CN114291788A - 一种高含氮量生物质驱动的化学链反应系统及方法 - Google Patents

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伍松
杨伯伦
张榕江
李运昌
刘格
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Abstract

本发明属于生物质能源利用领域，具体公开了一种高含氮量生物质驱动的化学链反应系统及方法，包括一种高含氮量生物质驱动的化学链反应制备H2和NH3的工艺以及一种高含氮量生物质驱动的化学链反应制备生物焦和NH3的工艺。高含氮量生物质通过热解反应器快速热解得到生物焦和热解气。热解气与金属载氧体通过第一还原反应器和水解反应器制氢，并且分离出热解气中的N2。来自高含氮量生物质的N2再通过分子筛封装的载氮体或载氢体在合成氨反应器中与H2O或H2生产NH3。过程中产生的二氧化碳回收后可以用于含氮藻类培养，使整个合成氨过程具有碳负性的特点。并且进行系统内部能量耦合，实现能量回收、梯级利用，进一步减少合成氨过程能耗。

Description

一种高含氮量生物质驱动的化学链反应系统及方法
技术领域
本发明属于生物质能源利用领域，具体涉及一种高含氮量生物质驱动的化学链反应系统及方法。
背景技术
氨是化工产品中非常重要的一部分，不仅许多高附加值化工产品或材料需要以氨作为原料或氨的参与，氨还是化肥合成的重要组成部分，是现代农业的基础，对于人类发展具有重要的意义。近年来，由于其液化时的高能量密度和无碳性质，它也作为一种很有前途的储氢材料受到了很多关注。
现代工业生产中使用的合成氨方法是Haber-Bosch(H-B)工艺，即在高温(350-550℃)和高压(10-30MPa)条件下，N2和H2在铁催化剂上反应合成氨。但是这种工艺存在明显的缺点，即压力高、能耗高、转化率低(10％-15％)，CO2排放量高等。为了实现节能减排和可持续发展，开发出清洁高效的合成氨工艺就变得尤为重要。化学链过程是指将目标反应拆分成两个或多个在不同时间和空间发生的反应，并借助某种反应载体的消耗与再生将这些反应连接成一个化学循环。而将合成氨反应分解为固氮和产氨等两个或两个以上的分步反应，即为化学链合成氨过程。与传统的H-B过程相比，化学链合成氨过程可以在常压下操作，有助于降低能耗与简化工艺；化学链过程的反应分步进行，可以分别对各步骤的反应条件进行优化；中间产物如氮化物或氧化物较为稳定，易于与其他可再生能源耦合；N2与H2或H2O不会同时出现，不存在表面竞争吸附问题。
化学链合成氨工艺的关键在于氮源、载氮体设计与制备以及工艺系统设计。传统的化学链合成氨研究通过空分过程得到N2作为氮源，来源单一且空分过程能耗大，不符合节能需求；而载氮体则使用金属氮化物或碱(土)金属氢化物，提高合成氨效率的同时降低反应温度，但是化学链合成氨过程使用的反应器为流化床反应器，容易导致载氮体磨损严重，减少使用寿命；关于化学链合成氨工艺的研究则缺乏系统内部能量耦合，导致富余热量不能得到回收与梯级利用，增加系统能耗。综上所述，化学链合成氨工艺需要寻找一种低能耗氮源、设计抗磨损载氮体以及设计系统内部能量耦合的方法。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高含氮量生物质驱动的化学链反应系统及方法，以解决目前合成氨的工艺中通过分离空气中的N2作为氮源，氮源单一、空分过程能耗过大、流化床反应器中载氮体磨损严重以及化学链合成氨系统缺乏能量耦合的问题。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高含氮量生物质驱动的化学链反应方法，包括以下步骤：
