一种氨重整和氨裂解制氢系统及方法

摘要

本发明公开了一种氨重整和氨裂解制氢系统及方法。系统包括：进气模块，用于获取第一组分，将废气分为第一气体和第二气体，并根据第一组分通入氨气和氧气与第二气体混合得到第三气体；重整器，用于加热第一气体，并根据第三气体采用等离子体活化技术进行氨重整反应生成第四气体；补气模块，用于获取第二组分，并根据第二组分通入氨气和氧气与第四气体混合得到第五气体；氨裂解发生器，用于根据第五气体和第一气体，采用低温等离子体活化技术进行氨分解反应生成第六气体，并将第六气体通入发动机中进行燃烧。本发明实现了高效的氨重整、氨裂解制氢，提升了燃料热效率并降低了NO

说明书

技术领域

本申请涉及燃料技术领域，尤其是一种氨重整和氨裂解制氢系统及方法。

背景技术

随着工业化进程的推进以及国家“双碳”政策的制定，温室气体等大气污染物的排放需要得到控制，因此，氨燃料动力系统的研发得到了重视。目前发动机燃料多以柴油、甲烷为主，发动机排放的尾气中含有大量的碳氧化物，这与绿色发展理念及国家政策相悖。而氨燃料燃烧时不会排放二氧化碳，在燃料电池和内燃机中都可使用。同时，氨燃料资源丰富，可以使用可再生电力、水和空气来制造。另外，与氢气不同，氨燃料不必存储在高压罐或低温杜瓦瓶中，并且其能量密度是锂离子电池的十倍，是比较可靠的动力来源。因此，氨燃料发动机在未来一段时间内会成为绿色发展的主力军。

氨燃料燃烧废气主要包括氮氧化物、水、氧气、氨气，可通过氧化重整反应和分解反应产生氢气通入发动机和氨燃料混合燃烧，从而提升燃料的热效率。然而，现有氨发动机尾气重整装置尚无系统高效的制氢工况，并且氨裂解制氢技术均在高温下进行，对发动机中的燃料热效率提升和NO

发明内容

本发明的目的在于至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明实施例的一个目的在于提供一种氨重整和氨裂解制氢系统及方法，实现了高效的氨重整、氨裂解制氢，提升了燃料热效率并降低了NO

为了达到上述技术目的，本发明实施例所采取的技术方案包括：

第一方面，本发明实施例提供了一种氨重整和氨裂解制氢系统，包括：

进气模块，用于获取第一组分，所述第一组分为发动机燃烧排放的废气的组分；用于将所述废气分为两路，得到第一气体和第二气体；用于根据所述第一组分通入氨气和氧气，与所述第二气体混合得到第三气体；

重整器，用于加热所述第一气体，并根据所述第三气体采用等离子体活化技术进行氨重整反应，生成第四气体，所述第四气体为氨重整反应生成的混合气体；

补气模块，用于获取第二组分，所述第二组分为所述第四气体的组分；用于根据所述第二组分通入氨气和氧气，与所述第四气体混合得到第五气体；

氨裂解发生器，用于根据所述第五气体和加热后的所述第一气体，采用低温等离子体活化技术进行氨分解反应，生成第六气体，所述第六气体为氨分解反应生成的气体与降温的所述第一气体的混合气体；用于将所述第六气体通入发动机中进行燃烧。

另外，根据本发明上述实施例的一种氨重整和氨裂解制氢系统，还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，本发明实施例的一种氨重整和氨裂解制氢系统中，所述进气模块包括第一分析仪和进气组件；

所述第一分析仪获取所述第一组分，所述进气组件根据所述第一组分通入氨气和氧气，与所述第二气体混合得到所述第三气体。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述重整器包括加热套、第一反应腔和等离子体活化装置；

所述加热套加热所述第一气体；所述等离子体活化装置采用等离子体活化技术活化所述第三气体，并辅助所述第三气体在所述第一反应腔内发生氨重整反应生成所述第四气体。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述补气模块包括第二分析仪和补气组件；

所述第二分析仪获取所述第二组分，所述补气组件根据所述第二组分通入氨气和氧气，与所述第四气体混合得到所述第五气体。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述氨裂解发生器包括等离子体辅助装置和第二反应腔；

