[发明专利]一种含碳能源-空气-水联产氨氢、二氧化碳和氮气的方法

说明书

本发明公开了一种含碳能源‑空气‑水联产氨氢、二氧化碳和氮气的方法。该方法，以空气或氮气为氮源、水为氢源、含碳能源为输入能量、金属或复合金属基材料为循环固相介质，通过金属或复合金属基材料氮化反应制取金属氮化物和氮气，进一步通过水解金属氮化物反应制取氨/氢，并辅以含碳能量输入还原前一步水解反应产生的金属氧化物，实现含碳能源‑空气‑水联产氨氢、二氧化碳和氮气。本发明提出的含碳能源‑空气‑水联产氨氢、纯净二氧化碳和氮气的方法，实现含碳能源的高效分级转化和能量梯级利用、低能耗的有效产物分离与定向利用、多种化工产品、以及条件温和的反应热力学平衡移动条件。

技术领域：

本发明属于能源、化工、环保技术领域，具体涉及一种含碳能源-空气-水联产氨氢、二氧化碳和氮气的方法。

背景技术：

当今世界大规模能源供给以含碳一次能源为主，我国又以高含碳的煤为重，严峻的碳减排形势推动了煤的低碳可持续和清洁高效转化技术的发展；同时，高度重视发展对碳减排有重要作用的可再生能源，但其时空分布不稳定和失调造成并网压力，时有弃风光电和生物质能资源的情况。能源供给和利用的共性问题推动我国向多能供给、低碳可持续、清洁高效、智能互联的新能源体系转换，该体系重要组成是新储能载体，需要满足清洁低碳、可规模化生产存储、不受自然条件约束、安全输配、方便客户端利用等要求。目前新兴储能技术，或受限于存储容量和能量密度、或依赖于自然和地理条件、或局限于可再生能源供给等，与理想储能技术的要求尚存差距。

氨作为一种氢载体有可能成为变革型清洁能源存储技术之一。其突出特点是可大规模化生产，成本低于等热值氢和汽油，使用时近零排放，有适宜能量密度，常温常压下呈液相易储运，可直接利用现有供给网点供给分布或移动能源，因而有较强的经济竞争力。发展制氨新途径，不仅凸显氨能的战略地位和经济效益，还可推动与国民经济紧密相关的化工、农业和军工等行业的高质量发展，因而成就电网、风光发电、煤化工等相关领域低碳可持续、高效清洁、智能互联转型发展。大力发展“氨”能储能产业必将增加氨产能需求，技术上需要革新流程复杂、能耗高、条件苛刻的传统哈珀法合成氨工艺。

化学链合成氨技术提供是革新的合成氨技术。化学链技术本身可实现碳减排下含碳能源的高效转化，核心技术理念是变高能耗的气气分离(碳、氮)为工业成熟的低能耗气固分离，变复杂苛刻的单步反应为容易进行的多步反应，碳和污染物浓缩自发形成。前期化学链合成氨技术探索主要论证其热力学和动力学的可行性，涉及众多金属，主要采用碳热和太阳能聚光共同补热。主要问题关键技术指标差，如氨单程转化率和过程能效，无法关联“氨”储能的大产能需求，忽视了针对性的反应传热传质强化和整体能效优化；同时，氨合成过程对连续稳定能量输入有较高要求，波动的可再生风光能源供给可能影响新合成氨路线的工业化应用。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种含碳能源-空气-水联产氨氢、二氧化碳和氮气的方法，本发明以空气为氮源、水为氢源、含碳能源为能量输入、金属或复合金属基材料为循环固相介质，将传统苛刻条件下的一步合成氨催化反应分解为氮化反应和水解释放氨/氢反应两步气固非催化反应，并辅以单立的第三步含碳能量输入，共同组成偶联的金属基材料还原-氮化-水解释放氨/氢的化学链循环，三种基础原料分别供给三个反应器实现偶联的碳、氮、氧分离操作，达到碳和污染物浓缩减排目的。