步骤1：将高含氮量生物质通入热解反应器，在600-900℃进行热解，产生组分为CO，CO2，H2，N2的热解气和组分为C的生物焦；
步骤2：将步骤1中得到的热解气输送进入第一还原反应器，在600-1000℃将金属载氧体还原为金属单质或低价态金属氧化物，并得到CO2，H2O和N2的混合气体；
步骤3：将步骤2中得到的金属单质或低价态金属氧化物通入水解反应器，在600-1000℃与通入的H2O反应产生H2，并得到高价态金属氧化物；
步骤4：将步骤3中得到的高价态金属氧化物通入氧化反应器中，在600-1000℃与空气中的氧气发生氧化反应，实现金属载氧体再生，并将再生的金属载氧体通入第一还原反应器中。
进一步的，还包括以下步骤：
步骤a：将步骤1中得到的生物焦通入第二还原反应器中作为还原剂，在700-1600℃和氮气气氛下，与载氮体发生还原反应，得到金属氮化物；
步骤b：将步骤a中得到的金属氮化物通入合成氨反应器，在100-1200℃与通入的H2O反应产生NH3，实现载氮体再生，并将再生的载氮体通入第二还原反应器中。
进一步的，还包括以下步骤：
步骤A：将步骤3中得到的H2通入合成氨反应器中，在250-500℃与亚氨基化合物发生释氮反应生产NH3，并得到对应的碱(土)金属氢化物作为载氢体；
步骤B：将步骤A中得到的载氢体通入再生反应器，在200-400℃与步骤2中得到的N2发生氮化反应，得到碱(土)金属氢化物对应的亚氨基化合物，实现亚氨基化合物的再生，并将得到的亚氨基化合物通入合成氨反应器中。
进一步的，所述载氮体为分子筛封装的Al2O3、Fe2O3、Cr2N、Mn4N中的一种或两种，还原反应后获得的金属氮化物为与载氮体对应的高价态金属氮化物。
进一步的，所述载氢体为分子筛封装的碱(土)金属氢化物LiH、BaH2、CaH2、MgH2中的一种或两种，与N2反应后得到与之对应的亚氨基化合物。
进一步的，所述热解反应器、第一还原反应器和第二还原反应器的能量来自可再生能源。
进一步的，所述氧化反应器的富余热量通过金属载氧体提供给第一还原反应器；水解反应器的富余热量由过热水蒸气和高温氢气带出水解反应器；提供给第二还原反应器的能量来自于离开水解反应器的过热水蒸气和高温氢气。
一种高含氮量生物质驱动的化学链的系统，包括：热解反应器、第一还原反应器、水解反应器和氧化反应器；热解反应器的热解气出口与第一还原反应器的气体入口相连；第一还原反应器的载氧体出口与水解反应器的载氧体入口相连；水解反应器的载氧体出口与氧化反应器的载氧体入口相连；氧化反应器的载氧体出口与第一还原反应器的载氧体入口相连。
进一步的，还包括：第二还原反应器和合成氨反应器；所述热解反应器的生物焦出口与第二还原反应器生物焦入口相连；第二还原反应器的气体出口与第一还原反应器的气体入口相连；第二还原反应器的气体入口与第一还原反应器的氮气出口相连；第二还原反应器的载氮体出口与合成氨反应器的载氮体入口相连；第二还原反应器的载氮体入口与合成氨反应器的载氮体出口相连。
进一步的，还包括：再生反应器和合成氨反应器；所述第一还原反应器的氮气出口与再生反应器的气体入口相连；再生反应器的载氢体出口与合成氨反应器的载氢体入口相连；再生反应器的载氢体入口与合成氨反应器的载氢体出口相连；水解反应器的气体出口与合成氨反应器的气体入口相连。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：
1、高含氮量生物质通过热解反应器快速热解得到生物焦和以还原性气体及N2为主的热解气。热解气与金属载氧体基于化学链技术制氢，并且分离出热解气中的N2。来自高含氮量生物质的N2再通过分子筛封装的载氮体或载氢体与H2O或H2生产NH3。过程中产生的二氧化碳回收后可以用于含氮藻类培养，使整个合成氨过程具有碳负性的特点。
2、使用藻类作为氮源，避免了空分制备N2过程的巨大能耗。
