本發(fā)明涉及氫氨燃機，具體涉及一種氨氣內(nèi)裂解系統(tǒng)及方法。

背景技術：

1、氫能作為推動低碳經(jīng)濟的關鍵力量，盡管潛力巨大，但在大規(guī)模儲存和長距離運輸上卻面臨安全風險和成本高昂的雙重挑戰(zhàn)。氫氣因其可燃范圍極寬，一旦在儲存或運輸過程中泄漏并與空氣混合，極易形成可燃氣體，引發(fā)爆炸事故。相比之下，氨氣作為一種潛在的氫能載體，其理化性質(zhì)更為溫和，展現(xiàn)出多方面的優(yōu)勢，但是氫氣的長期運輸和存儲一直是一個難題，這使得氨氣成為了一個極具潛力的替代載體。然而，現(xiàn)有的氨裂解技術方案存在明顯的不足，尤其是能源利用效率低下，且未能充分利用燃氣輪機的高溫排氣和燃燒室內(nèi)的高溫環(huán)境。此外，傳統(tǒng)的裂解方式在確保氨氣充分裂解方面也面臨挑戰(zhàn)。

2、氨氣的生產(chǎn)及運輸技術目前已經(jīng)十分成熟，通過哈伯-博施工藝，氨氣可由氮和氫直接合成，該過程簡單高效且成本可控。在常溫條件下，氨的液化壓力低(1.03mpa)、溫度適中(239.6k)，相較于甲烷和氫氣，其液化過程更為簡便，使用成本也更低。然而，氨氣的反應活性較低，導致點火啟動困難和燃燒穩(wěn)定性不足，且在富氧條件下燃燒易產(chǎn)生大量氮氧化物排放。

3、針對氫氨兩種燃料的特性，現(xiàn)有技術通常將氨氣預裂解為氫氣、氮氣和殘余氨氣的混合氣體，再送入燃燒室燃燒。但多數(shù)方案采用單獨熱源加熱裂解氨氣，這不僅增加了系統(tǒng)復雜性，還降低了能量利用率，未能充分利用燃氣輪機排氣的高溫。

4、在專利文件cn108884761b中，公開了一種氨裂解方法，包括蒸發(fā)和預加熱液氨以產(chǎn)生預熱的氨氣；將所述預熱的氨氣引入氨裂解裝置，其中所述裝置適于將氨氣轉化為氫氣和氮氣的混合物；在所述裝置中將所述預熱的氨氣轉化成氫氣和氮氣的混合物；冷卻所述氫氣和氮氣的混合物，得到冷卻的氫氣和氮氣混合物；將所述冷卻的氫氣和氮氣混合物引入燃氣輪機中；在所述燃氣輪機中燃燒所述冷卻的氫氣和氮氣混合物以產(chǎn)生電力，未解決采用單獨熱源加熱裂解氨氣增加了系統(tǒng)復雜性，降低能量利用率，未能充分利用燃氣輪機排氣的高溫的問題。

5、在專利文件cn118775068a中，公開了一種燃氣電廠熱循環(huán)和尾氣處理的摻氨摻氫發(fā)電系統(tǒng)及方法,通過將氨氫新能源利用的優(yōu)劣勢相結合，能夠利用液氨易儲易運的優(yōu)勢，現(xiàn)場為燃氣電廠摻氫燃燒供應大規(guī)模的氫氣，或者直接供氨燃燒發(fā)電，同時該技術可利用燃氣輪機余熱，并進行尾氣脫硝處理，未解決采用單獨熱源加熱裂解氨氣增加了系統(tǒng)復雜性，降低能量利用率，未能充分利用燃氣輪機排氣的高溫的問題。

6、綜上所述，上述兩個現(xiàn)有專利均未解決采用單獨熱源加熱裂解氨氣增加了系統(tǒng)復雜性，降低能量利用率，未能充分利用燃氣輪機排氣的高溫的問題。

技術實現(xiàn)思路

1、基于上述技術問題，本發(fā)明提出一種氨氣內(nèi)裂解系統(tǒng)及方法，解決采用單獨熱源加熱裂解氨氣增加了系統(tǒng)復雜性，降低能量利用率，未能充分利用燃氣輪機排氣的高溫的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種氨氣內(nèi)裂解系統(tǒng)。

3、一種氨氣內(nèi)裂解系統(tǒng)，包括裂解器和燃燒室，所述裂解器包括第一通路和第二通路；所述燃燒室包括第三通路和第四通路，所述第一通路連通至所述第三通路，所述第三通路包括內(nèi)裂解裝置，所述第四通路包括排氣口，所述排氣口與所述裂解器的所述第二通路流體地連通，使得所述燃燒室的所述排氣口排出的高溫氣體進入所述第二通路以加熱所述第一通路。

4、進一步地，所述第一通路包括第一催化劑，所述第一催化劑設于所述第一通路內(nèi)，所述氨氣在所述第一催化劑的作用下裂解。

5、進一步地，所述內(nèi)裂解裝置包括第二催化劑，所述第二催化劑設于所述內(nèi)裂解裝置內(nèi)部，所述氨氣在所述第二催化劑的作用下繼續(xù)裂解。

6、進一步地，所述內(nèi)裂解裝置設于所述燃燒室的壁面上。

7、進一步地，包括換熱器，所述換熱器設于所述裂解器的上游。

8、進一步地，所述換熱器包括升溫管和降溫管，所述升溫管連接至所述第一通路，所述降溫管連接至所述第三通路。

9、進一步地，所述降溫管包括第一降溫管和第二降溫管，所述第一降溫管連接至所述第三通路，所述第一降溫管與所述升溫管為可互相換熱設置，所述第二降溫管與所述升溫管為可互相換熱設置。

