[发明专利]一种氨的电子域有序调控催化合成方法、装置及系统

说明书

本发明公开了一种氨的电子域有序调控催化合成方法、装置及系统，以氮气和氢气作为原料，以磁性物质作为活性组分的多元材料作为催化剂，并向氮气、氢气及催化剂同时施加热场、磁场及电场或热场和电磁场。本发明采用上述一种氨的电子域有序调控催化合成方法、装置及系统，以实现在低温低压条件下氨的温和合成。

技术领域

本发明涉及合成氨技术领域，特别是涉及一种氨的电子域有序调控催化合成方法、装置及系统。

背景技术

氨(NH₃)是一种极为重要的合成化学品，它是全球农业的基础，它支撑着世界人口的持续增长。近年来，超越传统的农业生产用途，氨被认为是极具发展潜力的储能载体、储氢载体以及清洁燃料。

Haber-Bosch工艺是全球范围内占据支配地位的工业合成氨方法，被誉为20世纪最伟大的发明之一。传统的Haber-Bosch工艺以化石燃料为原料和能源，通过化石燃料重整制氢技术生产氢气(H₂)，通过空分技术获得氮气(N₂)，经过压缩(＞200bar)和加热(490℃)的氮氢混合气在填充有铁触媒的固定床反应器内催化转化为氨。由于传统合成氨工艺以化石燃料作为原料和能源，因此在生产过程中不可避免地产生碳排放。据统计，传统的Haber-Bosch合成氨工艺每生产1吨氨便会排放近2吨二氧化碳气体(CO₂)，全球合成氨工业年排放二氧化碳气体高达4亿吨，说明传统的Haber-Bosch工艺是高碳足迹的合成氨技术，这意味着在“双碳”目标下合成氨工业正在面临着巨大的绿色升级挑战。

在大规模可再生能源时代，采用可再生能源生产的清洁电力驱动电解水进行绿氢的大规模生产，以替代高碳足迹的化石能源制氢，是绿色合成氨技术的重点发展方向。采用可再生能源制氢替换传统的化石能源制氢仅是优化原料生产步骤，然而合成氨步骤的高温高压与可再生能源的波动性和间歇性不匹配，这也成为传统合成氨工业向100％可再生能源驱动的绿色合成氨工业转型所面临的关键挑战。

合成氨反应是一个典型的可逆反应，期望以最大速率发生的正反应是氮气加氢气生成氨的反应，相反地期望以最小速率发生的逆反应为氨裂解生成氮气和氢气的反应。合成氨反应的正反应是一个放热和体积缩小的过程，而逆反应是一个吸热和体积扩大的过程，因此降低反应温度或升高反应压力可增加氨的平衡生成浓度，而升高反应温度或降低反应压力会减少氨的平衡生成浓度。化学热力学计算显示，当氮氢比为1:3、压力为15MPa时，500℃和300℃下的平衡氨浓度分别为14.86％和60.84％，后者是前者的4倍；当压力为10MPa时，500℃和300℃下的平衡氨浓度分别为10.51％和52.01％，此时后者是前者的4.9倍。这意味着在低温下可以用较低的反应压力获得比高温高压条件下更高的平衡浓度和能量效率。

目前，传统合成氨工艺的操作温度和操作压力分别为450-500℃和15MPa，合成氨反应器实际出口氨浓度已经接近操作条件下的理论值，说明即将触及工艺天花板，未来进一步优化的空间很小，优化所需的成本将远高于优化产生的效益，将不再具备经济性。而低温条件下合成氨工艺的实际出口氨浓度还远小于理论值，低温下合成氨工艺天花板较高，存在较大的工艺优化空间。因此，研发低温条件下催化合成氨的方法，可为合成氨工业的进一步发展提供理论与实践方法，将为建设新的合成氨工业体系提供指导方向，意义重大。

然而，氮气是一种典型的高惰性物质，其分子的活化能很高(941kJ/mol)，实际上借助催化剂及相对高温条件才能活化氮气并将其加氢转化为氨，常温常压及无催化剂的条件下将氮气和氢气放置数年都难以检测到氨的生成。鉴于典型的合成氨催化剂铁触媒的最佳活性温度区间为450-500℃，所以当下合成氨反应的操作温度设定为450-500℃。为了促进高温下氨的生成速率或为了抑制高温下氨裂解反应速率，合成氨反应的操作压力设定在15MPa以上，因此无论传统的以化石能源制得氢气为原料的合成氨工艺，还是正在发展的电解水制得氢气为原料的绿色合成氨工艺本质上是一个高温高压工艺。高温高压合成氨工艺不仅操作条件严苛、操作难度大、生产能耗高、安全隐患大，还会导致前期居高不下的工厂建设投资和后期难以下降的工厂运营成本。