所述等离子体辅助装置根据所述第五气体和加热后的所述第一气体，采用低温等离子体活化技术在所述第二反应腔内进行氨分解反应，生成所述第六气体。

第二方面，本发明实施例提出了一种氨重整和氨裂解制氢方法，所述方法应用于氨重整和氨裂解制氢系统，所述氨重整和氨裂解制氢系统包括进气模块、重整器、补气模块和氨裂解发生器，所述方法包括：

通过所述进气模块获取第一组分，所述第一组分为发动机燃烧排放的废气的组分；

通过所述进气模块将所述废气分为两路，得到第一气体和第二气体；

根据所述第一组分，通过所述进气模块通入氨气和氧气，与所述第二气体混合得到第三气体；

通过所述重整器加热所述第一气体，并根据所述第三气体采用等离子体活化技术进行氨重整反应，生成第四气体，所述第四气体为氨重整反应生成的混合气体；

通过所述补气模块获取第二组分，所述第二组分为所述第四气体的组分，并根据所述第二组分通入氨气和氧气，与所述第四气体混合得到第五气体；

根据所述第五气体和加热后的所述第一气体，通过所述氨裂解发生器采用低温等离子体活化技术进行氨分解反应，生成第六气体，并将所述第六气体通入发动机中进行燃烧，所述第六气体为氨分解反应生成的气体与降温的所述第一气体的混合气体。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述进气模块包括第一分析仪和进气组件；

所述通过所述进气模块获取第一组分，以及所述根据所述第一组分，通过所述进气模块通入氨气和氧气，与所述第二气体混合得到第三气体，包括：

通过所述第一分析仪获取所述第一组分；

通过所述进气组件根据所述第一组分通入氨气和氧气，与所述第二气体混合得到所述第三气体。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述重整器包括加热套、第一反应腔和等离子体活化装置；

所述通过所述重整器加热所述第一气体，并根据所述第三气体采用等离子体活化技术进行氨重整反应，生成第四气体，包括：

通过所述加热套加热所述第一气体；

通过所述等离子体活化装置采用等离子体活化技术活化所述第三气体，并辅助所述第三气体在所述第一反应腔内发生氨重整反应生成所述第四气体。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述补气模块包括第二分析仪和补气组件；

所述通过所述补气模块获取第二组分，所述第二组分为所述第四气体的组分，并根据所述第二组分通入氨气和氧气，与所述第四气体混合得到第五气体，包括：

通过所述第二分析仪获取所述第二组分；

通过所述补气组件根据所述第二组分通入氨气和氧气，与所述第四气体混合得到所述第五气体。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述氨裂解发生器包括等离子体辅助装置和第二反应腔；

所述根据所述第五气体和加热后的所述第一气体，通过所述氨裂解发生器采用低温等离子体活化技术进行氨分解反应，生成第六气体，包括：

通过所述等离子体辅助装置根据所述第五气体和加热后的所述第一气体，采用低温等离子体活化技术在所述第二反应腔内进行氨分解反应，生成所述第六气体。

本发明的优点和有益效果将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到：

本发明实施例通过等离子体辅助活化技术提升了氨重整和氨裂解的制氢效率，提高了氢气的产率；通过进气模块获取第一组分以及补气模块获取第二组分，对氨重整和氨裂解反应前的气体进行配气，实现了对氨重整和氨裂解反应进程的推进，进一步提高了氢气的产率；通过低温等离子体活化技术进行氨分解反应，降低了氨分解反应的温度，使得第六气体进入发动机后有效提升了发动机中的燃料热效率，并降低了NO

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本申请实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本申请的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员来说，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1为本发明一种氨重整和氨裂解制氢系统具体实施例的结构示意图；

图2为本发明一种氨重整和氨裂解制氢方法具体实施例的流程示意图。

附图标记：101、进气模块；102、重整器；103、补气模块；104、氨裂解发生器；105发动机；1011、第一分析仪；1012、进气组件；1021、加热套；1022、等离子体活化装置；1023、第一反应腔；1031、第二分析仪；1032、补气组件；1041、等离子体辅助装置；1042、第二反应腔。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

本发明的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本发明中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

