[发明专利]产生用于氨生产的合成气的方法

说明书

在通过电解产生氨合成气的方法中，包括将蒸汽和压缩空气的混合物进料至一系列电解单元中的第一个中，以及使其与空气一起通过一个电解单元的出口到达下一个电解单元的入口，电解单元以吸热模式运行，并且通过在电解单元内或电解单元之间用空气燃烧由蒸汽电解所产生的氢气来提供合成气的氮气部分。电解单元优选是固体氧化物电解池(SOEC)堆。

本发明涉及产生用于氨生产的合成气的新方法。在该方法的一个具体实施方案中，通过使用固体氧化物电解池(SOEC)堆产生合成气。

典型的制氨厂首先通过蒸汽重整将脱硫的烃气体，例如天然气(即甲烷)或LPG(液化石油气，例如丙烷和丁烷)或石脑油转化为气态氢。然后，通过Haber-Bosch工艺将氢与氮结合生成氨：

3H₂+N₂→2NH₃

因此，氨(NH₃)的合成需要包含合适摩尔比约为3:1的氢气(H₂)和氮气(N₂)的合成气(syngas)。

氨是生产最广泛的化学品之一，它是使用气态氢和氮作为反应物直接合成的，没有前体或副产物。在其气态下，氮主要以N₂的形式提供，通常是通过将其从大气中分离而产生的。氢气(H₂)的生产仍然具有挑战性，对于氨的工业合成，其通常是从天然气的蒸汽甲烷重整(SMR)获得。此外，当将空气用于重整过程时，也引入了N₂，因此不再需要空气分离单元，但是必须进行净化过程以去除诸如O₂、CO、CO₂和H₂O的含氧物质，以防止氨转化器中的催化剂中毒。二氧化碳是SMR的产物，可以在工厂内部进行分离和回收。因此，氢气生产是氨合成中的关键过程，并且期望氨的可持续生产以减少诸如天然气的主要来源的消耗并避免该过程中的CO₂排放。

本发明所基于的基本思想是通过例如在SOEC堆中电解来制备氨合成气，而无需使用空气分离。当然，可以使用SOEC生产必要的氢气，但是随后将需要单独的空气分离装置。这种装置，特别是小型装置，是昂贵的。然后的想法是烧掉电解单元(如SOEC堆)内部或之间的空气，并基本上利用该单元的能力从氢气中分离氧气。

因此，本发明提供了一种用于通过电解(优选通过SOEC堆)产生用于氨生产的合成气的方法。该方法通过利用以吸热模式操作的能力，避免了使用任何空气分离单元(低温、变压吸附等)，并且通过用空气燃烧由蒸汽电解所产生的氢气来提供必要的氮气。在使用SOEC堆的优选实施方案中，氢气的燃烧可以在堆内部或在单独的堆之间发生。

更具体地，本发明涉及一种通过电解产生氨合成气的方法，所述方法包括以下步骤：

-将蒸汽和压缩空气的混合物进料至电解单元中或一系列电解单元中的第一个中，以及

-使其通过一个电解单元的出口到达下一个电解单元的入口，同时在每个电解单元之后添加空气，或者仅在最后一个电解单元之后添加空气，

其中所述电解单元以热中性或吸热模式运行，并且通过在电解单元内或电解单元之间用空气燃烧由蒸汽电解所产生的氢气来提供合成气的氮气部分。

仅在电解单元之前和之后添加空气的特征导致能量消耗略有增加，但另一方面，它更易于实施，并且仍然可以避免空气分离。

电解单元优选是SOEC堆。当使用SOEC堆作为电解单元时，堆的操作电压优选低于所谓的热中性电压，如果没有热量的净流入或流出，则该热中性电压是完全绝热的电解单元将要运行的最小热力学电压。用空气燃烧由蒸汽电解所产生的氢气可以在SOEC堆内部或在单独的SOEC堆之间进行。

在一个优选的实施方案中，所使用的蒸汽是来自氨合成回路的蒸汽，其与再循环的氨合成气混合。