CN115784256A - 一种利用生物质和太阳能的化学链连续制氨系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用生物质和太阳能的化学链连续制氨系统及方法。系统主要包括阀换热器、一氧化碳分离装置、一氧化碳收集装置、冷凝器、氨收集装置、太阳能光热反应器、菲涅尔透镜场、碳处理反应器。整个系统设置两个太阳能光热反应器，载氮体由金属氧化物和与其对应的金属氮化物组成。在太阳能光热反应器中，载氮体与氮气、多孔碳发生吸氮反应；向反应器通入空气，载氮体与空气发生脱碳反应；向反应器通入水蒸气，载氮体与水蒸气发生释氮反应，对生成物氨气进行收集。整个系统通过两个太阳能光热反应器在常压下，利用太阳能交替进行吸氮反应、脱碳反应和释氮反应，实现低能耗、低排放、高产率的连续制氨目的，实现资源高效利用。
Description
技术领域
本发明属于能源与化工技术领域，具体涉及一种利用生物质和太阳能的化学链连续制氨系统及方法。
背景技术
氨是一种重要的化工产品，是氮肥工业、有机合成工业以及制造硝酸、铵盐和纯碱的原料，同时也是一种常用的制冷剂，需求量巨大。并且氨能源作为一种环境友好、能量密度高、安全性高、运输和储存成本低的新型能源，既可作为一种富氢燃料直接使用，也可作为氢的能源载体，有着很广阔的发展前景。
目前，氨的生产工艺主要是Haber－Bosch工艺，具体是以煤为原料，通过煤气化得到H2，在高温(300～500℃)和高压(20.26～30.39MPa)环境中，高纯度的N2和H2在铁催化剂上发生反应合成氨。该工艺自身的缺点也比较明显，如工作压力高、能耗高、转化率低(10％～15％)，CO2排放量高。新型的合成氨方式有光催化合成氨和电催化合成氨，但由于对催化材料要求高、氨产率低等缺点，难以进行大规模的工业应用。
因此，氨的生产工艺最重要的是从原料出发，优化合成氨气技术路径，降低二氧化碳排放，减少生产成本，提高能源利用效率。
发明内容
本发明针对合成氨生产过程中二氧化碳排放高、能耗高、产氨效率低的问题，提出一种利用生物质和太阳能的化学链连续制氨系统及方法，该系统和方法是利用生物质作为碳源和太阳能光热作为热源的化学链连续制氨系统及方法，以降低合成氨的生产能耗和成本，实现环保、高效、可循环的氨合成。
一种利用生物质和太阳能的化学链连续制氨系统，包括碳处理反应器、粉末颗粒固体加料器、太阳能光热反应器、菲涅尔透镜场、换热器、三通阀、一氧化碳分离装置、一氧化碳收集装置、冷凝器、氨收集装置；碳处理反应器设置有生物质进料口、氮气进口、水蒸气进口和出料口，碳处理反应器的出料口和粉末颗粒固体加料器连接，粉末颗粒固体加料器和太阳能光热反应器连接，太阳能光热反应器还和水蒸气管道、空气管道和氮气管道连接；并且所述的利用生物质和太阳能的化学链连续制氨系统，包括的菲涅尔透镜场，用于对太阳能光热反应器加热；
太阳能光热反应器的出口和换热器的一个换热管路连通，再通过三通阀分别和一氧化碳分离装置和冷凝器连接，一氧化碳分离装置和一氧化碳收集装置连接，冷凝器和氨收集装置连接，水蒸气管道、空气管道和氮气管道中的一种或几种，和换热器的另一个换热管路连通。
进一步的，水蒸气管道、空气管道和氮气管道的通过泵汇集为总气体管路，该总气体管路和换热器的另一个换热管路连接。
氮气管道设置有两个阀门，分别为一号阀门和二号阀门
空气管道设置有两个阀门，分别为三号阀门和四号阀门。
水蒸气管道设置有两个阀门，分别为五号阀门和六号阀门。
其中，太阳能光热反应器内装有载氮体，载氮体包括金属氧化物和与其对应的金属氮化物，具体采用单元铝基载氮体(Al2O3/AlN)或单元钛基载氮体(TiO2/TiN)或双元铝-钛基载氮体(Al2O3/AlN和TiO2/TiN)，载氮体的平均粒度为5～100μm；
所述的利用生物质和太阳能的化学链连续制氨系统设置两个太阳能光热反应器，在每个太阳能光热反应器中，依次循环进行吸氮反应、脱碳反应和释氮反应，具体为：首先将碳处理反应器制备的多孔碳置于太阳能光热反应器中，并通入氮气，调整菲涅尔透镜的角度及高度，使太阳能光热反应器反应温度为1000～1650℃，金属氧化物发生吸氮反应，生成一氧化碳和金属氮化物，一氧化碳从产气中分离并收集；再通过调整阀门，向太阳能光热反应器中通入空气，调整菲涅尔透镜的角度及高度，使太阳能光热反应器反应温度为600～750℃，发生脱碳反应，去除太阳能光热反应器中未完全反应的碳；最后通过调整阀门，向太阳能光热反应器中通入水蒸气，调整菲涅尔透镜的角度及高度，使太阳能光热反应器反应温度为700～1200℃，金属氮化物发生释氮反应，生成金属氧化物和氨气，金属氧化物继续参与后续循环，氨气经过冷却并收集。所述的连续制氨系统通过两个太阳能光热反应器交替进行吸氮反应、脱碳反应和释氮反应，在一个反应器进行吸氮或脱碳反应时，另一个反应器进行释氮反应，达到低能耗、低排放、高产率的连续制氨目的。
