CN108793190A - 一种无co2排放的氨气制备装置及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于一种无CO2排放的氨气制备装置及制备方法；包括电解池，电解池内设有阳极槽和阴极槽，阳极槽内设有阳极棒以及反应物输送管道，阴极槽内设有阴极棒，阳极棒和阴极棒之间设有电源，阴极槽的底部通过管道与反应炉相连通，反应炉的底部设有氮气输送管道，反应炉的顶部与水解槽相连通，水解槽与离心机相连，离心机底部出口与干燥系统相连，干燥系统的底部设有金属氢氧化物管道；具有结构简单、工艺流程设计合理、不直接消耗化石能源、无CO2排放、使用的反应物能够有效回收、能够在常压下反应和降低能源消耗的优点。
Description
技术领域
本发明属于氨气制备技术领域，具体涉及一种无CO2排放的氨气制备装置及制备方法。
背景技术
氨为农作物生长提供必需的氮元素，是尿素、碳酸氢铵、氯化铵硫酸铵等化学肥料的基本化工原料，同时氨作为燃料和储能介质的工业化应用也日趋成熟。其需求量必随其应用领域的扩大不断增加，据统计2016年全球氨产能约为1.8亿吨，我国氨产能接近7000万吨。
目前工业上主要采用哈伯法以氮气和氢气为基本原料合成氨，其中氢气的来源有两种。一种是采用煤、天然气或焦炉气为原料，经过转化、变换、脱碳、合成等过程得到合成氨，这种方法需要消耗不能再生的化石能源，需要在高温高压条件下进行，同时产生大量的CO2排放造成全球气温上升；但这种方法能源效率和氨合成效率较高，在目前工业合成氨领域仍占主导地位。现有专利文献CN 101850988《合成氨工艺》公开一种利用焦化厂荒煤气为原料的合成氨工艺，原料荒煤气的有效成分是CO和H2，经过净化和变换后将CO转化为CO2，然后脱去CO2制得氢气，再用哈伯法将氢气和氮气合成为合成氨。这种方法使用的荒煤气仍是化石能源的产物，无法摆脱对不可再生能源的依赖；同时将变换后的CO2用于生产碳酸氢铵，并非真正的不产生CO2的技术。
另一种是不使用化石能源的制氢方法，如利用电能分解水制氢、利用太阳能光催化制氢、利用太阳能或核能化学制氢等，特别是电能分解制氢，在采用太阳能、风能、水能等绿色发电技术解决电能费用大的问题后，具有很大的推广价值；但这种方法的氮气和氢气的反应过程仍是高压合成过程，整体上能源消耗要高于化石能源制氢的工艺路线。现有发明专利公开文献CN 102348642 A《氨合成方法》公开了一种电解水得到氢和氧，采用分离膜分离氧，再将得到的氢气与氮气利用哈伯法合成氨的方法。这种方法并没有解决反应需在高压条件下进行的问题。
为解决哈伯制氨法需要在高温高压条件下进行的问题，人们研究出了不使用氢气合成氨的方法，现有专利文献CN 103108997 B《氨的合成方法》公开了一种常温常压下的以水和氮气为原料的电解制氨方法，这种方法以太阳光或光照灯照射的可见光提供能源，在阳极区将水分解为质子(H+)、电子和氧气，在阴极区通入氮气形成N3-，然后将阳极区的质子转移至阴极区反应，得到氨。这种方法对阳极、阴极材料要求较高，需要使用可见光响应型催化剂，并且利用光源提供反应所需能量，存在不稳定性和有效功率低的缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷而提供一种结构简单、工艺流程设计合理、不直接消耗化石能源、无CO2排放、使用的反应物能够有效回收、能够在常压下反应和降低能源消耗的无CO2排放的氨气制备装置及制备方法。
本发明的目的是这样实现的：该制备装置包括电解池，电解池内设有阳极槽和阴极槽，阳极槽内设有阳极棒以及反应物输送管道，阴极槽内设有阴极棒，阳极棒和阴极棒之间设有电源，阴极槽的底部通过管道与反应炉相连通，反应炉的底部设有氮气输送管道，反应炉的顶部与水解槽相连通，水解槽与离心机相连，离心机底部出口与干燥系统相连，干燥系统的底部设有金属氢氧化物管道。
优选地，所述电解池的内部设有与电源相连的电加热丝，电加热丝与PLC控制系统的输出端相连，PLC控制系统的输入端与设在电解池内部的温度传感器相连。
优选地，所述阳极槽内设有反应气体回收管道。
优选地，所述离心机和干燥系统的混合物管道分别与精馏装置相连，精馏装置的顶部设有氨气管道，精馏装置的底部液相管道与水解槽的补水管道相连。
优选地，所述电解池的材质为氧化铝陶瓷材料，阳极槽和阴极槽的材质为氧化铝多孔陶瓷材料，阳极棒的材质为石墨，阴极棒的材质为Fe、W、Ti或Pt。
一种无CO2排放的氨气制备装置的制备方法，该制备方法采用反应物为金属氢氧化物的制备方法或反应物为金属氯化物的制备方法；
a、反应物为金属氢氧化物的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：电解池内装有熔盐，通过采用外加热和温度控制系统使熔盐保持熔融状态；
步骤二：通过反应物输送管道向阳极槽内输送Li、Na或Mg的氢氧化物，并接通电源，使阳极槽内的反应物发生电解反应，电解反应后，阳极槽内的产物为氧气和水蒸气，阴极槽内的产物为阴极棒上得到熔融态的金属单质；所述电源的电压为3-5V；所述氧气和水蒸气可直接放空或冷凝回收；
步骤三：步骤二中所述的阴极槽内的产物通过阴极槽底部的管道进入反应炉内，氮气输送管道向反应炉中输送过量的氮气，氮气与熔融态的金属单质反应生成金属氮化物；所述氮气的纯度为99.9％；
步骤四：步骤三中所述的金属氮化物在过量氮气的夹带下通过进入水解槽中，水解槽中盛放有过量的水，金属氮化物在水解槽中发生水解反应，生成金属氢氧化物和氨；
