本发明属于零碳燃料高效利用领域，涉及一种等离子体催化协同实现氨快速高效分解制氢的系统和方法。
背景技术：
1、全球气候和环境变化对人类经济社会发展提出了严峻挑战，大气中的co2浓度达到前所未有的水平，低碳化甚至零碳化已成为全球发展的必然趋势。
2、在能源应用领域，氨气正扮演着越来越重要的角色。一方面，氨气被视作极具潜力的零碳燃料，在全球应对气候变化、减少碳排放的大背景下，其燃烧过程不产生二氧化碳，仅生成氮气和水，对环境友好，为实现碳中和目标提供了可行途径。另一方面，氨气还是优良的氢载体，氢气虽高效、清洁且能量密度高，但储存和运输一直是难题，而氨在常温常压下为液态，易于储存和运输，将氢气以氨的形式进行储存和运输能大大降低成本并提高供应稳定性。对于氢气的储存和运输难题，氨的出现提供了一种创新的解决方案，为氢气的广泛应用开辟了新的途径。未来，随着技术的不断进步，氨有望在能源领域发挥更大的作用，为实现可持续发展的目标做出重要贡献。
3、对于以热催化为实验条件的氨分解制氢技术研究已经取得了显著的进展，然而其启动时间速度较慢(可达数小时)需要预热催化剂，且装置结构较为复杂、投入成本较高，难以满足原位快速灵活供氢的需求，热催化氨分解制氢的温度条件较高，一般来说，在800k左右时才可达到完全转化。
4、对于以电能作为驱动力的等离子体氨分解制氢技术的研究主要集中于介质阻挡放电、微波放电、滑动弧放电等领域。尽管这些低温等离子体电子能量较高(如1～10ev，约104～105℃)，化学选择性好，但其气体处理量较小，无法满足大通量快速高效制氢的需求，且温等离子体区的热量损耗较大，余热回收利用能力较弱，从而导致氨分解制氢能效显著降低。
5、因此，亟需一种系统和方法，可以同时解决上述难题，实现氨快速高效分解制氢，满足高处理能力和高效的热能回收能力需求，且能匹配燃烧速度快和点火能量低的工况需求，这将极大的提升氨作为零碳替代燃料的应用前景，为能源结构转型提供一条切实可行的思路。
技术实现思路
1、本发明的目的在于针对于现有技术不足，提供了一种结构紧凑、能效高、气体处理量大的等离子体催化氨气快速高效分解制氢的系统和方法。
2、为了达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
3、根据本说明书的第一方面，提供一种等离子体催化协同实现氨快速高效分解制氢的系统，该系统包括供电装置、流量控制装置、氨气供应装置和电弧温等离子体反应器；
4、所述供电装置用于为电弧温等离子体反应器供电；所述氨气供应装置用于提供气态纯氨；所述流量控制装置用于控制氨气供应装置的出气流量；
5、所述电弧温等离子体反应器包括金属连接法兰、金属上盖板法兰、金属下盖板法兰、氧化铝绝缘体、高压极、旋转导流器、金属内电极、金属外电极和石英管；
6、所述金属连接法兰外侧设有原料氨气进气口和低压极；所述金属连接法兰的上方和下方分别紧固连接有金属上盖板法兰和金属下盖板法兰；
7、所述石英管顶部设有出气口，底部具有圆环形底座，所述底座嵌入金属上盖板法兰的凹槽内；所述石英管内部最外层设有底部开口的圆筒形氧化铝外板，与之同轴的最内层设有上下开口的圆筒形氧化铝内板；所述氧化铝内板上方设有负载催化剂的圆盘形氧化铝多孔导气板；所述氧化铝外板下部位置四周壁面均匀开有导气孔；
8、所述金属外电极与金属内电极之间形成温等离子体区，所述氧化铝外板的上部内层区域与氧化铝多孔导气板的上方区域之间形成同轴上层催化区，所述氧化铝外板的下部内层区域、氧化铝多孔导气板的下方区域与氧化铝内板的外层区域之间形成同轴外层催化区；所述温等离子体区、同轴上层催化区和同轴外层催化区均同轴集成配置，所述同轴上层催化区与同轴外层催化区填充有催化剂；
9、所述高压极和氧化铝绝缘体同轴配置，所述金属内电极穿过氧化铝绝缘体与高压极连接；
10、所述金属连接法兰中心设有与旋转导流器相同外径的通孔，所述旋转导流器嵌合于通孔内部；所述旋转导流器中心通孔设有从下至上的渐缩口；