所述的碳处理反应器可为固定床反应器或沸腾床反应器；碳处理反应器将生物质制成多孔碳，使吸氮反应的反应时间缩短，进而使吸氮和释氮反应的反应时间相匹配。
菲涅尔透镜场由若干聚焦方式为线聚焦的菲涅尔透镜组成；菲涅尔透镜场将太阳光聚焦到太阳能光热反应器侧壁的柱状玻璃体上进行加热，通过调节菲涅尔透镜的角度及高度来控制太阳能光热反应器的加热温度，具体的加热温度根据具体的反应需求进行调节。太阳能光热反应器内部可为固定床反应器或沸腾床反应器，内部设置有搅拌装置。
所述吸氮反应的反应温度为1000～1650℃，化学反应方程式为R1或R2：
Al2O3+3C+N2(g)＝2AlN+3CO(g) (R1)
2TiO2+4C+N2(g)＝2TiN+4CO(g) (R2)
所述释氮反应的反应温度为700～1200℃，化学反应方程式为R3或R4：
2AlN+3H2O(g)＝Al2O3+2NH3(g) (R3)
2TiN+4H2O(g)＝2TiO2+2NH3(g)+H2(g) (R4)
一种利用生物质和太阳能的化学链连续制氨系统的制氨方法，包括生物质的前处理步骤，单个反应器的吸氮反应、脱碳反应和释氮反应的依次循环的控制步骤。
生物质的前处理步骤将生物质制备成具有较高反应活性的多孔碳，多孔碳作为后续载氮体吸氮反应的反应原料，相较于直接使用生物质，提高了反应速率和碳的转化率。
1.生物质的前处理步骤包括：
步骤1：将生物质置于碳处理反应器中，打开七号阀门，向碳处理反应器中通入氮气，控制加热温度为300～500℃，加热时间为30～60min，过程产生的气体处理后排出。
步骤2：关闭七号阀门，停止向碳处理反应器中通入氮气，打开八号阀门，向碳处理反应器中通入水蒸气，控制加热温度为600～800℃，加热时间为40～80min，制备具有较高反应活性的多孔碳，过程产生的气体处理后排出。在太阳能光热反应器进行吸氮反应前，通过粉末颗粒固体加料器将多孔碳加入该太阳能光热反应器中。
通过控制一号阀门、三号阀门、五号阀门的开闭使一号太阳能光热反应器的吸氮反应、脱碳反应和释氮反应的循环进行。
2.一号太阳能光热反应器的控制步骤包括：
步骤1：开始时阀门均关闭，作为载氮体的氧化物置于一号太阳能光热反应器中。通过粉末颗粒固体加料器将多孔碳加入一号太阳能光热反应器中，控制多孔碳与载氮体的摩尔比为1：3～3：1，均匀搅拌。打开一号阀门，调整一号三通阀使一号换热器出口与一氧化碳分离装置入口相连，控制太阳能光热反应器的反应温度为1000～1650℃，一号太阳能光热反应器中发生吸氮反应，反应时间为30～60min，通过一氧化碳分离装置分离气体中的一氧化碳，其余气体处理后排出，通过一氧化碳收集装置收集一氧化碳。
步骤2：关闭一号阀门，打开三号阀门，向一号太阳能光热反应器中通入空气，控制太阳能光热反应器的反应温度为600～750℃，发生脱碳反应，将未完全反应的碳去除，反应时间为10～20min，通过一氧化碳分离装置分离气体中的一氧化碳，其余气体处理后排出，通过一氧化碳收集装置收集一氧化碳。
步骤3：待一号太阳能光热反应器中碳去除后，关闭三号阀门，打开五号阀门，调整一号三通阀使一号换热器出口与冷凝器入口相连，控制太阳能光热反应器的反应温度为800～1300℃，一号太阳能光热反应器中发生释氮反应，反应时间为40～80min，反应生成的氨气通过冷凝器进行冷却，其余气体处理后排出，通过氨收集装置收集液氨。
通过控制二号阀门、四号阀门、六号阀门的开闭使二号太阳能光热反应器的吸氮反应、脱碳反应和释氮反应的循环进行。
3.二号太阳能光热反应器的控制步骤包括：
步骤1：开始时阀门均关闭，载氮体的氧化物置于二号太阳能光热反应器中。通过粉末颗粒固体加料器将多孔碳加入二号太阳能光热反应器中，控制多孔碳与载氮体的摩尔比为1：3～3：1，均匀搅拌。打开二号阀门，调整二号三通阀使二号换热器出口与一氧化碳分离装置入口相连，控制太阳能光热反应器的反应温度为1000～1650℃，二号太阳能光热反应器中发生吸氮反应，反应时间为30～60min，通过一氧化碳分离装置分离气体中的一氧化碳，其余气体处理后排出，通过一氧化碳收集装置收集一氧化碳。
步骤2：关闭二号阀门，打开四号阀门，向二号太阳能光热反应器中通入空气，控制太阳能光热反应器的反应温度为600～750℃，发生脱碳反应，将未完全反应的碳去除，反应时间为10～20min，通过一氧化碳分离装置分离气体中的一氧化碳，其余气体处理后排出，通过一氧化碳收集装置收集一氧化碳。
