CN217756900U - 一种紧凑、高效磁增强等离子体辅助氨裂解系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种紧凑、高效磁增强等离子体辅助氨裂解系统，包括磁增强等离子体辅助燃烧器、导热管、裂解管、换热翅片、催化剂床、导流管、尾气处理端、封头、混合气导出端、降温分离室、氨氢供应端、液氨回收端、液氨罐、液氨泵、液相减压阀、氨导入接口；所述等离子体辅助燃烧器插入设置于所述导热管内部，导热管外设置有所述裂解管，裂解管外设置有所述导流管；永磁体放置于所述等离子体辅助燃烧器外侧。本实用新型利用磁增强等离子体辅助氨燃烧供热裂解氨，提高了等离子体产生的稳定性并提高等离子体内活性基团的浓度，提高了氨燃烧效率，同时减少了整个装置的尺寸和重量，使其更加紧凑高效。

Description

一种紧凑、高效磁增强等离子体辅助氨裂解系统

技术领域

本实用新型属于低温等离子体应用及氨应用领域，具体涉及一种紧凑、高效磁增强等离子体辅助氨裂解系统。

背景技术

氨的优点是能量密度大、易液化、易储运，与汽油相比氨的热值稍低、辛烷值较高、抗爆性能好；但其缺点也很明显：氨的燃点高，使用时需要较高压缩比或外点火触发才能保证混合气被点燃，同时氨的热值低、层流燃烧速度慢。使用氢气、天然气、柴油等碳氢燃料对氨燃烧特性的增强措施，比如掺氢40％时在空气中燃烧时的层流火焰速度与甲烷相当，但这种方式需要另外增加一种燃料，或是仍然需要添加使用一种含碳燃料，或者仍然存在氢的存储和运输的困境。另一种提高氨层流火焰速度的方法是富氧燃烧，在纯氧中氨的火焰传播速度达到1.09米/s，火焰厚度则仅有0.2mm。在氧气浓度达到30％时，层流火焰速度可以达到38.6cm/s，主要是因为氧气浓度的增加提高了反应区羟基、氢原子、氧原子和氨基的反应速率，但是这种方式需要对自然界的空气进行富氧化处理，其产生富氧的设备成本高，而且制出的氧气并不能增加燃烧体系的热值。

将氨直接裂解制成氢或氢氨混合物，为氢燃料电池或氨燃料电池或内燃机等应用场景提供燃料是一种极其便捷的方式，增加了氢氨利用的覆盖范围，同时无需单独存储氨之外的燃料，得到广泛的使用。文献资料CN 201520796878.0公开了一种氨裂解装置，利用加热管与换热器和镍触媒介质将氨裂解成氮气和氢气；文献资料CN200980146125.2利用氨氧化装置和发动机尾气余热协同催化裂解氨制氢；文献资料CN202111199042.9公开了一种两段法裂解氨制氢气的方法，利用第二段高温裂解氨反应出口气热量，节省外供热量，同时减少第二段高温氨裂解反应需求；文献资料CN202111329866.3公开了一种基于氨氢融合燃料的内燃机发电驱动零碳车辆及控制的方法，以氨经过氨裂解器重整后产生的氢气为引燃和助燃燃料，氢氨融合燃料内燃机驱动发电机，发电机直接提供给驱动电机为车辆提供驱动，也可为动力电池充电，在车辆启动时，为氨裂解器中的电加热装置供电，在稳定工况下氨裂解能量主要来自于内燃机的冷却和排气热量；上述这些技术均用到了氨裂解制氢的过程，或是部分利用发动机或燃烧余热，或是使用电对氨进行加热裂解。利用发动机余热进行裂解可能会带来过多换热结构的设计，同时在复杂路况发动机余热的稳定性较差可能会给热裂解带来波动；利用电加热则存在蓄电池储能(或发电机效率)和加热效率低的问题。文献资料CN201921733610.7公开了一种利用辅助氨燃烧的热裂解制氢装置，利用氨燃烧向换热盘管供热后的气流余热，为管束内氨裂解过程提供热量，经裂解后产生的氢、氮和氨混合气进一步作为氨燃料的助燃剂，实现氨的持续稳定燃烧；文献CN202121068675.1公开了一种新型液氨裂解发电系统，液氨经过预热后进入分解炉被催化分解，所得氢气经催化氧化放热，为氨裂解反应供热，剩余部分通过燃料电池发电；直接用氨燃烧来提供热源能够维持氨裂解的稳定性及较高的效率，但仍然面临氨不易燃烧，燃烧速度慢及燃烧不充分的问题，进而带来氨裂解设备过大，使用范围受限的困难。

