Generador de hidrógeno por craqueo de amoníaco

La tecnología de producción de hidrógeno mediante descomposición de amoníaco, como proceso maduro y eficiente de preparación de gases, ocupa una posición importante en el campo de la producción industrial. Su principio fundamental es descomponer con precisión el amoníaco (NH₃) en un gas mixto compuesto por un 25 % de nitrógeno (N₂) y un 75 % de hidrógeno (H₂) en volumen, bajo condiciones específicas de equipo y proceso. Esta proporción se deriva de la fórmula química del amoníaco: cada dos moléculas de amoníaco se descomponen para formar una molécula de nitrógeno y tres moléculas de hidrógeno, formando de forma natural un sistema estable de mezcla de hidrógeno y nitrógeno. Gracias a sus ventajas, como la fácil disponibilidad de materias primas, un proceso de preparación respetuoso con el medio ambiente y una pureza de gas controlable, esta tecnología se ha aplicado ampliamente en múltiples segmentos industriales y se ha convertido en una de las tecnologías clave que respaldan el desarrollo de alta calidad en industrias como el tratamiento térmico, la metalurgia y la fabricación de vidrio.

El flujo completo del proceso de producción de hidrógeno mediante la descomposición del amoníaco se divide en tres etapas principales: pretratamiento de la materia prima, reacción de descomposición del amoníaco y purificación del gas. Estas etapas están estrechamente relacionadas para garantizar conjuntamente la calidad del gas final. Como materia prima, se suele utilizar amoníaco líquido de alta pureza como sustrato de reacción. El amoníaco líquido se caracteriza por su fácil almacenamiento, transporte seguro y un alto contenido de hidrógeno, que puede alcanzar el 17,6 %, superando con creces el de la mayoría de las fuentes de hidrógeno gaseoso. Además, el amoníaco líquido se encuentra en estado líquido a temperatura y presión normales, por lo que requiere mucho menos espacio de almacenamiento que el hidrógeno gaseoso, lo que reduce eficazmente los costes de almacenamiento de la materia prima. En la etapa de pretratamiento de la materia prima, el amoníaco líquido se transporta y vaporiza de forma centralizada a través de un colector específico. Este colector permite una confluencia estable y la regulación del flujo del amoníaco líquido multitrayectoria, garantizando un suministro uniforme y continuo de amoníaco líquido y evitando el impacto de las fluctuaciones del flujo en la eficiencia de la reacción posterior. El proceso de vaporización convierte el amoníaco líquido en gas mediante calentamiento a baja temperatura o evaporación a baja presión en un entorno cerrado. Al mismo tiempo, elimina las impurezas traza que puedan contener las materias primas, proporcionando un sustrato de reacción puro para la posterior reacción de descomposición. Tras entrar en el equipo de descomposición de amoníaco, el amoníaco gaseoso experimenta una reacción de descomposición en condiciones específicas de temperatura, presión y catalizador. El núcleo del equipo de descomposición de amoníaco consiste en un cuerpo de horno de reacción y un sistema catalizador. El cuerpo del horno suele estar fabricado con acero especial resistente a altas temperaturas y a la corrosión, que soporta pérdidas físicas y químicas en un entorno de reacción a alta temperatura y garantiza el funcionamiento estable del equipo a largo plazo. Durante la reacción, la temperatura dentro del horno debe controlarse entre 800 y 900 °C, un rango de temperatura que activa eficazmente la actividad del catalizador y acelera la reacción de descomposición del amoníaco. Los catalizadores más utilizados son principalmente de níquel, y algunos equipos de alta gama utilizan catalizadores compuestos de rutenio o hierro. Estos catalizadores se caracterizan por su alta eficiencia catalítica, larga vida útil y gran capacidad antienvenenamiento, lo que permite una tasa de descomposición del amoníaco superior al 99,9 % y minimiza la cantidad de residuos de amoníaco sin descomponer. Bajo la acción del catalizador, las moléculas de amoníaco gaseoso se rompen y recombinan para formar una mezcla gaseosa de hidrógeno y nitrógeno. Este proceso no requiere la adición de otros reactivos, no emite gases nocivos y solo produce una mezcla de hidrógeno y nitrógeno, lo que se ajusta al concepto de desarrollo de la producción ecológica en la industria moderna.

