一种氨氢燃料制备装置及方法

技术领域

本发明涉及氨燃料技术领域，具体而言，涉及一种氨氢燃料制备装置及方法。

背景技术

近年来，液氨被广泛认为是解决可再生能源大规模、长时间及跨地域储运难题的最佳方案，同时，绿色液氨被认为是理想的零碳燃料。研究显示，液氨作为燃料可应用于内燃机、汽轮机、锅炉、窑炉、燃料电池等多种能量转换装置，能够将化学能转化为热能、电能、机械能等多种常用能量形式。

然而，纯氨在燃烧过程中存在点火困难、燃速慢、易熄火等问题。

当前，一般采用氨与化石燃料例如天然气、柴油、煤等混合燃烧的方式解决纯氨燃烧困难的问题。但是，氨与化石燃料混合燃烧会产生二氧化碳，无法实现真正的零碳燃烧。

发明内容

本发明公开了一种氨氢燃料制备装置及方法，以改善上述的问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

基于上述的目的，本发明公开了一种氨氢燃料制备装置，包括：

反应器本体，所述反应器本体包括反应腔、进气口和出气口，所述进气口和所述出气口分别位于所述反应器本体相对的两侧，且所述进气口和所述出气口均与所述反应腔连通；

催化剂，所述催化剂位于所述反应腔内；

导热管，所述导热管自所述反应器本体的一端伸入所述反应腔内，自所述反应器本体的另一端延伸至所述反应器本体外；

金属线圈和电源，所述电源与所述金属线圈电连接，所述反应器本体位于所述金属线圈所产生的磁场内。

可选地：还包括气体分布盘，所述气体分布盘安装于所述反应腔，且所述气体分布盘位于所述进气口和所述出气口之间，所述气体分布盘上均匀设置有多个气体分布孔，所述催化剂设置于所述气体分布盘和所述套筒构成的所述反应区内。

可选地：所述金属线圈与所述反应器本体同轴设置。

可选地：还包括套筒，所述套筒套设在所述反应器本体内，且所述套筒与所述反应器本体同轴设置，所述套筒的外壁与所述反应器本体的内壁之间形成安装腔，所述金属线圈套设在所述套筒外，且所述金属线圈位于所述安装腔内，所述催化剂分布在所述套筒内，且所述导热管穿设在所述反应腔及所述反应区内。

可选地：所述反应器本体包括直筒段和两个密封帽，两个所述密封帽分别位于所述直筒段的两端以形成所述反应腔，且由所述气体分布盘分割成反应气连续进出的半密闭的所述反应区及密闭的所述安装腔及所述安装腔，所述进气口设置于其中一个所述密封帽上，所述出气口设置于另一个所述密封帽上。

可选地：所述金属线圈内的电流为1-1000A，所述金属线圈内电流的频率为50Hz-1MHz。

可选地：所述反应腔内的压力为0.01-2MPa。

可选地：所述催化剂被加热至50-600℃。

可选地：所述催化剂为钌、铁、铁镍、铁钴、铁镧、铁铈、铁钇、铁铬、铁锰、铁铜、铁铝、铁镍铬、铁镍锰、铁镍镧、铁钴镍、铁镍铜铬、铁镍铜锰中的一种或多种组合而成。

基于上述的目的，本发明还公开了一种氨氢燃料制备方法，包括如下步骤：向反应器本体内通入氨气，通过控制氨气进入速度和氨氢混合气体的排出速度来控制反应器本体内的压力；通过控制施加的电压和电流强度对金属线圈产生的磁场的频率和强度进行控制；通过改变导热管内导热介质温度来控制反应器本体的反应腔的温度，从而实现不同配比氨氢燃料的可控生产。

与现有技术相比，本发明实现的有益效果是：

本发明公开的氨氢燃料制备装置利用磁增强的方式活化催化剂，实现了能量的精准、高效应用；通过磁场活化催化剂，使氨气在催化剂表面的分解更加高效；同时，磁增强活化催化剂能够使得氨气的分解可在低温下进行，降低了反应器本身对材质的苛刻要求，降低了氨气分解反应工艺控制难度。此外，通过可调的加热温度、电磁场强度及氨气压力对氨气的分解率进行控制，实现了对氨氢混合气体中氨与氢气的配比的控制。在线合成配比可调的氨氢燃料，由氢充当助燃剂，从而解决氨燃烧困难的问题，实现真正的氨零碳燃烧。

