Generatore di idrogeno per cracking dell'ammoniaca

La tecnologia di produzione di idrogeno mediante decomposizione dell'ammoniaca, in quanto processo di preparazione del gas maturo ed efficiente, occupa una posizione importante nel campo della produzione industriale. Il suo principio fondamentale è quello di decomporre accuratamente l'ammoniaca (NH₃) in una miscela gassosa composta per il 25% da azoto (N₂) e per il 75% da idrogeno (H₂) in volume, in specifiche condizioni di processo e apparecchiature. Questo rapporto deriva dalla formula chimica dell'ammoniaca: due molecole di ammoniaca si decompongono formando una molecola di azoto e tre molecole di idrogeno, formando naturalmente un sistema di miscela idrogeno-azoto stabile. Grazie ai suoi vantaggi, quali materie prime facilmente reperibili, processo di preparazione ecocompatibile e purezza del gas controllabile, questa tecnologia è stata ampiamente applicata in diversi settori industriali ed è diventata una delle tecnologie chiave a supporto dello sviluppo di alta qualità di settori come il trattamento termico, la metallurgia e la produzione del vetro.

L'intero flusso di processo per la produzione di idrogeno dalla decomposizione dell'ammoniaca può essere suddiviso in tre fasi principali: pretrattamento delle materie prime, reazione di decomposizione dell'ammoniaca e purificazione del gas. Queste fasi sono strettamente interconnesse per garantire congiuntamente la qualità del gas finale. Per quanto riguarda le materie prime, l'ammoniaca liquida ad elevata purezza viene solitamente utilizzata come substrato di reazione. L'ammoniaca liquida offre facilità di stoccaggio, trasporto sicuro e un elevato contenuto di idrogeno: può raggiungere il 17,6%, superando di gran lunga quello della maggior parte delle fonti di idrogeno gassoso. Inoltre, l'ammoniaca liquida si trova allo stato liquido a temperatura e pressione normali, richiedendo molto meno spazio di stoccaggio rispetto all'idrogeno gassoso, il che può ridurre efficacemente i costi di stoccaggio delle materie prime per le aziende. Nella fase di pretrattamento delle materie prime, l'ammoniaca liquida viene prima trasportata centralmente e vaporizzata attraverso un dispositivo collettore dedicato. Il dispositivo collettore può realizzare una confluenza stabile e una regolazione del flusso di ammoniaca liquida multi-percorso, garantendo un'erogazione uniforme e continua di ammoniaca liquida ed evitando l'impatto delle fluttuazioni di flusso sulla successiva efficienza di reazione. Il processo di vaporizzazione converte l'ammoniaca liquida in ammoniaca gassosa attraverso il riscaldamento a bassa temperatura o l'evaporazione a bassa pressione in un ambiente chiuso, rimuovendo al contempo le impurità in tracce che possono essere contenute nelle materie prime, fornendo un substrato di reazione puro per la successiva reazione di decomposizione. Dopo essere entrata nell'apparecchiatura di decomposizione dell'ammoniaca, l'ammoniaca gassosa subisce una reazione di decomposizione in specifiche condizioni di temperatura, pressione e catalizzazione. Il nucleo dell'apparecchiatura di decomposizione dell'ammoniaca è costituito da un corpo del forno di reazione e da un sistema catalizzatore. Il corpo del forno è solitamente realizzato in acciaio speciale resistente alle alte temperature e alla corrosione, in grado di sopportare perdite fisiche e chimiche in un ambiente di reazione ad alta temperatura e garantire il funzionamento stabile a lungo termine dell'apparecchiatura. Durante la reazione, la temperatura all'interno del forno deve essere controllata tra 800 e 900 °C, un intervallo di temperatura che può attivare efficacemente l'attività del catalizzatore e accelerare la reazione di decomposizione dell'ammoniaca. I catalizzatori comunemente utilizzati sono per lo più a base di nichel e alcune apparecchiature di fascia alta adottano catalizzatori compositi a base di rutenio o ferro. Tali catalizzatori presentano le caratteristiche di elevata efficienza catalitica, lunga durata e forte capacità anti-avvelenamento, consentendo un tasso di decomposizione dell'ammoniaca superiore al 99,9% e riducendo al minimo i residui di ammoniaca non decomposta. Sotto l'azione del catalizzatore, le molecole di ammoniaca gassosa subiscono la rottura dei legami e la ricombinazione per formare una miscela gassosa di idrogeno e azoto. Questo processo non richiede l'aggiunta di altri reagenti, non emette gas nocivi e produce solo una miscela di idrogeno e azoto, in linea con il concetto di sviluppo della produzione ecologica nell'industria moderna.

