基于外磁场调控的电解水制氢合成绿氨耦合系统和方法

本发明涉及绿氨合成，尤其涉及一种基于外磁场调控的电解水制氢合成绿氨耦合系统。

背景技术：

1、氢能作为全球能源转型中的重要组成部分，其技术发展日益受到重视。但由于其安全性差、储运难度大等劣势，当前氢能大规模推广应用仍面临巨大挑战。氨作为工业和农业化肥的重要化工原料，也是理想的无碳能源载体和储氢介质，其含氢比例高达17.6wt％，液氨和液氢的体积储氢密度分别约为102kg/m3和70kg/m3，氨的能量密度是液氢的1.5倍。此外在标准大气压下，只需-33℃的温度条件便可将氨液化，比天然气液化还容易，而氢气液化则需降至-253℃，能耗相差巨大，所以氨在储运方面的成本比氢低得多，直接决定了用氨储氢运氢优于高压氢的直接储运。安全性方面，氢气易燃易爆的特性导致其密封存储条件较为苛刻，而氨的爆炸极限范围更窄(16％～25％)，沸点更高，爆炸可能性更低。因此，由于氨能具有安全性好、易压缩液化、便于储运等优势，面对长时间、季节性、大规模的储能需求，开发绿氨合成工艺势在必行。

2、目前合成氨工艺以哈伯-博施法为主，将氢气和氮气通入氨合成塔在400～500℃的温度和20～30mpa的压力条件下实现催化加成反应生成氨。原料中的氢气还是依赖于大量的化石燃料，不利于低碳发展，以利用可再生能源电解水制氢取代化石能源消耗逐渐成为当前化工产业低碳转型和可持续发展的重要路径之一。因此，将电解水制氢系统与合成氨系统深度耦合，最大化利用工艺过程的热能，实现热量高效管理是低成本运行电解水制氢合成绿氨的关键。

3、碱性电解水制氢作为当前大规模应用的可行性技术，电解槽内的催化剂主要以铁、镍、钴等过渡金属为主，合成氨催化剂则是以四氧化三铁为主要组分的铁触媒，均为铁磁性过渡金属元素，如何对催化剂电子结构进行调控，加快电子转移，提高反应动力学和降低决速步能垒，达到改善催化剂性能的目的仍是催化领域内的瓶颈问题，这一技术的突破将助力催化反应在温和条件下进行，直接降低电解水和合成氨过程的能耗和成本支出。

4、然而，碱性电解水制氢和合成氨均面临着能耗高、系统条件要求高、催化效率低等问题，因此，针对现有技术的不足，有必要提供新的技术方案。

技术实现思路

1、为实现上述目的，本发明提供了一种基于外磁场调控的电解水制氢合成绿氨耦合系统，其特征在于，包括可再生能源电源系统、电解水制氢系统、合成氨系统、磁场控制系统、系统热管理模块；其中：

2、可再生能源电源系统包括变压器、整流器，利用绿电连接电解水系统制得氢气和氧气，其中发电单元采用太阳能、风力、水力、生物能、地热能、海水温差、海潮能中的一种或多种；电解水制氢系统与所述可再生能源电源系统相连，至少包括碱性电解槽、碱液过滤循环单元、气液分离单元、补水补碱单元；所述碱性电解槽与气液分离单元连接，用于纯化收集氢气和氧气；合成氨系统包括空气分离洗涤单元、氨合成塔、氨纯化装置；所述氨合成塔进氢气端与所述电解水制氢系统出氢气端连接；磁场控制系统包括磁铁装置、磁场控制器、磁场测量仪，所述碱性电解槽和所述氨合成塔均与所述磁场控制系统相连，通过外磁场作用调控所述电解水制氢系统和所述合成氨系统中的催化反应；系统热管理模块分别与所述电解水制氢系统中的氢气换热器、氧气换热器和所述合成氨系统中氨换热器连接，通过所述电解水制氢和所述合成氨系统余热交换与冷却水回用，控制热量分配和余热管理，耦合所述电解水制氢和所述合成氨系统。

3、进一步地，所述磁场控制系统中所述磁铁装置经导线与所述磁场控制器连接，调控磁场强度和方向，所述磁场测量仪与所述磁场控制器连接，对系统运行过程中的磁场进行测量。

4、进一步地，所述电解水制氢系统中的碱性电解槽和所述合成氨系统中的氨合成塔均包含铁磁性过渡金属催化剂。

5、进一步地，所述铁磁性过渡金属催化剂通过所述磁场控制系统作用下调控电子自旋态，促进催化剂铁磁-顺磁相变，以突破催化速度限制。

6、进一步地，在所述外磁场调控作用下碱性电解槽单位能耗w(kw·h/nm3)包括直流电耗wd与交流电耗wa之和减去磁效应节能wm，表示为：

7、w＝wd+wa-wm

8、其中，

9、wd＝(e×i)/h

10、wa＝(p1+p2+p3)/h

11、式中，e为所述碱性电解槽总电压(v)；i为所述碱性电解槽总电流(a)；h为所述碱性电解槽产氢量(nm3/h)；p1、p2、p3分别为碱液循环泵功率、补水泵功率、控制用电功率(w)，所述氨合成塔在所述外磁场调控作用下工作温度低于400～500℃，工作压力低于20～30mpa。

