CN217458828U - 一种基于氢气燃烧的氨分解制氢系统 - Google Patents

一种基于氢气燃烧的氨分解制氢系统 Download PDF

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陈一峰
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Abstract

本实用新型公开了一种基于氢气燃烧的氨分解制氢系统，液氨供应部输出的液氨在液氨气化部处气化为氨气并输出至氨分解制氢反应器进行制氢，生成的氢气输出至外部氢气利用装置，并将部分生成的氢气输出至氢燃烧器，燃烧产生的供热气体输出至氨分解制氢反应器，供风部经第一供风管路输出空气至氢燃烧器。设置第一余热管路将为氨分解反应供热后的供热气体输出至液氨气化部，提供气化所需的热量；设置第二余热管路将为气化供热后的供热气体输出，并通过换热器与第一供风管路内的空气耦合换热，对空气进行预热，充分利用燃烧氢气产生的热量，降低耗能，减少能量浪费，从而解决了现有氨分解制氢装置耗能大、能量浪费严重导致制氢成本较高的问题。

Description

一种基于氢气燃烧的氨分解制氢系统
技术领域
本实用新型属于氨分解制氢技术领域，尤其涉及一种基于氢气燃烧的氨分解制氢系统。
背景技术
氢能是一种理想的清洁能源，不管是直接燃烧还是在燃料电池中的电化学转化，其产物只有水，且效率高。随着燃氢能源的利用途径燃料电池技术的不断完善，以燃料电池为核心的新兴产业将使氢能的清洁利用得到最大发挥，主要表现在氢燃料电池汽车、分布式发电、氢燃料电池叉车和应急电源产业化初现端倪，其次，氢能是一种良好的能源载体，具有清洁高效、便于存储和输运的特点。氢气还是化石能源清洁利用的重要原料。成熟的化石能源清洁利用技术对氢气的需求量巨大，其中包括炼油化工过程中的加氢裂化、加氢精制以及煤清洁利用过程中的煤制气加氢气化、煤制油直接液化等工艺过程，推进氢能在这些方面的应用有望加速氢能的规模化利用。
氢是燃料电池的首选燃料，但是氢的存储技术还存在诸多挑战，如常温常压下氢气的体积能量密度为0.0108MJ·L-1，为满足车用燃料电池的续航里程需求，需要将氢气增压至35MPa才能将氢的体积能量密度提升至3MJ·L-1，这也相应的投资成本将加大，降低了车用燃料电池的安全性。采用富氢燃料，如氨、甲醇、汽油和天然气等重整来提供氢气更为简易、安全、高效和经济。氨是一种富氢燃料，含氢量可达17.6wt％，具有易液化、能量密度高、无碳排放、安全性高、燃料成本低等优势，仅需2MPa即可将氨液化为体积能量密度高达13MJ·L-1的液体，高出压缩储氢3-4倍，因此通过氨催化分解制氢为燃料电池供氢是一条高效、可靠的新途径。但现有的氨分解制氢装置普遍存在耗能大、能量浪费严重的问题。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于氢气燃烧的氨分解制氢系统，以解决现有氨分解制氢装置耗能大、能量浪费严重导致制氢成本较高的问题。
为解决上述问题，本实用新型的技术方案为：
本实用新型的一种基于氢气燃烧的氨分解制氢系统，包括：
液氨供应部；
液氨气化部，所述液氨气化部的液氨输入端与所述液氨供应部的输出端相连通；
氨分解制氢反应器，所述氨分解制氢反应器的输入端与所述液氨气化部的输出端相连通，所述氨分解制氢反应器的氢气输出端与外部氢气利用装置相连通；
氢燃烧器，所述氢燃烧器的氢气输入端与所述氨分解制氢反应器的氢气输出端相连通，所述氢燃烧器的输出端与所述氨分解制氢反应器的供热输入端相连通，用于输出供热气体至所述氨分解制氢反应器；
供风部，所述供风部的输出端通过第一供风管路连通至所述氢燃烧器的空气输入端；所述第一供风管路上设有换热器；
其中，所述氨分解制氢反应器的余热输出端通过第一余热管路连通至所述液氨气化部的供热输入端；所述液氨气化部的余热输出端通过第二余热管路与外界相连通，且所述第二余热管路与所述换热器耦合换热。
本实用新型的基于氢气燃烧的氨分解制氢系统，所述氢燃烧器包括依次连通的燃烧区和混合区；
所述燃烧区的氢气输入端与所述氨分解制氢反应器的氢气输出端，所述燃烧区的空气输入端与所述第一供风管路相连通；所述燃烧区燃烧氢气产生的高温气体输出至所述混合区；
所述混合区的输出端与所述氨分解制氢反应器的供热输入端相连通；所述供风部的输出端通过第二供风管路连通至所述混合区，用于输出空气至所述混合区；