附图说明

图1示出了本发明实施例公开的氨氢燃料制备装置的示意图；

图2示出了本发明实施例公开的反应器本体与气体分布盘的连接示意图；

图3示出了本发明实施例公开的反应器本体内的反应区的示意图。

图中：

100-反应器本体，110-直筒段，120-密封帽，130-反应腔，140-进气口，150-出气口，160-第一通孔，170-安装腔，180-反应区，200-催化剂，300-导热管，400-金属线圈，500-套筒，600-气体分布盘，610-气体分布孔，620-第二通孔。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

实施例：

参阅图1至图3，本发明实施例公开了一种氨氢燃料制备装置，其包括反应器本体100、催化剂200、导热管300、金属线圈400和电源。催化剂200放置于反应器本体100内，导热管300穿设于反应器本体100，导热管300用于对反应器本体100的内部进行加热。电源用于给金属线圈400供电以在反应器本体100周围产生磁场。

本实施例公开的氨氢燃料制备装置以氨气作为初始原料，在加热以及催化的条件下，在线合成配比可调的氨氢燃料，由氢充当助燃剂，从而解决氨燃烧困难的问题，实现真正的氨零碳燃烧。

其原理在于：氨气分子与磁场活化的催化剂200活性位点之间的键合电子云密度分布发生畸变，使得氨气分子更容易裂解生成氮气分子和氢气分子。

参阅图1和图2，反应器本体100包括直筒段110和两个密封帽120，两个密封帽120分别位于直筒段110的两端以形成一个密闭的反应腔130。在其中一个密封帽120上设置有进气口140，在另一个密封帽120上设置有出气口150，进气口140和出气口150均与反应腔130连通。直筒段110可以采用金属制成。

氨气从进气口140进入到反应腔130内，经过分解的氨气、氮气与氢气的混合气体从出气口150排出。通过控制氨气的进入速度和氨气、氮气以及氢气的混合气体的排出速度的比值，可以改变反应腔130内的压力。

在反应器本体100内设置有气体分布盘600，其一种安装方式是令气体分布盘600位于密封帽120与直筒段110之间，然后令气体分布盘600与直筒段110以及密封帽120通过法兰连接或者直接焊接。其另一种方式是直接令直筒段110与密封帽120连接，而将气体分布盘600设置于反应器本体100的内部，且令气体分布盘600位于直筒段110与密封帽120的连接处。

气体分布盘600可以设置为两个，两个气体分布盘600分别位于直筒段110的两端，且两个气体分布盘600与两个密封帽120一一对应设置。

在气体分布盘600上均匀设置有多个气体分布孔610，气体分布孔610为易于气体分散的结构，如螺旋喷嘴、气体雾化喷嘴、锥形喷嘴等结构。在本实施例中，气体分布孔610至少设置螺旋喷嘴、气体雾化喷嘴和锥形喷嘴中的一种，以使气体在经过气体分布盘600的扩散后能够更加均匀的分布在直筒段110内，进而提高氨气的分解效率。

金属线圈400和电源电连接，电源通电时，能够将电流送入金属线圈400内，从而在金属线圈400上产生磁场，利用金属线圈400产生的磁场能够对反应器本体100的氨气产生影响，从而改变氨气的分解效率。由于金属线圈400在产生磁场时，其外部的磁场较弱，而其内部的磁场较强，因此，可以将金属线圈400设置在直筒段110内，以该金属线圈400的内部磁场对氨气形成辐射，这样可以提高效率。