步骤3：待二号太阳能光热反应器中碳去除后，关闭四号阀门，打开六号阀门，调整二号三通阀使二号换热器出口与冷凝器入口相连，控制太阳能光热反应器的反应温度为800～1300℃，二号太阳能光热反应器中发生释氮反应，反应时间为40～80min，反应生成的氨气通过冷凝器进行冷却，其余气体处理后排出，通过氨收集装置中收集液氨。
单个反应器的吸氮反应、脱碳反应和释氮反应的依次循环的控制步骤具体为：一号太阳能光热反应器依次进行吸氮反应和脱碳反应。一号太阳能光热反应器开始进行释氮反应时，二号太阳能光热反应器同时开始进行吸氮反应。一号和二号太阳能光热反应器按上述太阳能光热反应器的控制步骤，依次进行吸氮反应、脱碳反应和释氮反应的循环步骤，连续制氨循环开始。在制氨系统循环中，在一号太阳能光热反应器进行吸氮反应和脱碳反应时，二号太阳能光热反应器进行释氮反应；在二号太阳能光热反应器进行吸氮反应和脱碳反应时，一号太阳能光热反应器进行释氮反应，进而实现连续制氨过程。
本发明的有益效果为：
1.本发明采用化学链的方式，载氮体在循环内部连续利用，消耗的原料仅为生物质和水，工艺总成本约为采用煤炭及氢气的传统制备氨气工艺的18％。
2.本发明利用了太阳能成本低、可持续、无污染的特点，将太阳能光热反应器作为载氮体进行吸氮反应和释氮反应的反应器，先将太阳能转化为热能，后将热能转化为化学能；在整个循环中，利用生成气体的余热对进入反应器的气体进行预热，降低了系统能耗。
3.整个循环过程中，仅在将生物质前处理步骤中会产生少量的二氧化碳，在吸氮反应和释氮反应中不产生二氧化碳气体，降低了二氧化碳排放。
4.采用铝基和钛基的双元金属载氮体，协同发挥铝基载氮体对氮的运输能力高和钛基载氮体反应温度低的优势。通过适当改变载氮体与碳的摩尔比，在释氮反应中，发挥Al2O3和TiO2对高温氨气分解的抑制作用，提高氨气的产量。
附图说明
图1为本发明利用生物质和太阳能的化学链制氨系统示意图，其中，
1-一号阀门、2-二号阀门、3-三号阀门、4-四号阀门、5-五号阀门、6-六号阀门、7-一号泵、8-二号泵、9-一号换热器、10-一号三通阀、11-一氧化碳分离装置、12-一氧化碳收集装置、13-冷凝器、14-氨收集装置、15-二号换热器、16-二号三通阀、17-一号太阳能光热反应器、18-菲涅尔透镜场、19-二号太阳能光热反应器、20-七号阀门、21-八号阀门、22-碳处理反应器、23-粉末颗粒固体加料器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种利用生物质和太阳能的化学链连续制氨系统，包括阀门、泵、换热器、三通阀、一氧化碳分离装置、一氧化碳收集装置、冷凝器、氨收集装置、太阳能光热反应器、菲涅尔透镜场、粉末颗粒固体加料器、碳处理反应器。所述太阳能光热反应器内装有载氮体。载氮体由金属氧化物和与其对应的金属氮化物组成，具体采用单元铝基载氮体(Al2O3/AlN)或单元钛基载氮体(TiO2/TiN)或双元铝-钛基载氮体(Al2O3/AlN和TiO2/TiN)，所述载氮体的平均粒度为5～100μm。所述一种利用生物质和太阳能的化学链连续制氨系统设置两个太阳能光热反应器，在每个反应器中，依次循环进行吸氮反应、脱碳反应和释氮反应，具体为：首先将多孔碳置于太阳能光热反应器中，并通入氮气，调整菲涅尔透镜的角度及高度，使太阳能光热反应器反应温度为1000～1650℃，金属氧化物发生吸氮反应，生成一氧化碳和金属氮化物，一氧化碳从产气中分离并收集；再通过调整阀门，向太阳能光热反应器中通入空气，调整菲涅尔透镜的角度及高度，使太阳能光热反应器反应温度为600～750℃，发生脱碳反应，去除太阳能光热反应器中未完全反应的碳；最后通过调整阀门，向太阳能光热反应器中通入水蒸气，调整菲涅尔透镜的角度及高度，使太阳能光热反应器反应温度为700～1200℃，金属氮化物发生释氮反应，生成金属氧化物和氨气，金属氧化物继续参与后续循环，氨气经过冷却并收集。所述一种利用生物质和太阳能的化学链连续制氨系统通过两个太阳能光热反应器交替进行吸氮反应、脱碳反应和释氮反应，在一个反应器进行吸氮或脱碳反应时，另一个反应器进行释氮反应，达到低能耗、低排放、高产率的连续制氨目的。
一种利用生物质和太阳能的化学链连续制氨系统的制氨方法，包括生物质的前处理步骤，单个反应器的吸氮反应、脱碳反应和释氮反应的依次循环的控制步骤和制氨系统的启动步骤。
生物质的前处理步骤将生物质制备成具有较高反应活性的多孔碳，多孔碳作为后续载氮体吸氮反应的反应原料，相较于直接使用生物质，提高了反应速率和碳的转化率。生物质的前处理步骤包括：
步骤1：将生物质置于碳处理反应器中，打开七号阀门，向碳处理反应器中通入氮气，控制加热温度为300～500℃，加热时间为30～60min，过程产生的气体处理后排出。
