CN114990581A - 一种电解型电化学合成氨的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电解型电化学合成氨的系统，合成氨反应器、供水和氧气管理装置、氨纯化收集装置，合成氨反应器包括阳极气室、阴极气室、膜电极，供水和氧气管理装置包括供水单元、氧气管理单元，供水单元包括水箱与水箱连接的水泵，水泵连接阳极气室的第一进口；氧气管理单元包括分水器、氧气瓶，分水器连接阳极气室的第一出口，分水器的排氧口连接所述氧气瓶；阴极气室的第二进口连接氮气瓶，氨纯化收集装置与阴极气室的第二出口连接，氨纯化收集装置包括氨处理单元、与氨处理单元连接的氨收集单元。合成氨的整个过程不直接产生氢气，结构紧凑、安全、工艺可靠；以氨为氢的载体，解决氢的制取、储存、运输问题。
Description
技术领域
本发明涉及合成氨技术领域，具体涉及一种电解型电化学合成氨的系统。
背景技术
氢能具有燃烧热值高、环保、利用形式多、可储能等特点，正逐渐被业内关注。相关数据显示，单位质量氢的热值约是煤炭的4倍，汽油的3.1倍，天然气的2.6倍。
从分类上看，氢分为绿氢、蓝氢和灰氢。国际公认绿氢最为干净，即通过来源于风能和太阳能的可再生能源电解水制取，突出特点是不排放碳，但发电成本较高；蓝氢较为干净，通过煤炭、天然气等化石燃料制取，但需运用CCUS(碳捕捉、利用和封存技术)实现碳中和；灰氢主要由煤炭、天然气、焦炉煤气、氯碱尾气制取，生产过程中排放大量二氧化碳，适用于市场发展初期。
目前充分利用绿色氢能是实现碳达峰碳中和目标的最优选择。利用氢能就要解决氢气的生产、储存、运输、利用等几大环节的关键问题。
氨(NH3)不仅是重要的化肥和化工原料，还是重要的清洁能源(氢)载体。氨的储氢容量为17.6％(质量分数)，能量密度可达300Wh/kg，是理想的储氢材料。此外，NH3作为能源载体还具有以下优势：首先，NH3易于运输和储存，适用于移动氢源，在室温压力为0.8MPa左右时，NH3可以液态形式储存，更适合于远距离运输；其次，NH3分解产物为N2和H2不会对环境造成其他污染；最后，NH3相对安全，不易爆炸。
通常，合成氨是在高温高压条件下将N2和H2催化合成制取的，条件苛刻，能耗高。
发明内容
本发明的目的是提供一种电解型电化学合成氨的系统，以解决高温高压条件下合成氨存在的条件苛刻、能耗高的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电解型电化学合成氨的系统，合成氨反应器、供水和氧气管理装置、氨纯化收集装置，合成氨反应器包括阳极气室、阴极气室、膜电极，阳极气室、阴极气室分别设有阳极、阴极；
供水和氧气管理装置包括供水单元、氧气管理单元，供水单元包括水箱与水箱连接的水泵，水泵连接有供水管，供水管连接所述阳极气室的第一进口；氧气管理单元包括分水器、氧气瓶，分水器连接阳极气室的第一出口，分水器的排氧口连接所述氧气瓶；
阴极气室的第二进口连接氮气瓶，氨纯化收集装置与阴极气室的第二出口连接，氨纯化收集装置包括氨处理单元、与氨处理单元连接的氨收集单元。
进一步优选，合成氨反应器包括至少两个合成单元，各合成单元串联，各合成单元均包括阳极气室、阴极气室、膜电极，各阳极气室共用一个所述的第一进口、第一出口，各阴极气室共用一个所述的第二进口、第二出口。
进一步优选，所述膜电极包括质子交换膜及涂覆在质子交换膜两侧的阳极催化剂、阴极催化剂，阳极催化剂采用铱基催化剂、阴极催化剂采用金基催化剂。
