CN219906989U - 一种分级式氨在线制氢装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种分级式氨在线制氢装置，涉及氨分解技术领域，包括外壳体、尾气管、导流机构、催化保温机构、进气管和出气管，外壳体套设于尾气管的外周，且尾气管的两端均伸出外壳体，进气管和出气管分别位于外壳体的两端，进气管与尾气管的出口位于同侧，出气管与尾气管的入口位于同侧，外壳体内壁与尾气管外壁之间的腔室分为预热腔和升温腔，预热腔靠近进气管设置，升温腔靠近出气管设置，导流机构位于预热腔内，催化保温机构位于升温腔内。本实用新型换热效果好、反应效率高、制氢稳定性好，适用于动力系统宽工况高效稳定运行。

Description

一种分级式氨在线制氢装置

技术领域

本实用新型涉及氨分解技术领域，具体是涉及一种分级式氨在线制氢装置。

背景技术

加快清洁能源运输装备推广应用，促进交通与能源融合发展是我国落实“双碳”目标的重要内容。从中长期来看，应用无碳燃料是实现交通领域碳中和的根本途径。氢气具有易燃易爆、不易液化、储运和使用困难等缺点；氨不仅是储氢载体，也是零碳燃料，辛烷值高、抗爆性好、能量密度高且储运方便，有望在重载装备中大规模应用。然而，氨燃料点火难、燃烧慢、排放差，导致其稳定高效燃烧控制困难，是限制氨燃料应用的主要瓶颈。氨氢融合燃料有望解决上述难题挑战，氢气燃烧速度极快，通过氨在线制氢与氨气形成氨氢混合燃料，根据发动机负荷和转速的变化，实时调控氨氢燃料的比例，从而实现动力系统稳定高效清洁燃烧；同时，氨在线制备的高纯度氢也可以供燃料电池系统使用，通过结合发动机和燃料电池各自优点，实现动力系统在宽工况条件下高效稳定运行。

燃料重整制氢是一种通过燃料重整反应产生氢气的技术，例如利用发动机高温尾气余热和催化剂，将汽/柴油、天然气、甲醇、生物质等转化为氢气和二氧化碳。然而，与上述碳氢化合物燃料不同，氨裂解制氢(2NH₃＝3H₂+N₂)反应条件极为苛刻，常压下需要800℃以上高温环境；为了促进反应，还通常使用钌催化剂来提高氨的分解速率。然而，卡车等移动式动力装置在实际运行工况中面临冷启动、加减速、上下坡等多种工况，发动机尾气余热温度呈现大温差、强瞬态特性，无法适应或满足氨高效制氢的工作条件。此外，为了提升氨燃料发动机的燃烧和排放性能，需要30％～60％占比的大流量氢燃料介入氨燃烧；不仅如此，燃料电池系统对氨在线制氢的纯度和流量也具有很高要求。而现有燃料重整制氢装置通常采用管式、固定床反应器并配合贵金属催化剂，无法满足上述对宽温域、大流量、高效率、低成本的制氢要求，迫切需要开发专门用于氨氢融合零碳混动系统的氨在线制氢装置。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种分级式氨在线制氢装置，以解决上述现有技术存在的问题，换热效果好、反应效率高、制氢稳定性好，适用于动力系统宽工况高效稳定运行。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

本实用新型提供了一种分级式氨在线制氢装置，包括外壳体、尾气管、导流机构、催化保温机构、进气管和出气管，所述外壳体套设于所述尾气管的外周，且所述尾气管的两端均伸出所述外壳体，所述进气管和所述出气管分别位于所述外壳体的两端，所述进气管与所述尾气管的出口位于同侧，所述出气管与所述尾气管的入口位于同侧，所述外壳体内壁与所述尾气管外壁之间的腔室分为预热腔和升温腔，所述预热腔靠近所述进气管设置，所述升温腔靠近所述出气管设置，所述导流机构位于所述预热腔内，所述催化保温机构位于所述升温腔内。

优选的，所述外壳体的侧壁上设有两个环形腔室，所述环形腔室与所述外壳体的内部连通，两个所述环形腔室分别靠近所述外壳体的两端设置，所述尾气管的外壁上对应各所述环形腔室的位置分别设有一定位片，所述定位片能够嵌入所述环形腔室内。

优选的，所述环形腔室内壁与所述定位片外缘之间设有密封圈。

优选的，所述外壳体包括上壳体和下壳体，所述上壳体和所述下壳体沿所述尾气管的轴线对称设置，且所述上壳体和所述下壳体之间通过螺栓连接，所述上壳体与所述下壳体的配合处设有耐高温密封垫。

优选的，所述进气管位于所述下壳体上，所述出气管位于所述上壳体上。

优选的，所述导流机构包括多个翅片和多个折流片，所述翅片沿所述尾气管的轴向排列并固定在所述尾气管的外壁上，所述折流片沿所述外壳体的轴向排列并固定在所述外壳体的内壁上，且所述折流片和所述翅片交替设置，所述翅片的自由端不接触所述外壳体的内壁，所述折流片的自由端不接触所述尾气管的外壁。

