本发明专利技术公开了一种自加热氨分解制氢装置，包括通过管道依次连接的氨分解工艺组、氨分离工艺组、氮氢分离工艺组、氢缓冲储存装置；所述自加热氨分解制氢装置还包括自加热工艺组，所述自加热工艺组连接氨分离工艺组；氨分解工艺组包括通过管道依次连接的液氨储存罐、氨汽化装置、至少一个热交换器以及氨分解装置；所述氨汽化装置上连接有环境加热装置；通过合理设置热交换器，充分利用环境加热以提供将液氨汽化的热能，同时利用部分产品氢气进行自加热提供氨分解制氢的热需求，以及充分利用氢燃烧后的尾气、氨分解产品气的余热，在降低对外部能源需求的同时，提高有效得氢率，进而提高了经济性，能够进一步的推动燃料电池对常规内燃机主机的替代。主机的替代。主机的替代。
【技术实现步骤摘要】
一种自加热氨分解制氢装置及其制氢方法
[0001]本专利技术涉及节能应用
，包括船舶、重卡与无人机等领域节能，具体涉及一种自加热氨分解制氢装置及其制氢方法。
技术介绍
[0002]船舶航运产生的碳排放占世界碳排放的3％左右。国际海事组织(IMO)提出的2050年碳排放强度指标降低70％，碳排放总量下降50％的目标。按照挪威船级社的分类，实现IMO的目标有三大技术路径：低碳替代燃料(内燃机)、燃料电池和纯电池路线。替代燃料以国外船舶主机商为开发主力；纯电池动力因其质量能量密度太低(0.11kWh/kg电堆)，仅限于短程低功率船舶(或通过模块化换电增程)；燃料电池路线是目前适用于中小功率短途应用，但其发展有可能覆盖整个航运动力需求。
[0003]氢燃料电池在实现能效提升和脱碳减排上有远大的应用前景。目前已知的基于石墨双极板技术的国外商业氢燃料电池的最长运行寿命可超过3万小时，与船用中速主机的大修期很接近。但高压氢罐和固态金属吸附储氢的低有效质量密度(<6％)、液氢的超低温度(
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253℃)储运需求、以及氢储存所带来的安全隐患都大大限制了氢燃料电池在船舶领域的应用。
[0004]除了船舶领域，无人机、重卡等领域也面临着近似的问题。因此，在船舶、无人机、重卡等应用的特殊场景下，通过采用含氢化合物作为储氢燃料(如液氨可达105～120kg/m3氢密度,5.2kWh/kg能量密度)是解决这一问题的重要手段。目前比较普遍的在线制氢路线有甲醇水蒸气重整技术、氨分解制氢与天然气重整制氢等。甲醇和天然气重整都有直接碳排放的问题，而氨分解没有此问题。
[0005]氨燃料制氢也面临一些问题，特别是分解需要大量耗能，如液氨的汽化需要外部加热，同时完全分解需要800℃左右的高温，整个过程需要耗费较高的能量。此外，氨燃料作为化学品，也存在毒性问题，如需要外部转运传输会存在一定的安全隐患。因此，本专利技术旨在解决在有限外部能量的情况下，实现氨的高效分解制氢以及内部循环，节能的同时降低安全隐患。
技术实现思路
[0006]本专利技术旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种自加热氨分解制氢装置，以实现利用环境中的空气或者水实现液氨的汽化，并利用循环制得的氢气为氨气分解提供热能的目的。本专利技术还提供了自加热氨分解制氢装置的制氢方法，以降低制氢的能耗，实现节能目标。
[0007]具体的，本专利技术提供一种自加热氨分解制氢装置，包括通过管道依次连接的氨分解工艺组、氨分离工艺组、氮氢分离工艺组、氢缓冲储存装置；所述自加热氨分解制氢装置还包括自加热工艺组，所述自加热工艺组连接氨分离工艺组；所述氨分解工艺组包括通过管道依次连接的液氨储存罐、氨汽化装置、至少一个第一热交换器以及氨分解装置；所述氨