Gracias a la reducibilidad del hidrógeno y a la propiedad protectora inerte del nitrógeno, la mezcla de hidrógeno y nitrógeno generada mediante la tecnología de producción de hidrógeno por descomposición de amoníaco ha demostrado una gran adaptabilidad en la industria del tratamiento térmico y se ha convertido en una fuente esencial de gas para este sector. La soldadura fuerte a alta temperatura es uno de los procesos de mezcla de hidrógeno y nitrógeno más utilizados en este sector. Este proceso se emplea principalmente para la unión precisa de componentes metálicos, siendo especialmente adecuado para la soldadura de piezas de acero inoxidable, aleaciones de cobre y aluminio, entre otros materiales. En el proceso de soldadura fuerte a alta temperatura, la mezcla de hidrógeno y nitrógeno se utiliza como atmósfera protectora. Por un lado, el hidrógeno reduce la película de óxido en la superficie metálica, evitando defectos como poros e inclusiones de escoria en la unión soldada causados ​​por oxidación, y garantizando la compacidad y resistencia de la unión. Por otro lado, el nitrógeno aísla el aire, previene la reoxidación de los componentes metálicos en entornos de alta temperatura y mantiene una presión estable dentro del horno, proporcionando condiciones óptimas para el flujo y la humectación del metal de aportación para la soldadura fuerte. Ya sea la soldadura fuerte de piezas de precisión en el campo aeroespacial o la soldadura de componentes de motores en la industria de fabricación de automóviles, la mezcla de hidrógeno y nitrógeno puede mejorar significativamente la calidad de la soldadura fuerte, reducir la tasa de desperdicio y cumplir con los estrictos requisitos de la fabricación de alta gama para la precisión de la soldadura.

El proceso de recocido brillante también es inseparable de la mezcla de hidrógeno y nitrógeno generada por la descomposición del amoníaco para su producción. El recocido brillante es un componente importante del procesamiento profundo de materiales metálicos, ya que tiene como objetivo eliminar la tensión interna generada durante el procesamiento de metales, como el laminado y el estampado, mejorar la tenacidad, la ductilidad y el acabado superficial de los materiales, y se utiliza a menudo para el tratamiento de materiales metálicos como acero inoxidable, flejes de cobre y flejes de acero. En el proceso de recocido brillante, la mezcla de hidrógeno y nitrógeno se introduce en el horno de recocido como atmósfera protectora. En un entorno de alta temperatura, el hidrógeno puede reducir las impurezas oxidativas traza en la superficie del metal, mientras que el nitrógeno desempeña un papel en la dilución y el aislamiento del aire, previniendo la formación de color de óxido en la superficie del metal y asegurando que el material metálico mantenga una textura superficial brillante después del recocido. En comparación con la atmósfera de hidrógeno puro utilizada en los procesos de recocido tradicionales, la mezcla de hidrógeno y nitrógeno no solo tiene un costo menor sino también una mayor seguridad, reduciendo efectivamente el riesgo de combustión y explosión de la atmósfera de hidrógeno puro a altas temperaturas y puede lograr el mismo o incluso mejor efecto de recocido, lo que la convierte en la atmósfera protectora preferida para los procesos de recocido brillante.