步骤五：步骤四中的金属氢氧化物和氨进入离心机内进行分离，分离后的金属氢氧化物通过沉淀后进入干燥系统内进行物理干燥得到干燥的金属氢氧化物，干燥的金属氢氧化物通过金属氢氧化物管道进入反应物输送管道内循环使用，分离后的氨和水的混合物能够直接作为肥料使用或对氨进行分离；
步骤六：当需要对步骤五中的氨和水的混合物中的氨进行分离时，使离心机和干燥系统内的氨和水的混合物进入精馏装置内进行精馏，精馏后的水通过精馏装置底部的液相管道进入水解槽的补水管道中循环利用；
b、反应物为金属氯化物的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：电解池内装有熔盐，通过采用外加热和温度控制系统使熔盐保持熔融状态；
步骤二：通过反应物输送管道向阳极槽内输送Li、Na或Mg的氯化物，并接通电源，使阳极槽内的反应物发生电解反应，电解反应后，阳极槽内的产物为氯气，阴极槽内的产物为阴极棒上得到熔融态的金属单质；所述电源的电压为3-5V；所述氯气通过反应气体回收管道进行回收；
步骤三：步骤二中所述的阴极槽内的产物通过阴极槽底部的管道进入反应炉内，氮气输送管道向反应炉中输送过量的氮气，氮气与熔融态的金属单质反应生成金属氮化物；所述氮气的纯度为99.9％；
步骤四：步骤三中所述的金属氮化物在过量氮气的夹带下通过进入水解槽中，水解槽中盛放有过量的水，金属氮化物在水解槽中发生水解反应，生成金属氢氧化物和氨；
步骤五：步骤四中的金属氢氧化物和氨进入离心机内进行分离，分离后的金属氢氧化物通过沉淀后进入干燥系统内进行物理干燥得到干燥的金属氢氧化物，干燥的金属氢氧化物通过金属氧化物管道收集后回收，分离后的氨和水的混合物能够直接作为肥料使用或对氨进行分离；
步骤六：当需要对步骤五中的氨和水的混合物中的氨进行分离时，使离心机和干燥系统内的氨和水的混合物进入精馏装置内进行精馏，精馏后的水通过精馏装置底部的液相管道进入水解槽的补水管道中循环利用。
优选地，所述反应物为金属氢氧化物的制备方法的步骤二中反应物输送管道的物料为LiOH时，步骤一中熔融状态的熔盐温度为460-500℃；所述步骤二中的反应物输送管道的物料为NaOH时，步骤一中熔融状态的熔盐温度为300-350℃；所述步骤二中的反应物输送管道的物料为Mg(OH)2时，步骤一中熔融状态的熔盐温度为340-400℃。
优选地，所述反应物为金属氯化物的制备方法的步骤二中的反应物输送管道的物料为LiCl时，步骤一中熔融状态的熔盐温度为600-650℃；所述反应物为金属氯化物的制备方法的步骤二中的反应物输送管道的物料为MgCl2时，步骤一中熔融状态的熔盐温度为710-750℃；所述反应物为金属氯化物的制备方法的步骤二中的反应物输送管道的物料为NaCl时，步骤一中熔融状态的熔盐温度为800-840℃。
优选地，所述反应物为LiOH、NaOH、Mg(OH)2、LiCl、MgCl2或NaCl时，根据物料的不同，温度传感器将电解池内熔融状态的熔盐温度数据传输至PLC控制系统内，当温度超过相对应的温度范围时，PLC控制系统控制电加热丝停止加热，当温度低于相对应的温度范围时，PLC控制系统控制电加热丝开始加热。
本发明具有结构简单、工艺流程设计合理、不直接消耗化石能源、无CO2排放、使用的反应物能够有效回收、能够在常压下反应和降低能源消耗的优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的实施例一的结构示意图。
图3为本发明的实施例二的结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部件。为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。
如图1所示，本发明为一种无CO2排放的氨气制备装置及制备方法，该制备装置包括电解池1，电解池1内设有阳极槽2和阴极槽3，阳极槽2内设有阳极棒4以及反应物输送管道5，阴极槽3内设有阴极棒6，阳极棒4和阴极棒6之间设有电源7，阴极槽3的底部通过管道与反应炉8相连通，反应炉8的底部设有氮气输送管道9，反应炉8的顶部与水解槽10相连通，水解槽10与离心机11相连，离心机11底部出口与干燥系统12相连，干燥系统12的底部设有金属氢氧化物管道13。所述电解池1的内部设有与电源相连的电加热丝16，电加热丝16与PLC控制系统17的输出端相连，PLC控制系统17的输入端与设在电解池1内部的温度传感器18相连。所述阳极槽2内设有反应气体回收管道14。所述离心机11和干燥系统12的混合物管道15分别与精馏装置19相连，精馏装置19的顶部设有氨气管道20，精馏装置19的底部液相管道与水解槽10的补水管道21相连。所述电解池1的材质为氧化铝陶瓷材料，阳极槽2和阴极槽3的材质为氧化铝多孔陶瓷材料，阳极棒4的材质为石墨，阴极棒6的材质为Fe、W、Ti或Pt。
一种无CO2排放的氨气制备装置的制备方法，该制备方法采用反应物为金属氢氧化物的制备方法或反应物为金属氯化物的制备方法；
a、反应物为金属氢氧化物的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：电解池1内装有熔盐，通过采用外加热和温度控制系统使熔盐保持熔融状态；
步骤二：通过反应物输送管道5向阳极槽2内输送Li、Na或Mg的氢氧化物，并接通电源7，使阳极槽2内的反应物发生电解反应，电解反应后，阳极槽2内的产物为氧气和水蒸气，阴极槽3内的产物为阴极棒6上得到熔融态的金属单质；所述电源7的电压为3-5V；所述氧气和水蒸气可直接放空或冷凝回收；
