用于氨的热分解的工艺及用于执行所述工艺的反应器制造技术

本发明专利技术涉及一种用于氨的热分解的工艺。所述工艺包括使氨通过导管，所述导管的一部分中含有氨分解催化剂。含有所述催化剂的所述导管的所述部分的至少一区段浸入作为传热介质的熔融铅中，所述熔融铅处于所述催化剂能够催化氨分解为氢及氮的温度。还公开一种用于执行所述工艺的反应器。述工艺的反应器。述工艺的反应器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于氨的热分解的工艺及用于执行所述工艺的反应器


[0001]本专利技术涉及一种用于氨的催化热分解的工艺及一种适用于执行所述工艺的反应器。氨分解产物可用作例如氢燃料电池的燃料。

技术介绍

[0002]产生能量的对环境最有利的方式之一是例如在燃料电池中使用氢作为燃料。燃料电池唯一的燃烧产物(即水)显然不会对环境构成任何风险。然而，此技术的主要挑战是以高效的方式提供氢燃料。需要在较小的体积中含有有用数量的氢。此含有要求将氢冷却直到其达到液态，或将其压缩到5,000psi。两个工艺都涉及相当大的费用。此外，小氢分子可通过对其它分子来说太小的孔及裂缝泄漏，且其可扩散到金属的晶体结构中，且借此使金属变脆。因此，使用氢燃料电池的主要障碍在于要求以高效的方式存储足够的氢以使电池实用。
[0003]克服使用氢作为燃料的缺点的一种方法是在可连接到燃料电池的单独反应器中从比氢更容易存储及运输的化合物中产生氢。氨就是此化合物。作为燃料，氨比氢及烃类燃料有几个优点。例如，氨是常见的工业化学品，且例如用作许多肥料的基础。生产商也以类似于丙烷的含有及运输的方式，在适度压力下运输氨并将其包含在罐中。因此，氨的生产、运输及存储已经存在成熟的技术。此外，虽然氨在吸入时有一些毒性，但氨吸入可容易避免，因为它有容易检测到的气味。氨也不容易着火，因为它的着火温度为650℃。如果基于氨的电力系统的任何部分都没有达到所述温度，那么在事故中溢出的任何氨会简单地消散。
[0004]在与燃料电池分离的装置中执行的吸热反应中，可从氨产生氢。氨分解反应器(氨裂化器)将氨催化分解成氢及氮。
[0005]美国专利第5,055,282号及第5,976,723号公开一种用于在分解反应器中将氨裂化成氢及氮的方法，所述专利的全部公开内容通过引用并入本文。所述方法由在有效产生氮及氢的条件下将氨暴露于合适的裂化催化剂中组成。在这种情况下，裂化催化剂由掺杂来自由铬、锰、铁、钴及镍组成的群组的两种元素的锆、钛及铝的合金组成。
[0006]美国专利第6,936,363号公开一种基于在500到750℃的裂化器中催化解离气态氨从氨产生氢的方法，所述专利的全部公开内容通过引用并入本文。使用催化固定床；催化剂为Al2O3上的Ni、Ru及Pt。氨裂化器向燃料电池(例如，碱性燃料电池(AFC))供应氢及氮的混合物。经供应的氢的部分在氨裂化器中燃烧，以用于供应氨解离工艺所需的能量。
[0007]尽管本技术取得进展，但仍然需要节能且其中氨以高效的方式分解的工艺。
[0008]在设计用于氨的催化热分解的工艺及反应器时，存在几个重要的考虑因素，特别是在分解产物将用作例如碱性燃料电池的氢燃料电池的燃料的情况下。例如，温度越高，且压力越低，NH3的平衡分解效率将越高。根据燃料电池维护要求，压力必须接近大气压，且因此这个参数可被认为是固定的。工艺温度必须根据整个装置的维护条件来选择。如果燃料电池不使用来自输入混合物的所有氢，就没有必要试图达到最大的转化率(在平衡状态下)。
[0009]理想情况下，两摩尔氨的分解提供一摩尔氮及三摩尔氢，即混合物的体积增加两倍，且以体积百分比测量的体积为25％的N2及75％的H2。实际上，平衡状态下的分解产物混合物的成分将不同于理想的成分。例如，在450℃的温度下，产物混合物的成分可经计算为24.94325％的N2、74.82975％的H2及0.227％的NH3。可看出，即使在450℃下，残余未分解氨为0.227％，且温度的持续升高(残余氨减少)仅对氢的释放量具有很小影响。如果小浓度的氨不干扰燃料电池的操作，那么选择温度方案与分解催化剂的动力学性质及反应器回填的扩散性质是一致的。
[0010]分解反应在催化反应器中执行，其典型尺寸应尽可能小。反应器温度在600℃左右通常被认为是可接受的。
[0011]氨通常是通过用铁基催化剂从氢及氮合成的，此允许在350到450℃的温度下执行所述工艺。相反，对于氨分解，更佳地使用更高的温度及其它催化剂。根据文献资料，催化分解氨的金属的活性降低，如下：Ru>Ni>Rh>Co>Ir>Fe>>Pt>Cr>Pd>Cu>Te、Se、Pb。催化剂选择条件可按其重要性按下列顺序制定：
[0012]·
在500到600℃的温度下保证有效活性。
[0013]·
在约400到450℃的温度下保证工艺起始。
[0014]·
催化剂载体尺寸。
[0015]·
确保长时间的催化剂活性(数年)的催化剂载体稳定性。
[0016]·
催化剂的良好可及性及价格。
[0017]选择高能设计参数的关键参数是燃料电池效率系数，其由分解气体混合物通过燃料电池时经历电化学反应的氢的分率确定。计算证实，在低于60％的效率水平下，有足够多的残余氢来维持分解反应器的温度，且对热构造的要求相对简单。随着燃料电池效率的提高，离开燃料电池的气体中的能量储备减少，这必然化对分解反应器的设计进行更深入的研究。对于碱性燃料电池，在接近200℃的温度下达到70％左右的峰值效率。至少在燃料电池的效率不显著高于60％的情况下，可创建设施，其温度仅通过离开燃料电池的阳极区段的废气混合物的燃烧来维持。
[0018]执行氨的热分解所需的热可划分为三个部分：液氨的蒸发、将蒸发的氨加热到分解反应起始温度，及分解氨。假设分解反应的起始设置点为500℃，这三部分所需的能量约为20％、20％及60％。对于氨蒸发，可使用低温热载体，从而使实际实现相对简单。为了将氨加热到约为500℃的分解起始温度，通常需要初始温度为600℃的热载体。燃烧气体的大部分热(能量)必须递送到反应器，归因于(吸热)分解反应消耗能量，反应器的温度将在相对较窄的范围内变化。热交换工艺的此设置意味着热燃烧气体与反应器之间的热交换必须尽可能有效。如果燃烧气体在过热时离开反应器(即，从燃烧气体到反应器的热传递不完整)，那么通过热交换器回收燃烧气体中的残余能量及其在工艺中的使用将是不可能的。在所述情况下，氨的额外燃烧将成为维持反应器温度所必需的。
[0019]鉴于上文，有利的是具有可用的氨分解反应器，其中从燃烧气体到分解反应器的能量传递尽可能有效(完全)。

