一种氨分解反应装置的制作方法

1.本实用新型属于氨分解技术领域，具体涉及一种氨分解反应装置。


背景技术：

2.因环境污染和温室效应等问题，以传统碳基能源为主的能源结构面临着巨大的挑战，氢能因其清洁、单位质量能量密度高、来源广泛等优点被认为是未来化石燃料的替代性能源。伴随着氢燃料电池技术的逐步产业化，氢能的高效、无碳利用也将得以实现。目前，需要解决的一大关键难题是高效、安全的储氢技术。
3.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、燃点较高且低浓度下无毒害、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。
4.氨分解是可逆吸热反应，为了保证氨分解完全，反应必须在较高温度进行。可通过电加热维持反应温度和提供反应热，这样虽可简化氨分解反应装置结构，但由于电的能量品味高，用电对反应器进行加热，使得氨分解装置的整体能效较低，且反应器从常温状态下启动所需时间较长(需将反应器装置从室温升高至500～800℃，具体温度取决于氨分解催化剂的性能)，很大程度上限制了装置的灵活性。


技术实现要素：

5.因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中的氨分解反应装置能效低、常温启动时间长等缺陷，从而提供一种氨分解反应装置。
6.为此，本实用新型提供了以下技术方案。
7.本实用新型提供了一种氨分解反应装置，包括至少1个反应器；
8.所述反应器为一腔体；所述反应器上至少设置1个第一进气口和第二进气口，以及至少1个第一出气口和第二出气口；所述反应器内部还设置有，
9.第一隔板，设置在第一进气口和第二进气口之间，用于分隔第一气体和第二气体；
10.气体分布器，设置在第一进气口和第一隔板之间，与第一进气口连通；
11.若干管道，每个管道内部填充有第一催化剂，所述若干管道贯穿第一隔板，且与气体分布器连通，将第一气体通入管道中，使其发生催化燃烧反应，反应后的气体通过第一出气口排出；相邻管道之间填充有第二催化剂，且与第二进气口和第二出气口连通，用于输送第二气体，使第二气体发生氨分解反应，反应后的气体通过第二出气口排出；
12.第二隔板，设置在第一出气口和第二出气口之间，且所述若干管道贯穿第二隔板；
13.所述氨分解反应装置还包括加热器或与反应器连通的预反应器。
14.所述加热器为电加热器，包覆在所述反应器的外部；或，
15.所述加热器为燃烧器，设置在所述反应器的底部。
16.进一步地，沿第一气体流动方向，所述加热器设置在所述第一进气口之前，用于加热第一气体；
17.所述加热器为电加热器或燃烧器。
18.所述预反应器通过其出气口与反应器连通；
19.所述预反应器的结构与所述反应器的结构相同，所述预反应器内的管道填充有第三催化剂；相邻管道之间填充有第四催化剂；
20.所述第三催化剂为催化燃烧催化剂；所述第四催化剂为氨分解催化剂。
21.所述预反应器通过其出气口与反应器连通；
22.所述预反应器内为一腔体，腔体内填充有第三催化剂。
23.所述第二出气口与所述第一进气口连通，将氨分解产物用于反应器的催化燃烧，减少或完全替代外部燃料的供应。
24.所述第一催化剂为催化燃烧催化剂；所述第二催化剂为氨分解催化剂。
25.本实用新型提供了一种使用上述氨分解反应装置的氨分解方法，其步骤包括，
26.启动加热器至反应器温度达到200
‑
350℃，通入第一气体发生催化燃烧反应，关闭加热器，反应器内催化燃烧反应继续进行，直至反应器温度达到350
‑
600℃，通入第二气体，发生氨分解反应；或，
27.启动加热器，加热第一气体至温度为200
‑
350℃，通入反应器中发生催化燃烧反应，关闭加热器，催化燃烧反应继续进行，直至反应器温度达到350
‑
600℃，通入第二气体，发生氨分解反应。
28.本实用新型提供了一种使用上述氨分解反应装置的氨分解方法，其步骤包括，
29.在预反应器中通入第一气体，常温发生催化燃烧反应，再通入第二气体，发生氨分解反应，直至预反应器温度达到200
‑
350℃且氨分解转化率达到20
‑
50％；
