CN216678196U - 一种分布式固氮系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种分布式固氮系统，属于固氮技术领域，所述固氮系统包括依次连接的空气供应装置(1)、第一合成反应器(2)、第一合成反应器产物处理装置(3)、第二合成反应器(4)和第二合成反应器产物处理装置(5)；第二合成反应器(4)包括流动电化学反应器，第二合成反应器产物处理装置(5)包括合成液肥的浓缩/稀释装置(51)、合成固肥的结晶装置(52)以及合成燃料的分离装置(53)。固氮系统创新地以空气为原料，先在等离子体和催化剂协同作用下合成氧化氮，再利用电催化及通过电解液调控直接合成所需的氮肥，或者对含氨的电解液做进一步处理后获得燃料氨，或者直接利用氧化氮制备硝酸，具有同时产出多种产品的特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及固氮技术领域，尤其涉及一种分布式固氮系统。
背景技术
固氮，在传统意义上是指将大气中普遍存在的氮气转化为可进一步深加工的氨的过程。氨是各种氮肥的基本原料，也是各种化学工业制品的前驱体，全球每年对氨的需求数以亿吨计。此外，氨也是潜在的绿色燃料。当下，几乎100％的工业用氨均由哈伯法工艺及其改进工艺生产。哈伯法的主要特征是，以天然气或煤制氢气和空分氮气为原料，在催化剂存在的高温(300-500℃)高压(20-25MPa)反应器内直接合成氨，利用气体分离装置对合成尾气进行分离提纯，并对氨气进行压缩或冷冻液化，然后获得易储存运输的液态氨产品。哈伯法工厂氨年产能基本都在十几万吨至几十万吨之间，投资在几十亿水平，是典型的资金密集的大型化工厂。虽然哈伯法生产能耗较低 (0.52-0.81MJ/mol-NH3)，生产效率高(10-15％)，但是天然气制氢或煤制氢过程产生大量温室气体二氧化碳，在全球碳减排和碳中和政策下，这是哈伯法工艺最突出的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服传统固氮工艺存在的问题，提供了一种固氮系统。
本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：
主要提供一种分布式固氮系统，所述固氮系统包括依次连接的空气供应装置、用于合成氧化氮的第一合成反应器、第一合成反应器产物处理装置、用于合成氨的第二合成反应器和第二合成反应器产物处理装置；所述第二合成反应器包括流动电化学反应器，所述第二合成反应器产物处理装置包括合成液肥的浓缩/稀释装置、合成固肥的结晶装置以及合成燃料的分离装置。
作为一选项，一种分布式固氮系统，所述第二合成反应器包括依次连接的第一腔室、第二腔室、第三腔室和用于提供电解液的补液罐，所述补液罐分别与所述第二腔室、第三腔室连接，所述第二腔室中设有第一电极，所述第三腔室中设有第二电极。
作为一选项，一种分布式固氮系统，所述固氮系统还包括光伏电站，所述第一电极、第二电极均与所述光伏电站连接。
作为一选项，一种分布式固氮系统，所述第一腔室和第二腔室之间设有隔绝水溶液但允许气体通过的第一隔膜，第二腔室和第三腔室之间设有第二隔膜。
作为一选项，一种分布式固氮系统，所述第一隔膜和所述第一电极集成为一体结构，所述第二隔膜为阴离子交换膜或阳离子交换膜。
作为一选项，一种分布式固氮系统，所述第二腔室中设有氨浓度检测装置。
作为一选项，一种分布式固氮系统，所述第二合成反应器还包括粗产品储罐，所述粗产品储罐的前端与所述第三腔室连接，所述粗产品储罐的后端与所述第二合成反应器产物处理装置连接。
作为一选项，一种分布式固氮系统，所述空气供应装置包括用于分离氮气和氧气的空分装置、氧气储罐、氮气储罐以及用于储存一定比例氮气和氧气的气体混合罐，所述氧气储罐、氮气储罐分别连接在所述空分装置和气体混合罐之间。
作为一选项，一种分布式固氮系统，所述第一合成反应器为气相反应器。
作为一选项，一种分布式固氮系统，所述第一合成反应器产物处理装置包括尾气分离装置和NOX储罐，所述尾气分离装置分别与所述NOX储罐、气体混合罐连接。
需要进一步说明的是，上述系统各选项对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。