随着工业化进程的推进以及国家“双碳”政策的制定，温室气体等大气污染物的排放需要得到控制，因此，氨燃料动力系统的研发得到了重视。目前发动机燃料多以柴油、甲烷为主，发动机排放的尾气中含有大量的碳氧化物，这与绿色发展理念及国家政策相悖。而氨燃料燃烧时不会排放二氧化碳，在燃料电池和内燃机中都可使用。同时，氨燃料资源丰富，可以使用可再生电力、水和空气来制造。另外，与氢气不同，氨燃料不必存储在高压罐或低温杜瓦瓶中，并且其能量密度是锂离子电池的十倍，是比较可靠的动力来源。因此，氨燃料发动机在未来一段时间内会成为绿色发展的主力军。

氨燃料燃烧废气主要包括氮氧化物、水、氧气、氨气，可通过氧化重整反应和分解反应产生氢气通入发动机和氨燃料混合燃烧，从而提升燃料的热效率。然而，现有氨发动机尾气重整装置尚无系统高效的制氢工况，并且氨裂解制氢技术均在高温下进行，对发动机中的燃料热效率提升和NO

为此，本发明提出了一种氨重整和氨裂解制氢系统及方法，通过等离子体辅助活化技术提升了氨重整和氨裂解的制氢效率，提高了氢气的产率；通过进气模块获取第一组分以及补气模块获取第二组分，对氨重整和氨裂解反应前的气体进行配气，实现了对氨重整和氨裂解反应进程的推进，进一步提高了氢气的产率；通过低温等离子体活化技术进行氨分解反应，降低了氨分解反应的温度，使得第六气体进入发动机后有效提升了发动机中的燃料热效率，并降低了NO

下面参照附图详细描述根据本发明实施例提出的一种氨重整和氨裂解制氢系统及方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的一种氨重整和氨裂解制氢系统。

参照图1，本发明实施例中的一种排放控制系统包括：

进气模块101，用于获取第一组分，所述第一组分为发动机105燃烧排放的废气的组分；用于将所述废气分为两路，得到第一气体和第二气体；用于根据所述第一组分通入氨气和氧气，与所述第二气体混合得到第三气体；

重整器102，用于加热所述第一气体，并根据所述第三气体采用等离子体活化技术进行氨重整反应，生成第四气体，所述第四气体为氨重整反应生成的混合气体；

补气模块103，用于获取第二组分，所述第二组分为所述第四气体的组分；用于根据所述第二组分通入氨气和氧气，与所述第四气体混合得到第五气体；

氨裂解发生器104，用于根据所述第五气体和加热后的所述第一气体，采用低温等离子体活化技术进行氨分解反应，生成第六气体，所述第六气体为氨分解反应生成的气体与降温的所述第一气体的混合气体；用于将所述第六气体通入发动机105中进行燃烧。

其中，作为一种可选的实施方式，所述进气模块101包括第一分析仪1011和进气组件1012；

所述第一分析仪1011获取所述第一组分，所述进气组件1012根据所述第一组分通入氨气和氧气，与所述第二气体混合得到所述第三气体。

具体地，通过第一分析仪1011获取发动机105排放的废气的组分，即所述第一组分，并根据第一组分进行配气，通过进气组件1012通入氨气和氧气，与其中一路废气(所述第二气体)混合得到所述第三气体，以满足重整器102中发生氨重整反应的反应条件，推进氨重整反应的进程，提高氨重整反应效率。

作为一种可选的实施方式，所述重整器102包括加热套1021、第一反应腔1023和等离子体活化装置1022；

所述加热套1021加热所述第一气体；所述等离子体活化装置1022采用等离子体活化技术活化所述第三气体，并辅助所述第三气体在所述第一反应腔1023内发生氨重整反应生成所述第四气体。

具体地，本发明实施例的重整器102采用加热套1021外接电源，并将没有进行配气的一路废气(所述第一气体)通入加热套1021中进行加热。同时，加热套1021附着在第一反应腔1023外壁，为第一反应腔1023内的氨重整反应提供持续稳定的反应温度，使得氨重整反应稳定进行。

作为一种可选的实施方式，所述补气模块103包括第二分析仪1031和补气组件1032；

所述第二分析仪获取所述第二组分，所述补气组件根据所述第二组分通入氨气和氧气，与所述第四气体混合得到所述第五气体。

具体地，通过第二分析仪1031获取氨重整反应生成的混合气体(所述第四气体)的组分，即所述第二组分，并根据第二组分进行配气，通过补气组件1032通入氨气和氧气，与所述第四气体混合得到所述第五气体，以满足氨裂解发生器104中发生氨分解反应的反应条件，推进氨分解反应的进程，提高氨分解反应效率，提高氢气产率。

