kHz范围内，再将频率提高后的交流电导入连通的所述感应线圈5中，当所述感应线圈5中通入交流电时，由于所述感应线圈5螺旋缠绕在所述反应部2上的间隔层4上，电流能够顺着所述感应线圈5的延伸方向流动，并且在所述感应线圈5中产生不断变化的交变磁场；由于感应线圈5环绕着所述反应部2设置，且所述反应部2的制造材料为金属材料，在所述感应线圈5中产生不断变化的交变磁场时，在所述反应部2的表面及产生切割交变磁力线，由于所述反应部2为金属材料，在反应部2上即产生交变电流，交变电流使得所述反应部2上产生的载流子高速无规则运动，反应部2上的载流子互相碰撞、摩擦并且产生热量，达到加热效果；由于所述感应线圈5缠绕设置在所述间隔层4上，当感应线圈5通电时，能够通过所述间隔层4对所述反应部2内部均匀有效的传递热量，使得反应部2内部各个部分的氨气能够充分受热，促进了氨气的分解；其中，为了更好的提高反应部2中氨气的分解效率，所述反应部2中设置有催化剂，例如钌基催化剂或者镍基催化剂，根据所述反应部2中催化剂的类型，通过调整所述加热控制器的输出电压的频率，来调整所述感应线圈5的加热功率，从而调整所述反应部2中的温度，促进氨气的受热分解，更具体的，所述反应部2中加热后的温度范围为600～750℃；为了更有效的监控所述反应部2中的温度，优选的，所述加热控制器与温度传感器(未示出)电连通，所述温度传感器用于检测所述反应部2中的温度，根据所述温度传感器检测的反应部2中的温度，所述加热控制器调整输入所述感应线圈5的交流电的频率，以调整所述感应线圈5的加热功率；所述温度传感器的位置根据需要测试温度的位置来设定，例如靠近所述氨气入口1的位置或者靠近所述混合气出口3的位置；当所述温度传感器检测到温度过高时，例如所述反应部2中的温度大于700℃，可根据检测结果调整对所述反应部2的加热，防止出现因温度过高造成的对设备的损坏。

所述感应线圈5由耐高温的导电材料制成，所述感应线圈5的直径与所述感应线圈5的加热功率成正比，当所述感应线圈5的加热功率越大时，所述感应线圈5的直径越大；其中，为了提高在加热过程中所述反应部2内部的温度控制，促进反应部2内部的热量平衡，减少由于过度加热造成的损坏，具体的，所述感应线圈5为空心结构，当所述感应线圈为空心结构时，所述感应线圈5的制造材料为导热率大于397W/(m·K)的金属材料，例如铜金属，具有空心结构的感应线圈5中灌注有循环流动的冷却水，当所述感应线圈5与交流电连通通电时，同时将冷却水注入所述感应线圈5的空心结构中，冷却水沿着所述感应线圈5的延伸方向螺旋流动，起到了对所述感应线圈5的降温冷却以及调节所述反应部2内部温度的作用，防止所述感应线圈5和反应部2时因温度过高产生的损坏风险，同时也实现了所述反应部2内部的温度平衡控制，所述感应线圈5在通电时，在所述间隔层4的保温作用以及感应线圈5当中循环流动的冷却水的共同作用下，所述感应线圈5由于通电产生的较为合适的热量直接传递给在由金属材料制成的所述反应部2中的氨气以进行加热，热量能够较好的传递给所述反应部2，使得氨气能够较快的达到所需要的分解温度的同时减少了整体的能量消耗以及可能因高温产生的损坏，实现了所述反应部2内部的温度平衡控制的同时也能够促进对氨气的加热分解，以满足不同条件下氨分解的需求，例如不同催化剂的活性对温度的要求，相比于传统氨分解加热方式，减小了对反应部体积和催化剂含量的要求，提高了生产灵活性；进一步的，通过冷却水在所述感应线圈5中流动，也能够起到对氨分解后混合气体的温度调节作用，使得经过制备混合气体能够适用于各种应用温度环境条件下的使用。

为了提高所述感应线圈5通电后对所述反应部2的加热效果，如图4所示，所述感应线圈5包括多个线圈组，每个所述线圈组由多个线圈组成，例如3～7个线圈，所述线圈缠绕设置在所述反应部2上的间隔层4上，更优选的，每个所述线圈组当中的线圈之间的距离彼此相等，任意相邻两个线圈组之间的距离彼此相等；这样能够使得反应部2上对应的部分能够被均匀加热；进一步的，所述线圈组相对于所述反应部2的位置，能够根据所述反应部2上需要加热的位置来设定，所述线圈组中的多个线圈的疏密程度和数量根据所述基于电磁感应的氨分解反应器的加热功率来设定，例如，为了减少分解后混合气中残留氨气的含量，靠近所述混合气出口3设置的线圈组中的线圈数量大于其他线圈组中的线圈数量，通过增加线圈的数量进而提高氨分解反应器的加热功率，促进氨气和催化剂的作用，从而减少混合气体中残留氨气的含量；更具体的，所述线圈组中的线圈的间距大小和所述感应线圈的加热功率成反比，所述线圈组中的线圈的数量和所述感应线圈5的加热功率成正比；其中，为了进一步提高对所述反应部2的加热效果，提高对所述反应部2的加热均匀性和热量传递，使得氨气能够更均匀的受热分解以减少混合气体中氨气的含量，优选的，所述线圈组中的多个线圈之间彼此平行设置，所述线圈组中的多个线圈的安装方向与所述反应部2的延伸方向之间的夹角为80～90°，使得通电后产生的磁场所产生的热量能够最大程度的加热所述反应部2以及其中的氨气。