Grazie alla riducibilità dell'idrogeno e alle proprietà protettive inerti dell'azoto, la miscela idrogeno-azoto generata dalla decomposizione dell'ammoniaca ha dimostrato una forte adattabilità nel settore dei trattamenti termici ed è diventata una fonte di gas fondamentale indispensabile per questo settore. La brasatura ad alta temperatura è uno dei processi di miscela idrogeno-azoto più ampiamente utilizzati nel settore dei trattamenti termici. Questo processo è utilizzato principalmente per la giunzione di precisione di componenti metallici, particolarmente adatto per la saldatura di parti in acciaio inossidabile, leghe di rame, leghe di alluminio e altri materiali. Nel processo di brasatura ad alta temperatura, la miscela idrogeno-azoto viene utilizzata come atmosfera protettiva. Da un lato, l'idrogeno può ridurre la pellicola di ossido sulla superficie metallica, evitando difetti come pori e inclusioni di scorie nel giunto di saldatura causati dall'ossidazione e garantendo la compattezza e la resistenza del giunto di saldatura. D'altro canto, l'azoto può isolare l'aria, prevenire la riossidazione dei componenti metallici in un ambiente ad alta temperatura e mantenere una pressione stabile all'interno del forno, garantendo buone condizioni per il flusso e la bagnatura del metallo d'apporto per brasatura. Che si tratti della brasatura di componenti di precisione nel settore aerospaziale o della saldatura di componenti di motori nell'industria automobilistica, la miscela idrogeno-azoto può migliorare significativamente la qualità della brasatura, ridurre il tasso di scarti e soddisfare i severi requisiti della produzione di fascia alta per la precisione della saldatura.

Il processo di ricottura in bianco è inoltre inseparabile dalla miscela di idrogeno e azoto generata dalla decomposizione dell'ammoniaca. La ricottura in bianco è un passaggio importante nella lavorazione profonda dei materiali metallici, mirata a eliminare le tensioni interne generate durante la lavorazione dei metalli come la laminazione e lo stampaggio, a migliorare la tenacità, la duttilità e la finitura superficiale dei materiali, ed è spesso utilizzata per il trattamento di materiali metallici come acciaio inossidabile, nastri di rame e nastri di acciaio. Nel processo di ricottura in bianco, la miscela di idrogeno e azoto viene introdotta nel forno di ricottura come atmosfera protettiva. In un ambiente ad alta temperatura, l'idrogeno può ridurre le tracce di impurità ossidative sulla superficie del metallo, mentre l'azoto svolge un ruolo nella diluizione e nell'isolamento dell'aria, prevenendo la formazione di ossido sulla superficie del metallo e garantendo che il materiale metallico mantenga una superficie lucida dopo la ricottura. Rispetto all'atmosfera di idrogeno puro utilizzata nei processi di ricottura tradizionali, la miscela idrogeno-azoto non solo ha un costo inferiore, ma è anche più sicura, riducendo efficacemente il rischio di combustione ed esplosione dell'atmosfera di idrogeno puro ad alte temperature e può ottenere lo stesso effetto di ricottura o addirittura migliore, rendendola l'atmosfera protettiva preferita per i processi di ricottura brillante.