实用新型内容

针对前述的氨燃烧和裂解效率低等不足之处，本实用新型提供了一种紧凑、高效等离子体辅助氨裂解系统，采用本实用新型涉及的系统可以使难以燃烧的燃料(如氨气)燃烧更加充分，污染物排放更少；同时利用等离子体辅助氨燃烧为氨裂解提供热量可以提高更多应用场景适用性、灵活性以及稳定性，减少氨裂解制氢过程对电能的依赖。

本实用新型采用的技术方案是：

一种紧凑、高效磁增强等离子体辅助氨裂解系统，其特征在于：所述系统包括磁增强等离子体辅助燃烧器、导热管、裂解管、换热翅片、催化剂床、导流管、尾气处理端、封头、混合气导出端、降温分离室、氨氢供应端、液氨回收端、液氨罐、液氨泵、液相减压阀、氨导入接口；

所述等离子体辅助燃烧器由等离子体发生器与旋流环组合而成，且其插入设置于所述导热管内部并与导热管密封配合；

所述导热管外设置有所述裂解管，所述裂解管外设置有所述导流管；且所述裂解管尾端伸出所述导流管，所述导热管尾端伸出所述裂解管；所述导热管尾端与所述尾气处理端连接；所述封头设置于所述裂解管尾端且套设于所述导热管上；

永磁体放置于所述等离子体辅助燃烧器外侧；

所述氨导入接口置于所述导热管尾部，所述等离子体辅助燃烧器置于所述导热管头部；

所述液氨罐与所述液氨泵、所述液相减压阀、所述氨导入接口一端依次连接；所述氨导入接口另一端与所述裂解管外壁和所述导热管外壁密封连接；

所述换热翅片点焊固定于所述裂解管上；

所述催化剂床放置于所述裂解管内；所述混合气导出端设置于所述导流管尾部；所述降温分离室置于所述混合气导出端的后端。

进一步的，所述磁增强等离子体为滑动弧等离子体、微波等离子体、直流电弧等离子体、介质阻挡放电等离子体、沿面放电等离子体或射频等离子体，其工作模式为连续波模式或脉冲模式；其中，所述磁增强等离子体在脉冲模式下的脉冲频率为1Hz-100kHz，占空比为1％-99％。

