一种无氢源独立冷启动的自热型氨在线分解制氢系统

本发明属于氢能与化工设备，具体涉及一种适用于车载供氢系统、移动分布式能源站等场景的无氢源独立冷启动的自热型氨在线分解制氢系统。

背景技术：

1、随着能源的日益匮乏和环境污染的日益严重，能源绿色转型已经成为重要的主题之一。氨和氢作为两种可以互相转化的零碳能源，是理想的绿色替代燃料。氢作为一种高效、清洁、无碳的燃料，被认为是终极的能源方案，但氢液化困难导致了存储和运输等存在诸多挑战。氨作为一种氢能载体，因其储运方便和高储氢密度的优势，被认为是实现大规模、分布式供氢的理想介质。氨分解制氢需要催化反应器来进行分解，在氨分解的反应过程中通常需要高温的反应条件，因此需要提供所需的热量促进氨分解。现有的氨分解反应器主要采用电阻丝加热的方式为氨分解提供热量，且多应用于固定场合，缺少车、船等移动动力场景的应用。

2、已有技术中，公开号为cn117069056a，公布日为2023年11月17日的专利文献中公开了一种自热式氨分解反应系统及制氢方法，该系统采用了两重依次连接的燃烧器和氨分解反应器，第一氨分解反应器与第二氨分解反应器串联设置，储氨装置与第一氨分解反应器连通，第二氨分解反应器与收集装置连通。第二氨分解反应器的第二内管的外壁上设有第二加热通道，其第二进气端与第二燃烧器连通，第二出气端与第一燃烧器连通。该系统虽然通过多级耦合降低了氨分解所需要的气体消耗量，但是其系统管路复杂，体积庞大，系统的紧凑程度、瞬态响应速度和能量利用效率无法满足移动端对轻量化和快速启动的需求，更加适用于固定站点的氨分解制氢。

3、公开号为cn120159659a，公布日为2025.年6月17日的专利文献中公开了一种氨制氢技术领域的应用于移动端的自热型氨分解制氢系统，该系统包括储氨罐、换热器、加压器、氨燃料发动机、自热型氨分解反应器、氢气缓冲罐和尾气后处理装置；其核心在于将燃烧器与反应器集成，氨分解制氢反应器中依靠氨储罐中的氨气和氨分解产生的氢气混合后燃烧供热；该系统中设计的氢气缓冲罐，用于在系统冷启动阶段提供氢气作为引燃料以点燃氨气，并在运行过程中缓存多余的氢气以应对动态响应需求。氨燃料发动机和自热型氨分解反应器中氨氢混合燃烧后的尾气用于预热要进入氨分解反应器的氨气，接着通过尾气处理装置处理后排放；氨气分三路供给，分别用于氨分解制氢、发动机中燃烧和反应器中燃烧供热；氢气分两路使用，分别为发动机中做引燃料和反应器中燃烧供热。在反应器结构上，采用了多根直列布置的316l不锈钢管作为反应通道，内部填充催化剂，外部通过燃烧室的高温气体加热。尽管该系统考虑了移动端的能量循环，但其冷启动依赖预存的高压氢气，增加了系统的体积与安全隐患，且其直管阵列结构在车载急热急冷工况下面临较大的热应力挑战。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的不足，提出了一种无氢源独立冷启动的自热型氨在线分解制氢系统，通过集成一个电热元件（即，在辅燃料管路外围缠绕有电热丝）在系统启动之初仅消耗少量电能，快速自产出微量氢气作为“火种”；随后，利用这些氢气与氨气混合，采用预混燃烧模式迅速点火升温；一旦反应器达到稳定的工作温度，则切换至扩散燃烧模式以保证反应器的安全与稳定。同时，通过锥形回流罩等结构设计实现烟气强制导流和分级换热，并结合催化剂径向分层，实现了热能高效利用和快速升温，从而在无外部氢源的条件下，实现快速、自给自足的冷启动。

2、为了解决上述技术问题，本发明提出的一种无氢源独立冷启动的自热型氨在线分解制氢系统，包括气体供应系统、氨分解反应器、烟气处理系统、混合气收集装置和智能电控系统；所述氨分解反应器的分解气出口与所述混合气收集装置相连，所述氨分解反应器的烟气出口连接至所述烟气处理系统；所述气体供应系统包括与空气源相连的第一空气管路和第二空气管路，与氨气气源相连的主燃料管路和辅燃料管路；所述气体供应系统中的所述辅燃料管路设有电热元件。

