一种质子导体电解堆耦合Haber-Bosch反应的绿氨合成系统及方法

本发明属于氢能和合成氨，具体涉及一种质子导体电解堆耦合haber-bosch反应的绿氨合成系统及方法。

背景技术：

1、氨是当今社会生产最多的化学产品之一，在现代社会尤其是农业领域广泛应用。同时，氨气(nh3)同样是高效的储氢介质，具有17％的质量氢密度。相比于氢气，具有易液化(常压，-33℃或者常温，10atm下即可液化)，便于存储与运输等优点。在储能、发电以及交通运输等行业有广泛的应用前景。

2、开发基于可再生能源的绿氨合成技术，不仅可以实现可再生能源的“削谷和填峰”，还可以实现低成本、跨地域的氢存储运输，解决氢能产业的重大问题。目前合成氨技术已经发展超过一百年，目前工业上主要使用haber-boach法(haber-bosch反应)进行氨的合成。然而，工业合成氨中所使用的氢气大多为天然气、煤气等化石燃料经过重整得来，过程中会产生大量的co2温室气体并消耗巨大的能量，不符合低碳生产的社会要求。因此，近年来，以水为氢源的常温、常压电化学合成氨技术引起了广泛的兴趣，然而受制于氮氮三键的高键能和催化剂活性不足，反应动力学缓慢，因此常温常压条件下的氮气加氢还原仍然不具备现实应用的可能性。

3、基于此，质子导体氧化物电解池是一种以质子导体氧化物为电解质的电能-化学能转化装置，具备能量转化效率高和环境友好等优点，并且析氧过程与析氢过程在空气极和燃料极分别进行，可获得高纯度的燃料气。此外，质子导体氧化物电解池工作区间在450～650℃之间，有利于氮氮三键的解离，加快反应动力学，同时，此温度区间与传统的haber-boach过程相近，两者在温度上具备协同工作的可能性。因此被广泛使用。

技术实现思路

1、发明要解决的问题：

2、针对上述问题，本发明的目的在于提供一种质子导体电解堆耦合haber-bosch反应的绿氨合成系统及方法，能够高效、环保且节能地合成氨气。

3、解决问题的技术手段：

4、本发明提供一种质子导体电解堆耦合haber-bosch反应的绿氨合成系统，包括原料气生成单元和合成氨单元；所述原料气生成单元包括可再生能源发电装置和由可再生能源发电装置供电的质子导体电解堆；所述合成氨单元包括通过管路与所述质子导体电解堆连接的氨分离塔和通过管路与所述氨分离塔连接的氨合成塔。

5、本发明还提供一种绿氨合成方法，是基于上述绿氨合成系统进行的绿氨合成方法，包括：在质子导体电解堆的空气极通入加湿空气，利用电力将加湿空气中的h2o解离为质子与o2；在质子导体电解堆的燃料极通入n2，将前一步骤得到的质子从空气极经质子导体传导到燃料极与n2反应，得到n2、h2、nh3混合气体；将前一步骤得到的n2、h2、nh3混合气体经增压泵增压后送入氨分离塔进行nh3分离，得到n2、h2混合气体和nh3；将前一步骤分离剩余的n2、h2混合气体通过循环泵送入氨合成塔，经haber-bosch反应生成nh3；将前一步骤得到的nh3以及未反应的n2、h2、即n2、h2、nh3混合气体通过循环泵送入氨分离塔，与来自质子导体电解堆的n2、h2、nh3混合气体混合后，再次进行nh3分离，而后将分离剩余的n2、h2混合气体送入氨合成塔继续参与反应。

6、发明效果：

7、本发明能提供一种质子导体电解堆耦合haber-bosch反应的绿氨合成系统及方法，具有如下有益效果：1、直接使用水和氮气作为原料，相比于其他利用氢气作为氢源的质子导体氨反应器，可以实现零二氧化碳排放的原位制氢过程，避免了化石燃料的使用；2、质子导体电解堆的工作温度高，电解水获得氢气的效率更高，同时通入氮气，能在电解的同时合成氨；3、质子导体电解堆和haber-boach法合成氨反应的工作温度相近，质子导体电解堆出口的尾气在分离电解堆中生成的氨气后，可直接作为后续氨合成塔的原料气使用；4、通过控制施加电流的大小以灵活调节原料气中气体的比例，实现氨生产条件的最优化。

技术特征：

1.一种质子导体电解堆耦合haber-bosch反应的绿氨合成系统，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的绿氨合成系统，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的绿氨合成系统，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的绿氨合成系统，其特征在于，

5.根据权利要求3所述的绿氨合成系统，其特征在于，

6.根据权利要求3所述的绿氨合成系统，其特征在于，

7.根据权利要求3所述的绿氨合成系统，其特征在于，

8.根据权利要求1所述的绿氨合成系统，其特征在于，

9.根据权利要求1所述的绿氨合成系统，其特征在于，

10.一种绿氨合成方法，其特征在于，

技术总结本发明提供一种质子导体电解堆耦合Haber‑Bosch反应的绿氨合成系统及绿氨合成方法，包括原料气生成单元和合成氨单元；所述原料气生成单元包括可再生能源发电装置和由可再生能源发电装置供电的质子导体电解堆；所述合成氨单元包括通过管路与所述质子导体电解堆连接的氨分离塔和通过管路与所述氨分离塔连接的氨合成塔。根据本发明，能够高效、环保且节能地合成氨气。技术研发人员：温兆银,叶晓峰,朱行志受保护的技术使用者：中国科学院上海硅酸盐研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/13