汽化装置上连接有环境加热装置；通过所述环境加热装置将空气或者水源抽入所述氨汽化装置中对液氨进行加热，实现液氨的汽化；汽化后的氨气依次经过第一热交换器、第二氨分解装置实现氨气的分解；分解后的产品气经过氨分离工艺组、氮氢分离工艺组制得纯化氢气，氢气进入所述氢缓冲储存装置储存，所述氢缓冲储存装置连接氨分解装置的燃烧腔，为氨分解装置提供氢气燃烧作为热源；所述自加热工艺组用于将空气进行预热并传输至氨分解装置的燃烧腔中，预热后的空气与氢气作为混合燃料，为氨分解工艺组提供反应热量。
[0008]本专利技术所述液氨储存罐、氨汽化装置、氨分解装置、环境加热装置均可选用现有技术中的装置，能够实现本专利技术所述功能即可。
[0009]所述液氨储存罐用于存储液氨，作为液氨制备氢气的起始点。优选的所述第一热交换器为一组相互串联的两个热交换器，实现氨气的一级预热和二级预热；经过二级预热的氨气进入氨分解装置，催化分解成为氮气和氢气，氨分解装置中也会存在少部分未分解完全的氨气。
[0010]本专利技术的一大专利技术点在于，利用环境加热装置为氨汽化装置提供热量；由于液氨在标准大气压下沸点为
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33.4℃，液态物体达到沸点就可以挥发，只要达到或高于这个温度液氨就可以挥发；因此本专利技术利用环境温度，或者针对船舶，利用环境水为氨汽化装置提供自然环境的热量；不需要额外的供热源；相比现有技术中利用电能加热或者原油、燃料等对氨汽化装置进行加热，本技术利用空气或者水回流的方式，大大减少了氨汽化成本，对设备的要求也更低。如以空气为热源，则选用抽风装置源源不断抽入外界空气形成对流，液氨吸收空气中的热量，实现汽化；如以水源为热源，则选用循环水泵将环境中的水源泵入氨汽化装置，并从氨汽化装置的另一端泵出；水源泵入过程中，液氨吸收海水中的热量，实现汽化。
[0011]本专利技术的另一专利技术点在于氢气制备后实现自加热，利用制备的部分氢气燃烧提供热量实现氨气分解的过程。由于氨分解工艺组需要实现氨气分解成氮气和氢气，需要最高800℃左右的高温。氢气在空气中当量燃烧时火焰温度为1430℃。因此本专利技术利用了氢气火焰温度高的特性，充分利用氢气的燃烧热量，为氨分解提供热量。
[0012]由于纯氢气无法点燃；因此本专利技术设计了一条自加热工艺组，所述自加热工艺组主要为氢气燃烧提供氧气；所述自加热工艺组同样利用简单的装置，能够实现氨分解工艺组供应空气即可。
[0013]因此，本专利技术能够充分启用环境的热量实现液氨的汽化，同时利用自制的氢气混合外界空气为氨气的分解提供热量；整个装置不需要额外的高能量来源；大大降低了氨汽化和氨分解所需要的热量。
[0014]本专利技术的另一专利技术点在于，利用了氨气分解后产生的产品气和氢燃烧后的尾气的热量；由于氨气分解吸收了大量的热量；分解得到的氢气、氮气和少量未分解完全的氨气整体作为产品气，进入第二热交换器分别为氨气提供预热，氢燃烧后尾气进入第三交换器和第一热交换器对空气和氨进行预热，实现热量的再利用。
[0015]进一步的，所述自加热工艺组包括依次连接的第一抽风装置、至少一个第三热交换器；所述第三热交换器连接所述氨分解装置的一侧；所述氨分解装置的顶部设有回路连接第三热交换器；外界空气由第一抽风装置进入第三热交换器进行预热，再进入所述氨分解装置的燃烧腔中混合氢气燃烧；所述氨分解装置中的尾气由上端管路回到第三热交换器，再进入第一热交换器为氨气预热。