其中，所述混合区接收所述高温气体和所述空气并混合为预设温度的所述供热气体，并且，输出所述供热气体至所述氨分解制氢反应器。
本实用新型的基于氢气燃烧的氨分解制氢系统，所述第一供风管路上设有第一调节阀，所述第二供风管路上设有第二调节阀。
本实用新型的基于氢气燃烧的氨分解制氢系统，还包括一控制部；
所述混合区的输出端处设有第一温度检测单元；
所述控制部分别与所述第一温度检测单元和所述第二调节阀信号连接。
本实用新型的基于氢气燃烧的氨分解制氢系统，所述氨分解制氢反应器的余热输出端设有第二温度检测单元。
本实用新型的基于氢气燃烧的氨分解制氢系统，所述氨分解制氢反应器的氢气输出端连通有一氢气输出管路，所述氢气输出管路的输出端分为第一支路和第二支路，所述第一支路与外部氢气利用装置相连通，所述第二支路与所述氢燃烧器的氢气输入端相连通。
本实用新型的基于氢气燃烧的氨分解制氢系统，所述第二支路上设有第三调节阀。
本实用新型的基于氢气燃烧的氨分解制氢系统，所述第一支路上设有增压设备。
本实用新型的基于氢气燃烧的氨分解制氢系统，还包括第一电加热器；
所述第一电加热器设于所述氨分解制氢反应器，用于提供启动阶段所述氨分解制氢反应器所需的热量。
本实用新型的基于氢气燃烧的氨分解制氢系统，还包括第二电加热器，所述第二电加热器设于所述换热器上，用于在启动阶段经所述氢燃烧器输出高温气体至所述氨分解制氢反应器。
本实用新型由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
本实用新型一实施例通过设置液氨供应部、液氨气化部、氨分解制氢反应器、氢燃烧器和供风部。液氨供应部输出的液氨在液氨气化部处气化为氨气并输出至氨分解制氢反应器进行制氢，生成的氢气输出至外部氢气利用装置，同时，将部分生成的氢气输出至氢燃烧器进行燃烧，燃烧产生的热量输出至氨分解制氢反应器用来提供反应所需的热量，氢燃烧器内所需的空气则由供风部经第一供风管路提供。本实施例进一步设置第一余热管路，将为氨分解反应供热后的供热气体输出至液氨气化部，提供气化所需的热量，设置第二余热管路将为气化供热后的供热气体输出，并通过换热器与第一供风管路内的空气耦合换热，对该部分空气进行预热，充分利用燃烧氢气产生的热量，降低耗能，减少能量浪费，从而解决了现有氨分解制氢装置耗能大、能量浪费严重导致制氢成本较高的问题。
附图说明
图1为本实用新型的基于氢气燃烧的氨分解制氢系统的示意图。
附图标记说明：1：液氨供应部；2：氨分解制氢反应器；3：液氨气化部；4：氢燃烧器；401：燃烧区；402：混合区；5：外部氢气利用装置；6：供风部；7：换热器；8：第一调节阀；9：第二调节阀；10：第一供风管路；11：第二供风管路；12：增压设备；13：第一余热管路；14：第二余热管路；15：氢气输出管路；16：第一支路；17：第二支路；18：第三调节阀；19：第一温度检测单元；20：第二温度检测单元；21：第一电加热器；22：第二电加热器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的一种基于氢气燃烧的氨分解制氢系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。
参看图1，在一个实施例中，一种基于氢气燃烧的氨分解制氢系统，包括液氨供应部1、液氨气化部3、氨分解制氢反应器2、氢燃烧器4和供风部6。
液氨气化部3的液氨输入端与液氨供应部1的输出端相连通。氨分解制氢反应器2的输入端与液氨气化部3的输出端相连通，氨分解制氢反应器2的氢气输出端与外部氢气利用装置5相连通。氢燃烧器4的氢气输入端与氨分解制氢反应器2的氢气输出端相连通，氢燃烧器4的输出端与氨分解制氢反应器2的供热输入端相连通，用于输出供热气体至氨分解制氢反应器2。
供风部6的输出端通过第一供风管路10连通至氢燃烧器4的空气输入端，第一供风管路10与换热器7的放热端耦合换热。
其中，氨分解制氢反应器2的余热输出端通过第一余热管路13连通至液氨气化部3的供热输入端，液氨气化部3的余热输出端通过第二余热管路14与外界相连通，且第二余热管路14与换热器7的吸热端耦合换热。