3、载氮体为分子筛封装的金属氮化物或碱土金属氢化物，提高了载氮体的机械强度和抗磨损能力，增加了载氮体在流化床反应器中的使用寿命。
4、进行系统内部能量耦合，实现能量回收、梯级利用，进一步减少合成氨过程能耗。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明生物质驱动的化学链制备H2和NH3工艺的流程图；
图2为本发明生物质驱动的化学链制备生物焦和NH3工艺的流程图；
图3为本发明一种高含氮量生物质驱动的化学链反应系统示意图。
附图标记：1、干燥器；2、粉碎机；3、热解反应器；4、旋风分离器；5、第一还原反应器；6、水解反应器；7、氧化反应器；8、膜分离器；9、第二还原反应器；10、合成氨反应器。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种高含氮量生物质驱动的化学链反应制备H2和NH3的方法，包括以下步骤：
步骤1：将高含氮量生物质通入热解反应器3，在600-900℃进行热解，产生组分为CO，CO2，H2，N2的热解气和组分为C的生物焦。
步骤2：将步骤1中得到的热解气输送进入第一还原反应器5，在600-1000℃将金属载氧体还原为金属单质或低价态金属氧化物，并得到CO2，H2O和N2的混合气体；若金属载氧体为Fe2O3，则发生反应：CO+Fe2O3→Fe+CO2，H2+Fe2O3→Fe+H2O，CO+Fe2O3→FeO+CO2，H2+Fe2O3→FeO+H2O。
步骤3：将步骤2中得到的金属单质或低价态金属氧化物通入水解反应器6，在600-1000℃与通入的H2O反应产生H2，并得到高价态金属氧化物；若金属载氧体为Fe2O3，则发生反应：Fe+H2O→Fe3O4+H2，FeO+H2O→Fe3O4+H2。
步骤4：将步骤3中得到的高价态金属氧化物通入氧化反应器7中，在600-1000℃与空气中的氧气发生氧化反应，实现金属载氧体再生，并将再生的金属载氧体通入第一还原反应器5中；若金属载氧体为Fe2O3，则发生反应：Fe3O4+O2→Fe2O3。
还包括以下步骤：
步骤a：将步骤1中得到的生物焦通入第二还原反应器9中作为还原剂，在700-1600℃和氮气气氛下，与载氮体发生还原反应，得到金属氮化物；若载氮体为Al2O3，则发生反应：Al2O3+C+N2→AlN+CO。
步骤b：将步骤a中得到的金属氮化物通入合成氨反应器10，在100-1200℃与通入的H2O反应产生NH3，实现载氮体再生，并将再生的载氮体通入第二还原反应器9中；若载氮体为Al2O3，则发生反应：AlN+H2O→Al2O3+NH3。
实施例2
如图2所示，一种高含氮量生物质驱动的化学链反应制备生物焦和NH3的方法，包括以下步骤：
步骤1：将高含氮量生物质通入热解反应器3，在600-900℃进行热解，产生组分为CO，CO2，H2，N2的热解气和组分为C的生物焦。
步骤2：将步骤1中得到的热解气输送进入第一还原反应器5，在600-1000℃将金属载氧体还原为金属单质或低价态金属氧化物，并得到CO2，H2O和N2的混合气体；若金属载氧体为Fe2O3，则发生反应：CO+Fe2O3→Fe+CO2，H2+Fe2O3→Fe+H2O，CO+Fe2O3→FeO+CO2，H2+Fe2O3→FeO+H2O。
步骤3：将步骤2中得到的金属单质或低价态金属氧化物通入水解反应器6，在600-1000℃与通入的H2O反应产生H2，并得到高价态金属氧化物；若金属载氧体为Fe2O3，则发生反应：Fe+H2O→Fe3O4+H2，FeO+H2O→Fe3O4+H2。
步骤4：将步骤3中得到的高价态金属氧化物通入氧化反应器7中，在600-1000℃与空气中的氧气发生氧化反应，实现金属载氧体再生，并将再生的金属载氧体通入第一还原反应器5中；若金属载氧体为Fe2O3，则发生反应：Fe3O4+O2→Fe2O3。