30.将预反应器的所有产物和第一气体混合后通入反应器的第一进气口中进行催化燃烧反应，至反应器温度达到350
‑
600℃，再在反应器中通入第二气体，发生氨分解反应。
31.本实用新型还提供了一种使用上述氨分解反应装置的氨分解方法，其步骤包括，
32.在预反应器中通入第一气体，发生催化燃烧反应，使预反应器温度达到200
‑
350℃；
33.将预反应器的产物和第一气体混合后通入反应器第一进气口中发生催化燃烧反应，至反应器温度达到350
‑
600℃后通入第二气体，发生氨分解反应。
34.所述第一催化剂为催化燃烧催化剂，在200
‑
350℃起活，可以是贵金属催化剂、金属氧化物催化剂或电子化合物催化剂；具体地，所述第一催化剂可以是但不限于mgal2o4、mn
‑
co
‑
cu
‑
fe
‑
ni/γ
‑
al2o3/堇青石、pt/γ
‑
al2o3/堇青石、pt/cexzr1‑
x
o2/γ
‑
al2o3中的至少一种；
35.所述第二催化剂为氨分解催化剂，在350
‑
600℃起活，可以是贵金属催化剂、金属氧化物催化剂、电子化合物催化剂或高熵合金催化剂；具体地，所述第二催化剂可以是但不限于ni、fe2o3、v2o5、cr2o3、moo
x
、wo
x
中的至少一种；
36.第三催化剂为催化燃烧催化剂，在常温下起活，为贵金属催化剂、金属氧化物催化剂或电子化合物催化剂；具体地，所述第三催化剂可以是但不限于pd/al2o3；
37.第四催化剂为氨分解催化剂，在200
‑
350℃起活，可以是贵金属催化剂、过渡金属催化剂、金属氧化物催化剂、电子化合物催化剂或高熵合金催化剂；具体地，可以是但不限于ru、ir等低温氨分解催化剂。
38.第一气体为燃料气体和助燃气体的混合气体，具体地，燃料气体为醇、烃类、氢气、氨气等中的至少一种；助燃气体为空气和/或氧气。
39.本实用新型技术方案，具有如下优点：
40.1.本实用新型提供的氨分解反应装置，包括加热器或预反应器，以及反应器，反应器为一腔体，反应器内部设置有第一隔板、若干管道、气体分布器和第二隔板；本实用新型提供的氨分解反应装置，通过设置预反应器，可以在常温下启动催化燃烧反应，使反应器温度升高至350
‑
600℃，进行氨分解反应；或，先采用加热器对反应器进行加热，待其达到200
‑
350℃后，启动催化燃烧反应，再关闭加热器，利用催化燃烧反应放出的热量使反应器温度进一步提高至350
‑
600℃，进行氨分解反应。本实用新型克服了现有技术中通过电加热启动和提供反应热的缺陷，提高了能量利用效率，降低能耗，并且通过设置启动策略，在反应器温度到达200
‑
350℃时启动催化燃烧，缩短了反应器的整体启动时间，提高了反应器的灵活性。
41.本实用新型提供的氨分解反应装置可以进入稳定运行状态，既能维持催化燃烧反应，又能保证氨分解反应所需的热量，减少或完全替代了外部燃料的供应，可用于有外部其他燃料或无其他燃料的场合，提高了反应器的适用性。
42.2.本实用新型提供的氨分解反应装置，该加热器既可以为电加热器，也可以为燃烧器，可以应用于有电力系统不变的场合，也可以用于要求无明火的场合，提高了反应器的灵活性和适用性。
附图说明
43.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述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实用新型的一些实施方式，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。
44.图1是本实用新型实施例1提供的一种实施方式的氨分解反应装置；
45.图2是本实用新型实施例1提供的一种实施方式的氨分解反应装置；
46.图3是本实用新型实施例1提供的一种实施方式的氨分解反应装置；
47.图4是本实用新型实施例1提供的一种实施方式的氨分解反应装置；
48.图5是本实用新型实施例1提供的一种实施方式的氨分解反应装置；
49.图6是本实用新型实施例1提供的一种实施方式的氨分解反应装置；
50.附图标记：
51.ⅰ‑
反应器；
ⅱ‑
加热器；
ⅲ‑
预反应器；
[0052]1‑
第一进气口；2
‑
第二进气口；3
‑
第一出气口；4
‑
第二出气口；5
‑