步骤三：步骤二中所述的阴极槽3内的产物通过阴极槽3底部的管道进入反应炉8内，氮气输送管道9向反应炉8中输送过量的氮气，氮气与熔融态的金属单质反应生成金属氮化物；所述氮气的纯度为99.9％；
步骤四：步骤三中所述的金属氮化物在过量氮气的夹带下通过进入水解槽10中，水解槽10中盛放有过量的水，金属氮化物在水解槽10中发生水解反应，生成金属氢氧化物和氨；
步骤五：步骤四中的金属氢氧化物和氨进入离心机11内进行分离，分离后的金属氢氧化物通过沉淀后进入干燥系统12内进行物理干燥得到干燥的金属氢氧化物，干燥的金属氢氧化物通过金属氢氧化物管道13进入反应物输送管道5内循环使用，分离后的氨和水的混合物能够直接作为肥料使用或对氨进行分离；
步骤六：当需要对步骤五中的氨和水的混合物中的氨进行分离时，使离心机11和干燥系统12内的氨和水的混合物进入精馏装置19内进行精馏，精馏后的水通过精馏装置19底部的液相管道进入水解槽10的补水管道20中循环利用；
b、反应物为金属氯化物的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：电解池1内装有熔盐，通过采用外加热和温度控制系统使熔盐保持熔融状态；
步骤二：通过反应物输送管道5向阳极槽2内输送Li、Na或Mg的氯化物，并接通电源7，使阳极槽2内的反应物发生电解反应，电解反应后，阳极槽2内的产物为氯气，阴极槽3内的产物为阴极棒6上得到熔融态的金属单质；所述电源7的电压为3-5V；所述氯气通过反应气体回收管道14进行回收；
步骤三：步骤二中所述的阴极槽3内的产物通过阴极槽3底部的管道进入反应炉8内，氮气输送管道9向反应炉8中输送过量的氮气，氮气与熔融态的金属单质反应生成金属氮化物；所述氮气的纯度为99.9％；
步骤四：步骤三中所述的金属氮化物在过量氮气的夹带下通过进入水解槽10中，水解槽10中盛放有过量的水，金属氮化物在水解槽10中发生水解反应，生成金属氢氧化物和氨；
步骤五：步骤四中的金属氢氧化物和氨进入离心机11内进行分离，分离后的金属氢氧化物通过沉淀后进入干燥系统12内进行物理干燥得到干燥的金属氢氧化物，干燥的金属氢氧化物通过金属氧化物管道13收集后回收，分离后的氨和水的混合物能够直接作为肥料使用或对氨进行分离；
步骤六：当需要对步骤五中的氨和水的混合物中的氨进行分离时，使离心机11和干燥系统12内的氨和水的混合物进入精馏装置19内进行精馏，精馏后的水通过精馏装置19底部的液相管道进入水解槽10的补水管道21中循环利用。
优选地，所述反应物为金属氢氧化物的制备方法的步骤二中反应物输送管道5的物料为LiOH时，步骤一中熔融状态的熔盐温度为460-500℃；所述步骤二中的反应物输送管道5的物料为NaOH时，步骤一中熔融状态的熔盐温度为300-350℃；所述步骤二中的反应物输送管道5的物料为Mg(OH)2时，步骤一中熔融状态的熔盐温度为340-400℃。
优选地，所述反应物为金属氯化物的制备方法的步骤二中的反应物输送管道5的物料为LiCl时，步骤一中熔融状态的熔盐温度为600-650℃；所述反应物为金属氯化物的制备方法的步骤二中的反应物输送管道5的物料为MgCl2时，步骤一中熔融状态的熔盐温度为710-750℃；所述反应物为金属氯化物的制备方法的步骤二中的反应物输送管道5的物料为NaCl时，步骤一中熔融状态的熔盐温度为800-840℃。
优选地，所述反应物为LiOH、NaOH、Mg(OH)2、LiCl、MgCl2或NaCl时，根据物料的不同，温度传感器18将电解池1内熔融状态的熔盐温度数据传输至PLC控制系统17内，当温度超过相对应的温度范围时，PLC控制系统17控制电加热丝16停止加热，当温度低于相对应的温度范围时，PLC控制系统17控制电加热丝16开始加热。
本发明中所述的熔盐是一种由几种无机氧化物组成的混合物，用作导热介质(类似蒸汽或导热油，但温度更高)。所述的熔盐可以为质量分数为50％的KNO3和50％的NaNO3，可以为质量分数为50％的KNO3和50％的NaNO2，可以为质量分数为30％的KCl、20％的NaCl和50％的BaCl2，可以为KOH、NaOH或KNO3。另外，本发明的电解反应在电解池1中进行，电解池1材质选用耐高温、耐腐蚀材料，优选氧化铝陶瓷材料；电解池1内放置有熔盐，熔盐在电加热丝16的作用下和PLC控制系统17的控制下保持熔融状态。所述的阳极槽2和阴极槽3的材质为氧化铝多孔陶瓷材料，阳极棒4的材质为石墨，阴极棒6的材质为Fe、W、Ti或Pt。上述氧化铝多孔陶瓷材料将电解池1内的电极与熔盐隔离。活泼金属化合物优选Li、Na、Mg的氢氧化物、氯化物等，特别优选LiOH；活波金属化合物加至电解池1的阳极槽2内，在熔盐的加热作用下熔融，在外加电压作用下电解，在阳极产生氧气/氯气；金属离子通过熔盐转移到阴极棒6的表面，得到电子形成金属单质，并在熔盐的加热作用下熔融、累积于阴极空间。其在电解池1内的主要反应为(但不限于以下反应)：
阳极：4OH--→2H2O+O2↑+4e-或2Cl-→Cl2↑+2e-
阴极：Me++e-→Me或Me2++2e→Me
总反应：4MeOH→4Me+2H2O+O2↑或2MeCl→2Me+Cl2↑
或2Me(OH)2→2Me+2H2O+O2↑或MeCl2→Me+Cl2↑
当上述阴极槽3内的产物(即金属单质)进入反应炉8内后和反应炉8内的N2反应生产金属氮化物，金属单质与氮气发生反应生成金属氮化物，典型反应为(不限于以下反应)：
Me+N2→Me3N或Me+N2→Me3N2