由于金属线圈400需要长时间通过电流以产生磁场，因此，金属线圈400需要采用耐高温材料制成，以避免其在工作工程中熔断。在本实施例中，金属线圈400的制成材料可以采用钨、钼、钽、铌、钒、铬、钛、锆、镍等耐高温金属中的一种或者多种。例如金属线圈400可以单独使用钨制成，也可以采用钨、钼以及钽的混合物制成。需要说明的是，当金属线圈400采用两种以上的耐高温金属的混合物作为制作材料时，不对混合物中各种金属的组分进行限定。

在变化磁场作用下，一方面铁磁性催化剂200得到活化，催化剂200活性位点的d电子能级及外层电荷分布发生变化，使催化剂200对氨气分子的吸附裂解能力增强，而变化的磁场可以实时调控催化剂200活性位点的d电子能级和外层电荷分布，进而可以对裂解产物氮气和氢气的吸脱附状态进行调控，最终可实现在较低的温度和较高的压力下氨气高效裂解制备氢气的目的，通过控制施加的电压和电流强度对金属线圈产生的磁场的频率和强度进行控制，通过控制磁场频率和强度可以实现对氨气裂解效率的调控；另一方面，铁磁性催化剂200颗粒表层发生感应加热现象，使得催化剂200温度升高，实现非接触原位加热，不仅能提高能量转换效率，还能进一步对催化剂200起到活化作用。在反应发生过程中，氮气分子和氢气分子也会与催化剂200活性位点发生吸附作用，而在磁场作用下，氮气分子和氢气分子与磁强化活性位点之间的吸附能力被削弱，使得产物氮气分子和氢气分子更容易从催化剂200表面脱附，进而成为存在于催化剂200间隙的自由气体分子，从而从吸附脱层面上促进反应动力学。

当金属线圈400设置在直筒段110内时，可以令金属线圈400与直筒段110同轴设置。且还需在直筒段110内设置将金属线圈400隔离开的套筒500，以避免氨气以及催化剂200腐蚀金属线圈400。套筒500设置于直筒段110内，且套筒500与直筒段110同轴设置。套筒500的直径小于直筒段110的直径以在套筒500的外壁与直筒段110的内壁之间形成用于安放金属线圈400的安装腔170。

其中，套筒500的两端分别与两个气体分布盘600抵接，且气体分布盘600上的气体分布孔610也均设置在气体分布盘600上与套筒500的内侧所对应的范围内，以避免氨气进入到安装腔170内。

由于套筒500会直接与氨气接触，因此可以考虑令套筒500采用二氧化硅、氮化硅、碳化硅、氧化铝及氮化硼中的一种或几种材料组合而成。需要说明的是，当套筒500采用两种以上的上述材料的混合物为制作材料时，不对混合物中各种材料的组分进行限定。

催化剂200填充在套筒500内，且催化剂200均分布在两个气体分布盘600之间。经发明人研究发现：催化剂200使用钌时，氨气均由最佳分解效率。

但由于钌的昂贵性，因此，可以采用其他稳定的金属体系适当的组合来模拟取代钌。

经研究，铁基催化剂200对合成氨和氨分解均有较好的催化作用，但在高温下与氮活性位点的吸附过强，容易造成催化剂200毒化失活。氨在钴分解的活化能比在铁基催化剂200上的低，因此钴催化剂200在低温下活性优异。镍是另一种火山活性曲线接近氨分解的金属催化剂200。三种磁性催化剂200在电磁场的作用下产生协同催化作用，达到模拟钌催化剂200的效果，且由于钴良好的低温催化活性，可以在温度合适时将分解率提高到99％。因此，在本实施例中，催化剂200可以采用钌，也可以采用铁、钴以及镍等金属中的一种或者几种的混合物来代替钌，当然，在混合物中参入适量的钌也是可以的。具体地，催化剂200可以为钌、铁、铁镍、铁钴、铁镧、铁铈、铁钇、铁铬、铁锰、铁铜、铁铝、铁镍铬、铁镍锰、铁镍镧、铁钴镍、铁镍铜铬以及铁镍铜锰中的一种或几种。