Los procesos de reducción de polvo metálico y tratamiento en solución de aleaciones de aluminio también son importantes escenarios de aplicación para la mezcla de hidrógeno y nitrógeno procedente de la descomposición del amoníaco. El proceso de reducción de polvo metálico se utiliza principalmente para preparar polvos metálicos de alta pureza, como polvo de hierro, polvo de cobre, polvo de níquel, etc., ampliamente utilizados en campos como la pulvimetalurgia, los componentes electrónicos y los materiales magnéticos. En el proceso de reducción, el hidrógeno presente en la mezcla actúa como agente reductor, reduciendo las impurezas oxidativas (como el óxido de hierro y el óxido de cobre) del polvo metálico a metal puro. Al mismo tiempo, el nitrógeno actúa como gas protector para evitar la reoxidación del polvo metálico reducido, garantizando así su pureza y actividad. El proceso de tratamiento en solución de aleaciones de aluminio mejora la estructura organizativa de la aleación de aluminio y aumenta su resistencia y dureza mediante calentamiento a alta temperatura y enfriamiento rápido. En el proceso de tratamiento de la solución, la mezcla de hidrógeno y nitrógeno puede prevenir eficazmente la oxidación y la decoloración de la aleación de aluminio a altas temperaturas, promover la homogeneización de la estructura interna de la aleación de aluminio, mejorar el efecto del tratamiento de la solución y permitir que los materiales de aleación de aluminio se adapten mejor al procesamiento posterior y los requisitos de aplicación.

En la industria de la pulvimetalurgia, la aplicación de la mezcla de hidrógeno y nitrógeno procedente de la descomposición del amoníaco se lleva a cabo en múltiples etapas fundamentales, como la preparación de la materia prima, el conformado y la sinterización. La pulvimetalurgia es un proceso de preparación de productos metálicos mediante prensado y sinterización de polvo, ampliamente utilizado en la fabricación mecánica, autopartes, la industria aeroespacial y otros sectores. En el proceso de sinterización, la mezcla de hidrógeno y nitrógeno se utiliza como atmósfera de sinterización. Por un lado, el hidrógeno puede reducir la película de óxido en la superficie del polvo metálico, mejorar la fuerza de unión entre las partículas de polvo y mejorar la compacidad y las propiedades mecánicas del producto. Por otro lado, el nitrógeno puede ajustar la presión atmosférica dentro del horno, inhibir el crecimiento del grano del polvo metálico y garantizar una estructura organizativa uniforme y fina del producto. Además, la mezcla de hidrógeno y nitrógeno puede eliminar eficazmente las impurezas volátiles generadas durante la sinterización, mejorar la pureza del producto y permitir que los productos pulvimetalúrgicos cumplan con los requisitos de alta precisión y alta resistencia. En comparación con otras atmósferas de sinterización, la mezcla de hidrógeno y nitrógeno tiene las ventajas de un bajo costo y una fuerte adaptabilidad, y se ha convertido en la principal opción de atmósfera en la industria de la pulvimetalurgia.

Además de las industrias de tratamiento térmico y metalúrgica, la mezcla de hidrógeno y nitrógeno procedente de la descomposición del amoníaco también desempeña un papel importante en la producción de vidrio flotado. Este vidrio es ampliamente utilizado en la construcción, la automoción, la electrónica y otras industrias. Su proceso de producción exige condiciones atmosféricas extremadamente exigentes, lo que afecta directamente la transparencia, la planitud y la calidad superficial del vidrio. En la fase de baño de estaño de la producción de vidrio flotado, la mezcla de hidrógeno y nitrógeno se introduce en el baño como atmósfera protectora. El nitrógeno aísla el aire, evita que el estaño líquido a alta temperatura se oxide y forme óxido de estaño, y evita que este se adhiera a la superficie del vidrio, lo que afecta su calidad. El hidrógeno reduce las trazas de óxido de estaño que se pueden generar en el baño de estaño y ajusta la reducibilidad de la atmósfera, garantizando una superficie lisa y limpia, mejorando el rendimiento óptico y la resistencia mecánica del vidrio. Además, la mezcla de hidrógeno y nitrógeno mantiene una presión estable dentro del baño de estaño, impide la entrada de aire externo, garantiza el progreso continuo y estable de la producción de vidrio flotado y mejora la eficiencia de producción y la tasa de calificación del producto.