还包括以下步骤：
步骤A：将步骤3中得到的H2通入合成氨反应器10中，在250-500℃与亚氨基化合物发生释氮反应生产NH3，并得到对应的碱(土)金属氢化物作为载氢体；若碱(土)金属氢化物和对应的亚氨基化合物为LiH和Li2NH，则发生反应：Li2NH+H2→LiH+NH3。
步骤B：将步骤A中得到的载氢体通入再生反应器，在200-400℃与步骤2中得到的N2发生氮化反应，得到碱(土)金属氢化物对应的亚氨基化合物，实现亚氨基化合物的再生，并将得到的亚氨基化合物通入合成氨反应器10中；若碱(土)金属氢化物和对应的亚氨基化合物为LiH和Li2NH，则发生反应：LiH+N2→Li2NH+H2。
实施例1和2中：
高含氮量生物质为藻类、市政污泥中一种或二者混合物。
生物质作为一种可再生的绿色清洁能源，受到了国际社会的广泛关注，是重要的化工原料。而部分特殊的生物质中氮含量较高，比如含氮藻类和市政污泥，为合成氨过程中的氮来源提供了新方向。藻类作为一种水生生物质，具有生长速度快、周期短、单位面积产量高、环境适应能力强、不占用耕地等优点，有成为优质化工原料的潜力。而部分藻类的元素分析结果表明，其氮含量可以达到10％左右，这使得以藻类作为氮源合成氨成为一个很好的选择。而市政污泥作为一种常见的废弃物，直接废弃处理时不仅会耗费人力物力，还会对环境产生一定的影响。所以对市政污泥进行回收利用，将其中含量较高的氮(3％-5％)转化为重要的化学品NH3，也对资源利用和环境保护具有重要的意义。
金属载氧体为氧化铁或、天然铁矿石中一种或二者混合物。
步骤2中CO2、H2O和N2的混合气体通过膜分离器8进行分离。
水解反应器6中通入的H2O为高温过热水蒸气。
载氮体为分子筛封装的金属氧化物Al2O3、Fe2O3、Cr2N、Mn4N中的中的一种或两种，还原反应后得到的金属氮化物为与载氮体对应的高价态金属氮化物。
通过分子筛封装可以有效提高载氮体的机械强度，增加抗磨损能力的同时提供较大的比表面积，提高合成氨效率。
载氢体为分子筛封装的碱(土)金属氢化物LiH、BaH2、CaH2、MgH2中的一种或两种，与N2反应后得到与之对应的亚氨基化合物。
合成氨反应器10中通入的N2是从高含氮量生物质热解气中分离的氮。
产生的CO2进行回收，用于含氮藻类的光合作用。
将合成的NH3进行收集储存。
热解反应器3、第一还原反应器5、第二还原反应器9的能量来自可再生能源。
氧化反应器7的富余热量通过金属载氧体提供给第一还原反应器5；水解反应器6的富余热量由过热水蒸气和高温氢气带出水解反应器6。
提供给第二还原反应器9的能量来自于离开水解反应器6的过热水蒸气和高温氢气。
实施例3
如图3所示，一种高含氮量生物质驱动的化学链的系统，包括：干燥器1、粉碎机2、热解反应器3、旋风分离器4、第一还原反应器5、水解反应器6、氧化反应器7、膜分离器8、第二还原反应器9和合成氨反应器10；所述高含氮生物质从干燥器1底部进料，加热干燥后由惰性载气输送至干燥器1顶部离开干燥器1；
热解反应器3的热解气出口与第一还原反应器5的气体入口相连；第一还原反应器5的载氧体出口与水解反应器6的载氧体入口相连；水解反应器6的载氧体出口与氧化反应器7的载氧体入口相连；氧化反应器7的载氧体出口与第一还原反应器5的载氧体入口相连。
所述热解反应器3的生物焦出口与第二还原反应器9生物焦入口相连；第二还原反应器9的气体出口与第一还原反应器5的气体入口相连；第二还原反应器9的气体入口与第一还原反应器5的气体出口相连；第二还原反应器9的载氮体出口与合成氨反应器10的载氮体入口相连；第二还原反应器9的载氮体入口与合成氨反应器10的载氮体出口相连。
离开干燥器1的高含氮生物质由粉碎机2顶部进料，惰性载气和水蒸气从粉碎机2顶部排出，干燥的高含氮生物质被粉碎机2粉碎，部分废弃物从粉碎机2底部排出，其余高含氮生物质颗粒从粉碎机2底部离开，进入热解反应器3；