[0016]所述第一抽风装置主要实现将外界空气抽入到第三热交换器中进行热交换，再进入燃烧腔中，与氢气混合燃烧。燃烧产生的尾气传输回第三热交换器对空气预热，再进入第一热交换器中对氨气进行预热，以实现尾气热量的再利用。如尾气符合排放标准，可以经过第一热交换器后直接排放，如不符合排放标准，可连接尾气处理的装置，待符合标准后直排。
[0017]因此，本专利技术的自加热工艺组利用外部的空气，为氨分解工艺组提供外源空气，同时，利用燃烧尾气的热量，为空气与氨气进行预热；充分利用了各个阶段的热量，不需要外接热源，更加的节能环保。
[0018]进一步的，所述氮氢分离工艺组包括一个或者多个并联的氮氢分离器。
[0019]所述氮氢分离器主要用于氮气、氢气混合物的分离；由于氮气属于本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种自加热氨分解制氢装置，其特征在于，包括通过管道依次连接的氨分解工艺组、氨分离工艺组(200)、氮氢分离工艺组、氢缓冲储存装置(8)；所述自加热氨分解制氢装置还包括自加热工艺组，所述自加热工艺组连接氨分离工艺组(200)；所述氨分解工艺组包括通过管道依次连接的液氨储存罐(1)、氨汽化装置(3)、至少一个第一热交换器(4)以及氨分解装置；所述氨汽化装置(3)上连接有环境加热装置；通过所述环境加热装置将空气或者水源抽入所述氨汽化装置(3)中对液氨进行加热，实现液氨的汽化；汽化后的氨气依次经过第一热交换器(4)、氨分解装置(61)实现氨气的分解；分解后的产品气依次经过第一热交换器(4)、氨分离工艺组(200)、氮氢分离工艺组制得纯化氢气，氢气进入所述氢缓冲储存装置(8)储存，所述氢缓冲储存装置(8)连接氨分解装置，为氨分解装置提供氢气燃烧作为热源；所述自加热工艺组用于将空气进行预热并传输至自加热燃烧腔(62)中，预热后的空气与氢气作为混合燃料，为氨分解装置(61)提供反应热量，燃烧后的尾气经过自加热工艺组对空气进行预热，再经过第一热交换器(4)对氨气进行预热后排空。2.根据权利要求1所述的自加热氨分解制氢装置，其特征在于，所述自加热工艺组包括依次连接的第一抽风装置(30)、至少一个第三热交换器(9)和自加热燃烧腔(62)；所述第三热交换器(9)连接所述氨分解装置的一侧；所述氨分解装置的顶部设有回路连接第三热交换器(9)；外界空气由第一抽风装置(30)进入第三热交换器(9)进行预热，再进入所述自加热燃烧腔中混合氢气燃烧；所述燃烧后的尾气由上端管路回到第三热交换器(9)为空气预热，再进入第一热交换器(4)为氨气预热。3.根据权利要求1所述的自加热氨分解制氢装置，其特征在于，所述氮氢分离工艺组包括一个或者多个并联和/或串联的氮氢分离器(7)。4.根据权利要求3所述的自加热氨分解制氢装置，其特征在于，所述氮氢分离器(7)可以是变压吸附型氮氢分离器(7)和/或膜分离型氮氢分离器(300)。5.根据权利要求1所述的自加热氨分解制氢装置，其特征在于，所述氨分解装置包括燃烧腔(62)和设于燃烧腔(62)内的氨分解反应器(61)，所述氨分解工艺组还包括与所述第一热交换器(4)串联的第二热交换器(5)，所述第二热交换器(5)连接氨分解反应器(61)，使得经第一热交换器(4...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄朝俊，余志良，洪学武，张修占，刘建成，李磊，
申请(专利权)人：招商局深海装备研究院三亚有限公司，
类型：发明
国别省市：
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