导热管300自反应器本体100的一端伸入反应腔130内，依次穿过第一层气体分布盘600、催化剂200以及第二层气体分布盘600后，自反应器本体100的另一端延伸至反应器本体100外，且导热管300与进气口140和出气口150均间隔设置。具体地，可以在密封帽120上设置第一通孔160，第一通孔160与进气口140以及出气口150间隔设置，在气体反应盘的中间位置设置第二通孔620，导热管300依次穿过第一通孔160和第二通孔620。导热管300用于供导热介质流动，以将热量传递至反应腔130内，从而改变反应腔130内的温度。为了令导热管300内的温度更好的传递至反应腔130内，可以令导热管300被催化剂200包裹的部分与直筒段110同轴设置，这样导热管300位于催化剂200的中间位置，可以令反应腔130内的温度更加的均匀。

在套筒500的内壁与导热管300的外壁之间，以及两个气体分布盘600之间，形成了用于填充催化剂200以及用于令氨气分解的反应区180。在本实施例中，通过控制氨气的进入速度和氨气、氮气以及氢气的混合气体的排出速度的比值，可以改变反应腔130内的压力；通过改变金属线圈400内的电流可以改变反应区180内的磁场大小；通过改变导热管300内导热介质的温度可以改变反应区180内的温度，本实施例通过调整反应区180内的压力、磁场以及温度，从而改变氨气的分解效率。

基于此，本实施例至少做了如下的试验：

表1实验数据表(镍铁复合型催化剂)

表2实验数据表(铁钴镍复合型催化剂)

通过上表知，本实施例公开的氨氢燃料制备装置能够有效的将氨气分解为氮气和氢气。且为了保证氨气的分解效率，一般将反应区180的反应温度控制在50～600℃范围内，一般将金属线圈400电磁场的频率控制在50Hz-1MHz范围内，其电流控制在1-1000A范围内，一般将反应区180的运行压力控制在0.01-2MPa范围内。

本发明实施例还公开了一种氨氢燃料制备方法，其包括如下步骤：

将氨气自进气口140送入反应腔130内，之后氨气通过气体分布盘600上的气体分布孔610被均匀的送入反应区180内，此时氨气能够均匀的分布在催化剂200之间；

向导热管300内通过导热介质，导热介质在导热管300内流动时，通过热传导和热对流作用将热量传递至催化剂200和氨气，使得催化剂200和氨气的温度上升；

将金属线圈400与电源接通，此时金属线圈400产生变化的磁场，磁场透过套筒500进入反应区180内与催化剂200相互作用，从而改变催化剂200的活性；

氨气在反应区180内的催化剂200上发生分解，产生氢气和氮气，之后氨气、氢气以及氮气的混合气体在后方气体的推动下从出气口150排出；

通过控制氨气的进入速度和氨气、氮气以及氢气的混合气体的排出速度的比值调控反应腔130内的压力，通过控制施加的电压和电流强度对金属线圈产生的磁场的频率和强度进行控制，通过控制磁场频率及强度对催化剂200活性进行调控，通过改变导热管300内导热介质的温度以及磁场频率和强度对催化剂200的温度进行调控。通过控制反应区180的压力及催化剂200活性和温度来对氨气的裂解速率进行调控，从而实现不同配比氨氢燃料的可控生产。

本实施例公开的氨氢燃料制备方法利用磁增强的方式活化催化剂200，实现了能量的精准、高效应用；通过磁场活化催化剂200，使氨气在催化剂200表面的分解更加高效；同时，磁增强活化催化剂200能够使得氨气的分解可在低温下进行，降低了反应器本身对材质的苛刻要求，降低了氨气分解反应工艺控制难度。此外，通过可调的加热温度、电磁场强度及氨气压力对氨气的分解率进行控制，实现了对氨氢混合气体中氨与氢气的配比的控制。在线合成配比可调的氨氢燃料，由氢充当助燃剂，从而解决氨燃烧困难的问题，实现真正的氨零碳燃烧。

其中，为了减小能源浪费，可以将导热管300与氨氢燃料燃烧器想连，使得氨氢燃料燃烧的尾气直接进入到导热端内，利用该尾气为反应区180内的氨气以及催化剂200提供热量。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。