本实施例通过设置液氨供应部1、液氨气化部3、氨分解制氢反应器2、氢燃烧器4和供风部6。液氨供应部1输出的液氨在液氨气化部3处气化为氨气并输出至氨分解制氢反应器2进行制氢，生成的氢气输出至外部氢气利用装置5，同时，将部分生成的氢气输出至氢燃烧器4进行燃烧，燃烧产生的热量输出至氨分解制氢反应器2用来提供反应所需的热量，氢燃烧器4内所需的空气则由供风部6经第一供风管路10提供。本实施例进一步设置第一余热管路13，将为氨分解反应供热后的供热气体输出至液氨气化部3，提供气化所需的热量，设置第二余热管路14将为气化供热后的供热气体输出，并通过换热器7与第一供风管路10内的空气耦合换热，对该部分空气进行预热，充分利用燃烧氢气产生的热量，降低耗能，减少能量浪费，从而解决了现有氨分解制氢装置耗能大、能量浪费严重导致制氢成本较高的问题。
下面对本实施例的基于氢气燃烧的氨分解制氢系统的具体结构进行进一步说明：
在本实施例中，上述的氢燃烧器4可包括依次连通的燃烧区401和混合区402。
燃烧区401的氢气输入端与氨分解制氢反应器2的氢气输出端，燃烧区401的空气输入端与第一供风管路10相连通。燃烧区401用于燃烧氢气产生的高温气体输出至混合区402。
混合区402的输出端则是与氨分解制氢反应器2的供热输入端相连通。供风部6的输出端通过第二供风管路11连通至混合区402，用于输出空气至混合区402。
其中，混合区402接收高温气体和温度较低的空气并混合为预设温度的供热气体，将混合区402输出的供热气体的温度控制在预设温度范围内，从而可控制氨分解制氢反应器2的反应温度，保证氨分解反应的反应效率，提升系统整体的制氢效率。
进一步地，第一供风管路10上设有第一调节阀8，第二供风管路11上设有第二调节阀9。
而本实施例的基于氢气燃烧的氨分解制氢系统还可包括一控制部。混合区402的输出端处设有第一温度检测单元19，控制部分别与第一温度检测单元19和第二调节阀9信号连接。即控制部可根据第一温度检测单元19检测到的供热气体的温度控制第二调节阀9的开度，从而对进入混合区402的空气的量进行调整，控制最终输出的供热气体的温度。
进一步地，氨分解制氢反应器2的余热输出端设有第二温度检测单元20，同样可设置为与控制部信号连接。
在本实施例中，氨分解制氢反应器2的氢气输出端连通有一氢气输出管路15，氢气输出管路15的输出端分为第一支路16和第二支路17，第一支路16与外部氢气利用装置5相连通，第二支路17与氢燃烧器4的氢气输入端相连通。
其中，第二支路17上设有第三调节阀18，第三调节阀18可设置为与控制部信号连接，则控制部可根据第一温度检测单元19和/或第二检测单元的温度信息控制第一调节阀8和第三调节阀18的开度，对氢燃烧器4内的燃烧量进行控制，从而得到所需输出的热量。
进一步地，第一支路16上可设有增压设备12，具体可根据氢气压力需求决定是否设置。
在本实施例中，供风部6可为风机或是其他可实现供风的设备。
为保证本实施例的基于氢气燃烧的氨分解制氢系统可顺利启动，还可在氨分解制氢反应器2处设置第一电加热器21，用于提供启动阶段氨分解制氢反应器2所需的热量，从而完成系统的启动。
当然，在其他实施例中，也可在氢燃烧器4的燃烧区401引入外来氢气或是其他可燃气体进行燃烧，从而完成系统的启动。或是，在换热器7或是第一供风管路10上设置第二电加热器22，直接对进入燃烧区401的空气进行加热，此时被加热的空气直接经过燃烧区401和混合区402进入氨分解制氢反应器2，提供反应所需的热量。
下面对本实施例的基于氢气燃烧的氨分解制氢系统的运行流程进行说明：
风机通过第一调节阀8将一定流量的空气送入氢燃烧器4的燃烧区401，同时，氨分解制氢反应器2产生的氢气，通过第三调节阀18将一定流量的氢气送入氢燃烧器4的燃烧区401，完成点火燃烧；燃烧区401燃烧产生的高温烟气进入混合区402；同时风机通过第二调节阀9将一定流量的空气送入氢燃烧器4的混合区402，与燃烧产生的高温烟气混合形成供热气体，并将混合区402出口的供热气体温度控制在一定温度范围内；
一定温度流量的供热气体，直接进入氨分解制氢反应器2(或先进入中间介质换热器7，如导热油换热器7，加热导热油，导热油进入氨分解制氢反应器2)，为氨分解制氢反应器2提供反应所需热量；经过氨分解制氢反应器2(或中间介质换热器7)后的尾气，先通过第一余热管路13输出至液氨气化部3对液氨气化的过程进行供热，经过气化供热这一步的尾气则是通过第二余热管路14在换热器7处对进入燃烧区401的空气进行预热，这样不但可以降低排烟气温度，热量回收还能提高系统综合效率。