管道；6
‑
气体分布器；7
‑
第一隔板；8
‑
第二隔板；9
‑
支撑栅板；10
‑
第三进气口；11
‑
第四进气口；12
‑
第三出气口；13
‑
第四出气口；14
‑
第五进气口；15
‑
第五出气口；16
‑
保温层。
具体实施方式
[0053]
下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
[0054]
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0055]
此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0056]
实施例1
[0057]
本实施例提供了一种氨分解反应装置，如图1所示，包括1个反应器ⅰ；反应器为一腔体，反应器上设置有第一进气口1和第二进气口2，以及第一出气口3和第二出气口4；反应器内部还设置有，
[0058]
第一隔板7，设置在第一进气口1和第二进气口2之间，用于分隔第一气体和第二气体；
[0059]
气体分布器6，设置在第一进气口1和第一隔板7之间，且气体分布器6与第一进气口1连通；
[0060]
若干管道5，每个管道内部填充有第一催化剂，且每个管道5均贯穿第一隔板7，与气体分布器6连通，将第一气体通入每个管道5中，使其发生催化燃烧反应，催化燃烧反应的温度可达350
‑
600℃，燃烧反应后的气体通过第一出气口3排出；相邻管道5之间填充有第二催化剂，第二进气口2和第二出气口4连通，第二气体通过第二进气口2进入相邻管道之间的缝隙，发生氨分解反应，反应后的气体从第二出气口4排出；第一催化剂在200
‑
350℃下起活，可以使第一气体发生燃烧反应，第一催化剂可以是但不限于mgal2o4、mn
‑
co
‑
cu
‑
fe
‑
ni/γ
‑
al2o3/堇青石、pt/γ
‑
al2o3/堇青石、pt/cexzr1‑
x
o2/γ
‑
al2o3中的至少一种，第二催化剂为氨分解催化剂，具体地，第二催化剂可以是但不限于fe2o3、ru、v2o5、cr2o3、moo
x
、wo
x
中的至少一种；第一气体为燃料气体和助燃气体的混合气体，具体地，燃料气体为醇、烃类、氢气、氨气等燃料气体中的至少一种，助燃气体为氧气或空气；本实施例中，第一催化剂为mgal2o4，第二催化剂为ru，第一气体为氢气与空气的混合气体，第二气体为氨气。
[0061]
第二隔板8，设置在第一出气口3和第二出气口4之间，用于分隔第一气体的反应产物和第二气体的反应产物，且每个管道5均贯穿于第二隔板8；
[0062]
支撑栅板9，设置在第一隔板7和第二隔板8之间，为管道提供支撑力。
[0063]
氨分解反应装置还包括加热器ⅱ，加热器为电炉丝加热器，包覆在腔体外部，加热器使反应器温度达到200
‑
350℃后，停止工作。
[0064]
作为一种优选地实施方式，第二出气口4与第一进气口1连通，可以实现燃料的循环利用，减少反应器对外部燃料的依赖。
[0065]
优选地，反应器外部还包覆有保温层16，减少能量损耗。
[0066]
作为一种可替代的实施方式，如图2所示，加热器为燃烧器，设置在反应器的底部，加热反应器，使其温度达到200
‑
350℃后，停止工作。
[0067]
上述装置的工作原理：
[0068]
加热器对反应器进行加热，使反应器温度达到200
‑
350℃，在第一进气口1中通入第一气体(氢气与空气的混合气体)，第一气体在管道中发生催化燃烧反应，反应后的气体通过第一出气口3排出，同时关闭加热器，停止对反应器加热，氢气催化燃烧反应持续放热，
使反应器内的温度进一步提高，直至反应器温度达到350
‑
600℃后，在第二进气口2中通入第二气体氨气，发生氨分解反应，反应后的气体通过第二出气口4排出，调节第一气体和第二气体的进气量，使氨分解反应装置进入稳定运行状态。优选地，将部分反应后的气体再次通入第一进气口1中，循环利用气体。该过程可以减少或完全替代外部燃料的供应，不需要利用加热维持反应温度以及提供反应热，该装置既实现了稳定运行时的热量自给(即稳定运行时不需外部供给热量)，又缩短了反应器启动时间。
[0069]