步骤2：关闭七号阀门，停止向碳处理反应器中通入氮气，打开八号阀门，向碳处理反应器中通入水蒸气，控制加热温度为600～800℃，加热时间为40～80min，制备具有较高反应活性的多孔碳，过程产生的气体处理后排出。在太阳能光热反应器进行吸氮反应前，通过粉末颗粒固体加料器将多孔碳加入该太阳能光热反应器中。
通过控制一号阀门1、三号阀门3、五号阀门5的开闭使一号太阳能光热反应器的吸氮反应、脱碳反应和释氮反应的循环进行，对于一号太阳能光热反应器的控制步骤包括：
步骤1：开始时阀门均关闭，作为载氮体的氧化物置于一号太阳能光热反应器中。通过粉末颗粒固体加料器将多孔碳加入一号太阳能光热反应器中，控制多孔碳与载氮体的摩尔比为1：3～3：1，均匀搅拌。打开一号阀门，调整一号三通阀使一号换热器出口与一氧化碳分离装置入口相连，控制反应温度为1000～1650℃，一号太阳能光热反应器中发生吸氮反应，反应时间为30～60min，通过一氧化碳分离装置分离气体中的一氧化碳，其余气体处理后排出，通过一氧化碳收集装置收集一氧化碳。
步骤2：关闭一号阀门，打开三号阀门，向一号太阳能光热反应器中通入空气，控制加热温度为600～750℃，将未完全反应的碳去除，反应时间为10～20min，通过一氧化碳分离装置分离气体中的一氧化碳，其余气体处理后排出，通过一氧化碳收集装置收集一氧化碳。
步骤3：待一号太阳能光热反应器中碳去除后，关闭三号阀门，打开五号阀门，调整一号三通阀使一号换热器出口与冷凝器入口相连，控制反应温度为800～1300℃，一号太阳能光热反应器中发生释氮反应，反应时间为40～80min，反应生成的氨气通过冷凝器进行冷却，其余气体处理后排出，通过氨收集装置收集液氨。
通过控制二号阀门、四号阀门、六号阀门的开闭使二号太阳能光热反应器的吸氮反应、脱碳反应和释氮反应的循环进行，对于二号太阳能光热反应器的控制步骤包括：
步骤1：开始时阀门均关闭，载氮体的氧化物置于二号太阳能光热反应器中。通过粉末颗粒固体加料器将多孔碳加入二号太阳能光热反应器中，控制多孔碳与载氮体的摩尔比为1：3～3：1，均匀搅拌。打开二号阀门，调整二号三通阀使二号换热器出口与一氧化碳分离装置入口相连，控制反应温度为1000～1650℃，二号太阳能光热反应器中发生吸氮反应，反应时间为30～60min，通过一氧化碳分离装置分离气体中的一氧化碳，其余气体处理后排出，通过一氧化碳收集装置收集一氧化碳。
步骤2：关闭二号阀门，打开四号阀门，向二号太阳能光热反应器中通入空气，控制加热温度为600～750℃，将未完全反应的碳去除，反应时间为10～20min，通过一氧化碳分离装置分离气体中的一氧化碳，其余气体处理后排出，通过一氧化碳收集装置收集一氧化碳。
步骤3：待二号太阳能光热反应器中碳去除后，关闭四号阀门，打开六号阀门，调整二号三通阀使二号换热器出口与冷凝器入口相连，控制反应温度为800～1300℃，二号太阳能光热反应器中发生释氮反应，反应时间为40～80min，反应生成的氨气通过冷凝器进行冷却，其余气体处理后排出，通过氨收集装置中收集液氨。
制氨系统的启动步骤包括：
步骤1：一号太阳能光热反应器依次进行吸氮反应和脱碳反应。
步骤2：一号太阳能光热反应器开始进行释氮反应时，二号太阳能光热反应器同时开始进行吸氮反应。一号和二号太阳能光热反应器按上述太阳能光热反应器的控制步骤，依次进行吸氮反应、脱碳反应和释氮反应的循环步骤，连续制氨循环开始。在制氨系统循环中，在一号太阳能光热反应器进行吸氮反应和脱碳反应时，二号太阳能光热反应器进行释氮反应；在二号太阳能光热反应器进行吸氮反应和脱碳反应时，一号太阳能光热反应器进行释氮反应，进而实现连续制氨过程。
实施例1：
一种利用生物质和太阳能的化学链连续制氨系统，生物质采用花生壳，载氮体采用单元Al2O3/AlN载氮体。载氮体与多孔碳、氮气发生吸氮反应，反应温度为1500℃，反应时间为30min，载氮体转化率为85％。载氮体与水蒸气发生释氮反应，反应温度为1100℃，反应时间为40min，载氮体转化率为98％。一种利用生物质和太阳能的化学链连续制氨系统的制氨方法具体包括生物质的前处理步骤，单个反应器的吸氮反应、脱碳反应和释氮反应的依次循环的控制步骤和制氨系统的启动步骤。
生物质的前处理步骤包括：
步骤1：将花生壳置于碳处理反应器22中，打开七号阀门20，向碳处理反应器22中通入氮气，控制加热温度为450℃，加热时间为50min，过程产生的气体处理后排出。
步骤2：关闭七号阀门20，停止向碳处理反应器22中通入氮气，打开八号阀门21，向碳处理反应器22中通入水蒸气，控制加热温度为700℃，加热时间为60min，制备具有较高反应活性的多孔碳，过程产生的气体处理后排出。在一号太阳能光热反应器17和二号太阳能光热反应器19进行吸氮反应前，通过粉末颗粒固体加料器23将多孔碳加入该太阳能光热反应器中。