进一步优选，所述分水器的排水口通过分水阀与所述水箱连通，用于回水，分水器的出氧口与通过氧气处理管道连接氧气瓶，氧气处理管道上串设有氧气净化干燥器，氧气处理管道上于氧气净化干燥器与分水器之间设有第一氧气控制阀，氧气处理管道上于氧气净化干燥器与氧气瓶之间设有第二氧气控制阀。
进一步优选，氧气管理单元还包括与氧气管理管道并联的调压管道，调压管道上设有第三氧气控制阀，用于将过量氧气排向大气中。
进一步优选，所述分水器与水箱之间设有散热器。
进一步优选，第一氧气控制阀用于控制合成氨反应器中生成的氧气的压力，第二氧气控制阀用于对氧气瓶储存氧气的压力进行调节。
进一步优选，氨处理单元包括由合成氨反应器方向朝氨收集单元依次串接的第一氨控制阀、脱水器、第二氨控制阀、脱氮器、第三氨控制阀，脱氮器连接有氮气排放阀。
进一步优选，氨处理单元包括由合成氨反应器方向朝氨收集单元依次串接的第一氨控制阀、脱氮器、第三氨控制阀，脱氮器连接有氮气排放阀。
进一步优选，合成氨反应器在加压条件下进行，阴极气室内直接生成液氨。
本发明的有益效果：
(1)将电解水制氢的原理与氮气还原反应相结合，电化学制备氨，整个过程不直接产生氢气，结构紧凑、安全、工艺可靠；
(2)以氨为氢的载体，解决氢的制取、储存、运输问题，解决目前氢能利用方面的实际问题；
(3)电化学合成氨过程可以伴产并提供高质量氧气；
(4)电化学合成氨后处理为常用的物理过程，低耗，结构简单，工艺可靠，易于加工制造，适于大规模生产，应用场景广泛。
附图说明
图1是本发明一种电解型电化学合成氨的系统实施例1的示意图；
图2是本发明一种电解型电化学合成氨的系统实施例2的示意图。
图中各标记对应的名称：
1、合成氨反应器，2、直流电源，3、供水和氧气管理装置，31、水箱，32、水泵，33、分水器，34、分水阀，35、第一氧气控制阀，36、氧气净化干燥器,37、第二氧气控制阀，38、第三氧气控制阀，39、氧气瓶，4、氮气瓶，41、氮气控制阀，5、氨纯化收集装置，51、第一氨控制阀，52、脱水器，53、第二氨控制阀，54、脱氮器，55、氮气排放阀，56、第三氨控制阀，57、氨储罐。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1：
如图1所示，一种电解型电化学合成氨的系统，合成氨反应器1、供水和氧气管理装置3、氨纯化收集装置5，合成氨反应器1包括阳极气室、阴极气室、膜电极，阳极气室、阴极气室分别设有阳极、阴极，阳极、阴极用于连接直流电源。合成氨反应器包括至少两个合成单元，各合成单元串联叠设，各合成单元均包括阳极气室、阴极气室、膜电极，各阳极气室共用一个第一进口、第一出口，各阴极气室共用一个第二进口、第二出口，也即各阳极气室的进口相通，形成公共进口通道，各阴极气室的出口相通，形成公共出口通道。当然其他实施例中也可仅设置一个合成单元。
膜电极包括质子交换膜及涂覆在质子交换膜两侧的阳极催化剂、阴极催化剂，阳极催化剂采用铱基催化剂、阴极催化剂采用金基催化剂。本实施例中，采用Nafion质子交换膜，阳极、阴极采用的是镀铂钛板。
在阳极气室和阴极气室上还设有流场，以增加氢气和氮气的流通性，进一步提高传递和扩散效率；阳极气室和阳极催化剂之间、阴极气室和阴极催化剂之间还设有扩散层，扩散层一般由多孔、且非编织特性且具备大孔结构的碳基材或钛基材组成，基材经过PTFE疏水处理后，涂布单层或多层的微孔层，形成具有不同孔隙的多孔结构。通过设置扩散层，提高反应气体的扩散性，确保反应气体可快速且均匀的扩散至催化剂层，以进行电化学反应；扩散层还具有一定的疏水特性，避免液态水阻塞反应气体的扩散通道；扩散层还具导电性，利于电子传递。