上述反应可以在常温下反应，也可采用外部辅热以加快反应速率，另外，可以利用金属单质的余热加快发应速率；优选反应温度在60～100℃之间。
当金属氮化物在过量氮气的夹带下通过进入水解槽10后，金属氮化物与水反应生成氨和金属氢氧化物，典型反应为：
Me3N+H2O→NH3+MeOH或Me3N2+6H2O→2NH3+3Me(OH)2
当活泼金属化合物为金属氢氧化物时，可通过离心、干燥后循环再利用，当活泼金属化合物为金属氯化物时可进行回收；分离液为氨和水的混合物，可直接作为肥料使用或作为商品出售，或进入精馏装置19，经过精馏分离出氨气和水，氨气经压缩、冷凝后变成液体作为生产原料或直接外售。需要注意的是本发明中所述的干燥系统12为烘干炉或干燥塔等，以热风或红外线等形式进行烘干；所述的精馏装置19为精馏塔；通过上述方式制备氨气具有如下特点：1、以N2和H2O为原料，不直接消耗化石能源，可避免因能源短缺造成的原材料价格上涨问题；2、能够持续生产氨气；3、反应过程中没有CO2排放，符合国家相关的节能减排政策；4、使用金属氮化物与H2O直接反应生成氨，绕过了哈伯法利用H2和N2的高压合成反应，整个过程可以在常压下进行；电解能耗与其他制氢方法能耗相当(电能制氢、太阳能光催化制氢等)，但不经过高压反应使其能耗相对较低；5、本发明使用的活泼金属化合物在反应过程中能够回收利用，仅需少量补充就能维持反应的持续进行；6、本发明中所述的电源仅仅能够维持电解反应即可，所以电解能源可使用绿色能源，如太阳能、风能、水能等产生的电能，从而大幅度降低能源消耗，达到接近甚至低于利用化石能源合成氨的传统制氨方法的能耗水平。
为了更加详细的解释本发明，现结合实施例对本发明做进一步阐述。具体实施例如下：
实施例一
如图2所示，一种无CO2排放的氨气制备装置，包括电解池1，电解池1内设有阳极槽2和阴极槽3，阳极槽2内设有阳极棒4以及反应物输送管道5，阴极槽3内设有阴极棒6，阳极棒4和阴极棒6之间设有电源7，阴极槽3的底部通过管道与反应炉8相连通，反应炉8的底部设有氮气输送管道9，反应炉8的顶部与水解槽10相连通，水解槽10与离心机11相连，离心机11底部出口与干燥系统12相连，干燥系统12的底部设有金属氢氧化物管道13。所述金属氢氧化物管道13与反应物输送管道5相连。所述电解池1的内部设有与电源相连的电加热丝16，电加热丝16与PLC控制系统17的输出端相连，PLC控制系统17的输入端与设在电解池1内部的温度传感器18相连。所述离心机11和干燥系统12的混合物管道15分别与精馏装置19相连，精馏装置19的顶部设有氨气管道20，精馏装置19的底部液相管道与水解槽10的补水管道21相连。所述电解池1的材质为氧化铝陶瓷材料，阳极槽2和阴极槽3的材质为氧化铝多孔陶瓷材料，阳极棒4的材质为石墨，阴极棒6的材质为Fe。
一种无CO2排放的氨气制备装置的制备方法，该制备方法采用反应物为金属氢氧化物的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：电解池1内装有熔盐，通过采用外加热和温度控制系统使熔盐保持熔融状态；
步骤二：通过反应物输送管道5向阳极槽2内输送Li的氢氧化物，并接通电源7，使阳极槽2内的反应物发生电解反应，电解反应后，阳极槽2内的产物为氧气和水蒸气，阴极槽3内的产物为阴极棒6上得到熔融态的金属单质；所述电源7的电压为3-5V；所述氧气和水蒸气可直接放空或冷凝回收；
步骤三：步骤二中所述的阴极槽3内的产物通过阴极槽3底部的管道进入反应炉8内，氮气输送管道9向反应炉8中输送过量的氮气，氮气与熔融态的金属单质反应生成金属氮化物；所述氮气的纯度为99.9％；
步骤四：步骤三中所述的金属氮化物在过量氮气的夹带下通过进入水解槽10中，水解槽10中盛放有过量的水，金属氮化物在水解槽10中发生水解反应，生成金属氢氧化物和氨；
步骤五：步骤四中的金属氢氧化物和氨进入离心机11内进行分离，分离后的金属氢氧化物通过沉淀后进入干燥系统12内进行物理干燥得到干燥的金属氢氧化物，干燥的金属氢氧化物通过金属氢氧化物管道13进入反应物输送管道5内循环使用，分离后的氨和水的混合物能够直接作为肥料使用或对氨进行分离；
步骤六：当需要对步骤五中的氨和水的混合物中的氨进行分离时，使离心机11和干燥系统12内的氨和水的混合物进入精馏装置19内进行精馏，精馏后的水通过精馏装置19底部的液相管道进入水解槽10的补水管道20中循环利用；
所述反应物为金属氢氧化物的制备方法的步骤二中反应物输送管道5的物料为LiOH时，步骤一中熔融状态的熔盐温度为460-500℃；温度传感器18将电解池1内熔融状态的熔盐温度数据传输至PLC控制系统17内，当温度超过500℃时，PLC控制系统17控制电加热丝16停止加热，当温度低于460℃时，PLC控制系统17控制电加热丝16开始加热。
实施例二
如图3所示，一种无CO2排放的氨气制备装置，包括电解池1，电解池1内设有阳极槽2和阴极槽3，阳极槽2内设有阳极棒4以及反应物输送管道5，阴极槽3内设有阴极棒6，阳极棒4和阴极棒6之间设有电源7，阴极槽3的底部通过管道与反应炉8相连通，反应炉8的底部设有氮气输送管道9，反应炉8的顶部与水解槽10相连通，水解槽10与离心机11相连，离心机11底部出口与干燥系统12相连，干燥系统12的底部设有金属氢氧化物管道13。所述金属氢氧化物管道13与反应物输送管道5相连。所述电解池1的内部设有与电源相连的电加热丝16，电加热丝16与PLC控制系统17的输出端相连，PLC控制系统17的输入端与设在电解池1内部的温度传感器18相连。所述阳极槽2内设有反应气体回收管道14。所述离心机11和干燥系统12的混合物管道15分别与精馏装置19相连，精馏装置19的顶部设有氨气管道20，精馏装置19的底部液相管道与水解槽10的补水管道21相连。所述电解池1的材质为氧化铝陶瓷材料，阳极槽2和阴极槽3的材质为氧化铝多孔陶瓷材料，阳极棒4的材质为石墨，阴极棒6的材质为W。