对于一号太阳能光热反应器17的控制步骤包括：
步骤1：开始时阀门均关闭，作为载氮体的氧化物置于一号太阳能光热反应器17中。通过粉末颗粒固体加料器23将多孔碳加入一号太阳能光热反应器17中，控制多孔碳与载氮体的摩尔比为1：2，均匀搅拌。打开一号阀门1，调整一号三通阀10使一号换热器9出口与一氧化碳分离装置11入口相连，控制反应温度为1500℃，一号太阳能光热反应器17中发生吸氮反应，反应时间为30min，通过一氧化碳分离装置11分离气体中的一氧化碳，其余气体处理后排出，通过一氧化碳收集装置12收集一氧化碳。
步骤2：关闭一号阀门1，打开三号阀门3，向一号太阳能光热反应器17中通入空气，控制加热温度为700℃，将未完全反应的碳去除，反应时间为10min，通过一氧化碳分离装置11分离气体中的一氧化碳，其余气体处理后排出，通过一氧化碳收集装置12收集一氧化碳。
步骤3：待一号太阳能光热反应器17中碳去除后，关闭三号阀门3，打开五号阀门5，调整一号三通阀10使一号换热器9出口与冷凝器13入口相连，控制反应温度为1100℃，一号太阳能光热反应器17中发生释氮反应，反应时间为40min，反应生成的氨气通过冷凝器13进行冷却，其余气体处理后排出，通过氨收集装置14中收集液氨。
对于二号太阳能光热反应器19的控制步骤包括：
步骤1：开始时阀门均关闭，载氮体的氧化物置于二号太阳能光热反应器19中。通过粉末颗粒固体加料器23将多孔碳加入二号太阳能光热反应器19中，控制多孔碳与载氮体的摩尔比为1：2，均匀搅拌。打开二号阀门2，调整二号三通阀16使二号换热器15出口与一氧化碳分离装置11入口相连，控制反应温度为1500℃，二号太阳能光热反应器19中发生吸氮反应，反应时间为30min，通过一氧化碳分离装置11分离气体中的一氧化碳，其余气体处理后排出，通过一氧化碳收集装置12收集一氧化碳。
步骤2：关闭二号阀门2，打开四号阀门4，向二号太阳能光热反应器19中通入空气，控制加热温度为700℃，将未完全反应的碳去除，反应时间为10min，通过一氧化碳分离装置11分离气体中的一氧化碳，其余气体处理后排出，通过一氧化碳收集装置12收集一氧化碳。
步骤3：待二号太阳能光热反应器19中碳去除后，关闭四号阀门4，打开六号阀门6，调整二号三通阀16使二号换热器15出口与冷凝器13入口相连，控制反应温度为1100℃，二号太阳能光热反应器19中发生释氮反应，反应时间为40min，反应生成的氨气通过冷凝器13进行冷却，其余气体处理后排出，通过氨收集装置14收集液氨。
制氨系统的启动步骤包括：
步骤1：一号太阳能光热反应器17依次进行吸氮反应和脱碳反应。
步骤2：一号太阳能光热反应器17开始进行释氮反应时，二号太阳能光热反应器19同时开始进行吸氮反应。一号和二号太阳能光热反应器按上述太阳能光热反应器的控制步骤，依次进行吸氮反应、脱碳反应和释氮反应的循环步骤，连续制氨循环开始。在制氨系统循环中，在一号太阳能光热反应器17进行吸氮反应和脱碳反应时，二号太阳能光热反应器19进行释氮反应；在二号太阳能光热反应器19进行吸氮反应和脱碳反应时，一号太阳能光热反应器17进行释氮反应，进而实现连续制氨过程。
实施例2：
一种利用生物质和太阳能的化学链连续制氨系统，生物质采用椰壳，载氮体采用单元TiO2/TiN载氮体。载氮体与多孔碳、氮气发生吸氮反应，反应温度为1100℃，反应时间为40min，载氮体转化率为73％。载氮体与水蒸气发生释氮反应，反应温度为800℃，反应时间为50min，载氮体转化率为90％。一种利用生物质和太阳能的化学链连续制氨系统的制氨方法具体包括生物质的前处理步骤，单个反应器的吸氮反应、脱碳反应和释氮反应的依次循环的控制步骤和制氨系统的启动步骤。
生物质的前处理步骤包括：
步骤1：将椰壳置于碳处理反应器22中，打开七号阀门20，向碳处理反应器22中通入氮气，控制加热温度为400℃，加热时间为40min，过程产生的气体处理后排出。
步骤2：关闭七号阀门20，停止向碳处理反应器22中通入氮气，打开八号阀门21，向碳处理反应器22中通入水蒸气，控制加热温度为700℃，加热时间为60min，制备具有较高反应活性的多孔碳，过程产生的气体处理后排出。在一号太阳能光热反应器和二号太阳能光热反应器进行吸氮反应前，通过粉末颗粒固体加料器23将多孔碳加入该太阳能光热反应器中。
对于一号太阳能光热反应器17的控制步骤包括：