进一步的，所述封头与所述导热管外壁面密封连接，同时与所述导流管外壁面密封连接。

进一步的，所述导热管材质为耐腐蚀金属或高导热陶瓷材料。

进一步的，所述耐腐蚀金属为不锈钢或碳钢，所述高导热陶瓷材料为Si₃N₄或SiC。

进一步的，所述导热管内的压力为负压或常压或高压，所述高压大于1atm，小于等于30atm。

进一步的，所述裂解管内的压力为负压或常压或高压，所述高压大于1atm，小于等于750atm。

进一步的，所述导热管、裂解管和导流管为直线型或曲线型，管道内部添加翅片以增加换热面积，提高裂解效率。

进一步的，所述导热管内部温度为200-1200度，以使所述裂解管内发生裂解率可控的氨裂解反应。

进一步的，所述混合气导出端能直接将其部分气体导入所述导热管燃烧，该导入气体量占混合气导出端导出的总气体量的0.01％-100％。

本实用新型中，燃料和空气通过等离子体辅助燃烧器燃烧并在导热管内部形成热气流，使导热管温度提升至预定温度(如500度或600度)，热气流进入尾气处理端处理后排入大气，所述燃料为氨、天然气、煤粉或其它可燃烧成份，所述等离子体对燃料与空气进行辅助燃烧，利用等离子体的热效应、化学效应、动力效应等提高燃料燃烧效率，降低NOx排放；所述永磁体放置于所述等离子体辅助燃烧器外侧，形成磁增强等离子体，提高等离子体的稳定性合活性；液氨经所述液氨泵从所述液氨罐内泵出，所述液氨经过所述液氨泵泵出后经由所述液相减压阀减压输出，经耐腐蚀金属管进入氨导入接口，后进入所述裂解管；所述液氨泵与所述液氨罐通过耐腐蚀金属管道连接，所述耐腐蚀金属管耐压上限为75MPa；所述液氨在所述裂解管内先气化成氨气，后逐渐在所述加热管作用下升温至预定温度；所述换热翅片点焊固定于所述裂解管上，以增加所述裂解管内氨裂解反应的发生；热气流通过所述导热管加热所述催化剂床和停留在裂解管内的氨，所述氨在所述导热管和所述催化剂的共同作用下升高至500度或600度发生裂解反应产生裂解混合气，部分氨在所述裂解管内被裂解成氢和氮；所述裂解混合气是氨、氢和氮的混合气，或是氮和氢的混合气；所述裂解混合气在所述裂解管内流动，至所述封头后全部转流入所述导流管；所述封头与所述导热管外壁面密封连接，同时与所述导流管外壁面密封连接，以使所述裂解混合气在所述封头和所述导热管与导流管连接处不向外泄露；所述裂解混合气在所述导流管内流动时进一步与所述裂解管及内部气体换热，特别是所述裂解管尾部的液态氨将发生高效换热，使所述裂解管内的氨更易气化，同时所述裂解混合气在进入所述混合气导出端前进一步冷却输出；所述裂解混合气经过所述降温分离室后气体温度降至室温或临界温度以下，同时保持所述降温分离室的压力高于氨液化压力使氨液化形成分离液氨与氢气和氮气分离，经分离后所形成的气体进入氨氢供应端，供给应用端使用。

本实用新型中，催化剂床为10-30％wt镍-氧化铝、10-30％wt钴-氧化铝、10-30％wt钌-氧化铝、铁催化剂、锰催化剂、钯催化剂、镧催化剂、钼催化剂，或其任意组合。

所述降温分离室不降温或升压时，所述裂解混合气成份不变进入所述氨氢供应端，或是通过降温至氨液化温度(如-33度)使所述裂解混合气中氨气液化，或是通过降温加压(如室温10atm-20atm)至氨液化条件；或是降温至氮气液化温度(-196度)同时使氮气和氨气液化，分离出氢气进入所述氨氢供应端；此时所述氨氢供应端可以提供的气氛可以是氮气和氢气的混合气，或是氨气、氢气和氮气的混合气，或是氢气。

本实用新型的工作原理是：

本实用新型通过使用的等离子体辅助燃烧，其原理是利用等离子体所产生的大量电子、离子、活性自由基等，氧原子、羟基等活性自由基将极大的促进氨等燃料的燃烧性能，同时降低氨燃烧过程产生的大量NOx，使其经过简易处理即可排放。

本系统通过耦合磁场系统，增加磁场对等离子体的积极影响，特别是在满足电子回旋共振频率条件下(磁场强度和微波频率匹配)，磁场作用下的电子回旋运动过程中不断吸收微波携带的电磁能量，使得电子能量提高，增加电子碰撞引起的化学过程，比如燃烧过程和氮/氧的化学反应过程，提高气体离解率和电子密度，进而提高N、O、OH、NOx等活性基团的浓度，且这些活性基团浓度可通过功率、氮/氧/燃料配比调整。利用更高效的等离子体产生方法使氨的燃烧效率更高，更加有利于提高氨裂解器的整体热效率和氨裂解产氢的稳定性，进而使氨裂解器更加紧凑、重量更低、灵活性和场景适应性更高。

本实用新型的优点是：

本实用新型所涉及的系统为利用磁增强等离子体辅助氨燃烧供热裂解氨，使用永磁体充分利用磁场作用下电子回旋碰撞产生更高的电子能量，获得更高的活性粒子，提高等离子体产生的稳定性并提高等离子体内活性基团的浓度，提高氨燃烧效率，进而减少整个装置的尺寸和重量，使其更加紧凑高效。利用氨直接燃烧给氨裂解器供热不需要更多的电力，使装置整体对电的依赖降低，同时允许整体装置运行在较高的工作气压，进一步地减少整体装置的尺寸和重量，增加氨裂解器的紧凑性、轻型化、灵活性和应用场景适应性。