一种无CO2排放的氨气制备装置的制备方法，该制备方法采用反应物为金属氢氧化物的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：电解池1内装有熔盐，通过采用外加热和温度控制系统使熔盐保持熔融状态；
步骤二：通过反应物输送管道5向阳极槽2内输送Na的氢氧化物，并接通电源7，使阳极槽2内的反应物发生电解反应，电解反应后，阳极槽2内的产物为氧气和水蒸气，阴极槽3内的产物为阴极棒6上得到熔融态的金属单质；所述电源7的电压为3-5V；所述氧气和水蒸气可直接放空或冷凝回收；
步骤三：步骤二中所述的阴极槽3内的产物通过阴极槽3底部的管道进入反应炉8内，氮气输送管道9向反应炉8中输送过量的氮气，氮气与熔融态的金属单质反应生成金属氮化物；所述氮气的纯度为99.9％；
步骤四：步骤三中所述的金属氮化物在过量氮气的夹带下通过进入水解槽10中，水解槽10中盛放有过量的水，金属氮化物在水解槽10中发生水解反应，生成金属氢氧化物和氨；
步骤五：步骤四中的金属氢氧化物和氨进入离心机11内进行分离，分离后的金属氢氧化物通过沉淀后进入干燥系统12内进行物理干燥得到干燥的金属氢氧化物，干燥的金属氢氧化物通过金属氢氧化物管道13进入反应物输送管道5内循环使用，分离后的氨和水的混合物能够直接作为肥料使用或对氨进行分离；
步骤六：当需要对步骤五中的氨和水的混合物中的氨进行分离时，使离心机11和干燥系统12内的氨和水的混合物进入精馏装置19内进行精馏，精馏后的水通过精馏装置19底部的液相管道进入水解槽10的补水管道20中循环利用；
所述步骤二中的反应物输送管道5的物料为NaOH时，步骤一中熔融状态的熔盐温度为300-350℃；温度传感器18将电解池1内熔融状态的熔盐温度数据传输至PLC控制系统17内，当温度超过350℃时，PLC控制系统17控制电加热丝16停止加热，当温度低于300℃时，PLC控制系统17控制电加热丝16开始加热。
实施例三
一种无CO2排放的氨气制备装置，包括电解池1，电解池1内设有阳极槽2和阴极槽3，阳极槽2内设有阳极棒4以及反应物输送管道5，阴极槽3内设有阴极棒6，阳极棒4和阴极棒6之间设有电源7，阴极槽3的底部通过管道与反应炉8相连通，反应炉8的底部设有氮气输送管道9，反应炉8的顶部与水解槽10相连通，水解槽10与离心机11相连，离心机11底部出口与干燥系统12相连，干燥系统12的底部设有金属氢氧化物管道13。所述金属氢氧化物管道13与反应物输送管道5相连。所述电解池1的内部设有与电源相连的电加热丝16，电加热丝16与PLC控制系统17的输出端相连，PLC控制系统17的输入端与设在电解池1内部的温度传感器18相连。所述阳极槽2内设有反应气体回收管道14。所述离心机11和干燥系统12的混合物管道15分别与精馏装置19相连，精馏装置19的顶部设有氨气管道20，精馏装置19的底部液相管道与水解槽10的补水管道21相连。所述电解池1的材质为氧化铝陶瓷材料，阳极槽2和阴极槽3的材质为氧化铝多孔陶瓷材料，阳极棒4的材质为石墨，阴极棒6的材质为Ti。
一种无CO2排放的氨气制备装置的制备方法，该制备方法采用反应物为金属氢氧化物的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：电解池1内装有熔盐，通过采用外加热和温度控制系统使熔盐保持熔融状态；
步骤二：通过反应物输送管道5向阳极槽2内输送Mg的氢氧化物，并接通电源7，使阳极槽2内的反应物发生电解反应，电解反应后，阳极槽2内的产物为氧气和水蒸气，阴极槽3内的产物为阴极棒6上得到熔融态的金属单质；所述电源7的电压为3-5V；所述氧气和水蒸气可直接放空或冷凝回收；
步骤三：步骤二中所述的阴极槽3内的产物通过阴极槽3底部的管道进入反应炉8内，氮气输送管道9向反应炉8中输送过量的氮气，氮气与熔融态的金属单质反应生成金属氮化物；所述氮气的纯度为99.9％；
步骤四：步骤三中所述的金属氮化物在过量氮气的夹带下通过进入水解槽10中，水解槽10中盛放有过量的水，金属氮化物在水解槽10中发生水解反应，生成金属氢氧化物和氨；
步骤五：步骤四中的金属氢氧化物和氨进入离心机11内进行分离，分离后的金属氢氧化物通过沉淀后进入干燥系统12内进行物理干燥得到干燥的金属氢氧化物，干燥的金属氢氧化物通过金属氢氧化物管道13进入反应物输送管道5内循环使用，分离后的氨和水的混合物能够直接作为肥料使用或对氨进行分离；
步骤六：当需要对步骤五中的氨和水的混合物中的氨进行分离时，使离心机11和干燥系统12内的氨和水的混合物进入精馏装置19内进行精馏，精馏后的水通过精馏装置19底部的液相管道进入水解槽10的补水管道20中循环利用；
所述步骤二中的反应物输送管道5的物料为Mg(OH)2时，步骤一中熔融状态的熔盐温度为340-400℃。温度传感器18将电解池1内熔融状态的熔盐温度数据传输至PLC控制系统17内，当温度超过400℃时，PLC控制系统17控制电加热丝16停止加热，当温度低于340℃时，PLC控制系统17控制电加热丝16开始加热。
实施例四