La mezcla de hidrógeno y nitrógeno procedente de la descomposición del amoníaco también tiene un importante valor aplicado en los procesos relacionados con los hornos de nitruración, reflejado principalmente en dos aspectos: el ajuste de la atmósfera del horno de nitruración y el tratamiento de los gases de cola. El tratamiento de nitruración es un proceso importante para el reforzamiento superficial de los materiales metálicos. Al permitir que los átomos de nitrógeno penetren en la superficie metálica a alta temperatura y en una atmósfera rica en nitrógeno, se forma una capa endurecida que mejora la resistencia al desgaste, la resistencia a la corrosión y la resistencia a la fatiga de los materiales metálicos. En el ajuste de la atmósfera del horno de nitruración, la mezcla de hidrógeno y nitrógeno puede utilizarse como atmósfera básica, mezclada con amoníaco, nitrógeno y otros gases para ajustar con precisión el potencial de nitrógeno dentro del horno, cumpliendo así los requisitos de los diferentes materiales metálicos y procesos de nitruración, y garantizando que el espesor, la dureza y la uniformidad de la capa nitrurada cumplan con los estándares de diseño. Al mismo tiempo, los hornos de nitruración generan gases de cola que contienen trazas de amoníaco, cianuro y otras sustancias nocivas durante la producción. La emisión directa causa contaminación ambiental y supone riesgos para la seguridad. Mediante el uso de equipos de tratamiento de gases de cola relacionados con la tecnología de producción de hidrógeno por descomposición de amoníaco, el gas de cola del horno de nitruración se puede descomponer e incinerar, convirtiendo las sustancias nocivas presentes en agua, nitrógeno y dióxido de carbono inocuos, logrando una emisión de gas de cola respetuosa con el medio ambiente. Esto no solo cumple con los requisitos de la política nacional de protección ambiental, sino que también reduce los costos de tratamiento ambiental de las empresas.

La amplia aplicación de la tecnología de producción de hidrógeno mediante descomposición de amoníaco en diversas industrias se debe no solo a su estable rendimiento del proceso y a la alta calidad de sus productos gaseosos, sino también a sus importantes ventajas económicas y ambientales. En términos de costo, el amoníaco líquido es relativamente económico y fácil de transportar y almacenar, lo que reduce considerablemente el costo de las materias primas para las empresas en comparación con las materias primas gaseosas, como el hidrógeno y el nitrógeno puros. Al mismo tiempo, los equipos de producción de hidrógeno mediante descomposición de amoníaco presentan una estructura relativamente simple, un funcionamiento cómodo y un bajo costo de mantenimiento, lo que los hace adecuados para la producción industrial a gran escala. En términos de protección ambiental, todo el proceso de preparación no emite gases nocivos, y el uso de una mezcla de hidrógeno y nitrógeno también puede reducir el consumo de gases oxidantes en los procesos tradicionales, lo que concuerda con la tendencia de desarrollo de la transformación industrial ecológica bajo el objetivo de doble carbono.

Con la continua modernización de la tecnología industrial, las exigencias de diversas industrias en cuanto a calidad del gas, eficiencia de producción y protección ambiental aumentan día a día, y la tecnología de producción de hidrógeno mediante descomposición de amoníaco también se optimiza y actualiza continuamente. En el futuro, mediante la investigación y el desarrollo de catalizadores de alta eficiencia, la optimización de la estructura de los equipos y la mejora del control automático, la tecnología de producción de hidrógeno mediante descomposición de amoníaco mejorará aún más la pureza del gas, reducirá el consumo energético, ampliará su alcance de aplicación, desempeñará un papel más destacado en campos emergentes como las nuevas energías y la fabricación de alta gama, y ​​contribuirá firmemente al desarrollo ecológico y eficiente de la producción industrial.

Soldadura fuerte de hierro/cobre/acero inoxidable

Recocido brillante/reducción de accesorios de tubería

Sinterización por pulvimetalurgia

Línea de producción de vidrio flotado