供水和氧气管理装置3包括供水单元、氧气管理单元，供水单元包括水箱31与水箱31连接的水泵32，水泵32连接有供水管，供水管连接所述阳极气室的第一进口，水箱31内存储的是纯水，利用水泵32向阳极气室供水。
氧气管理单元包括分水器33、氧气瓶39，分水器33的一个口连接阳极气室的第一出口，阳极气室未反应的水及生成的氧气进入分水器33，分水器33将水和氧气分离。分水器33的排水口通过分水阀34与所述水箱31连通，用于回水，再次利用。分水阀34可以控制回水的通断。
进一步地，分水器33与水箱31之间设有散热器(未显示)，以实现对水的降温，即将从合成氨反应器中随水带出的热量散到周围环境中，对合成氨反应器的温度进行调节。散热器可以采用风冷方式，当然也可以采用水冷方式，用其他装有循环冷水的水管作为散热器，进行热交换。
分水器33的出氧口与通过氧气处理管道连接氧气瓶39，氧气处理管道上串设有氧气净化干燥器36，氧气处理管道上于氧气净化干燥器与分水器之间设有第一氧气控制阀35，氧气处理管道上于氧气净化干燥器与氧气瓶之间设有第二氧气控制阀37。第一氧气控制阀35用于控制合成氨反应器中生成的氧气的压力，第二氧气控制阀37用于对氧气瓶39储存氧气的压力进行调节，以适应不同压力的储存需求。氧气在氧气净化干燥器36中完成干燥和净化，氧气净化干燥器采用现有技术中的产品结构。
氧气管理单元还包括与氧气管理管道并联的调压管道，调压管道上设有第三氧气控制阀38，用于将过量氧气排向大气中，以平衡整个系统的压力，达到保护质子交换膜的目的。
阴极气室的第二进口连接氮气瓶4，氮气瓶4储存有高压氮气，经氮气控制阀进入合成氨反应器的阴极气室，在阴极电催化剂的作用下，发生氮的还原反应同时与由质子交换膜传导过来的氢质子生成氨气。本实施例中，氨气的压力较低，为0.5MPa。
氨纯化收集装置5与阴极气室的第二出口连接，氨纯化收集装置5包括氨处理单元、与氨处理单元连接的氨收集单元，采用氨储罐57作为氨收集单元。氨处理单元包括由合成氨反应器方向朝氨收集单元依次串接的第一氨控制阀51、脱水器52、第二氨控制阀53、脱氮器54、第三氨控制阀56，脱氮器连接有氮气排放阀55。
生成的氨气和未反应的氮气及少量水经第一氨控制阀51进入脱水器52，脱除的水在排水口排出，可以采用碱石灰等常用的方法，或者蒸馏法、吸附法，不再详述。脱水后的氨气经第二氨控制阀53进入脱氮器54，脱除的氮气经氮气排放阀55放至大气中或循环使用。脱除氮气后的氨气或液氨经第三氨控制阀56进入氨储罐57储存。脱氮器实现氨与氮的分离，通常采用降低温度和提高压力的方法，形成液态氨，氮气从脱氮器上脱除。
合成氨反应器中的膜电极两侧的压力相差不宜过大，压力相差过大会导致电解质膜(质子交换膜)破损，造成巨大损失，第一氧气控制阀35、第二氧气控制阀37、第三氧气控制阀38以及第一氨控制阀51、第二氨控制阀53、氮气排放阀55要配合协同调节，能够确保膜电极两侧的压力差控制在合理范围之内，确保电解质膜不破损。
本实施例中，电解型电化学合成氨的系统的原理再简单描述如下：
水箱31的纯水经水泵32输送至合成氨反应器1中的阳极气室，合成氨反应器的集流板连接直流电源2，直流电源2施加直流电，阳极气室可生成氧气，阴极气室可生成氨气，具体地，水在阳极电催化剂作用下解离为氢质子和氧离子，氧离子失去电子生成氧气，氧气和未反应的水一起从阳极气室出口也即上述的第一出口出来，进入分水器33，分离出来的氧气再经净化进入氧气瓶39储存；将氮气通入合成氨反应器1中的阴极气室入口也即上述的第二进口，在阴极电催化剂作用下，发生氮还原反应同时与由质子交换膜传导过来的氢质子生成氨；生成的氨和未反应的氮气还有少量水从合成氨反应器1的阴极出口出来，再经过脱水器52、脱氮器54的处理，实现氨-水分离、氨-氮分离、净化后氨气(液氨)储存在氨储罐57中。