12、进一步地，所述电解水制氢系统气液分离单元中氢气换热器和氧气换热器的冷却水出口与所述氨合成塔中的氨换热器冷却水进水口相连，辅助冷却合成氨；所述氨合成塔出口余热与所述电解水制氢系统中碱液过滤循环单元相连，为碱液预热提供热源。

13、进一步地，所述合成氨系统由空气分离器、空气洗涤器得到氮气后，与所述电解水制氢系统出氢端连接，氢气和氮气混合后送入压缩机加压，进入所述氨合成塔，在塔内经过高温、高压、磁场辅助条件进行合成氨反应，出气端与氨换热器连接，经氨分离器与氨分析仪连接得到纯氨置于储氨槽内，剩余氢气和氮气经压缩机加压返回氨合成塔内；其中，氨换热器分别与所述电解水制氢系统冷却水出水口、碱液循环泵连接，共建循环利用系统。

14、进一步地，还包括压力控制、温度控制、液位控制、气体分析仪；所述电解水制氢系统中氢气和氧气出气口、所述氨合成塔中氢气和氮气进气口均设有压力传感器；所述电解水制氢系统中氢气氧气换热器和冷却水进出口、所述氨合成塔中氨换热器均设有温度传感器；所述电解水制氢系统中氢气和氧气气液分离单元设有液位监控装置；所述电解水制氢系统中氢气和氧气出气口和所述氨合成塔氨出气口均设有气体分析仪。

15、进一步地，还包括外磁场调控作用下实现铁磁性过渡金属催化剂顺磁性相变，提高电解水与合成氨催化活性，降低所述碱性电解槽单位能耗和所述氨合成塔工作温度及压力，促进电解水制氢合成绿氨系统的节能降耗；所述电解水制氢系统冷却水出口水为所述氨合成塔二次利用；所述氨合成塔出口余热回用于所述碱性电解槽电解液余热，减少碱液热源消耗；通过热管理模块实现所述电解水制氢系统与所述氨合成系统耦合，提高热能利用率。

16、本发明还提供了一种基于外磁场调控的电解水制氢合成绿氨的方法，基于如上所述的电解水制氢合成绿氨耦合系统，其中，电解水制氢系统由风力发电经过变压器、整流器与碱性电解槽相连，碱性电解槽运行产生的氢气和氧气分别经由各自分离纯化单元，氧气经过氧气换热器、氧气气液分离器、氧气洗涤器，与氧分析仪连接得到高纯氧至于储氧罐；氢气经过氢气换热器、氢气气液分离器、氢气洗涤器，与氢气析仪连接得到高纯氢气，经过氢气缓冲罐与储氢罐连接；除盐水经过除盐水箱得到纯水后由补水泵送入氧气洗涤器和氢气洗涤器；氧气气液分离器和氢气气液分离器得到的碱液与新鲜碱液混合经过碱液过滤器由碱液循环泵送入碱性电解槽；碱性电解槽置于磁铁装置中，由磁场控制器调控磁场强度和方向，与磁场测量仪连接；

17、电解水制氢系统制得的氢气由管道送入与空气分离器得到的氮气混合，经过压缩机加压与氨合成塔连接，制得氨气，混合气出气口与氨换热器连接经过氨分离器分离氨气和氢气、氮气，氨气经过氨分析仪存储与储氨槽内，氢气、氮气则经过压缩机加压进一步加压返回氨合成内进一步反应；氨合成塔置于磁铁装置中，由磁场控制器调控磁场强度，与磁场测量仪连接；碱性电解槽内催化剂为镍铁合金催化剂，氨合成塔中的合成氨催化剂为铁触媒；催化剂经过磁铁装置调控促进催化剂铁磁-顺磁相变，突破催化速度限制；氧气换热器和氢气换热器的冷却水出口与氨换热器冷却水进水口相连，辅助冷却合成氨；氨合成塔出口余热与电解水制氢系统中碱液循环泵出口相连，为碱液预热提供热源，耦合电解水制氢和合成氨系统。

18、本发明将电解水制氢和合成氨系统深度耦合，不仅实现了系统间热量的高效管理，同时以绿氢取代化石能源制取的灰氢，有望成为可再生能源技术的核心组成部分。氢能与氨能的产业耦合发展不断深化能够在共性关键技术方面互相促进，协同发展。

19、以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。