附图说明

图1是本实用新型提供的高效氨裂解制氢氨装置流程示意图；

图2是本实用新型提供的磁增强等离子体辅助氨裂解系统；

图3是本实用新型提供的磁增强等离子体装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅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它实施例，均属于本项发明的保护范围。

图1为本实用新型提供的实施例高效氨裂解制氢氨装置流程。如图1所示，液氨储罐通过液氨泵将液氨泵出至裂解器，氨经过裂解后形成氨氢氮混合气供氨氢氮混合气端，或经过降温分离室分离提纯后供至氨氢供应端或供氢端；液氨储罐中部分液氨导出并经由气化室气化产生氨气，再经由裂解管裂解部分转为氢气，所得混合气进入燃烧室燃烧为裂解器供给热量；裂解混合气从裂解器导出后具有较高的温度，通过热量回收至气化室；氨经过裂解后形成的氨氢氮混合气经由降温分离室后会形成液氨经由液氨回收供给到气化室。

图2为本实用新型提供的实施例的磁增强等离子体辅助氨裂解系统。如图2所示，该系统包括磁增强等离子体辅助燃烧器01、导热管02、裂解管03、换热翅片04、催化剂床05、导流管06、尾气处理端07、封头08、混合气导出端09、降温分离室10、氨氢供应端11、液氨回收端12、液氨储罐13、液氨泵14、液相减压阀15、氨导入接口16；所述磁增强等离子体辅助燃烧器01插入所述导热管02内部并进行密封配合，燃料和空气通过磁增强等离子体辅助燃烧器01燃烧并在导热管02内部形成热气流，使导热管02温度提升至预定温度(如500度或600度)，热气流进入尾气处理端07处理后排入大气，所述燃料为氨、天然气、煤粉或其它可燃烧成份，等离子体对燃料与空气进行辅助燃烧，利用等离子体的热效应、化学效应、动力效应等提高燃料燃烧效率，降低NOx排放；

液氨经所述液氨泵14从所述液氨储罐13内泵出，所述液氨经过所述液氨泵14泵出后经由所述液相减压阀15减压输出，后进入所述裂解管03；所述磁增强等离子体辅助燃烧器01置于所述导热管02头部；所述液氨泵14与所述液氨储罐13通过耐腐蚀金属管道连接，所述耐腐蚀金属管耐压上限为75MPa；液氨在所述裂解管03内先气化成氨气，后逐渐在所述导热管02作用下升温至预定温度；

所述换热翅片04点焊固定于所述裂解管03内，以增加所述裂解管03内氨裂解反应速度；所述催化剂床05放置于所述裂解管03内；所述热气流通过所述导热管02加热所述催化剂床05和停留在裂解管03内的氨，所述氨在所述导热管02和所述催化剂床05的共同作用下升高至500度或600度发生裂解反应产生裂解混合气，部分氨在所述裂解管03内被裂解成氢和氮；所述裂解混合气是氨、氢和氮的混合气供给混合气导出端09，或经过降温分离室10分离提纯后供至氨氢供应端11或供氢端；所述磁增强等离子体辅助燃烧器01中的等离子体为滑动弧等离子体、微波等离子体、直流电弧等离子体、介质阻挡放电等离子体、沿面放电等离子体、射频等离子体，工作模式可以是连续波模式或是脉冲模式，脉冲模式下脉冲频率为1Hz-100kHz，占空比为1％-99％。所述催化剂床05为10-30％wt镍-氧化铝、10-30％wt钴-氧化铝、10-30％wt钌-氧化铝、铁催化剂、锰催化剂、钯催化剂、镧催化剂、钼催化剂，或其任意组合。所述导热管02材质为不锈钢、碳钢等耐腐蚀金属，或为Si3N4、SiC等高导热陶瓷材料。所述导热管内02的压力为负压或常压或大于1atm小于等于30atm的高压。所述裂解管03内压力可以为负压或常压或大于1atm小于等于750atm的高压。所述降温分离室10不降温或升压时，裂解混合气成份不变进入所述氨氢供应端11，或是通过降温至氨液化温度(如-33度)使所述裂解混合气中氨气液化，或是通过降温加压(如室温10atm-20atm)至氨液化条件；或是降温至氮气液化温度(-196度)同时使氮气和氨气液化，分离出氢气进入所述氨氢供应端11；此时所述氨氢供应端11可以提供的气氛可以是氮气和氢气的混合气，或是氨气、氢气和氮气的混合气，或是氢气。所述导热管02、裂解管03和导流管06可以是直线型或是曲线型，管道内部添加翅片以增加换热面积，提高裂解效率。所述导热管02内部温度可以设置为200-1200度，以使所述裂解管03内发生裂解率可控的氨裂解反应。