优选的，所述催化保温机构包括泡沫金属和催化剂层，所述泡沫金属包覆在所述尾气管的外周，所述催化剂层包覆在所述泡沫金属的表面。

优选的，所述催化剂层为镍基催化剂制成。

本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：

本实用新型提供的分级式氨在线制氢装置，包括外壳体、尾气管、导流机构、催化保温机构、进气管和出气管，外壳体套设于尾气管的外周，且尾气管的两端均伸出外壳体，尾气管用于连通发动机的排气系统，进气管和出气管分别位于外壳体的两端，进气管与尾气管的出口位于同侧，进气管用于通入氨气，出气管与尾气管的入口位于同侧，使得尾气与氨气逆向流动，增强换热，外壳体内壁与尾气管外壁之间的腔室分为预热腔和升温腔，预热腔靠近进气管设置，升温腔靠近出气管设置，导流机构位于预热腔内，以增强换热，催化保温机构位于升温腔内，以提高反应效率，同时，通过催化保温机构的保温性能在不同工况下维持较高反应温度，提高了制氢稳定性，适用于动力系统宽工况高效稳定运行。发动机高温尾气流入尾气管，并对排气系统加温预热，此时，尾气管温度分布与尾气流动方向相同，即处于上游侧的尾气管温度更高，液氨从液氨罐经流量调节阀后汽化自进气管流入外壳体内，氨气流动方向与发动机尾气方向相反，首先氨气流经导流机构经高温加热形成预热重整气，然后流经催化保温机构时再次升温，同时进行氨分解反应，分解后的混合气(氨气、氢气、氮气)一部分直接进入发动机，另外一部分则经分离膜分离出氢气，供燃料电池使用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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。

图1是本实用新型提供的分级式氨在线制氢装置的结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图中：100-分级式氨在线制氢装置，1-尾气管，2-外壳体，3-折流片，4-翅片，5-泡沫金属，6-环形腔室，7-定位片，8-出气管，9-进气管，10-上壳体，11-下壳体，12-密封圈。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本实用新型的目的是提供一种分级式氨在线制氢装置，以解决现有的制氢装置反应效率低、制氢稳定性差的技术问题。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1-图2所示，本实施例提供一种分级式氨在线制氢装置100，包括外壳体2、尾气管1、导流机构、催化保温机构、进气管9和出气管8，外壳体2套设于尾气管1的外周，且尾气管1的两端均伸出外壳体2，尾气管1用于连通发动机的排气系统，进气管9和出气管8分别位于外壳体2的两端，进气管9与尾气管1的出口位于同侧，进气管9用于通入氨气，出气管8与尾气管1的入口位于同侧，使得尾气与氨气逆向流动，增强换热，外壳体2内壁与尾气管1外壁之间的腔室分为预热腔和升温腔，预热腔靠近进气管9设置，升温腔靠近出气管8设置，导流机构位于预热腔内，以增强换热，催化保温机构位于升温腔内，以提高反应效率，同时，通过催化保温机构的保温性能在不同工况下维持较高反应温度，提高了制氢稳定性，适用于动力系统宽工况高效稳定运行。发动机高温尾气流入尾气管1，并对排气系统加温预热，此时，尾气管1温度分布与尾气流动方向相同，即处于上游侧的尾气管1温度更高，液氨从液氨罐经流量调节阀后汽化自进气管9流入外壳体2内，氨气流动方向与发动机尾气方向相反，首先氨气流经导流机构经高温加热形成预热重整气，然后流经催化保温机构时再次升温，同时进行氨分解反应，分解后的混合气(氨气、氢气、氮气)一部分直接进入发动机，另外一部分则经分离膜分离出氢气，供燃料电池使用。本实施例提供的分级式氨在线制氢装置100可应用于尾气管1外径为120mm的重型移动式交通运输装备。分级式氨在线制氢装置100总长950mm，外壳体2材料为904L不锈钢，厚度为5mm，外径为320mm；进气管9和出气管8外径为60mm，伸出外壳体2部分的长为100mm，厚度为3mm。

具体地，外壳体2的侧壁上设有两个环形腔室6，环形腔室6与外壳体2的内部连通，两个环形腔室6分别靠近外壳体2的两端设置，尾气管1的外壁上对应各环形腔室6的位置分别设有一定位片7，定位片7能够嵌入环形腔室6内，进而通过定位片7和环形腔室6的配合，实现外壳体2和尾气管1在轴向的限位。

环形腔室6内壁与定位片7外缘之间设有密封圈12，提高密封效果。

外壳体2包括上壳体10和下壳体11，上壳体10和下壳体11沿尾气管1的轴线对称设置，上壳体10和下壳体11之间通过螺栓连接，便于安装与拆卸，上壳体10与下壳体11的配合处设有耐高温密封垫，防止高压气体外泄。