实施例2：
如图2所示，与实施例1的区别在于氨处理单元的构成不同，氨处理单元包括由合成氨反应器方向朝氨收集单元依次串接的第一氨控制阀51、脱氮器54、第三氨控制阀56，脱氮器54连接有氮气排放阀55。
本实施例中，合成氨反应器在加压条件下进行，阳极气室和阴极气室内压力接近，则阳极气室生成2MPa氧气，阴极气室内直接生成液氨。控制好温度，不要因为阴极侧直接生成液氨，而导致阳极侧水结冰。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电解型电化学合成氨的系统，其特征在于：合成氨反应器、供水和氧气管理装置、氨纯化收集装置，合成氨反应器包括阳极气室、阴极气室、膜电极，阳极气室、阴极气室分别设有阳极、阴极；
供水和氧气管理装置包括供水单元、氧气管理单元，供水单元包括水箱与水箱连接的水泵，水泵连接有供水管，供水管连接所述阳极气室的第一进口；氧气管理单元包括分水器、氧气瓶，分水器连接阳极气室的第一出口，分水器的排氧口连接所述氧气瓶；
阴极气室的第二进口连接氮气瓶，氨纯化收集装置与阴极气室的第二出口连接，氨纯化收集装置包括氨处理单元、与氨处理单元连接的氨收集单元。
2.根据权利要求1所述的电解型电化学合成氨的系统，其特征在于：合成氨反应器包括至少两个合成单元，各合成单元串联，各合成单元均包括阳极气室、阴极气室、膜电极，各阳极气室共用一个所述的第一进口、第一出口，各阴极气室共用一个所述的第二进口、第二出口。
3.根据权利要求2所述的电解型电化学合成氨的系统，其特征在于：所述膜电极包括质子交换膜及涂覆在质子交换膜两侧的阳极催化剂、阴极催化剂，阳极催化剂采用铱基催化剂、阴极催化剂采用金基催化剂。
4.根据权利要求1所述的电解型电化学合成氨的系统，其特征在于：所述分水器的排水口通过分水阀与所述水箱连通，用于回水，分水器的出氧口与通过氧气处理管道连接氧气瓶，氧气处理管道上串设有氧气净化干燥器，氧气处理管道上于氧气净化干燥器与分水器之间设有第一氧气控制阀，氧气处理管道上于氧气净化干燥器与氧气瓶之间设有第二氧气控制阀。
5.根据权利要求4所述的电解型电化学合成氨的系统，其特征在于：氧气管理单元还包括与氧气管理管道并联的调压管道，调压管道上设有第三氧气控制阀，用于将过量氧气排向大气中。
6.根据权利要求4所述的电解型电化学合成氨的系统，其特征在于：所述分水器与水箱之间设有散热器。
7.根据权利要求4所述的电解型电化学合成氨的系统，其特征在于：第一氧气控制阀用于控制合成氨反应器中生成的氧气的压力，第二氧气控制阀用于对氧气瓶储存氧气的压力进行调节。
8.根据权利要求1所述的电解型电化学合成氨的系统，其特征在于：氨处理单元包括由合成氨反应器方向朝氨收集单元依次串接的第一氨控制阀、脱水器、第二氨控制阀、脱氮器、第三氨控制阀，脱氮器连接有氮气排放阀。
9.根据权利要求1所述的电解型电化学合成氨的系统，其特征在于：氨处理单元包括由合成氨反应器方向朝氨收集单元依次串接的第一氨控制阀、脱氮器、第三氨控制阀，脱氮器连接有氮气排放阀。
10.根据权利要求9所述的电解型电化学合成氨的系统，其特征在于：合成氨反应器在加压条件下进行，阴极气室内直接生成液氨。
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