[发明专利]一种膜耦合氨分解制氢装置及工艺

说明书

本发明公开了一种膜耦合氨分解制氢装置及工艺，包括依次连接的氨裂解炉、膜反应器和膜分离器，所述膜反应器中采用无机膜。本发明采用氨分解炉和无机膜反应器的耦合，相对于单纯的氨分解炉可以实现在400‑600℃下分解，降低了氢气的生产成本，相对于单纯的膜反应器，氨分解炉相对于一个预分解炉可以加快氨分解速度。

技术领域

本发明涉及一种氨分解制氢装置工艺，具体涉及一种膜分离技术耦合嵌入氨分解制氢装置及工艺流程。

背景技术

氢能是一种极具发展潜力的可再生清洁能源，在我国能源体系中占有举足轻重的地位。氢能缓解了化石能源日益枯竭的尴尬地位，并且在使用过程中零碳排放，在“双碳”背景下，发挥着巨大作用。传统氨分解制氢工艺包含液氨气化、氨气裂解，产品气变压吸附提纯等流程，主要存在两个缺点，其一，裂解炉反应温度通常在800～870℃之间，需要巨大热能；其二，虽然变压吸附已成功应用于工业上氨分解制氢技术中粗产品气的分离纯化，但变压吸附必须采用间歇工艺和多个单元以确保连续分离，增加了产品气提纯成本。同时，粗产品气变压吸附提纯过程中，氢气回收率在70～80％之间，氨损失率高且产品氢气纯度相对较低。因此，急需对现有技术进行改进以实现氢气的低能耗生产，并降低氢气的生产成本。

膜分离是一种新兴的高效分离技术，具有设备占地面积小、操作简单、运行能耗低等优势。近年来，研究人员将有机膜、分子筛膜以及金属膜等应用于氢气分离纯化方面，取得优异的成果。而在氨分解制氢工艺中，较高的氨分解温度严重限制了有机膜的应用。与大多数有机膜相比，无机膜分离选择性高、耐高温高压、热化学稳定性好，适用于工业环境下氨气分解制氢过程中氢气的分离纯化。

因此，本发明尝试将氨裂解炉与无机膜生物反应耦合以实现氢气的低能耗生产，并提高氨分解速率。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本发明提供了一种膜耦合氨分解制氢装置及工艺，解决传统氨分解制氢工艺中裂解炉反应温度过高、氨转化率低、变压吸附成本高以及氢气回收率低等问题。传统氨分解制氢工艺中，氨裂解炉通常在极高温度下获得较为可观的氨分解率。而本发明在氨裂解炉后部耦合嵌入包括分离膜和催化反应器的膜反应器，一方面使制氢反应与氢气分离纯化过程同时进行，突破了反应热力学平衡限制，提高反应转化率和氢气产率，另一方面又可降低反应温度、缓和反应条件，降低了氨裂解炉热能耗。通过在膜反应器渗透侧增设气泵及时移除氢气，进一步提高反应速率。膜反应器渗余侧气体与渗透侧气体经混合器混合后通入膜分离器，可以直接制得纯氢，从而简化制氢工艺，降低制氢成本。增设混合器包含一下几个目的：一是膜反应器渗透侧产品气体纯度未达标，需进一步提纯，与渗余侧气体一同通入膜分离器可降低膜分离器成本；二是渗透侧产品气进入气泵前已降温至气泵工作温度，进入混合器与渗余侧气体混合可在一定程度上换热，从而接近膜分离器所需分离温度。

本发明具体技术方案如下：

本发明提供一种膜耦合氨分解制氢装置，其包括依次连接的氨裂解炉、膜反应器和膜分离器，所述膜反应器中采用无机膜。

优选的，所述的无机膜为致密膜或多孔膜的一种，其中致密膜包括金属膜、质子导体陶瓷膜、氮化膜，多孔膜包括硅膜、沸石分子筛膜、碳分子筛膜，其中金属膜为钯膜、钯合金膜、铌膜、铌合金膜中的一种；质子导体陶瓷膜为钙钛矿型或其它含氟、含磷金属氧化物；硅膜为氧化硅膜或杂化硅膜；分子筛膜为CHA型、DDR型、MFI型、LTA型、T型、STT型分子筛膜中的一种。出于通量的考虑，优选采用多孔膜，特别是分子筛膜。

优选的，膜分离器中的膜选自有机膜或者无机膜，优选采用无机膜。无机膜的类型优选钯膜或钯合金膜。

优选的，所述的膜反应器出口为两条，一条为渗透管路，一条为渗余管路；所述渗透管路上依次设置有冷却器和气泵，所述渗余管路与膜分离器的进料侧连接。

优选的，所述渗透管路中气泵的下游与渗余管路的下游连接混合器，混合器的出口经第二冷却器后与膜分离器的进料侧连接。