图3为本实用新型磁增强等离子体辅助燃烧器示意图。如图3所示，包括等离子体发生器1、等离子体介质3、反应气4、等离子辅助燃烧区5；永磁体2放置于所述等离子体发生器1外侧；所述等离子体介质3进入等离子体发生器1后被电离，产生易于燃烧的成份，等离子体发生器1在永磁体2的作用下放电更加稳定，且活性基团更丰富；等离子体介质3经过等离子体发生器1处理后在出口处与反应气4混合燃烧，形成等离子体辅助燃烧区5。

Claims (6)

1.一种紧凑、高效磁增强等离子体辅助氨裂解系统，其特征在于：所述系统包括磁增强等离子体辅助燃烧器、导热管、裂解管、换热翅片、催化剂床、导流管、尾气处理端、封头、混合气导出端、降温分离室、氨氢供应端、液氨回收端、液氨罐、液氨泵、液相减压阀、氨导入接口；

所述等离子体辅助燃烧器由等离子体发生器与旋流环组合而成，且其插入设置于所述导热管内部并与导热管密封配合；

所述导热管外设置有所述裂解管，所述裂解管外设置有所述导流管；且所述裂解管尾端伸出所述导流管，所述导热管尾端伸出所述裂解管；所述导热管尾端与所述尾气处理端连接；所述封头设置于所述裂解管尾端且套设于所述导热管上；

永磁体放置于所述等离子体辅助燃烧器外侧；

所述氨导入接口置于所述导热管尾部，气态氨或液态氨直接通过所述氨导入接口进入所述裂解管，所述等离子体辅助燃烧器置于所述导热管头部；

所述液氨罐与所述液氨泵、所述液相减压阀、所述氨导入接口一端依次连接；所述氨导入接口另一端与所述裂解管外壁和所述导热管外壁密封连接；

所述换热翅片点焊固定于所述裂解管上；

所述催化剂床放置于所述裂解管内；所述混合气导出端设置于所述导流管尾部；所述降温分离室置于所述混合气导出端的后端。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑、高效磁增强等离子体辅助氨裂解系统，其特征在于：所述磁增强等离子体为滑动弧等离子体、微波等离子体、直流电弧等离子体、介质阻挡放电等离子体、沿面放电等离子体或射频等离子体，其工作模式为连续波模式或脉冲模式；其中，所述磁增强等离子体在脉冲模式下的脉冲频率为1Hz-100kHz，占空比为1％-99％。

3.根据权利要求1所述的一种紧凑、高效磁增强等离子体辅助氨裂解系统，其特征在于：所述封头与所述导热管外壁面密封连接，同时与所述导流管外壁面密封连接。

4.根据权利要求1所述的一种紧凑、高效磁增强等离子体辅助氨裂解系统，其特征在于：所述导热管材质为耐腐蚀金属或高导热陶瓷材料。

5.根据权利要求4所述的一种紧凑、高效磁增强等离子体辅助氨裂解系统，其特征在于：所述耐腐蚀金属为不锈钢或碳钢，所述高导热陶瓷材料为Si₃N₄或SiC。

6.根据权利要求1所述的一种紧凑、高效磁增强等离子体辅助氨裂解系统，其特征在于：所述导热管、裂解管和导流管为直线型或曲线型。

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