[发明专利]一种以低浓度瓦斯为燃料的高温电解合成氨的方法

说明书

本发明公开了一种以低浓度瓦斯为燃料的高温电解合成氨的方法，包括：制备质子导体固体氧化物电解池，该电解池由多孔的Ni‑BZCY阴极、BZCY电解质、多孔的LSCF‑BZCY阳极组成；配制低浓度瓦斯气体组分作为燃料，配制潮湿空气作为阳极气体；将燃料通入固体氧化物电解池的阴极气道，将潮湿空气通入固体氧化物电解池的阳极气道，在700℃下，通过外加电压实现质子与低浓度瓦斯气体中的氮气合成氨反应。本发明能提高低浓度瓦斯的综合利用率，其产物氨气能够直接或间接降低合成氨工业中的碳排放和制氢能耗，可实现化石燃料合成氨工业中碳循环，促进整个合成氨系统的节能减排。

技术领域

本发明涉及合成氨生产技术和瓦斯利用技术领域，具体涉及一种以低浓度瓦斯为燃料的高温电解合成氨的方法。

背景技术

近年来，我国煤矿瓦斯抽采量逐年稳步增长，2018年已达178亿立方米。对于高浓度瓦斯(C_CH430％)通常采用高、中压输送，送入天然气或煤层气管网作为民用、工业燃料和化工原料。然而，由于井下抽采瓦斯浓度普遍偏低，绝大多数为低浓度瓦斯(C_CH430％)，但是由于其中的甲烷浓度低、利用难度大，导致其利用率不足40％，大量低浓度瓦斯被直接排放到大气中。据统计，2008～2018年井下瓦斯抽采总量为1180亿立方米，因甲烷浓度低而难以有效利用被迫放空的瓦斯量高达768亿立方米，这分别相当于约1920亿立方米民用煤气燃料和16128亿立方米二氧化碳的温室效应，造成了巨大的能源浪费和大气环境污染。因此，绿色、高效利用低浓度瓦斯，对提高煤矿抽采瓦斯利用率、缓解能源危机和改善生态环境都具有重要意义。在煤矿低浓度瓦斯高效开采利用技术与装备方面，开发利用技术处于初级阶段，目前我国的低浓度瓦斯利用技术主要是内燃机、燃气轮机等燃烧发电，其他还有低浓度煤层气安全输送和低浓度煤层气分离浓缩技术。对于燃烧发电技术而言，该技术需要经过热能、机械能等多级转换过程，才能将瓦斯中的化学能转化为电能，发电效率不足30％，噪声大，并且排放氮氧化物等空气污染物；而分离浓缩技术工艺复杂、成本高，尤其是对甲烷含量较低的低浓度瓦斯的提纯效率低。

氨是化学工业中产量最大的工业产品之一，产量已位居世界首位。1902年，德国Haber开始以氢气和氮气为原料合成氨的研究。在随后的100年中，合成氨工业获得了巨大发展，各种工业合成氨工艺均以高温、高压、催化剂Haber合成法为基本原理川。Haber合成法中，高温是为了克服氮分子的动力学惰性，高压促进平衡向生成氨的方向转化，铁触媒催化剂则在高温时，降低反应的活化能。在工业生产中，反应压力通常在15-30MPa，甚至更高，这对设备提出了很高要求。即使这样，由于压力提高是有限的，氨的转化率己经很难提高，且该方法的弱点在于工艺流程过于复杂，安全系数低，能耗巨大，人们希望能找到低压甚至常压合成氨的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种以低浓度瓦斯为燃料的高温电解合成氨的方法，能提高低浓度瓦斯燃料的综合利用率和高温合成氨的产率，且污染小，安全系数高，能耗低。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种以低浓度瓦斯为燃料的高温电解合成氨的方法，包括以下步骤：

(1)制备质子导体固体氧化物电解池，该电解池包括质子导体电解质、阴极和阳极，其中，所述阴极的组成为：NiO、BaZr_0.3Ce_0.5Y_0.2O_3-δ(BZCY)和淀粉，所述阳极的组成为：BaZr_0.3Ce_0.5Y_0.2O_3-δ(BZCY)和La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3-δ(LSCF)，所述质子导体电解质为：BaZr_0.3Ce_0.5Y_0.2O_3-δ(BZCY)；该质子导体固体氧化物电解池在低温(300～700℃)条件下具有高的水电解活性；