进气管9位于下壳体11上，出气管8位于上壳体10上。

导流机构包括多个翅片4和多个折流片3，翅片4沿尾气管1的轴向排列并固定在尾气管1的外壁上，增大传热面积和传热系数，相同热负荷条件下传热能力强，折流片3沿外壳体2的轴向排列并固定在外壳体2的内壁上，且折流片3和翅片4交替设置，延长气体在外壳体2内的行程，使换热更加充分，翅片4的自由端不接触外壳体2的内壁，折流片3的自由端不接触尾气管1的外壁，保证气体的流通。其中，翅片4为铜制，共40片，厚度2mm、内径120mm、外径300mm，相邻翅片4的间距为10mm，每片翅片4前后均匀涂覆少量镍基催化剂，每片翅片4重量约为300mg，更换周期为60天。

催化保温机构包括泡沫金属5和催化剂层，泡沫金属5包覆在尾气管1的外周，其密度小、隔热性能好，作为氨分解催化保温层增强换热，不同工况下能维持高温裂解环境，适应性强，提高单位时间内的分解转化率和尾气余热利用率，催化剂层包覆在泡沫金属5的表面。其中靠近泡沫金属5的翅片4与泡沫金属5之间的距离为20mm，泡沫金属5内径为120mm，外径为310mm，长为350mm，孔隙率为80％。泡沫金属5均匀涂覆大量镍基催化剂，总质量约为60g，更换周期为60天。

催化剂层为廉价新型反相结构镍基催化剂(Ni-CeO₂)制成，降低氨的高效分解温度条件，提高氨转化率。采用CeO₂作为载体材料负载反相结构镍作为催化剂，采用隔热性能好的泡沫金属5材料作为催化剂载体，CeO₂载体提高了镍的分散性，同时减小了镍晶粒的直径，暴露出更多的活性位点，促进了氨分解的脱氢过程。常压下400℃时氨的平衡转化率已超过99％，当温度高于600℃时，氨的平衡转化率高于99.9％，接近完全转化，反应条件温和，与发动机实际运行工况吻合度高，制氢量完全满足氢能燃料电池与内燃机的使用要求，且成本较低。

使用本实施例中的分级式氨在线制氢装置100，通过分级换热实现整体效率最优、成本最优。前半段低温区(即导流机构)采用体积小、换热面积大、耐腐蚀、可承压高的翅片4增强换热；后半段高温区(即催化保温机构)采用多孔状泡沫金属5结合以CeO₂为载体的反相结构镍催化反应，提高了反应效率，使制氢量大幅提升；同时，通过隔热性能好的泡沫金属5在不同工况下维持较高反应温度，提高了制氢稳定性，适用于动力系统宽工况高效稳定运行。

本说明书中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (8)

1.一种分级式氨在线制氢装置，其特征在于：包括外壳体、尾气管、导流机构、催化保温机构、进气管和出气管，所述外壳体套设于所述尾气管的外周，且所述尾气管的两端均伸出所述外壳体，所述进气管和所述出气管分别位于所述外壳体的两端，所述进气管与所述尾气管的出口位于同侧，所述出气管与所述尾气管的入口位于同侧，所述外壳体内壁与所述尾气管外壁之间的腔室分为预热腔和升温腔，所述预热腔靠近所述进气管设置，所述升温腔靠近所述出气管设置，所述导流机构位于所述预热腔内，所述催化保温机构位于所述升温腔内。

2.根据权利要求1所述的分级式氨在线制氢装置，其特征在于：所述外壳体的侧壁上设有两个环形腔室，所述环形腔室与所述外壳体的内部连通，两个所述环形腔室分别靠近所述外壳体的两端设置，所述尾气管的外壁上对应各所述环形腔室的位置分别设有一定位片，所述定位片能够嵌入所述环形腔室内。

3.根据权利要求2所述的分级式氨在线制氢装置，其特征在于：所述环形腔室内壁与所述定位片外缘之间设有密封圈。

4.根据权利要求1所述的分级式氨在线制氢装置，其特征在于：所述外壳体包括上壳体和下壳体，所述上壳体和所述下壳体沿所述尾气管的轴线对称设置，且所述上壳体和所述下壳体之间通过螺栓连接，所述上壳体与所述下壳体的配合处设有耐高温密封垫。

5.根据权利要求4所述的分级式氨在线制氢装置，其特征在于：所述进气管位于所述下壳体上，所述出气管位于所述上壳体上。

6.根据权利要求1所述的分级式氨在线制氢装置，其特征在于：所述导流机构包括多个翅片和多个折流片，所述翅片沿所述尾气管的轴向排列并固定在所述尾气管的外壁上，所述折流片沿所述外壳体的轴向排列并固定在所述外壳体的内壁上，且所述折流片和所述翅片交替设置，所述翅片的自由端不接触所述外壳体的内壁，所述折流片的自由端不接触所述尾气管的外壁。

7.根据权利要求1所述的分级式氨在线制氢装置，其特征在于：所述催化保温机构包括泡沫金属和催化剂层，所述泡沫金属包覆在所述尾气管的外周，所述催化剂层包覆在所述泡沫金属的表面。

8.根据权利要求7所述的分级式氨在线制氢装置，其特征在于：所述催化剂层为镍基催化剂制成。