作为另一种可替代的实施方式，如图3所示，第一气体为氢气和空气的混合气体，沿第一气体流动方向，加热器设置在第一进气口1之前，用于加热助燃气体空气，使空气的温度达到200
‑
350℃，再将空气和氢气同时通入反应器中，发生催化燃烧反应，关闭加热器，反应器内继续进行催化燃烧反应，放出热量，待反应器内温度达到350
‑
600℃时，通入氨气发生氨分解反应，待反应器进入稳定运行状态后，还可将第二出气口4中的部分气体通入第一进气口1中维持催化燃烧反应，减少外部燃料的供应。在本实施例中，加热器为电加热器。
[0070]
作为另一种可替代的实施方式，如图4所示，第一气体为氢气和空气的混合气体，沿第一气体流动方向，加热器设置在所述第一进气口之前，用于加热部分第一气体，使部分第一气体的温度达到200
‑
350℃，然后将其通入反应器中发生催化燃烧反应，关闭加热器，同时按照图4所示，继续通入第一气体，使催化燃烧反应继续进行，当反应器温度达到350
‑
600℃后通入氨气，发生氨分解反应，待反应器进入稳定运行状态后，还可将第二出气口4中的部分气体通入第一进气口1中维持催化燃烧反应，减少外部燃料的供应。在本实施例中，加热器为燃烧器。
[0071]
作为另一种可替换的实施方式，如图5所示，氨分解反应装置还包括预反应器ⅲ，预反应器的结构与反应器的内部结构相同，预反应器的第三出气口12和第四出气口13与反应器的第一进气口1连通，预反应器得到的产物作为燃料通入反应器中发生催化燃烧反应；
[0072]
预反应器内的管道填充有第三催化剂，相邻管道之间填充有第四催化剂；预反应器上设置有第三进气口10、第四进气口11、第三出气口12和第四出气口13；第三出气口12和第四出气口13与第一进气口1连通，预反应器的产物作为燃料通入反应器的第一进气口1中发生催化燃烧反应；第三催化剂是在常温下就可以发生催化反应，具体地，第三催化剂可以是但不限于pt/al2o3；第四催化剂在200
‑
350℃下起活，可以是但不限于贵金属催化剂、过渡金属催化剂、金属氧化物催化剂、电子化合物催化剂或高熵合金催化剂，在本实施例中，第四催化剂为ru催化剂；优选地，反应器的第二出气口4与第一进气口1连通，循环利用燃料；
[0073]
上述装置的工作原理：
[0074]
在预反应器第三进气口10通入第一气体，发生催化燃烧反应，第四进气口11中通入氨气，发生氨分解反应，待预反应器温度达到200
‑
350℃，且氨分解转化率达到20
‑
50％后，将第三出气口12和第四出气口13排出的产物通过第一进气口1通入反应器中，同时将第一气体通过第一进气口1通入反应器中，发生催化燃烧反应，待反应器温度达到350
‑
600℃后，在第二进气口2中通入第二气体氨气，发生氨分解反应，反应后的气体从第二出气口4排出，同时也可将氨分解得到的气体部分再次循环至第一进气口1中，为催化燃烧反应提供原料，同时切断预反应器和反应器的气流通道，使反应器进入稳定运行状态。在本实施方式中，第一气体为氢气、甲醇等燃料气体中的至少一种，优选氢气和空气的混合气体。
[0075]
作为另一种可替换的实施方式，如图6所示，氨分解反应装置还包括预反应器ⅲ，
预反应器通过其出气口与反应器连通，预反应器内部为一腔体，腔体内填充有第三催化剂，预反应器的第五出气口15与第一进气口1连通，预反应器外部包覆有保温层16，预反应器内部还可以设置有支撑栅板9。
[0076]
上述装置的工作原理：
[0077]
在预反应器中通入第一气体，发生催化燃烧反应，使预反应器温度达到200
‑
350℃；本实施方式中，第一气体可以为氢气、甲醇等燃料气体中的至少一种，优选为氢气和空气的混合气体；
[0078]
预反应器的产物、第一气体通过第一进气口进入反应器发生催化燃烧反应，至反应器温度达到350
‑
600℃后通入第二气体氨气，发生氨分解反应；同时还可以将氨分解反应产生的部分尾气通入第一进气口1中，维持燃烧反应，减少外部燃料的供应，断开预反应器与反应器的连接，反应器进入稳定运行状态。
[0079]
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。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。