干燥的高含氮生物质颗粒从热解反应器3底部进料，充分热解后得到热解气和生物焦，并由惰性载气输送至热解反应器3顶部，由顶部离开进入旋风分离器4；
热解气和生物焦在旋风分离器4中分离，热解气由旋风分离器4顶部离开进入第一还原反应器5，生物焦由旋风分离器4底部离开进入第二还原反应器9；
热解气由第一还原反应器5底部进入，与金属载氧体接触并充分反应后从第一还原反应器5顶部离开，进入膜分离器8；金属载氧体由第一还原反应器5顶部进入，被热解气还原为金属单质或低价态金属氧化物后从第一还原反应器5底部离开，进入水解反应器6；
高温水蒸气从水解反应器6底部进入，被金属单质/低价态金属氧化物还原为目标产物之一H2后从水解反应器6顶部离开并收集；金属单质/低价态金属氧化物由惰性载气提升至水解反应器6顶部进入，自上而下流动，并与自下而上的高温水蒸气接触并充分反应后，被氧化为高价态金属氧化物，从水解反应器6底部离开进入氧化反应器7；
高温空气从氧化反应器7底部进入，与高价态金属氧化物反应后得到贫氧空气，从氧化反应器7顶部排出；高价态金属氧化物由惰性载气提升至氧化反应器7顶部进入，被高温空气氧化，实现金属载氧体再生后从氧化反应器7底部离开，与新鲜金属载氧体混合后由惰性载气提升第一还原反应器5顶部进入，完成循环；
由第一还原反应器5进入膜分离器8的混合气体经过膜分离后，CO2/H2O从膜的一侧离开并收集，用于高含氮量藻类培养；N2从膜的另一侧离开，进入第二还原反应器9；
N2从第二还原反应器9底部进入，自下而上流动并与自上而下流动的生物焦和金属载氮体混合物接触并充分反应后，得到CO气体从第二还原反应器9顶部离开，与从旋风分离器4顶部排出的气体混合后从第一还原反应器5底部进入第一还原反应器5；生物焦和金属载氮体混合物从第二还原反应器9顶部进入，与N2充分反应后得到高价态金属氮化物，从第二还原反应器9底部离开进入合成氨反应器10；
水蒸气从合成氨反应器10底部进入，与高价态金属氮化物反应后，得到目标产物之一NH3，从合成氨反应器10顶部离开并收集；高价态金属氮化物由惰性载气提升至合成氨反应器10顶部进入，与水蒸气接触并充分反应后，得到金属载氮体，从合成氨反应器10底部离开，与新鲜的金属载氮体和从旋风分离器4底部离开的生物焦混合后，由惰性载气提升至第二还原反应器9顶部进入，完成循环。
干燥器1、热解反应器3、第一还原反应器5、水解反应器6、氧化反应器7、膜分离器8、第二还原反应器9和合成氨反应器10均为流化床反应器。
实施例4
本实施例4与实施例3不同之处在于：一种高含氮量生物质驱动的化学链的系统，将实施例3中的第二还原反应器替换为再生反应器；
第一还原反应器5的氮气出口与再生反应器的气体入口相连；再生反应器的载氢体出口与合成氨反应器的载氢体入口相连；再生反应器的载氢体入口与合成氨反应器的载氢体出口相连；水解反应器6的气体出口与合成氨反应器的气体入口相连。
实施例5
一种分子筛封装的载氮体制备方法，包括以下步骤：
将0.8-1.5g孔径为8-15nm的SBA-15分子筛分散于150-250mL无水乙醇中，加入0.5-1g十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，常温下，在500-850r/min下，搅拌20-60min，之后过滤溶剂得到经过CTAB修饰的SBA-15分子筛；
将经过CTAB修饰的SBA-15分子筛按照质量比1：(75～85)加入至正辛烷中；将1gFe(NO3)3·9H2O按照质量比1：(8-12)加入到去离子水中，混合搅拌后得到金属硝酸盐前驱体；
将金属硝酸盐前驱体按照质量比1：(3～6)加入含有表面活性剂修饰的分子筛的非极性溶剂中，在35-65℃，500-850r/min的条件下，搅拌15-25h，获得前驱体溶液；
