[发明专利]电增强哈伯-博施(EEHB)的无水氨合成

说明书

本发明涉及用于增强从气态氢气和氮气生产氨的方法和系统。有利地，所述方法和系统部在制造期间不排放碳气体。所述方法和系统与传统的哈伯‑博施反应相比增强氨的生产。

对相关申请的交叉引用

本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求2016年3月1日提交的美国临时申请序号62/301,991、以及2016年11月14日提交的美国临时申请序号62/421,482的优先权和权益。将各文献完全引入本文作为参考。

技术领域

本发明涉及提高在催化剂修饰(decorated)的电子化合物(electride)载体上的由氮气N₂和氢气H₂的氨(NH₃)合成的速率。

背景技术

为了防止大气CO₂的继续增加，同时容许所有人类享有和发达的西方世界的人类所享有的相同生活水平，需要无化石燃料二氧化碳(CO₂)排放的能源系统。虽然存在数种发展良好的无CO₂的能源产生选项(例如，风能、太阳能、水力发电、核能)，但是没有一种目前具有发展良好的无CO₂的燃料选项。氨可填补该需要。

NH₃可直接作为燃料以方程(1)的反应燃烧：

4NH₃(g)+3O₂→2N₂+6H₂O(g)+热 (1)

如果其被热重整为氢气和氮气，其也可用作储氢介质。原则上，NH₃可用作无CO₂的燃料。然而，几乎所有的现有NH₃生产都使用产生CO₂的原料和燃料。

现代哈伯-博施(Haber-Bosch)工厂每生产1吨NH₃使用大约31.4GJ天然气(原料和燃料)。用于化肥的哈伯-博施NH₃合成目前使用全球天然气产量的约3-5％和全球能源产量的约1-2％。2005年，哈伯-博施NH₃合成的平均CO₂排放为2.1吨CO₂/吨NH₃，其中的2/3来自蒸汽重整烃以生产氢气和其中的1/3来自燃料燃烧以向所述合成工厂提供能源。当时，大约3/4的哈伯-博施NH₃工厂使用天然气，而其余的将煤或石油用于原料和燃料。

现代哈伯-博施工厂效率通过在稳态下运行而被最大化。对于效率的上述要求使得难以将其操作(operation)直接与由具有可变功率输出的风能和太阳能发电厂产生的能源耦合(匹配，couple)。

用于产生NH₃的哈伯-博施过程是方程(2)中所示的放热反应。

N₂(g)+3H₂(g)→2NH₃(g)(ΔH＝-92.2kJ/mol) (2)

该反应在包含钌或氧化铁催化剂的反应器中在300-550℃和90-180巴压力下发生。要求该升高的温度以实现合理的反应速率。由于NH₃合成的放热性质，该升高的温度将平衡朝着反应物驱动，但是对此所述高压力起相反作用(抵消)。在商业生产中，来自氨合成的废热有助于通过蒸汽重整天然气的氢气生产。