11、所述金属外电极为圆柱形电极，金属外电极中心通孔设置有从下至上的渐缩口且底部口径与旋转导流器口径相同，彼此连通；所述氧化铝内板套设在金属外电极的外壁面，使彼此壁面紧密贴合并在金属外电极上方区域留有气体射流空间。
12、进一步地，所述供电装置采用直流电源或可调频高压交流电源；
13、当采用直流电源时，低压电源线与电弧温等离子体反应器的低压极连接，高压电源线与电弧温等离子体反应器的高压极连接；
14、当采用可调频高压交流电源时，低压电源线与电弧温等离子体反应器的低压极连接，高压电源线与电弧温等离子体反应器的高压极连接，时变的电压和电流信号传输到数字显示屏，实时检测调控输入电弧温等离子体反应器的放电功率。
15、进一步地，所述氨气供应装置提供气态纯氨，气氨直接进入电弧温等离子体反应器用于提供放电气源，供气管路设置压力仪表、温度仪表用于实时监测气体压力、温度状态。
16、进一步地，所述石英管的圆环形底座下表面与金属连接法兰之间设有圆环形石墨垫片，所述氧化铝绝缘体与金属连接法兰之间设有圆环形石墨垫片，所述石墨垫片用于进行氨气密封操作。
17、进一步地，所述高压极与氧化铝绝缘体内壁之间设置有空隙，采用氟橡胶垫圈进行密封处理；所述金属内电极为圆柱形电极，高压极一端中心设置有与金属内电极直径相同的圆孔，金属内电极同轴嵌入圆孔中并采用螺钉固定金属内电极。
18、进一步地，所述石英管外部设有隔热保温材料聚氨酯，用于减少热量损耗。
19、进一步地，所述金属内电极采用钨金属；所述催化剂采用反相催化剂ceo2/ni。
20、进一步地，所述旋转导流器外侧壁设置若干切向氨气进气口，氨气从旋转导流器进气口进入，通过渐缩口和旋转导流器的作用，形成旋转气流。
21、进一步地，氨气在金属内电极和金属外电极的间隙形成旋转上升的螺旋气流，同时在高压电的驱动下，螺旋气流推动着电极间的电弧旋转上升，在金属外电极渐缩口的作用下温等离子体以射流的形式喷出，温等离子体区产生的热量直接作用于同轴上层催化区和同轴外层催化区。
22、根据本说明书的第二方面，提供一种等离子体催化协同实现氨快速高效分解制氢的方法，该方法基于如第一方面所述的系统实现，该方法包括以下步骤：
23、步骤1：打开氨气供应装置，调节流量控制装置将气体通入电弧温等离子体反应器；
24、步骤2：打开供电装置，使通入氨气沿着切向进气口进入常压电弧温等离子体反应器内部形成旋转气流，同时在高压电的驱动下，气体被电离产生具有高反应活性的等离子体，等离子体在旋转气流及金属外电极渐缩口的推动下形成大面积的三维等离子体射流，射流气体从反应器的温等离子体区的出口向上流入同轴上层催化区，因受到壁面边界的限制，气体再向下以紊流的流态流入同轴外层催化区，进一步与催化剂作用产生氢气，温等离子体区产生的热量直接作用于同轴上层催化区和同轴外层催化区，无需额外加热，反应后的气体从圆筒形氧化铝内板下方导气孔流出，完成氨气二次分解。
25、本发明具有的有益效果是：
26、(1)本发明采用温等离子体反应区与催化区同轴紧贴配置，实现了反应器与催化剂的整体化集成设计，体积小结构紧凑，易集成安装。
27、(2)采用温等离子体反应区和催化区耦合同轴配置，具有更好的传热、传质性能，使温等离子体反应区产生的热量直接作用于同轴催化区的催化剂，提高了余热回收利用率和能效，能大幅提高催化反应效率。
28、(3)通过调整电弧温等离子体反应器的功率、气体流量等参数改变纯氨气的能量输入密度值，从而优化调控h2的产量及在产物中的比例。
29、(4)高压极与内电极采用两段式连接，方便更换不同材质的金属内电极，并且确保金属内电极处于外电极内部中心位置，易集成安装。
30、(5)电弧温等离子体催化协同增效实现氨快速高效分解制氢，实现分布式灵活供氢，而且电弧温等离子体具有启停迅速、能量密度高的优势且可以使用风光绿电直接驱动，可实现大通量氨气快速高效转化，非常适合于移动式原位氨分解供氢装置。
31、(6)催化区使用具有反相结构的ceo2/ni催化剂，ni金属被ceo2载体包裹形成更多的界面活性位点，增强了电子金属-载体相互作用，相比于其他传统氨分解催化剂而言，这种反相结构使h物种不易中毒，稳定性较好，更有利于氨气的吸附和氮气、氢气的脱附。