氨分解制氢反应器2产生的氢气，经过第一支路16后，进入外部氢气利用装置5；然后小部分氢气进入第二支路17，通过第三调节阀18调节流量后，进入氢燃烧器4的燃烧区401完成燃烧，为氨分解制氢反应器2提供热源；大部分氢气输送至外部氢气利用装置5(例如燃料电池、燃气轮机或其他氢气应用装置或系统)，根据氢气压力需求，决定是否设置氢气增压装置。
在本实施例中，可通过控制部控制第一调节阀8和第三调节阀18以及第二调节阀9，将氢燃烧器4的混合区402出口的供热气体的温度控制在一定稳定的范围。
进一步地，第一调节阀8和第三调节阀18之间可设置匹配连锁控制，第一调节阀8控制流量和第三调节阀18流量设置固定匹配曲线，可以使氢气充分燃烧，提高燃烧效率。
第一温度检测单元19和第二温度检测单元20则可对对应位置的气体温度进行检测，可用以计算分析氨分解制氢的效率。
上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式。即使对本实用新型作出各种变化，倘若这些变化属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本实用新型的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于氢气燃烧的氨分解制氢系统，其特征在于，包括：
液氨供应部；
液氨气化部，所述液氨气化部的液氨输入端与所述液氨供应部的输出端相连通；
氨分解制氢反应器，所述氨分解制氢反应器的输入端与所述液氨气化部的输出端相连通，所述氨分解制氢反应器的氢气输出端与外部氢气利用装置相连通；
氢燃烧器，所述氢燃烧器的氢气输入端与所述氨分解制氢反应器的氢气输出端相连通，所述氢燃烧器的输出端与所述氨分解制氢反应器的供热输入端相连通，用于输出供热气体至所述氨分解制氢反应器；
供风部，所述供风部的输出端通过第一供风管路连通至所述氢燃烧器的空气输入端；所述第一供风管路上设有换热器；
其中，所述氨分解制氢反应器的余热输出端通过第一余热管路连通至所述液氨气化部的供热输入端；所述液氨气化部的余热输出端通过第二余热管路与外界相连通，且所述第二余热管路与所述换热器耦合换热。
2.如权利要求1所述的基于氢气燃烧的氨分解制氢系统，其特征在于，所述氢燃烧器包括依次连通的燃烧区和混合区；
所述燃烧区的氢气输入端与所述氨分解制氢反应器的氢气输出端相连通，所述燃烧区的空气输入端与所述第一供风管路相连通；所述燃烧区燃烧氢气产生的高温气体输出至所述混合区；
所述混合区的输出端与所述氨分解制氢反应器的供热输入端相连通；所述供风部的输出端通过第二供风管路连通至所述混合区，用于输出空气至所述混合区；
其中，所述混合区接收所述高温气体和所述空气并混合为预设温度的所述供热气体，并且，输出所述供热气体至所述氨分解制氢反应器。
3.如权利要求2所述的基于氢气燃烧的氨分解制氢系统，其特征在于，所述第一供风管路上设有第一调节阀，所述第二供风管路上设有第二调节阀。
4.如权利要求3所述的基于氢气燃烧的氨分解制氢系统，其特征在于，还包括一控制部；
所述混合区的输出端处设有第一温度检测单元；
所述控制部分别与所述第一温度检测单元和所述第二调节阀信号连接。
5.如权利要求1所述的基于氢气燃烧的氨分解制氢系统，其特征在于，所述氨分解制氢反应器的余热输出端设有第二温度检测单元。
6.如权利要求1所述的基于氢气燃烧的氨分解制氢系统，其特征在于，所述氨分解制氢反应器的氢气输出端连通有一氢气输出管路，所述氢气输出管路的输出端分为第一支路和第二支路，所述第一支路与外部氢气利用装置相连通，所述第二支路与所述氢燃烧器的氢气输入端相连通。
7.如权利要求6所述的基于氢气燃烧的氨分解制氢系统，其特征在于，所述第二支路上设有第三调节阀。
8.如权利要求6所述的基于氢气燃烧的氨分解制氢系统，其特征在于，所述第一支路上设有增压设备。
9.如权利要求1所述的基于氢气燃烧的氨分解制氢系统，其特征在于，还包括第一电加热器；
所述第一电加热器设于所述氨分解制氢反应器，用于提供启动阶段所述氨分解制氢反应器所需的热量。
10.如权利要求1所述的基于氢气燃烧的氨分解制氢系统，其特征在于，还包括第二电加热器，所述第二电加热器设于所述换热器上，用于在启动阶段经所述氢燃烧器输出高温气体至所述氨分解制氢反应器。
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