步骤1：开始时阀门均关闭，作为载氮体的氧化物置于一号太阳能光热反应器17中。通过粉末颗粒固体加料器23将多孔碳加入一号太阳能光热反应器17中，控制多孔碳与载氮体的摩尔比为1：1，均匀搅拌。打开一号阀门1，调整一号三通阀10使一号换热器9出口与一氧化碳分离装置11入口相连，控制反应温度为1100℃，一号太阳能光热反应器17中发生吸氮反应，反应时间为40min，通过一氧化碳分离装置11分离气体中的一氧化碳，其余气体处理后排出，通过一氧化碳收集装置12收集一氧化碳。
步骤2：关闭一号阀门1，打开三号阀门3，向一号太阳能光热反应器17中通入空气，控制加热温度为700℃，将未完全反应的碳去除，反应时间为10min，通过一氧化碳分离装置11分离气体中的一氧化碳，其余气体处理后排出，通过一氧化碳收集装置12收集一氧化碳。
步骤3：待一号太阳能光热反应器17中碳去除后，关闭三号阀门3，打开五号阀门5，调整一号三通阀10使一号换热器9出口与冷凝器13入口相连，控制反应温度为800℃，一号太阳能光热反应器17中发生释氮反应，反应时间为50min，反应生成的氨气通过冷凝器13进行冷却，其余气体处理后排出，通过氨收集装置14收集液氨。
对于二号太阳能光热反应器19的控制步骤包括：
步骤1：开始时阀门均关闭，载氮体的氧化物置于二号太阳能光热反应器中。通过粉末颗粒固体加料器将多孔碳加入二号太阳能光热反应器中，控制多孔碳与载氮体的摩尔比为1：2，均匀搅拌。打开二号阀门，调整二号三通阀使二号换热器出口与一氧化碳分离装置入口相连，控制反应温度为1500℃，二号太阳能光热反应器中发生吸氮反应，反应时间为30min，通过一氧化碳分离装置分离气体中的一氧化碳，其余气体处理后排出，通过一氧化碳收集装置收集一氧化碳。
步骤2：关闭二号阀门，打开四号阀门，向二号太阳能光热反应器19中通入空气，控制加热温度为700℃，将未完全反应的碳去除，反应时间为10min，通过一氧化碳分离装置11分离气体中的一氧化碳，其余气体处理后排出，通过一氧化碳收集装置12收集一氧化碳。
步骤3：待二号太阳能光热反应器19中碳去除后，关闭四号阀门4，打开六号阀门6，调整二号三通阀16使二号换热器15出口与冷凝器13入口相连，控制反应温度为800℃，二号太阳能光热反应器19中发生释氮反应，反应时间为50min，反应生成的氨气通过冷凝器13进行冷却，其余气体处理后排出，通过氨收集装置14收集液氨。
制氨系统的启动步骤包括：
步骤1：一号太阳能光热反应器17依次进行吸氮反应和脱碳反应。
步骤2：一号太阳能光热反应器17开始进行释氮反应时，二号太阳能光热反应器19同时开始进行吸氮反应。一号和二号太阳能光热反应器按上述太阳能光热反应器的控制步骤，依次进行吸氮反应、脱碳反应和释氮反应的循环步骤，连续制氨循环开始。在制氨系统循环中，在一号太阳能光热反应器17进行吸氮反应和脱碳反应时，二号太阳能光热反应器19进行释氮反应；在二号太阳能光热反应器19进行吸氮反应和脱碳反应时，一号太阳能光热反应器17进行释氮反应，进而实现连续制氨过程。
实施例3：一种利用生物质和太阳能的化学链连续制氨系统，生物质采用稻壳，载氮体采用双元Al2O3/AlN和TiO2/TiN载氮体，其中Al2O3与TiO2的摩尔比为1：1。载氮体与多孔碳、氮气发生吸氮反应，反应温度为1250℃，反应时间为35min，载氮体转化率为80％。载氮体与水蒸气发生释氮反应，反应温度为950℃，反应时间为45min，载氮体转化率为94％。一种利用生物质和太阳能的化学链连续制氨系统的制氨方法具体包括生物质的前处理步骤，单个反应器的吸氮反应、脱碳反应和释氮反应的依次循环的控制步骤和制氨系统的启动步骤。
生物质的前处理步骤包括：
步骤1：将稻壳置于碳处理反应器中22，打开七号阀门20，向碳处理反应器22中通入氮气，控制加热温度为500℃，加热时间为35min，过程产生的气体处理后排出。
步骤2：关闭七号阀门20，停止向碳处理反应器22中通入氮气，打开八号阀门21，向碳处理反应器22中通入水蒸气，控制加热温度为700℃，加热时间为60min，制备具有较高反应活性的多孔碳，过程产生的气体处理后排出。在一号太阳能光热反应器17和二号太阳能光热反应器进行吸氮反应前，通过粉末颗粒固体加料器23将多孔碳加入该太阳能光热反应器中。
对于一号太阳能光热反应器17的控制步骤包括：
步骤1：开始时阀门均关闭，作为载氮体的氧化物置于一号太阳能光热反应器17中。通过粉末颗粒固体加料器23将多孔碳加入一号太阳能光热反应器17中，控制多孔碳与载氮体的摩尔比为1：1，均匀搅拌。打开一号阀门1，调整一号三通阀10使一号换热器9出口与一氧化碳分离装置11入口相连，控制反应温度为1250℃，一号太阳能光热反应器17中发生吸氮反应，反应时间为35min，通过一氧化碳分离装置11分离气体中的一氧化碳，其余气体处理后排出，通过一氧化碳收集装置12收集一氧化碳。