Anche i processi di riduzione delle polveri metalliche e di trattamento in soluzione di leghe di alluminio rappresentano importanti scenari applicativi per la miscela idrogeno-azoto derivante dalla decomposizione dell'ammoniaca. Il processo di riduzione delle polveri metalliche viene utilizzato principalmente per preparare polveri metalliche ad elevata purezza, come polvere di ferro, polvere di rame, polvere di nichel, ecc., ampiamente utilizzate in settori quali la metallurgia delle polveri, i componenti elettronici e i materiali magnetici. Nel processo di riduzione, l'idrogeno presente nella miscela idrogeno-azoto agisce come agente riducente, in grado di ridurre le impurità ossidative (come ossido di ferro e ossido di rame) presenti nella polvere metallica fino a ottenere metallo puro. Allo stesso tempo, l'azoto agisce come gas protettivo per prevenire la riossidazione della polvere metallica ridotta, garantendone la purezza e l'attività. Il processo di trattamento in soluzione di leghe di alluminio migliora la struttura della lega di alluminio e ne aumenta la resistenza e la durezza attraverso il riscaldamento ad alta temperatura e il raffreddamento rapido. Nel processo di trattamento in soluzione, la miscela di idrogeno e azoto può prevenire efficacemente l'ossidazione e lo scolorimento della lega di alluminio ad alte temperature, promuovere l'omogeneizzazione della struttura interna della lega di alluminio, migliorare l'effetto del trattamento in soluzione e consentire ai materiali in lega di alluminio di adattarsi meglio ai requisiti di lavorazione e applicazione successivi.

Nel settore della metallurgia delle polveri, l'applicazione della miscela idrogeno-azoto derivante dalla decomposizione dell'ammoniaca avviene attraverso molteplici passaggi fondamentali, come la preparazione delle materie prime, la formatura e la sinterizzazione. La metallurgia delle polveri è un processo di preparazione di prodotti metallici attraverso la pressatura e la sinterizzazione delle polveri, ampiamente utilizzato nella produzione meccanica, nella componentistica automobilistica, nell'aerospaziale e in altri settori. Nel processo di sinterizzazione, la miscela idrogeno-azoto viene utilizzata come atmosfera di sinterizzazione. Da un lato, l'idrogeno può ridurre la pellicola di ossido sulla superficie della polvere metallica, migliorare la forza di legame tra le particelle di polvere e migliorare la compattezza e le proprietà meccaniche del prodotto. Dall'altro, l'azoto può regolare la pressione atmosferica all'interno del forno, inibire la crescita dei grani della polvere metallica e garantire una struttura uniforme e fine del prodotto. Inoltre, la miscela idrogeno-azoto può rimuovere efficacemente le impurità volatili generate durante la sinterizzazione, migliorare la purezza del prodotto e consentire ai prodotti di metallurgia delle polveri di soddisfare i requisiti di elevata precisione e resistenza. Rispetto ad altre atmosfere di sinterizzazione, la miscela idrogeno-azoto presenta i vantaggi di un costo contenuto e di una forte adattabilità, ed è diventata la scelta di atmosfera prevalente nel settore della metallurgia delle polveri.

Oltre ai trattamenti termici e alla metallurgia, la miscela di idrogeno e azoto derivante dalla decomposizione dell'ammoniaca svolge un ruolo importante anche nella produzione di vetro float. Il vetro float è una varietà di vetro ampiamente utilizzata nell'edilizia, nell'industria automobilistica, nell'elettronica e in altri settori. Il suo processo produttivo impone requisiti estremamente elevati per quanto riguarda l'atmosfera, che influisce direttamente sulla trasparenza, la planarità e la qualità superficiale del vetro. Nel collegamento del bagno di stagno nella produzione di vetro float, la miscela di idrogeno e azoto viene introdotta nel bagno come atmosfera protettiva. L'azoto può isolare l'aria, impedire che il liquido di stagno ad alta temperatura si ossidi formando ossido di stagno ed evitare che l'ossido di stagno aderisca alla superficie del vetro, compromettendone la qualità. L'idrogeno può ridurre le tracce di ossido di stagno che possono essere generate nel bagno di stagno e regolare la riducibilità dell'atmosfera nel bagno, garantendo una superficie del vetro liscia e pulita e migliorando le prestazioni ottiche e la resistenza meccanica del vetro. Inoltre, la miscela di idrogeno e azoto può mantenere una pressione stabile all'interno del bagno di stagno, impedire l'ingresso di aria esterna, garantire il progresso continuo e stabile della produzione di vetro float e migliorare l'efficienza produttiva e il tasso di qualificazione del prodotto.