与现有技术相比，本实用新型有益效果是：
(1)本实用新型固氮系统创新地以空气为原料，先在等离子体和催化剂协同作用下合成氧化氮，再利用电催化及通过电解液调控，最后经过第二合成反应器产物处理装置的浓缩/稀释装置、合成固肥的结晶装置以及合成燃料的分离装置合成不同的产品，具有同时产出多种产品的特点，相比传统工艺，最终产品的制备流程大幅缩减，投资成本小，同时，使用空气为原料避免碳排放。
(2)固氮系统年产能设计在几百吨氨水平，可随开随停，因此能够很好地与中小型光伏电站进行配合，运行规律可与光伏电站完全一致，对光伏电站剩余电能进行充分利用，并将其转化为用途广泛的含氮制品，同时解决光伏剩余电能高价值利用和接近零运行成本及零碳排放固氮的难题。
(3)所述固氮系统在接近室温和常压的条件下运行，因此装置的安全系统较高，操作难度系数小，满足装置分布、普及应用要求。
(4)第二腔室中设有氨浓度检测装置，当氨浓度达到需求值后，将反应电解液导入至粗产品罐中，并向第二腔室自所述补液罐补充新鲜电解液，方便对工艺的监控。
(5)在氮肥应用中，可以根据植物的需求进行氮肥的精准生产，不仅可以避免过度施肥导致的土壤富氮和氮肥浪费问题，还可以最大化保障农作物的长势健康。
附图说明
图1为本实用新型一种分布式固氮系统的简示图；
图2为本实用新型第二合成反应器的结构示意图；
图3为本实用新型光伏电站与第二合成反应器连接的示意图；
图4为本实用新型第二合成反应器带隔离膜的结构示意图；
图5为为本实用新型第二合成反应器带氨浓度检测装置的结构示意图；
图6为为本实用新型第二合成反应器带粗产品储罐的结构示意图；
图7为为本实用新型一种分布式固氮系统的具体结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本实用新型主要开发一种由光伏发电可再生清洁能源驱动、以空气和水为原料、可选择性生产燃料氨或氮肥或硝酸的零碳排放分布式固氮系统，不仅可与哈伯法固氮工业互补，缓解全球固氮工业的碳排放问题，还可以就近高效利用分布式光伏电站过剩电能，将同时解决分布式光伏能源和固氮领域的核心难题。
实施例1
在一示例性实施例中，提供一种分布式固氮系统，如图1所示，所述固氮系统包括依次连接的空气供应装置1、用于合成氧化氮的第一合成反应器2、第一合成反应器产物处理装置3、用于合成氨的第二合成反应器4和第二合成反应器产物处理装置5；所述第二合成反应器4包括流动电化学反应器，所述第二合成反应器产物处理装置5 包括合成液肥的浓缩/稀释装置51、合成固肥的结晶装置52以及合成燃料的分离装置53。
具体地，空气供应装置1以空气为原料，为第一合成反应器2提供氧气和氮气，第一合成反应器2利用氧气和氮气在等离子体和催化剂协同作用下合成氧化氮，第一合成反应器产物处理装置3将反应合成的氧化氮收集，收集的氧化氮进入第一合成反应器产物处理装置3 利用电催化及通过电解液调控直接合成所需的氮肥，或者直接利用氧化氮制备硝酸，最后经过第二合成反应器产物处理装置5的浓缩/稀释装置51合成液肥，结晶装置52合成固肥，分离装置53合成燃料。
进一步地，在实际使用时，可在浓缩/稀释装置51与第二合成反应器4之间、结晶装置52与第二合成反应器4之间、分离装置53与第二合成反应器4之间设置控制阀，根据产品需求选择打开不同的阀门，产出不同的产品，如同时打开三个阀门得到三种产品，或者只打开浓缩/稀释装置51与第二合成反应器4之间的阀门，得到液肥，且只打开一个阀门时，对应产品的量相应增多。
本实用新型固氮系统创新地以空气为原料，避免碳排放，具有同时产出多种产品的特点，相比传统工艺，最终产品的制备流程大幅缩减，投资成本小。
实施例2
基于实施例1，提供一种分布式固氮系统，如图2所示，所述第二合成反应器4包括依次连接的第一腔室41、第二腔室42、第三腔室43和用于提供电解液的补液罐44，所述补液罐44分别与所述第二腔室42、第三腔室43连接，所述第二腔室42中设有第一电极421，所述第三腔室43中设有第二电极431。
进一步地，如图3所示，所述固氮系统还包括光伏电站6，所述第一电极421、第二电极431均与所述光伏电站6连接。第二腔室42 和第三腔室43为电化学反应腔室，其中，在第二腔室42中发生电还原反应，在第三腔室43中发生电氧化反应。
