一种氨分解制氢系统的制作方法

本发明涉及氢能制备，尤其涉及一种氨分解制氢系统。

背景技术：

1、氨分解制氢凭借其高储氢密度、成熟的储运基础设施、无碳排放等显著优势，已成为分布式制氢、现场制氢以及氢燃料电池供氢领域的重要技术路线。近年来，随着催化剂材料、反应器设计以及系统集成技术的不断进步，氨分解制氢技术在反应效率、稳定性和经济性方面均取得了长足发展，为氢能的规模化应用奠定了坚实基础。

2、在实际工程应用中，氨分解制氢技术仍面临着一系列共性技术挑战有待进一步突破。氨分解反应为强吸热反应，反应过程需要持续输入大量热能，传统反应器的传热传质特性直接影响反应效率和能耗水平。

3、同时，氮气在催化剂表面的强吸附是氨分解反应的速率控制步骤，如何有效促进氮气脱附以提高反应转化率，一直是本领域研究的重点和难点。

4、此外，现有系统的动态响应特性与分布式制氢场景下负荷快速波动的需求之间仍存在一定的匹配差距。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：为了解决上述问题，而提出的一种氨分解制氢系统。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种氨分解制氢系统，包括：

4、脉冲进气调制模块，用于将连续的氨气流转化为周期性脉冲气流，并输出初始的压力激波能量；

5、动态压力激波反应模块，接收周期性脉冲气流和初始压力激波能量，利用压力激波在内部构建动态流场，促使氨气在催化剂作用下分解为包含氢气和氮气的混合气体；

6、频率自适应控制模块，通过采集动态压力激波反应模块内部的物理化学状态信号，动态调整脉冲进气调制模块的脉冲频率以及动态压力激波反应模块的谐振腔尺寸，维持驻波谐振状态；

7、气固分离与热回收模块，接收混合气体，消除残余压力脉动，分离固体粉尘并回收混合气体携带的热能，将回收的热能反馈至脉冲进气调制模块用于氨气预热，输出降温后的洁净气体；

8、氢气变压吸附提纯模块，接收降温后的洁净气体，通过周期性的压力变化实现杂质气体的捕获与释放，提取并输出高纯度氢气。

9、优选地，所述脉冲进气调制模块包括液氨气化与稳压单元、高频旋转脉冲发生器、喷嘴加速单元以及流体整流腔体；

10、液氨气化与稳压单元包括依次连通的汽化器、一级减压阀和内部设置有多孔均流板的缓冲罐，缓冲罐的出口与高频旋转脉冲发生器的进气口相连通，高频旋转脉冲发生器的出气口与喷嘴加速单元相连通。

11、优选地，所述高频旋转脉冲发生器包括定子外壳、同轴安装在定子外壳内部的旋转转子以及通过磁力耦合传动装置连接旋转转子的伺服驱动电机，旋转转子的圆柱面上沿圆周方向均匀开设有贯穿的导流狭缝；

12、喷嘴加速单元包括依次连通的收敛段、喉部和扩张段，用于将脉冲气流加速至预设状态以形成压力激波，并利用气流在喉部形成的声速屏障阻断下游产生的压力反射波向上游传播。

13、优选地，所述动态压力激波反应模块包括激波耦合反应器壳体、仿生分形催化剂床层、声学谐振与反射腔以及分布式热量注入单元；

14、激波耦合反应器壳体两端分别设置有渐扩型进气法兰和渐缩型出气法兰，外壁包裹有复合保温层；

15、仿生分形催化剂床层设置在激波耦合反应器壳体内部，声学谐振与反射腔设置在激波耦合反应器壳体的尾部，分布式热量注入单元包括嵌入至仿生分形催化剂床层内部的电加热元件和分布在不同位置的高频响应温度传感器。

16、优选地，所述仿生分形催化剂床层包括具有逐级分支三维网络结构的多孔陶瓷骨架，多孔陶瓷骨架表面涂覆有高比表面积涂层，高比表面积涂层上负载有催化剂活性组分；

17、声学谐振与反射腔内部安装有声波反射板以及驱动声波反射板沿轴向移动的滚珠丝杠机构，入射脉冲压力波与声波反射板产生的反射波在激波耦合反应器壳体内部干涉形成驻波场，仿生分形催化剂床层中催化剂负载量密集的区域布置在驻波场的波腹节点位置。

18、优选地，所述在动态压力激波的作用下，仿生分形催化剂床层表面的瞬态脱附速率满足公式：；

19、其中，表示标准状态下的脱附频率因子；表示催化剂表面氮原子的覆盖度；表示氮气脱附的本征活化能；表示理想气体常数；表示催化剂表面的绝对温度；表示压力变化率对脱附过程的强化系数；表示激波耦合反应器壳体内部局部压力的时间导数。

20、优选地，所述频率自适应控制模块包括多维信号高速采集单元、谐振状态实时评估单元、自适应寻优执行单元以及异常工况安全干预单元；

21、多维信号高速采集单元包括沿轴向等间距安装的压电式动态压力传感器、深入催化剂床层内部的铠装高频响应热电偶以及基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的快速气体分析仪，用于获取动态数据并传输至谐振状态实时评估单元，谐振状态实时评估单元输出偏差信号至自适应寻优执行单元。

22、优选地，所述自适应寻优执行单元计算目标脉冲频率满足公式：；

23、其中，；表示驻波的谐波阶数；表示谐振腔有效长度；表示混合气体的等效声速；表示时刻混合气体的等效比热比；表示理想气体常数；表示空间平均绝对温度；表示时刻混合气体的平均摩尔质量。

24、优选地，所述气固分离与热回收模块包括脉冲缓冲与旋风分离单元、微孔陶瓷精滤单元、相变热管换热单元以及冷凝液化与气液分离单元；脉冲缓冲与旋风分离单元包括带有切向进气口的圆柱形筒体和底部的倒圆锥形灰斗，用于吸收残余压力脉动并分离大粒径固体颗粒；微孔陶瓷精滤单元内部平行悬挂有多根具有非对称多层结构的微孔陶瓷过滤元件，并配备有自动反吹清灰系统；相变热管换热单元内部设置有密封隔板和穿过密封隔板的高温热管阵列。

25、优选地，所述氢气变压吸附提纯模块包括多床层程控阀阵列分配单元、复合吸附剂床层结构单元、变压吸附循环时序控制单元以及尾气缓冲与能量回收单元；

26、多床层程控阀阵列分配单元在管路节点处设置有微型阻尼孔板和气动缓冲腔；复合吸附剂床层结构单元的底部和顶部均安装有仿生树状气流分布器，内部自下而上依次设置有用于捕获残余氨气的除氨层、用于吸附氮气的除氮层以及用于脱除痕量杂质的精制层；

27、尾气缓冲与能量回收单元包括柔性气囊缓冲罐、透平膨胀机以及催化燃烧装置。

28、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

29、1、本发明通过动态压力激波与催化反应的深度耦合，有效强化了氨分解反应的全过程；压力激波产生的瞬态压力梯度场能够显著促进催化剂表面氮气的脱附过程，突破了传统反应动力学的限制，在相对温和的反应条件下即可获得理想的反应转化率；仿生分形催化剂床层的三维网络结构为反应提供了充足的活性位点，同时优化了气固接触方式，提升传质效率。

30、2、本发明通过将催化剂负载量密集区域布置在驻波场的波腹节点，实现了反应强化效果与催化剂分布的精准匹配，进一步提高了催化剂的利用效率；此外，动态流场的扰动作用改善了反应器内部的温度分布，减少了局部热点的形成，有利于反应的稳定进行。