[发明专利]一种合成氨的方法

说明书

本专利涉及一种利用可再生能源或者核能在温和条件下合成氨的工艺。其特点是利用太阳能,风能，核能等清洁能源制氢与氮气经过化学链(chemical looping)技术生产出氨，然后利用氨吸附剂吸收氨。此工艺利用可再生能源，全流程不产生CO₂，不需要高压，是一种环境友好型的合成氨工艺。此工艺适用于小规模区域化氨生产，生产的氨可就近用作附近农田肥料或者作为储能介质。

技术领域

本发明属于能源化工领域，确切地说是提供一种利用清洁能源合成氨的工艺。

背景技术

氮是大气中最丰物质，但是由于其本身强的氮氮三键，很难将其转化为能被利用的物质。同时氮是各种动植物所必需的元素，20世纪以来随着人口的暴增，需要更多的食物支持，所以固氮技术显得尤为重要。目前产业合成氨是Haber-Bosch工艺，需要高温高压(400-500℃，20-50MPa)，消耗了全球1％-2％的能量，同时其所需的氢气来自化石能源，因此产生了大了的CO2,造成的严重的环境问题。(Nat.Geosci.2008,1,636-639.)同时氨可以作为能源载体，其能量密度和化石能源相当，可以将其直接作为燃料直接使用。氨同时还可以作为一种储氢材料，其储氢量达17.8％，可以将其分解制氢提供氢燃料。(J.Mater.Chem.18.20(2008):2304-2310.)基于此，新的合成氨工艺亟待开发。目前新的合成氨工艺希望以可再生能源为能量来源，通过光催化，电催化或者chemical looping过程合成氨。目前直接利用光催化固氮，效率还相当低(0.1％),难以大规模应用。(J.A.C.S,2017,139(31):10929-10936.)电化学合成氨技术经过将近20年的发展，取得了很大的进步，目前最高的效率可以达到35％，但是其生成氨的速率仍然比较低，而且固氮的同时会有严重的析氢。(Science,2014,345(6197):637-640.)另外，可以通过chemical looping过程合成氨，将固氮和生成氨过程在空间上分开，利用可再生能源或者核能提供的热量来生成氨。现有的过程大多使用氮化物，都需要很高的温度(500℃)。(Chem.Sci.,2015,6(7):3965-3974.)我们经过研究发现，过渡金属-氢化物组成的复合材料具有很好的chemicallooping合成氨的性能，可以从100℃开始有活性，200-300℃温度区间具有很高的活性。因此本文基于此材料，设计了一种利用可再生能源合成氨的工艺路径。包括制氢，合成氨，及氨的存储与利用。

发明内容

本发明的目的是提供一种以可再生能源为能量来源，通过chemical looping过程在常压低温合成氨的工艺。此过程具有设备投资低(不需要大型设备)，清洁(不使用化石能源，无CO2排放)，可适用于区域化生产等优点。

本发明设计了一种合成氨工艺，其步骤如下：

1.利用太阳能，风能，核能等清洁能源发电，将得到的电能用来电解水制氢。

2.将空气利用变压吸附或者膜分离的方法得到高纯氮气。

3.在chemical looping反应器中放置过渡金属和氢化物复合物。

4.将高纯氮通入chemical looping反应器，氢化物将氮固定。若氢化物为BaH2,反应为：BaH2+1/2N2＝BaNH+1/2H2。其他氢化物将发生类似反应。

5.一段时间后，切换阀门，将氮气切换成氢气，此过程将生产氨。以BaH2为例其反应为：BaNH+2H2＝BaH2+NH3。其他氢化物将发生类似反应。

6.重复4，5过程。

7.在反应器后面连接两个吸附装置，加氮过程放出的氢气可以用吸取材料吸收，加氢过程产生的氨被吸氨材料吸收。在加氮和加氢时切换吸附装置，如图2所示。

8.除去氢或氨后的气体循环回系统重复利用。