作为一种可选的实施方式，所述氨裂解发生器104包括等离子体辅助装置1041和第二反应腔1042；

所述等离子体辅助装置1041根据所述第五气体和加热后的所述第一气体，采用低温等离子体活化技术在所述第二反应腔1042内进行氨分解反应，生成所述第六气体。

其中，在本发明的实施例中，等离子体辅助装置1041包括电源、高压电极和接地电极。其中，电源正极与高压电极连接，电源负极与接地电极连接并接地，接地电极环绕高压电极。

具体地，经过重整器102加热后的第一气体与经过补气模块103配气的第五气体进入氨裂解发生器104内，在第二反应腔1042中循环加热，并在低温等离子体活化作用下进行氨分解反应，其中第一气体作为氨分解反应的保温介质。在氨裂解发生器104进行氨分解反应后生成第六气体，即氨分解反应生成的气体与降温的所述第一气体的混合气体。将第六气体通入发动机105中能够有效提升发动机中的燃料热效率，并降低废气中的NO

综上所述，本发明实施例的一种氨重整和氨裂解制氢系统，通过等离子体辅助活化技术提升了氨重整和氨裂解的制氢效率，提高了氢气的产率；通过进气模块获取第一组分以及补气模块获取第二组分，对氨重整和氨裂解反应前的气体进行配气，实现了对氨重整和氨裂解反应进程的推进，进一步提高了氢气的产率；通过低温等离子体活化技术进行氨分解反应，降低了氨分解反应的温度，使得第六气体进入发动机后有效提升了发动机中的燃料热效率，并降低了NO

其次，参照图2，本发明实施例提出了一种氨重整和氨裂解制氢方法，所述方法应用于氨重整和氨裂解制氢系统，所述氨重整和氨裂解制氢系统包括进气模块、重整器、补气模块和氨裂解发生器，所述方法包括：

S101、通过所述进气模块获取第一组分；

其中，所述第一组分为发动机燃烧排放的废气的组分。

具体地，在本发明的实施例中，所述进气模块包括第一分析仪，通过所述第一分析仪获取所述第一组分。

S102、通过所述进气模块将所述废气分为两路，得到第一气体和第二气体；

S103、根据所述第一组分，通过所述进气模块通入氨气和氧气，与所述第二气体混合得到第三气体；

具体地，在本发明的实施例中，所述进气模块还包括进气组件，通过所述进气组件根据所述第一组分通入氨气和氧气，与所述第二气体混合得到所述第三气体。

S104、通过所述重整器加热所述第一气体，并根据所述第三气体采用等离子体活化技术进行氨重整反应，生成第四气体；

其中，所述第四气体为氨重整反应生成的混合气体。

具体地，在本发明的实施例中，所述重整器包括加热套、第一反应腔和等离子体活化装置。通过所述加热套加热所述第一气体，并通过所述等离子体活化装置采用等离子体活化技术活化所述第三气体，并辅助所述第三气体在所述第一反应腔内发生氨重整反应生成所述第四气体。

S105、通过所述补气模块获取第二组分，所述第二组分为所述第四气体的组分，并根据所述第二组分通入氨气和氧气，与所述第四气体混合得到第五气体；

具体地，在本发明的实施例中，所述补气模块包括第二分析仪和补气组件。通过所述第二分析仪获取所述第二组分，并通过所述补气组件根据所述第二组分通入氨气和氧气，与所述第四气体混合得到所述第五气体。

S106、根据所述第五气体和加热后的所述第一气体，通过所述氨裂解发生器采用低温等离子体活化技术进行氨分解反应，生成第六气体，并将所述第六气体通入发动机中进行燃烧。

其中，所述第六气体为氨分解反应生成的气体与降温的所述第一气体的混合气体。

具体地，在本发明的实施例中，所述氨裂解发生器包括等离子体辅助装置和第二反应腔。通过所述等离子体辅助装置根据所述第五气体和加热后的所述第一气体，采用低温等离子体活化技术在所述第二反应腔内进行氨分解反应，生成所述第六气体。

上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本申请的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本申请，但应当理解的是，除非另有相反说明，功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本申请是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本申请。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本申请的范围，本申请的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的程序执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本申请的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本申请的较佳实施进行了具体说明，但本申请并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本申请精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。