具体地，经过十数年的发展，晶硅太阳能电池业已迈入普及应用阶段，光伏产业全面进入平价上网时代，光伏发电可再生清洁能源成为廉价易得、使用便捷的绿色能源。近年来，光伏装机展现出集中式和分布式齐头并进的趋势，并且分布式的发展势头更加强劲，未来，以家庭、村落、社区、工厂、农牧场为使用端的分布式光伏电站将迎来蓬勃发展。但是电能过剩问题也将随之而生，如何合理利用所剩电能从而为使用端创造更多价值是急需研究的课题。
本系统将第一电极421、第二电极431与所述光伏电站6电能驱动的直流电源连接，可就近高效利用分布式光伏电站过剩电能，将同时解决分布式光伏能源和固氮领域的核心难题。
固氮系统年产能设计在几百吨氨水平，可随开随停，因此能够很好地与中小型光伏电站进行配合，运行规律可与光伏电站完全一致，对光伏电站剩余电能进行充分利用，并将其转化为用途广泛的含氮制品，同时解决光伏剩余电能高价值利用和接近零运行成本及零碳排放固氮的难题。
进一步地，如图4所示，所述第一腔室41和第二腔室42之间设有隔绝水溶液但允许气体通过的第一隔膜422，第二腔室42和第三腔室43之间设有第二隔膜432。具体地，所述第一腔室41中的气体和第二腔室42、第三腔室43中的电解液处于流动状态，并且第一腔室41中的气体可扩散进入第二腔室42，但是第二腔室43中的电解液无法进入第一腔室41，当直流电流过第一电极421时，在催化剂的作用下，氧化氮被电还原为氨(NH3)。
进一步地，所述第一隔膜422和所述第一电极421集成为一体结构，所述第二隔膜432为阴离子交换膜或阳离子交换膜，允许特定离子通过，使得第二腔室42和第三腔室43中的特定离子进行交换。
实施例3
在另一示例性实施例中，提供一种分布式固氮系统，如图5所示，所述第二腔室42中设有氨浓度检测装置423。
进一步地，如图6所示，所述第二合成反应器4还包括粗产品储罐45，所述粗产品储罐45的前端与所述第三腔室43连接，所述粗产品储罐45的后端与所述第二合成反应器产物处理装置5连接。
具体地，在电还原反应发生过程中，对第二腔室42中的氨浓度进行监控，当氨浓度达到需求值后，将反应电解液导入至粗产品罐 45中，并向第二腔室42自所述补液罐44补充新鲜电解液，方便对工艺的监控。
实施例4
在另一示例性实施例中，提供一种分布式固氮系统，如图7所示，所述空气供应装置1包括用于分离氮气和氧气的空分装置11、氧气储罐12、氮气储罐13以及用于储存一定比例氮气和氧气的气体混合罐14，所述氧气储罐12、氮气储罐13分别连接在所述空分装置11和气体混合罐14之间。
进一步地，所述第一合成反应器2为气相反应器。
进一步地，所述第一合成反应器产物处理装置3包括尾气分离装置31和NOX储罐32，所述尾气分离装置31分别与所述NOX储罐32、气体混合罐14连接。
具体地，所述空气供应装置1具有空气分离功能，使空气分离为氮气和氧气并分别储存于氧气储罐12和氮气储罐13中。在使用前，氮气和氧气可按一定比例进入气体混合罐14进行混合。
进一步地，所述第一合成反应器2为气相反应器，所述气相反应器中设置有可促进反应的催化剂，优选地，所述催化剂为三氧化二铝 (Al2O3)、活性炭(C)、氧化铜(Cu2O)、硫酸钡(BaSO4)、银(Ag)、铂(Pt)、镍(Ni)、氧化镍(NiO)、钌(Ru)、铱(Ir)、活性炭负载钌(Ru/C)、三氧化铝负载铱(Ir/Al2O3)等中的一种或几种组合。进一步地，所述气相反应器运行时反应区可构建频率为1-80kHz、电压为5-120kV的电磁场。
进一步地，所述电磁场由光伏电站6电能激励建立，在电磁场的作用下，氧气和氮气混合气中某些气体分子最外层的电子被电离加速并成为高速电子，高速电子撞击其他氮气分子和氧气分子，使得部分氮气分子和氧气分子转化为活性自由基，并释放出二次电子，二次电子继续在电磁场作用下转化为高速电子，并与更多氮气分子和氧气分子撞击而产生更多的活性氮自由基、氧自由基和电子。此过程中，一些活性自由基会吸收自由电子，并转化为自由分子。在分子由高能态转变为低能态的过程中，会释放出辐射光。因此，在经过一定时间的电磁场激励后，气体在反应区内转变为同时含有电子、活性氮自由基、活性氧自由基、离子、自由分子及辐射光的等离子体活性状态。所述催化剂表面在高能电子、辐射光的作用下形成高催化活性位点。在等离子体和催化剂的协同作用下，氮气和氧气反应生成一氧化氮和二氧化氮。