一种无CO2排放的氨气制备装置，包括电解池1，电解池1内设有阳极槽2和阴极槽3，阳极槽2内设有阳极棒4以及反应物输送管道5，阴极槽3内设有阴极棒6，阳极棒4和阴极棒6之间设有电源7，阴极槽3的底部通过管道与反应炉8相连通，反应炉8的底部设有氮气输送管道9，反应炉8的顶部与水解槽10相连通，水解槽10与离心机11相连，离心机11底部出口与干燥系统12相连，干燥系统12的底部设有金属氢氧化物管道13。所述电解池1的内部设有与电源相连的电加热丝16，电加热丝16与PLC控制系统17的输出端相连，PLC控制系统17的输入端与设在电解池1内部的温度传感器18相连。所述阳极槽2内设有反应气体回收管道14。所述离心机11和干燥系统12的混合物管道15分别与精馏装置19相连，精馏装置19的顶部设有氨气管道20，精馏装置19的底部液相管道与水解槽10的补水管道21相连。所述电解池1的材质为氧化铝陶瓷材料，阳极槽2和阴极槽3的材质为氧化铝多孔陶瓷材料，阳极棒4的材质为石墨，阴极棒6的材质为Pt。
一种无CO2排放的氨气制备装置的制备方法，该制备方法采用反应物为金属氯化物的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：电解池1内装有熔盐，通过采用外加热和温度控制系统使熔盐保持熔融状态；
步骤二：通过反应物输送管道5向阳极槽2内输送Li的氯化物，并接通电源7，使阳极槽2内的反应物发生电解反应，电解反应后，阳极槽2内的产物为氯气，阴极槽3内的产物为阴极棒6上得到熔融态的金属单质；所述电源7的电压为3-5V；所述氯气通过反应气体回收管道14进行回收；
步骤三：步骤二中所述的阴极槽3内的产物通过阴极槽3底部的管道进入反应炉8内，氮气输送管道9向反应炉8中输送过量的氮气，氮气与熔融态的金属单质反应生成金属氮化物；所述氮气的纯度为99.9％；
步骤四：步骤三中所述的金属氮化物在过量氮气的夹带下通过进入水解槽10中，水解槽10中盛放有过量的水，金属氮化物在水解槽10中发生水解反应，生成金属氢氧化物和氨；
步骤五：步骤四中的金属氢氧化物和氨进入离心机11内进行分离，分离后的金属氢氧化物通过沉淀后进入干燥系统12内进行物理干燥得到干燥的金属氢氧化物，干燥的金属氢氧化物通过金属氧化物管道13收集后回收，分离后的氨和水的混合物能够直接作为肥料使用或对氨进行分离；
步骤六：当需要对步骤五中的氨和水的混合物中的氨进行分离时，使离心机11和干燥系统12内的氨和水的混合物进入精馏装置19内进行精馏，精馏后的水通过精馏装置19底部的液相管道进入水解槽10的补水管道21中循环利用。
所述反应物为金属氯化物的制备方法的步骤二中的反应物输送管道5的物料为LiCl时，步骤一中熔融状态的熔盐温度为600-650℃；温度传感器18将电解池1内熔融状态的熔盐温度数据传输至PLC控制系统17内，当温度超过650℃时，PLC控制系统17控制电加热丝16停止加热，当温度低于600℃时，PLC控制系统17控制电加热丝16开始加热。
实施例五
一种无CO2排放的氨气制备装置，包括电解池1，电解池1内设有阳极槽2和阴极槽3，阳极槽2内设有阳极棒4以及反应物输送管道5，阴极槽3内设有阴极棒6，阳极棒4和阴极棒6之间设有电源7，阴极槽3的底部通过管道与反应炉8相连通，反应炉8的底部设有氮气输送管道9，反应炉8的顶部与水解槽10相连通，水解槽10与离心机11相连，离心机11底部出口与干燥系统12相连，干燥系统12的底部设有金属氢氧化物管道13。所述电解池1的内部设有与电源相连的电加热丝16，电加热丝16与PLC控制系统17的输出端相连，PLC控制系统17的输入端与设在电解池1内部的温度传感器18相连。所述阳极槽2内设有反应气体回收管道14。所述离心机11和干燥系统12的混合物管道15分别与精馏装置19相连，精馏装置19的顶部设有氨气管道20，精馏装置19的底部液相管道与水解槽10的补水管道21相连。所述电解池1的材质为氧化铝陶瓷材料，阳极槽2和阴极槽3的材质为氧化铝多孔陶瓷材料，阳极棒4的材质为石墨，阴极棒6的材质为W。
一种无CO2排放的氨气制备装置的制备方法，该制备方法采用反应物为反应物为金属氯化物的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：电解池1内装有熔盐，通过采用外加热和温度控制系统使熔盐保持熔融状态；
步骤二：通过反应物输送管道5向阳极槽2内输送Mg的氯化物，并接通电源7，使阳极槽2内的反应物发生电解反应，电解反应后，阳极槽2内的产物为氯气，阴极槽3内的产物为阴极棒6上得到熔融态的金属单质；所述电源7的电压为3-5V；所述氯气通过反应气体回收管道14进行回收；
步骤三：步骤二中所述的阴极槽3内的产物通过阴极槽3底部的管道进入反应炉8内，氮气输送管道9向反应炉8中输送过量的氮气，氮气与熔融态的金属单质反应生成金属氮化物；所述氮气的纯度为99.9％；
步骤四：步骤三中所述的金属氮化物在过量氮气的夹带下通过进入水解槽10中，水解槽10中盛放有过量的水，金属氮化物在水解槽10中发生水解反应，生成金属氢氧化物和氨；
步骤五：步骤四中的金属氢氧化物和氨进入离心机11内进行分离，分离后的金属氢氧化物通过沉淀后进入干燥系统12内进行物理干燥得到干燥的金属氢氧化物，干燥的金属氢氧化物通过金属氧化物管道13收集后回收，分离后的氨和水的混合物能够直接作为肥料使用或对氨进行分离；
步骤六：当需要对步骤五中的氨和水的混合物中的氨进行分离时，使离心机11和干燥系统12内的氨和水的混合物进入精馏装置19内进行精馏，精馏后的水通过精馏装置19底部的液相管道进入水解槽10的补水管道21中循环利用。