3、所述氨分解反应器包括自上而下连接的预混腔、连接板、反应器壳体和回流罩；所述预混腔内设有上下两层滤网，上层滤网与下层滤网之间设置有若干瓷球；所述预混腔的顶部设有一次裂解气出气道；所述反应器壳体为三层同轴嵌套结构，所述反应器壳体包括同轴嵌套的燃烧室安装套、内套筒、外套筒和外壳，从而将所述反应器壳体内的空间自内向外划分均为环形腔的内反应区、再反应区和烟气回流层，所述内反应区和再反应区内装填有催化氨分解反应的催化剂；所述反应器壳体的顶部设有反应器盖板，所述反应器盖板上设有与所述内套筒直径一致的中心孔，所述燃烧室安装套内安装有贯穿所述中心孔的燃烧室；所述燃烧室的顶部设有与所述智能电控系统相连的点火电极，燃料及空气进入燃烧室后，经所述智能电控系统进行点火燃烧；所述分解气出口设置在所述反应器盖板上、并与所述再反应区贯通，所述反应器盖板上还设有与所述烟气回流层贯通的螺旋管过孔；所述烟气出口设置在所述外壳的侧壁的上部；所述烟气回流层内盘旋有螺旋管，所述内反应区的底部与所述再反应区的底部相连通；所述内反应区的底部卡装有金属网孔板，所述再反应区设有底板，所述内反应区和再反应区内装填有催化氨分解反应的催化剂；所述连接板与所述燃烧室之间设有用于密封的石墨环，所述连接板上设有轴向通孔，所述轴向通孔内嵌装有与所述内反应区连通的一次裂解气入口管，所述连接板上设有一径向通孔，所述径向通孔的一端与一次裂解气进气道的a端相连，所述一次裂解气进气道的b端与所述一次裂解气入口管连接；所述径向通孔的另一端与所述一次裂解气出气道相连；所述螺旋管的一端穿过所述螺旋管过孔后连接至氨气气源；所述螺旋管的另一端依次穿过燃烧室和预混腔，并通过一次裂解气出气道连接至所述一次裂解气进气道的b端。

4、所述回流罩的底部是夹角60°的倒锥形底面，所述回流罩的顶部与所述烟气回流层连通，所述烟气回流层内的烟气撞击到所述倒锥形底面后沿着锥形斜坡四周滑落，消除可能存在的流动死区，提高烟气流与所述螺旋管内冷气流的换热效率；

5、所述第一空气管路、第二空气管路、主燃料管路和辅燃料管路及所述螺旋螺与氨气气源的连接管道上均分别设有电控阀，所有的电控阀和所述电热元件均与所述智能电控系统连接，所述智能电控系统控制所有电控阀的状态、所述电热元件的电加热启停及所述点火电极的点火与关闭以及电热元件的温度监测。

6、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

7、（1）本发明采用纯氨作为燃烧和反应的原料，完全省去了高压储氢罐和复杂等减压系统等，大大缩减了系统体积，消除了车载高压氢气的爆炸风险。

8、（2）本发明采用锥形回流罩的结构，不仅消除了流动死区，还强化引导烟气冲刷螺旋管，有效的提高了系统热效率。

9、（3）本发明采用了两步裂解的方式，氨气先在燃烧高温区初步裂解后，再进入反应腔进行二次裂解，提高了整体转化率。

10、（4）本发明采用了催化剂分层的方式，反应腔内部区域设置为ni基催化剂等类别的非贵金属催化剂，外部端设置为ru基催化剂等低温催化剂，大幅降低了贵金属ru用量，降低了制造成本。

11、（5）本发明设置小型电热元件，仅需低压电池即可驱动，利用小区域的电热升温产热裂解快速产生氢气“火种”，作为冷启动阶段预混氨燃烧的气动锚点，解决了纯氨冷态点火难、易脱火的问题

12、（6）本发明采用了预混/扩散双模态燃烧的方式，通过控制系统调节管路开闭实现燃烧模态切换，在低温工况下采用预混燃烧保证点火迅速，在高温工况下切换为扩散燃烧避免回火等风险，有效解决了氨/氢燃料燃烧特性导致的难题，并保护燃烧器喷嘴；同时扩散燃烧有助于热量在长管的均匀分布，避免了局部过烧。

13、（7）本发明采用可拆卸的法兰连接结构，实现了反应器内胆与外壳的模块化组装；解决了传统焊接式反应器催化剂失活即报废的难题。仅需拆卸法兰即可完成催化剂的替换，降低了长期运行成本；针对高温腐蚀环境下易损的核心裂解管组件，法兰结构允许对其进行独立更换，实现了“以换代修”，延长了装置整体的使用寿命