[发明专利]一种基于化学链反应制备氨气的装置及方法

说明书

一种基于化学链反应制备氨气的装置及方法，该装置包括：循环流化床反应器、埋管式换热器、物料循环装置以及气体发生、混合、分离、输送装置。空气经分离后送入吸氮反应器中，与煤粉共同作用将载氧体转化为载氮体，充分反应后，剩余固体经物料循环装置送入除碳反应器中，与来自空气分离器的剩余空气充分反应，将未反应的煤粉充分灼烧，并使之与载氮体分离。载氮体再经由物料循环装置送入释氮反应器中，在水蒸气的作用下生成氨气并被还原为载氧体。还原后的载氧体在经由循环装置送回吸氮反应器中循环反应。相比于传统的制氨工艺，该装置及方法原料来源广泛，转化率高，是一种资源节约型、环境友好型的制氨方法。

技术领域

本发明涉及一种制备氨气的方法，尤其涉及一种通过化石燃料化学链反应转化制备氨气的方法。属于固体燃料燃烧和化学链反应领域。

背景技术

随着世界经济的快速发展，越来越多的传统化石能源(煤、石油、天然气)不断被我们开发利用，化石燃料过度燃烧所导致的各种环境问题也越来越严重。为了缓解日趋严峻的环境问题，各种清洁能源及相应的生产技术正在大力发展。

氨气是一种性质非常优秀的气体燃料，它的燃烧产物为水和氮气，对环境不够成任何影响。相对于物理性质及其稳定的第一代清洁燃料氢气而言，它在常温下略微加压即可液化，储存及输运非常便利。此外，氨气也是一种使用范围及为广泛的化工原料，因此，开发一种可以大量、高效生产氨气的装置及方法对于促进能源清洁利用，提高我国化学工业水平具有十分重要的战略意义。

目前，全球大约有90％左右的氨气都是通过哈-博法，也就是将氮气和氢气在高温高压下合成而得。然而，由于氨气的热力学平衡性质决定了这种方法原料转化率较低，且生产作为原料的氢气也是一个能耗极高的过程。为了降低合成氨工艺的能耗，提高合成效率，Gálvez等人提出了一个两步循环的制氨方法。首先将载氧体(Al₂O₃)和碳源混合，通过碳热还原法将载氧体(Al₂O₃)转化为载氮体(AlN)，然后将制得的AlN和水进行反应，在生成NH₃的同时将AlN还原为Al₂O₃。这种方法正是化学链反应制氨的原型。循环反应的方程式如下所示：

吸氮反应：

3C+N₂+Al₂O₃→2AlN+3CO

(1)

或

3CH₄+N₂+Al₂O₃→2AlN+6H₂+3CO

(2)

释氮反应：

2AlN+3H₂O→2NH₃+Al₂O₃

(3)其中，吸氮反应温度约为1500℃，释氮反应温度为1000℃。

现阶段，化学链反应制氨工艺仍停留在实验室阶段，暂时并没有一套完整的工艺体系能够实现整套化学链循环制氨工艺。因此，提供一套能够满足化学链反应制氨的完整工艺体系，实现Al₂O₃-AlN的循环转化，并以此实现化石燃料的清洁利用正是本发明将着力解决的重点问题。