将前驱体溶液抽滤，使用去离子水和乙醇洗涤4-6次，在80-110℃下干燥9-15h后放在氮气气氛中，在400-600℃下焙烧3-6h，获得分子筛封装的氧化物前驱体；
将氧化物前驱体装入石英反应管，通入氮氢体积比为(3～5)：1的氮气和氢气混合气，通过程序升温制得相应的分子筛封装的金属氮化物载氮体，程序升温氮化过程如下：在50-70min内将温度从室温升到250-350℃，然后以1-2℃/min的升温速率将温度升到400-600℃，再以4-6℃/min的速率升至600-700℃，并在600-700℃下恒温2-3h，随后在氮气气氛中冷却至室温，即得到新鲜的分子筛封装的金属氮化物载氮体。
实施例6
一种分子筛封装的载氢体制备方法，包括以下步骤：
将0.8-1.5g孔径为8-15nm的SBA-15分子筛分散于150-250mL无水乙醇中，加入0.5-1gCTAB，常温下，在500-850r/min下，搅拌20-60min，之后过滤溶剂得到经过CTAB修饰的SBA-15分子筛；
将经过CTAB修饰的SBA-15分子筛按照质量比1：(75～85)加入至正辛烷中；将1gBa(NO3)2按照质量比1：(8～12)加入到氨水中，混合搅拌后得到氨基化碱(土)金属前驱体；
将氨基化碱(土)金属前驱体按照质量比1：(3～6)加入含有表面活性剂修饰的分子筛的非极性溶剂中，在35-65℃，500-850r/min的条件下，搅拌15-25h，获得前驱体溶液；
将前驱体溶液抽滤，使用去离子水和乙醇洗涤4-6次，在80-110℃下干燥9-15h，获得分子筛封装的氨基化碱(土)金属前驱体；
将氨基化碱(土)金属前驱体在氢气气氛中，在250-500℃下反应3-4h，获得分子筛封装的碱(土)金属氢化物载氢体。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高含氮量生物质驱动的化学链反应方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将高含氮量生物质通入热解反应器(3)，在600-900℃进行热解，产生组分为CO，CO2，H2，N2的热解气和组分为C的生物焦；
步骤2：将步骤1中得到的热解气输送进入第一还原反应器(5)，在600-1000℃将金属载氧体还原为金属单质或低价态金属氧化物，并得到CO2，H2O和N2的混合气体；
步骤3：将步骤2中得到的金属单质或低价态金属氧化物通入水解反应器(6)，在600-1000℃与通入的H2O反应产生H2，并得到高价态金属氧化物；
步骤4：将步骤3中得到的高价态金属氧化物通入氧化反应器(7)中，在600-1000℃与空气中的氧气发生氧化反应，实现金属载氧体再生，并将再生的金属载氧体通入第一还原反应器(5)中。
2.根据权利要求1所述的一种高含氮量生物质驱动的化学链反应方法，其特征在于，还包括以下步骤：
步骤a：将步骤1中得到的生物焦通入第二还原反应器(9)中作为还原剂，在700-1600℃和氮气气氛下，与载氮体发生还原反应，得到金属氮化物；
步骤b：将步骤a中得到的金属氮化物通入合成氨反应器(10)，在100-1200℃与通入的H2O反应产生NH3，实现载氮体再生，并将再生的载氮体通入第二还原反应器(9)中。
3.根据权利要求1所述的一种高含氮量生物质驱动的化学链反应方法，其特征在于，还包括以下步骤：
步骤A：将步骤3中得到的H2通入合成氨反应器(10)中，在250-500℃与亚氨基化合物发生释氮反应生产NH3，并得到对应的碱(土)金属氢化物作为载氢体；
步骤B：将步骤A中得到的载氢体通入再生反应器，在200-400℃与步骤2中得到的N2发生氮化反应，得到碱(土)金属氢化物对应的亚氨基化合物，实现亚氨基化合物的再生，并将得到的亚氨基化合物通入合成氨反应器(10)中。