技术实现思路

[0020]本专利技术提供一种用于氨的热分解的工艺。所述工艺包括使氨通过导管(例如，管
道)，所述导管的(仅)一部分中含有氨分解催化剂。含有所述催化剂的所述导管的所述部分的至少一区段(及优选地大体上是含有所述催化剂的整个部分)浸入熔融铅中，所述熔融铅处于所述催化剂能够催化氨分解为氢及氮的温度下(例如，取决于所述催化剂，在至少约600℃、至少约610℃、至少约620℃或至少约630℃的温度下)。
[0021]在所述工艺的一个方面中，所述熔融铅可存在于容器中，所述容器的外壁与热气体至少部分地直接接触本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于氨的热分解的工艺，其中所述工艺包括使氨通过导管，所述导管的一部分中含有氨分解催化剂，含有所述催化剂的所述导管的所述部分的至少一区段浸入作为传热介质的熔融铅中，所述熔融铅处于所述催化剂能够催化氨分解为氢及氮的温度。2.根据权利要求1所述的工艺，其中所述熔融铅存在于容器中，所述容器的外壁与热气体至少部分地直接接触，所述热气体的温度高于所述催化剂能够催化所述氨分解的所述温度。3.根据权利要求2所述的工艺，其中所述热气体是或包括由气体或气体混合物燃烧产生的燃烧气体，所述气体或气体混合物是或包括氢及/或氨。4.根据权利要求3所述的工艺，其中所述气体混合物包括氢及氮。5.根据权利要求4所述的工艺，其中所述气体混合物的至少一部分是氢燃料电池的阳极部分的废气，所述氢燃料电池已经被供应有由所述导管中的氨的所述热分解产生的气体混合物。6.根据权利要求4所述的工艺，其中所述气体是或包括氨。7.根据权利要求2到6中任一权利要求所述的工艺，其中所述热气体通过所述含熔融铅的容器的所述外壁的至少一部分与完全包围所述含熔融铅的容器的至少一部分的隔热外部壳体的内壁之间的间隙。8.根据权利要求1到7中任一权利要求所述的工艺，其中所述导管包括大体上U形管。9.根据权利要求1到8中任一权利要求所述的工艺，其中使用多个导管。10.根据权利要求1到9中任一权利要求所述的工艺，其中所述导管包括不含有分解催化剂的部分，并通过所述部分，传递将被分解的氨以将其加热到适于与所述分解催化剂接触的温度。11.根据权利要求10所述的工艺，其中用于加热所述氨的所述导管的所述部分的至少一部分直接接触由气体或气体混合物的所述燃烧产生的热气体，所述气体或气体混合物是或包括氢及/或氨，且之前已经接触含有所述熔融铅的容器的所述外壁。12.根据权利要求1到11中任一权利要求所述的工艺，其中所述工艺进一步包括将所述导管中的所述分解产物传递到氢燃料电池的所述阳极部分。13.根据权利要求1到12中任一权利要求所述的工艺，其中所述氨分解催化剂包括Ru、Ni、Rh、Co、Ir、Fe、Pt、Cr、Pd或Cu中的一或多者。14.根据权利要求1到13中任一权利要求所述的工艺，其中所述氨分解催化剂包括Ru及Ni中的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：G，
申请(专利权)人：金赛尔有限公司，
类型：发明
国别省市：