La miscela idrogeno-azoto derivante dalla decomposizione dell'ammoniaca ha anche un importante valore applicativo nei processi correlati ai forni di nitrurazione, che si riflette principalmente in due aspetti: la regolazione dell'atmosfera del forno di nitrurazione e il trattamento dei gas di coda. Il trattamento di nitrurazione è un processo importante per il rinforzo superficiale dei materiali metallici. Consentendo agli atomi di azoto di penetrare nella superficie metallica in condizioni di alta temperatura e in un'atmosfera ricca di azoto, si forma uno strato indurito, migliorando la resistenza all'usura, alla corrosione e alla fatica dei materiali metallici. Nella regolazione dell'atmosfera del forno di nitrurazione, la miscela idrogeno-azoto può essere utilizzata come atmosfera basica, miscelata con ammoniaca, azoto e altri gas per regolare accuratamente il potenziale di azoto all'interno del forno, soddisfacendo i requisiti di diversi materiali metallici e diversi processi di nitrurazione e garantendo che lo spessore, la durezza e l'uniformità dello strato nitrurato siano conformi agli standard di progettazione. Allo stesso tempo, i forni di nitrurazione generano gas di coda contenenti tracce di ammoniaca, cianuro e altre sostanze nocive durante la produzione. L'emissione diretta causerà inquinamento ambientale e rappresenterà un rischio per la sicurezza. Utilizzando apparecchiature per il trattamento dei gas di coda correlate alla tecnologia di produzione di idrogeno per decomposizione dell'ammoniaca, i gas di coda del forno di nitrurazione possono essere decomposti e bruciati, convertendo le sostanze nocive presenti in acqua, azoto e anidride carbonica, innocui, emettendo gas di coda nel rispetto dell'ambiente. Ciò non solo soddisfa i requisiti delle politiche nazionali di protezione ambientale, ma riduce anche i costi di trattamento ambientale delle aziende.

L'ampia applicazione della tecnologia di produzione di idrogeno mediante decomposizione dell'ammoniaca in molteplici settori non è dovuta solo alla stabilità delle prestazioni di processo e all'alta qualità dei gas prodotti, ma anche ai significativi vantaggi economici e ambientali. In termini di costi, le materie prime liquide a base di ammoniaca sono relativamente economiche, facili da trasportare e immagazzinare, il che può ridurre notevolmente il costo delle materie prime per le aziende rispetto alle materie prime gassose come l'idrogeno puro e l'azoto puro. Allo stesso tempo, le apparecchiature per la produzione di idrogeno mediante decomposizione dell'ammoniaca hanno una struttura relativamente semplice, un funzionamento pratico e bassi costi di manutenzione, rendendole adatte alla produzione industriale su larga scala. In termini di tutela ambientale, l'intero processo di preparazione non emette gas nocivi e l'uso di una miscela di idrogeno e azoto può anche ridurre il consumo di gas ossidanti nei processi tradizionali, in linea con il trend di sviluppo della trasformazione industriale green nell'ambito dell'obiettivo "doppio carbonio".

Con il continuo aggiornamento della tecnologia industriale, i requisiti di vari settori in termini di qualità del gas, efficienza produttiva e livello di tutela ambientale aumentano di giorno in giorno, e anche la tecnologia di produzione di idrogeno mediante decomposizione dell'ammoniaca è in continua ottimizzazione e aggiornamento. In futuro, attraverso la ricerca e lo sviluppo di catalizzatori ad alta efficienza, l'ottimizzazione della struttura delle apparecchiature e il miglioramento del livello di controllo automatico, la tecnologia di produzione di idrogeno mediante decomposizione dell'ammoniaca migliorerà ulteriormente la purezza del gas, ridurrà il consumo energetico, amplierà il campo di applicazione, svolgerà un ruolo più importante in settori emergenti come le nuove energie e la produzione di alta gamma, e fornirà un forte supporto allo sviluppo ecologico ed efficiente della produzione industriale.

Brasatura di ferro/rame/acciaio inossidabile

Ricottura in bianco/riduzione dei raccordi per tubi

Sinterizzazione della metallurgia delle polveri

Linea di produzione del vetro float