所述反应物为金属氯化物的制备方法的步骤二中的反应物输送管道5的物料为MgCl2时，步骤一中熔融状态的熔盐温度为710-750℃；温度传感器18将电解池1内熔融状态的熔盐温度数据传输至PLC控制系统17内，当温度超过750℃时，PLC控制系统17控制电加热丝16停止加热，当温度低于710℃时，PLC控制系统17控制电加热丝16开始加热。
实施例六
一种无CO2排放的氨气制备装置，包括电解池1，电解池1内设有阳极槽2和阴极槽3，阳极槽2内设有阳极棒4以及反应物输送管道5，阴极槽3内设有阴极棒6，阳极棒4和阴极棒6之间设有电源7，阴极槽3的底部通过管道与反应炉8相连通，反应炉8的底部设有氮气输送管道9，反应炉8的顶部与水解槽10相连通，水解槽10与离心机11相连，离心机11底部出口与干燥系统12相连，干燥系统12的底部设有金属氢氧化物管道13。所述电解池1的内部设有与电源相连的电加热丝16，电加热丝16与PLC控制系统17的输出端相连，PLC控制系统17的输入端与设在电解池1内部的温度传感器18相连。所述阳极槽2内设有反应气体回收管道14。所述离心机11和干燥系统12的混合物管道15分别与精馏装置19相连，精馏装置19的顶部设有氨气管道20，精馏装置19的底部液相管道与水解槽10的补水管道21相连。所述电解池1的材质为氧化铝陶瓷材料，阳极槽2和阴极槽3的材质为氧化铝多孔陶瓷材料，阳极棒4的材质为石墨，阴极棒6的材质为Ti。
一种无CO2排放的氨气制备装置的制备方法，该制备方法采用反应物为金属氯化物的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：电解池1内装有熔盐，通过采用外加热和温度控制系统使熔盐保持熔融状态；
步骤二：通过反应物输送管道5向阳极槽2内输送Na的氯化物，并接通电源7，使阳极槽2内的反应物发生电解反应，电解反应后，阳极槽2内的产物为氯气，阴极槽3内的产物为阴极棒6上得到熔融态的金属单质；所述电源7的电压为3-5V；所述氯气通过反应气体回收管道14进行回收；
步骤三：步骤二中所述的阴极槽3内的产物通过阴极槽3底部的管道进入反应炉8内，氮气输送管道9向反应炉8中输送过量的氮气，氮气与熔融态的金属单质反应生成金属氮化物；所述氮气的纯度为99.9％；
步骤四：步骤三中所述的金属氮化物在过量氮气的夹带下通过进入水解槽10中，水解槽10中盛放有过量的水，金属氮化物在水解槽10中发生水解反应，生成金属氢氧化物和氨；
步骤五：步骤四中的金属氢氧化物和氨进入离心机11内进行分离，分离后的金属氢氧化物通过沉淀后进入干燥系统12内进行物理干燥得到干燥的金属氢氧化物，干燥的金属氢氧化物通过金属氧化物管道13收集后回收，分离后的氨和水的混合物能够直接作为肥料使用或对氨进行分离；
步骤六：当需要对步骤五中的氨和水的混合物中的氨进行分离时，使离心机11和干燥系统12内的氨和水的混合物进入精馏装置19内进行精馏，精馏后的水通过精馏装置19底部的液相管道进入水解槽10的补水管道21中循环利用。
所述反应物为金属氯化物的制备方法的步骤二中的反应物输送管道5的物料为NaCl时，步骤一中熔融状态的熔盐温度为800-840℃。温度传感器18将电解池1内熔融状态的熔盐温度数据传输至PLC控制系统17内，当温度超过840℃时，PLC控制系统17控制电加热丝16停止加热，当温度低于840℃时，PLC控制系统17控制电加热丝16开始加热。
实施例七与实施例一相同，但阴极棒6的材质为Pt。
实施例八与实施例五相同，但阴极棒6的材质为Fe。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“相连”等等应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接；也可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。上文的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式、变更和改造均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种无CO2排放的氨气制备装置，其特征在于：该制备装置包括电解池(1)，电解池(1)内设有阳极槽(2)和阴极槽(3)，阳极槽(2)内设有阳极棒(4)以及反应物输送管道(5)，阴极槽(3)内设有阴极棒(6)，阳极棒(4)和阴极棒(6)之间设有电源(7)，阴极槽(3)的底部通过管道与反应炉(8)相连通，反应炉(8)的底部设有氮气输送管道(9)，反应炉(8)的顶部与水解槽(10)相连通，水解槽(10)与离心机(11)相连，离心机(11)底部出口与干燥系统(12)相连，干燥系统(12)的底部设有金属氢氧化物管道(13)。
2.根据权利要求1所述的一种无CO2排放的氨气制备装置，其特征在于：所述电解池(1)的内部设有与电源相连的电加热丝(16)，电加热丝(16)与PLC控制系统(17)的输出端相连，PLC控制系统(17)的输入端与设在电解池(1)内部的温度传感器(18)相连。
3.根据权利要求1所述的一种无CO2排放的氨气制备装置，其特征在于：所述阳极槽(2)内设有反应气体回收管道(14)。
4.根据权利要求1所述的一种无CO2排放的氨气制备装置，其特征在于：所述离心机(11)和干燥系统(12)的混合物管道(15)分别与精馏装置(19)相连，精馏装置(19)的顶部设有氨气管道(20)，精馏装置(19)的底部液相管道与水解槽(10)的补水管道(21)相连。