步骤2：关闭一号阀门1，打开三号阀门3，向一号太阳能光热反应器17中通入空气，控制加热温度为700℃，将未完全反应的碳去除，反应时间为10min，通过一氧化碳分离装置11分离气体中的一氧化碳，其余气体处理后排出，通过一氧化碳收集装置12收集一氧化碳。
步骤3：待一号太阳能光热反应器17中碳去除后，关闭三号阀门3，打开五号阀门5，调整一号三通阀10使一号换热器9出口与冷凝器13入口相连，控制反应温度为950℃，一号太阳能光热反应器17中发生释氮反应，反应时间为45min，反应生成的氨气通过冷凝器13进行冷却，其余气体处理后排出，通过氨收集装置14收集液氨。
对于二号太阳能光热反应器19的控制步骤包括：
步骤1：开始时阀门均关闭，载氮体的氧化物置于二号太阳能光热反应器19中。通过粉末颗粒固体加料器23将多孔碳加入二号太阳能光热反应器19中，控制多孔碳与载氮体的摩尔比为1：2，均匀搅拌。打开二号阀门2，调整二号三通阀16使二号换热器15出口与一氧化碳分离装置入口相连，控制反应温度为1250℃，二号太阳能光热反应器19中发生吸氮反应，反应时间为35min，通过一氧化碳分离装置11分离气体中的一氧化碳，其余气体处理后排出，通过一氧化碳收集装置12收集一氧化碳。
步骤2：关闭二号阀门2，打开四号阀门4，向二号太阳能光热反应器19中通入空气，控制加热温度为700℃，将未完全反应的碳去除，反应时间为10min，通过一氧化碳分离装置11分离气体中的一氧化碳，其余气体处理后排出，通过一氧化碳收集装置12收集一氧化碳。
步骤3：待二号太阳能光热反应器19中碳去除后，关闭四号阀门4，打开六号阀门6，调整二号三通阀16使二号换热器15出口与冷凝器13入口相连，控制反应温度为950℃，二号太阳能光热反应器19中发生释氮反应，反应时间为45min，反应生成的氨气通过冷凝器13进行冷却，其余气体处理后排出，通过氨收集装置14收集液氨。
制氨系统的启动步骤包括：
步骤1：一号太阳能光热反应器17依次进行吸氮反应和脱碳反应。
步骤2：一号太阳能光热反应器17开始进行释氮反应时，二号太阳能光热反应器19同时开始进行吸氮反应。一号和二号太阳能光热反应器按上述太阳能光热反应器的控制步骤，依次进行吸氮反应、脱碳反应和释氮反应的循环步骤，连续制氨循环开始。在制氨系统循环中，在一号太阳能光热反应器17进行吸氮反应和脱碳反应时，二号太阳能光热反应器19进行释氮反应；在二号太阳能光热反应器19进行吸氮反应和脱碳反应时，一号太阳能光热反应器17进行释氮反应，进而实现连续制氨过程。
Claims (10)
1.一种利用生物质和太阳能的化学链连续制氨系统，其特征在于，包括碳处理反应器、粉末颗粒固体加料器、太阳能光热反应器、菲涅尔透镜场、换热器、三通阀、一氧化碳分离装置、一氧化碳收集装置、冷凝器、氨收集装置；所述的碳处理反应器设置有生物质进料口、氮气进口、水蒸气进口和出料口；所述的碳处理反应器的出料口和粉末颗粒固体加料器连接，粉末颗粒固体加料器和太阳能光热反应器连接，太阳能光热反应器还和水蒸气管道、空气管道和氮气管道连接；所述的菲涅尔透镜场，用于对太阳能光热反应器加热。
2.根据权利要求1所述的利用生物质和太阳能的化学链连续制氨系统，其特征在于，所述的太阳能光热反应器的出口和换热器的一个换热管路连通，再通过三通阀分别和一氧化碳分离装置和冷凝器连接，所述的一氧化碳分离装置和一氧化碳收集装置连接，所述的冷凝器和氨收集装置连接。
3.根据权利要求1所述的利用生物质和太阳能的化学链连续制氨系统，其特征在于，所述的水蒸气管道、空气管道和氮气管道中的一种或几种，和换热器的另一个换热管路连通；所述的水蒸气管道、空气管道和氮气管道通过泵汇集为总气体管路，所述的总气体管路和换热器的另一个换热管路连接。
4.根据权利要求1所述的利用生物质和太阳能的化学链连续制氨系统，其特征在于，所述的太阳能光热反应器内装有载氮体，所述的载氮体包括金属氧化物和与金属氧化物对应的金属氮化物，采用单元铝基载氮体(Al2O3/AlN)或单元钛基载氮体(TiO2/TiN)或双元铝-钛基载氮体(Al2O3/AlN和TiO2/TiN)，所述的载氮体的平均粒度为5～100μm。
5.根据权利要求1所述的利用生物质和太阳能的化学链连续制氨系统，其特征在于，所述的利用生物质和太阳能的化学链连续制氨系统设有两个太阳能光热反应器，所述的太阳能光热反应器内部为固定床反应器或沸腾床反应器，所述的碳处理反应器为固定床反应器或沸腾床反应器；所述的菲涅尔透镜场由若干聚焦方式为线聚焦的菲涅尔透镜组成，内部设置有搅拌装置。
6.一种利用生物质和太阳能的化学链连续制氨的方法，采用权利要求1所述的系统，其特征在于，包括生物质的前处理步骤，一号太阳能光热反应器和二号太阳能光热反应器的吸氮反应、脱碳反应和释氮反应的依次循环的控制步骤。