4.根据权利要求2所述的一种高含氮量生物质驱动的化学链反应方法，其特征在于，所述载氮体为分子筛封装的Al2O3、Fe2O3、Cr2N、Mn4N中的一种或两种，还原反应后获得的金属氮化物为与载氮体对应的高价态金属氮化物。
5.根据权利要求3所述的一种高含氮量生物质驱动的化学链反应方法，其特征在于，所述载氢体为分子筛封装的碱(土)金属氢化物LiH、BaH2、CaH2、MgH2中的一种或两种，与N2反应后得到与之对应的亚氨基化合物。
6.根据权利要求2所述的一种高含氮量生物质驱动的化学链反应方法，其特征在于，所述热解反应器(3)、第一还原反应器(5)和第二还原反应器(9)的能量来自可再生能源。
7.根据权利要求2所述的一种高含氮量生物质驱动的化学链反应方法，其特征在于，所述氧化反应器(7)的富余热量通过金属载氧体提供给第一还原反应器(5)；水解反应器(6)的富余热量由过热水蒸气和高温氢气带出水解反应器(6)；提供给第二还原反应器(9)的能量来自于离开水解反应器(6)的过热水蒸气和高温氢气。
8.一种高含氮量生物质驱动的化学链的系统，其特征在于，包括：热解反应器(3)、第一还原反应器(5)、水解反应器(6)和氧化反应器(7)；热解反应器(3)的热解气出口与第一还原反应器(5)的气体入口相连；第一还原反应器(5)的载氧体出口与水解反应器(6)的载氧体入口相连；水解反应器(6)的载氧体出口与氧化反应器(7)的载氧体入口相连；氧化反应器(7)的载氧体出口与第一还原反应器(5)的载氧体入口相连。
9.根据权利要求8所述的一种高含氮量生物质驱动的化学链的系统，其特征在于，还包括：第二还原反应器(9)和合成氨反应器(10)；所述热解反应器(3)的生物焦出口与第二还原反应器(9)生物焦入口相连；第二还原反应器(9)的气体出口与第一还原反应器(5)的气体入口相连；第二还原反应器(9)的气体入口与第一还原反应器(5)的氮气出口相连；第二还原反应器(9)的载氮体出口与合成氨反应器(10)的载氮体入口相连；第二还原反应器(9)的载氮体入口与合成氨反应器(10)的载氮体出口相连。
10.根据权利要求8所述的一种高含氮量生物质驱动的化学链的系统，其特征在于，还包括：再生反应器和合成氨反应器；所述第一还原反应器(5)的氮气出口与再生反应器的气体入口相连；再生反应器的载氢体出口与合成氨反应器的载氢体入口相连；再生反应器的载氢体入口与合成氨反应器的载氢体出口相连；水解反应器(6)的气体出口与合成氨反应器的气体入口相连。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115241504A (zh) * 2022-07-22 2022-10-25 江苏桁壹生物科技有限公司 一种用于将化学能转化为电能的方法和系统
CN115784256A (zh) * 2022-11-30 2023-03-14 东北大学 一种利用生物质和太阳能的化学链连续制氨系统及方法
CN115780459A (zh) * 2023-01-10 2023-03-14 上海工程技术大学 一种厨余垃圾和污泥的处理系统及其运行方法
CN115241504B (zh) * 2022-07-22 2024-10-25 江苏桁壹生物科技有限公司 一种用于将化学能转化为电能的方法和系统

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103972559A (zh) * 2014-05-09 2014-08-06 东南大学 一种生物质联合循环发电并分离二氧化碳的方法和装置
US9004911B1 (en) * 2012-11-29 2015-04-14 U.S. Department Of Energy Apparatus and method for solid fuel chemical looping combustion