进一步地，所述第一合成反应器产物处理装置3具有从第一合成反应器2的合成尾气中分离出一氧化氮和二氧化氮的功能。所述一氧化氮和二氧化氮气体储存于NOX储罐32中，从合成尾气中分离出的氮气和氧气混合气进入气体混合罐14再利用。
进一步地，第一电极421上设置有催化剂，所述催化剂为铂(Pt)、钌(Ru)、依(Ir)、铜(Cu)、铜钌合金(CuRu)等中的一种或几种组合。
进一步地，来自氮气储罐13的氮气和来自NOX储罐32的氧化氮气体按照一定比例混合后进入所述第二反应器4的第一腔室，来自补液罐44的电解液进入所述第二反应器4的第二腔室42和第三腔室 43，当直流电流过第一电极421时，在所述催化剂的作用下，氧化氮被电还原为氨(NH3)。
所述固氮系统在接近室温和常压的条件下运行，因此装置的安全系统较高，操作难度系数小，满足装置分布、普及应用要求。
以上具体实施方式是对本实用新型的详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式只局限于这些说明，对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种分布式固氮系统，其特征在于，所述固氮系统包括依次连接的空气供应装置(1)、用于合成氧化氮的第一合成反应器(2)、第一合成反应器产物处理装置(3)、用于合成氨的第二合成反应器(4)和第二合成反应器产物处理装置(5)；所述第二合成反应器(4)包括流动电化学反应器，所述第二合成反应器产物处理装置(5)包括合成液肥的浓缩/稀释装置(51)、合成固肥的结晶装置(52)以及合成燃料的分离装置(53)。
2.根据权利要求1所述的一种分布式固氮系统，其特征在于，所述第二合成反应器(4)包括依次连接的第一腔室(41)、第二腔室(42)、第三腔室(43)和用于提供电解液的补液罐(44)，所述补液罐(44)分别与所述第二腔室(42)、第三腔室(43)连接，所述第二腔室(42)中设有第一电极(421)，所述第三腔室(43)中设有第二电极(431)。
3.根据权利要求2所述的一种分布式固氮系统，其特征在于，所述固氮系统还包括光伏电站(6)，所述第一电极(421)、第二电极(431)均与所述光伏电站(6)连接。
4.根据权利要求2所述的一种分布式固氮系统，其特征在于，所述第一腔室(41)和第二腔室(42)之间设有隔绝水溶液但允许气体通过的第一隔膜(422)，第二腔室(42)和第三腔室(43)之间设有第二隔膜(432)。
5.根据权利要求4所述的一种分布式固氮系统，其特征在于，所述第一隔膜(422)和所述第一电极(421)集成为一体结构，所述第二隔膜(432)为阴离子交换膜或阳离子交换膜。
6.根据权利要求4所述的一种分布式固氮系统，其特征在于，所述第二腔室(42)中设有氨浓度检测装置(423)。
7.根据权利要求2所述的一种分布式固氮系统，其特征在于，所述第二合成反应器(4)还包括粗产品储罐(45)，所述粗产品储罐(45)的前端与所述第三腔室(43)连接，所述粗产品储罐(45)的后端与所述第二合成反应器产物处理装置(5)连接。
8.根据权利要求1所述的一种分布式固氮系统，其特征在于，所述空气供应装置(1)包括用于分离氮气和氧气的空分装置(11)、氧气储罐(12)、氮气储罐(13)以及气体混合罐(14)，所述氧气储罐(12)、氮气储罐(13)分别连接在所述空分装置(11)和气体混合罐(14)之间。
9.根据权利要求1所述的一种分布式固氮系统，其特征在于，所述第一合成反应器(2)为气相反应器。
10.根据权利要求8所述的一种分布式固氮系统，其特征在于，所述第一合成反应器产物处理装置(3)包括尾气分离装置(31)和NOX储罐(32)，所述尾气分离装置(31)分别与所述NOX储罐(32)、气体混合罐(14)连接。
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