5.根据权利要求1所述的一种无CO2排放的氨气制备装置，其特征在于：所述电解池(1)的材质为氧化铝陶瓷材料，阳极槽(2)和阴极槽(3)的材质为氧化铝多孔陶瓷材料，阳极棒(4)的材质为石墨，阴极棒(6)的材质为Fe、W、Ti或Pt。
6.一种如权利要求1-5所述的无CO2排放的氨气制备装置的制备方法，其特征在于：该制备方法采用反应物为金属氢氧化物的制备方法或反应物为金属氯化物的制备方法；
a、反应物为金属氢氧化物的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：电解池(1)内装有熔盐，通过采用外加热和温度控制系统使熔盐保持熔融状态；
步骤二：通过反应物输送管道(5)向阳极槽(2)内输送Li、Na或Mg的氢氧化物，并接通电源(7)，使阳极槽(2)内的反应物发生电解反应，电解反应后，阳极槽(2)内的产物为氧气和水蒸气，阴极槽(3)内的产物为阴极棒(6)上得到熔融态的金属单质；所述电源(7)的电压为3-5V；所述氧气和水蒸气可直接放空或冷凝回收；
步骤三：步骤二中所述的阴极槽(3)内的产物通过阴极槽(3)底部的管道进入反应炉(8)内，氮气输送管道(9)向反应炉(8)中输送过量的氮气，氮气与熔融态的金属单质反应生成金属氮化物；所述氮气的纯度为99.9％；
步骤四：步骤三中所述的金属氮化物在过量氮气的夹带下通过进入水解槽(10)中，水解槽(10)中盛放有过量的水，金属氮化物在水解槽(10)中发生水解反应，生成金属氢氧化物和氨；
步骤五：步骤四中的金属氢氧化物和氨进入离心机(11)内进行分离，分离后的金属氢氧化物通过沉淀后进入干燥系统(12)内进行物理干燥得到干燥的金属氢氧化物，干燥的金属氢氧化物通过金属氢氧化物管道(13)进入反应物输送管道(5)内循环使用，分离后的氨和水的混合物能够直接作为肥料使用或对氨进行分离；
步骤六：当需要对步骤五中的氨和水的混合物中的氨进行分离时，使离心机(11)和干燥系统(12)内的氨和水的混合物进入精馏装置(19)内进行精馏，精馏后的水通过精馏装置(19)底部的液相管道进入水解槽(10)的补水管道(20)中循环利用；
b、反应物为金属氯化物的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：电解池(1)内装有熔盐，通过采用外加热和温度控制系统使熔盐保持熔融状态；
步骤二：通过反应物输送管道(5)向阳极槽(2)内输送Li、Na或Mg的氯化物，并接通电源(7)，使阳极槽(2)内的反应物发生电解反应，电解反应后，阳极槽(2)内的产物为氯气，阴极槽(3)内的产物为阴极棒(6)上得到熔融态的金属单质；所述电源(7)的电压为3-5V；所述氯气通过反应气体回收管道(14)进行回收；
步骤三：步骤二中所述的阴极槽(3)内的产物通过阴极槽(3)底部的管道进入反应炉(8)内，氮气输送管道(9)向反应炉(8)中输送过量的氮气，氮气与熔融态的金属单质反应生成金属氮化物；所述氮气的纯度为99.9％；
步骤四：步骤三中所述的金属氮化物在过量氮气的夹带下通过进入水解槽(10)中，水解槽(10)中盛放有过量的水，金属氮化物在水解槽(10)中发生水解反应，生成金属氢氧化物和氨；
步骤五：步骤四中的金属氢氧化物和氨进入离心机(11)内进行分离，分离后的金属氢氧化物通过沉淀后进入干燥系统(12)内进行物理干燥得到干燥的金属氢氧化物，干燥的金属氢氧化物通过金属氧化物管道(13)收集后回收，分离后的氨和水的混合物能够直接作为肥料使用或对氨进行分离；
步骤六：当需要对步骤五中的氨和水的混合物中的氨进行分离时，使离心机(11)和干燥系统(12)内的氨和水的混合物进入精馏装置(19)内进行精馏，精馏后的水通过精馏装置(19)底部的液相管道进入水解槽(10)的补水管道(21)中循环利用。
7.根据权利要求6所述的一种无CO2排放的氨气制备装置的制备方法，其特征在于：所述反应物为金属氢氧化物的制备方法的步骤二中反应物输送管道(5)的物料为LiOH时，步骤一中熔融状态的熔盐温度为460-500℃；所述步骤二中的反应物输送管道(5)的物料为NaOH时，步骤一中熔融状态的熔盐温度为300-350℃；所述步骤二中的反应物输送管道(5)的物料为Mg(OH)2时，步骤一中熔融状态的熔盐温度为340-400℃。
8.根据权利要求6所述的一种无CO2排放的氨气制备装置的制备方法，其特征在于：所述反应物为金属氯化物的制备方法的步骤二中的反应物输送管道(5)的物料为LiCl时，步骤一中熔融状态的熔盐温度为600-650℃；所述反应物为金属氯化物的制备方法的步骤二中的反应物输送管道(5)的物料为MgCl2时，步骤一中熔融状态的熔盐温度为710-750℃；所述反应物为金属氯化物的制备方法的步骤二中的反应物输送管道(5)的物料为NaCl时，步骤一中熔融状态的熔盐温度为800-840℃。
9.根据权利要求6所述的一种无CO2排放的氨气制备装置的制备方法，其特征在于：所述反应物为LiOH、NaOH、Mg(OH)2、LiCl、MgCl2或NaCl时，根据物料的不同，温度传感器(18)将电解池(1)内熔融状态的熔盐温度数据传输至PLC控制系统(17)内，当温度超过相对应的温度范围时，PLC控制系统(17)控制电加热丝(16)停止加热，当温度低于相对应的温度范围时，PLC控制系统(17)控制电加热丝(16)开始加热。
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