CN107619672A (zh) * 2017-08-11 2018-01-23 东南大学 一种采用生物质制取氨、氢气及尿素的方法
CN108554324A (zh) * 2017-12-29 2018-09-21 南京理工大学 一种基于化学链反应制备氨气的装置及方法
CN109133103A (zh) * 2018-09-14 2019-01-04 东南大学 一种铁基载氧体化学链制氨方法
CN109835917A (zh) * 2017-11-28 2019-06-04 中国科学院大连化学物理研究所 一种两步法合成氨的方法
CN113293014A (zh) * 2021-05-14 2021-08-24 东南大学 一种负碳排放的生物质热解炭氢电多联产的方法及装置

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9004911B1 (en) * 2012-11-29 2015-04-14 U.S. Department Of Energy Apparatus and method for solid fuel chemical looping combustion
CN103972559A (zh) * 2014-05-09 2014-08-06 东南大学 一种生物质联合循环发电并分离二氧化碳的方法和装置
CN107619672A (zh) * 2017-08-11 2018-01-23 东南大学 一种采用生物质制取氨、氢气及尿素的方法
CN109835917A (zh) * 2017-11-28 2019-06-04 中国科学院大连化学物理研究所 一种两步法合成氨的方法
CN108554324A (zh) * 2017-12-29 2018-09-21 南京理工大学 一种基于化学链反应制备氨气的装置及方法
CN109133103A (zh) * 2018-09-14 2019-01-04 东南大学 一种铁基载氧体化学链制氨方法
CN113293014A (zh) * 2021-05-14 2021-08-24 东南大学 一种负碳排放的生物质热解炭氢电多联产的方法及装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YAN LIU ET AL: "Near 100% CO selectivity in nanoscaled iron-based oxygen carriers for chemical looping methane partial oxidation", 《NATURE COMMUNICATIONS》 *
冯圣 等: "化学链合成氨研究进展", 《化学学报》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115241504A (zh) * 2022-07-22 2022-10-25 江苏桁壹生物科技有限公司 一种用于将化学能转化为电能的方法和系统
CN115241504B (zh) * 2022-07-22 2024-10-25 江苏桁壹生物科技有限公司 一种用于将化学能转化为电能的方法和系统
CN115784256A (zh) * 2022-11-30 2023-03-14 东北大学 一种利用生物质和太阳能的化学链连续制氨系统及方法
CN115780459A (zh) * 2023-01-10 2023-03-14 上海工程技术大学 一种厨余垃圾和污泥的处理系统及其运行方法

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