10、進一步地，包括壓縮膨脹一體機，所述壓縮膨脹一體機的出口連接至所述第四通路。

11、進一步地，所述壓縮膨脹一體機包括壓縮機和膨脹機，所述壓縮機的入口連接至所述第一降溫管的出口，所述壓縮機的出口連接至所述第二降溫管的入口，所述壓縮機設于所述膨脹機的上游，管道中的氣體先通過壓縮機進行壓縮后再進入膨脹機；

12、所述膨脹機的入口連接至所述第二降溫管的出口，所述膨脹機的出口連接至所述第四通路。

13、進一步地，包括渦輪，所述渦輪連通所述第二通路和所述第四通路，使所述第四通路內(nèi)部的高溫氣體通入所述第二通路。

14、進一步地，包括壓氣機，所述壓氣機連通所述第四通路。

15、進一步地，包括供給管段，所述供給管段設于所述換熱器的上游并通過管道連接于所述換熱器。

16、進一步地，所述供給管段包括儲罐、供給泵和汽化器，所述儲罐、所述供給泵和所述汽化器依次連接。

17、進一步地，所述供給管段還包括風機，所述風機連通所述汽化器。

18、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提出一種氨氣內(nèi)裂解方法，使用根據(jù)上述氨氣內(nèi)裂解系統(tǒng)，包括如下步驟：

19、s1：將氨氣通入所述裂解器的所述第一通路進行裂解后，通入所述第三通路，通過所述內(nèi)裂解裝置繼續(xù)進行裂解形成含有氫氣和氮氣的混合氣體；

20、s2：將所述混合氣體通入所述燃燒室的所述第四通路進行燃燒，隨后將高溫氣體通入所述第二通路。

21、進一步地，所述步驟s1前，包括：

22、打開供給泵，將儲罐中的液氨送入汽化器，在風機的作用下，轉化為氨氣。

23、進一步地，所述步驟s1中，包括：

24、將氨氣通入換熱器的升溫管，隨后進入所述裂解器，在第一催化劑的作用下轉化為氫氣、氮氣和殘余氨氣的所述混合氣體，繼續(xù)通入所述內(nèi)裂解裝置內(nèi)，在第二催化劑的作用下進一步裂解為氨氣含量≤1％的所述混合氣體，隨后通入所述換熱器的降溫管內(nèi)。

25、進一步地，所述步驟s2中，包括：

26、在所述換熱器的第一降溫管內(nèi)，所述混合氣體與所述升溫管中的氨氣進行熱量交換后降溫后，進入壓縮機，壓縮后所述混合氣體進入第二降溫管內(nèi)，繼續(xù)與升溫管中的氨氣進行熱量交換，隨后進入膨脹機進行膨脹，通入所述燃燒室燃燒。

27、進一步地，渦輪將所述燃燒室排出的高溫廢氣與所述裂解器的內(nèi)部管道進行換熱。

28、基于上述技術方案，本發(fā)明至少具有如下有益效果：

29、1.本發(fā)明提出一種氨氣內(nèi)裂解系統(tǒng)及方法，通過設計一種兩次氨裂解的系統(tǒng)，顯著提高了氨氣轉化為氫氣的效率；第一次裂解在氨裂解器中進行，利用燃氣輪機排氣的熱量將氨氣轉化為氫氣、氮氣和殘余氨氣的混合氣體。第二次裂解在燃燒室內(nèi)進行，利用燃燒室的高溫環(huán)境進一步裂解混合氣體，確保氨氣能夠充分轉化為氫氣，裂解率最高可達到99％以上。這種高效的轉化過程不僅提高了燃氣輪機的能源利用效率，還確保了燃料的燃燒，從而提升了燃氣輪機的輸出功率和整體性能。

30、2.本發(fā)明提出一種氨氣內(nèi)裂解系統(tǒng)及方法，通過利用反應余溫進行進一步裂解，本發(fā)明減少了對外部能源的需求，降低了系統(tǒng)的能耗和運行成本。特別是在預熱氨氣和降溫裂解氣的過程中，減少了冷卻水的使用，進一步降低了成本和環(huán)境影響。此外，高效率的氨氣裂解減少了氮氧化物的排放，有助于環(huán)境保護和實現(xiàn)更清潔的能源利用。這種設計不僅減少了溫室氣體排放，還有助于減少對水資源的依賴，從而在推動低碳經(jīng)濟發(fā)展的同時，促進了環(huán)境的可持續(xù)性。

31、3.本發(fā)明提出一種氨氣內(nèi)裂解系統(tǒng)及方法，通過創(chuàng)新的壓縮膨脹一體機的使用，結合精心設計的換熱流程，實現(xiàn)了對燃氣輪機系統(tǒng)中氨裂解氣的高效降溫和增壓，同時避免了傳統(tǒng)冷卻水的使用；壓縮膨脹一體機集成了壓縮機、膨脹機、換熱器和電機等多個部件，采用共軸設計，實現(xiàn)了能量的高效利用，壓縮機所需的功由膨脹機和電機共同提供，電機的輸出功率可根據(jù)實際需求實時調(diào)節(jié)，從而降低了燃料增壓過程中的能耗，提高了系統(tǒng)的整體能效，減少了水資源的消耗，降低了對環(huán)境的影響，還提高了系統(tǒng)的能源利用效率。