在将所述感应线圈5与交流电源通电连接后，在所述感应线圈5中产生不断变化的交变磁场，同时在所述反应部2上产生交变电流，达到对反应部2的加热；从而对反应部2中的氨气进行快速升温，相比于传统的电加热和气体加热，提高了氨气的升温效率和分解效率，在所述反应部2中的催化剂和加热器的共同作用下，氨气受热分解生成含有氢气和氮气的混合气体，并且从所述混合气出口3中排出。

本申请还公开了一种包括所述基于电磁感应的氨分解反应器的氨分解反应系统，其特征在于，还包括：

储氨装置，所述储氨装置与所述氨气入口1连通，所述储氨装置用于向所述反应部2中导入氨气；

供电装置，所述供电装置与所述反应部2上的感应线圈5电连通，所述供电装置与所述感应线圈5组成闭合的导电回路；

吸附装置，所述吸附装置与所述混合气出口3连通，所述吸附装置用于吸附从所述混合气出口3中排出的含有氢气和氮气的混合气体中残留的氨气；

收集装置，所述收集装置与所述吸附装置连通，所述收集装置用于收集经过所述吸附装置吸附后的含有氢气和氮气的混合气体。

其中，当所述感应线圈5为空心结构时，所述感应线圈5两端的空心结构与冷却水循环装置连通，所述冷却水循环装置用于向所述感应线圈5的空心结构中提供冷却水，冷却水能够顺着所述感应线圈5的延伸方向流动并且在所述冷却水循环装置和所述感应线圈之间循环流动。

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的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于电磁感应的氨分解反应器，包括氨气入口、反应部和混合气出口，所述氨气入口和所述混合气出口分别设置在所述反应部的两端；

所述反应部的外壁上覆盖有间隔层，所述反应部由金属材料制成，所述间隔层的厚度小于或者等于5厘米；

所述间隔层的外周上螺旋缠绕有感应线圈，所述感应线圈与交流电电连通；当所述感应线圈与交流电电连通时，在所述感应线圈内部能够产生交变磁场。

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应的氨分解反应器，其特征在于：所述反应部内部设置有氨分解催化剂。

3.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应的氨分解反应器，其特征在于：所述间隔层的制造材料的导热率小于0.05W/(m·K)；

所述间隔层上远离所述反应部的一侧覆盖有气凝胶层，所述气凝胶层的导热率小于0.018W/(m·K)。

4.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应的氨分解反应器，其特征在于：所述感应线圈的两端均与加热控制器连通，所述加热控制器能够调整通入所述感应线圈中的交流电的频率；所述反应部中设置有用于检测温度的温度传感器，所述温度传感器与所述加热控制器电连通。

5.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应的氨分解反应器，其特征在于：所述感应线圈由能够承受至少1000℃温度的导电材料制成，所述感应线圈的直径与所述感应线圈的加热功率成正比。

6.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应的氨分解反应器，其特征在于：所述感应线圈为空心结构，所述感应线圈的制造材料为导热率大于397W/(m·K)的金属材料；所述感应线圈的空心结构中灌注有循环流动的冷却水。

7.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应的氨分解反应器，其特征在于：所述感应线圈包括多个线圈组，所述线圈组由多个线圈组成，所述线圈组中的线圈之间的距离彼此相等。

8.根据权利要求7所述的一种基于电磁感应的氨分解反应器，其特征在于：所述线圈组中的多个线圈之间彼此平行设置，所述线圈组中的多个线圈的安装方向与所述反应部的延伸方向之间的夹角为80～90°。

9.一种包括权利要求1～8中任意一项所述的一种基于电磁感应的氨分解反应器的氨分解反应系统，其特征在于：还包括：

储氨装置，所述储氨装置与所述氨气入口连通，所述储氨装置用于向所述反应部中导入氨气；

供电装置，所述供电装置与所述反应部上的感应线圈电连通，所述供电装置与所述感应线圈组成闭合的导电回路；

吸附装置，所述吸附装置与所述混合气出口连通，所述吸附装置用于吸附从所述混合气出口中排出的含有氢气和氮气的混合气体中残留的氨气；

收集装置，所述收集装置与所述吸附装置连通，所述收集装置用于收集经过所述吸附装置吸附后的含有氢气和氮气的混合气体。

10.根据权利要求9所述的氨分解反应系统，其特征在于：所述感应线圈为空心结构，所述感应线圈的两端与冷却水循环装置连通，所述冷却水循环装置用于向所述感应线圈的空心结构中提供循环流动的冷却水。