7.根据权利要求6所述的一种利用生物质和太阳能的化学链连续制氨的方法，其特征在于，所述的生物质的前处理步骤包括：
步骤1：将生物质置于碳处理反应器中，向碳处理反应器中通入氮气，加热温度为300～500℃，加热时间为30～60min，过程产生的气体处理后排出；
步骤2：停止向碳处理反应器中通入氮气，向碳处理反应器中通入水蒸气，加热温度为600～800℃，加热时间为40～80min，过程产生的气体处理后排出；
在太阳能光热反应器进行吸氮反应前，通过粉末颗粒固体加料器将多孔碳加入太阳能光热反应器中；
通过控制一号阀门、三号阀门、五号阀门的开闭使一号太阳能光热反应器的吸氮反应、脱碳反应和释氮反应的循环进行。
8.根据权利要求6所述的一种利用生物质和太阳能的化学链连续制氨的方法，其特征在于，所述的一号太阳能光热反应器的控制步骤包括：
步骤1：开始时阀门均关闭，作为载氮体的氧化物置于一号太阳能光热反应器中；通过粉末颗粒固体加料器将多孔碳加入一号太阳能光热反应器中，控制多孔碳与载氮体的摩尔比为1：3～3：1，均匀搅拌；打开一号阀门，调整一号三通阀使一号换热器出口与一氧化碳分离装置入口相连，控制太阳能光热反应器的反应温度为1000～1650℃，一号太阳能光热反应器中发生吸氮反应，反应时间为30～60min，通过一氧化碳分离装置分离气体中的一氧化碳，其余气体处理后排出，通过一氧化碳收集装置收集一氧化碳；
步骤2：关闭一号阀门，打开三号阀门，向一号太阳能光热反应器中通入空气，控制太阳能光热反应器的反应温度为600～750℃，发生脱碳反应，将未完全反应的碳去除，反应时间为10～20min，通过一氧化碳分离装置分离气体中的一氧化碳，其余气体处理后排出，通过一氧化碳收集装置收集一氧化碳；
步骤3：待一号太阳能光热反应器中碳去除后，关闭三号阀门，打开五号阀门，调整一号三通阀使一号换热器出口与冷凝器入口相连，控制太阳能光热反应器的反应温度为800～1300℃，一号太阳能光热反应器中发生释氮反应，反应时间为40～80min，反应生成的氨气通过冷凝器进行冷却，其余气体处理后排出，通过氨收集装置收集液氨；
通过控制二号阀门、四号阀门、六号阀门的开闭使二号太阳能光热反应器的吸氮反应、脱碳反应和释氮反应的循环进行。
9.根据权利要求6所述的一种利用生物质和太阳能的化学链连续制氨的方法，其特征在于，所述的二号太阳能光热反应器的控制步骤包括：
步骤1：开始时阀门均关闭，载氮体的氧化物置于二号太阳能光热反应器中；通过粉末颗粒固体加料器将多孔碳加入二号太阳能光热反应器中，控制多孔碳与载氮体的摩尔比为1：3～3：1，均匀搅拌；打开二号阀门，调整二号三通阀使二号换热器出口与一氧化碳分离装置入口相连，控制太阳能光热反应器的反应温度为1000～1650℃，二号太阳能光热反应器中发生吸氮反应，反应时间为30～60min，通过一氧化碳分离装置分离气体中的一氧化碳，其余气体处理后排出，通过一氧化碳收集装置收集一氧化碳；
步骤2：关闭二号阀门，打开四号阀门，向二号太阳能光热反应器中通入空气，控制太阳能光热反应器的反应温度为600～750℃，发生脱碳反应，将未完全反应的碳去除，反应时间为10～20min，通过一氧化碳分离装置分离气体中的一氧化碳，其余气体处理后排出，通过一氧化碳收集装置收集一氧化碳；
步骤3：待二号太阳能光热反应器中碳去除后，关闭四号阀门，打开六号阀门，调整二号三通阀使二号换热器出口与冷凝器入口相连，控制太阳能光热反应器的反应温度为800～1300℃，二号太阳能光热反应器中发生释氮反应，反应时间为40～80min，反应生成的氨气通过冷凝器进行冷却，其余气体处理后排出，通过氨收集装置中收集液氨。
10.根据权利要求1所述的利用生物质和太阳能的化学链连续制氨系统，其特征在于，在制氨系统循环中，在一号太阳能光热反应器进行吸氮反应和脱碳反应时，二号太阳能光热反应器进行释氮反应；在二号太阳能光热反应器进行吸氮反应和脱碳反应时，一号太阳能光热反应器进行释氮反应，进而实现连续制氨过程。
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| CN116459835A (zh) * | 2023-04-24 | 2023-07-21 | 华中科技大学 | 一种Co-Fe基光热氧载体及其制备方法和应用 |
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- 2022-11-30 CN CN202211514941.8A patent/CN115784256A/zh active Pending
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