一种联合制备绿氢和绿氨的系统及方法

本发明涉及绿氢和绿氨联合制备，特别是涉及一种聚光太阳能驱动的基于热化学链的联合制备绿氢和绿氨的系统及方法。

背景技术：

1、绿氢是指通过使用可再生能源(例如太阳能、风能、水能等)制造的氢气，绿氨是指通过使用可再生能源(例如太阳能、风能、水能等)制造的氨气。绿氢和绿氨都有望成为未来能源体系的重要组成部分，其具有高能量密度、清洁无污染和可再生等特点，近年来绿氨在单位储能、燃料热值和储能密度方面具有明显的优势，且储存和运输方面成本低，正在从传统化肥领域向新能源领域拓展。传统的制氢方法主要依赖于化石燃料，如天然气和煤炭，在制备得到氢气的同时会产生大量的温室气体排放。传统的合成氨方法主要采用哈伯-博施过程，需高温高压反应条件和使用天然气等化石燃料作为原料，在制备得到氨气的同时会产生大量的二氧化碳排放。

2、基于此，亟需一种能够联合制备绿氢和绿氨且无温室气体排放的技术。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种联合制备绿氢和绿氨的系统及方法，以水与氮气作为原料，利用可再生能源提供的高温热能，即可同时制备得到氢气和氨气，且无副产物生成。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、第一方面，本发明提供了一种联合制备绿氢和绿氨的系统，所述系统包括反应器和热能供给部件；

4、所述反应器包括氧载体反应腔和氮载体反应腔，所述氧载体反应腔和所述氮载体反应腔之间设置有热隔离材料，所述氧载体反应腔内设置有氧载体，所述氮载体反应腔内设置有氮载体；所述热能供给部件用于基于可再生能源生成热能，并向所述氧载体反应腔提供所述热能；

5、当所述氧载体反应腔受热达到第一反应温度时，所述氧载体用于在所述第一反应温度下进行反应，生成中间氧产物和氧气；所述氮载体反应腔用于接收受热的所述氧载体反应腔通过所述热隔离材料传递的热能达到第二反应温度，所述氮载体用于在所述第二反应温度下和氮气进行反应，生成中间氮产物；所述第二反应温度小于所述第一反应温度；

6、当所述氧载体反应腔不再受热逐渐降温达到第三反应温度时，所述中间氧产物用于在所述第三反应温度下和水进行反应，生成所述氧载体和氢气；所述氮载体反应腔用于接收不再受热的所述氧载体反应腔通过所述热隔离材料传递的热能达到第四反应温度，所述中间氮产物用于在所述第四反应温度下和氢气进行反应，生成所述氮载体和氨气；所述第四反应温度小于所述第三反应温度。

7、在一些实施例中，所述热能供给部件为聚光太阳能收集器；所述聚光太阳能收集器用于将太阳能转化为热能。

8、在一些实施例中，所述热隔离材料为陶瓷材料，所述陶瓷材料包括氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硼陶瓷和氧化锆陶瓷；

9、所述氧载体的材料为氧化铈、掺杂的铈基材料、钙钛矿或铁氧体材料；

10、所述氮载体的材料为氮化镁、氮化铁、氮化锰或氮化铈。

11、在一些实施例中，所述氧载体反应腔上设置有第一氮气进气口、第一混合气出气口、进水口和气水混合出口；

12、所述第一氮气进气口用于向所述氧载体反应腔内输入氮气，以携带所述氧载体反应腔内生成的氧气至所述第一混合气出气口；所述第一混合气出气口用于将氮气和氧气的混合气排出所述氧载体反应腔；

13、所述进水口用于向所述氧载体反应腔内输入水；所述气水混合出口用于将所述氧载体反应腔内未反应的水和所述氧载体反应腔内生成的氢气的混合物排出所述氧载体反应腔。

14、在一些实施例中，所述氮载体反应腔上设置有第二氮气进气口、氢气进气口和第二混合气出气口；

15、所述第二氮气进气口用于向所述氮载体反应腔内输入氮气；

16、所述氢气进气口用于向所述氮载体反应腔内输入氢气；所述第二混合气出气口用于将所述氮载体反应腔内未反应的氢气和所述氮载体反应腔内生成的氨气的混合气排出所述氮载体反应腔。

17、在一些实施例中，所述系统还包括第一换热器；所述第一换热器分别与所述第一氮气进气口、所述第二氮气进气口和所述第一混合气出气口相连通；所述第一换热器用于将输入至所述第一氮气进气口和所述第二氮气进气口的氮气与从所述第一混合气出气口输出的氮气和氧气的混合气进行换热；

18、所述系统还包括第二换热器；所述第二换热器分别与所述进水口和所述气水混合出口相连通；所述第二换热器用于将输入至所述进水口的水与从所述气水混合出口输出的水和氢气的混合物进行换热。

19、在一些实施例中，所述系统还包括第一气体分离装置；所述第一气体分离装置与所述第一换热器相连通；所述第一气体分离装置用于对氮气和氧气的混合气进行分离，得到氮气和氧气；

20、所述系统还包括气水分离装置；所述气水分离装置与所述第二换热器相连通；所述气水分离装置用于对水和氢气的混合物进行分离，得到水和氢气；

21、所述系统还包括第二气体分离装置；所述第二气体分离装置与所述第二混合气出气口相连通；所述第二气体分离装置用于对氢气和氨气的混合气进行分离，得到氢气和氨气。

22、在一些实施例中，所述气水分离装置还与所述氢气进气口相连通；所述气水分离装置用于将分离得到的一部分氢气输入所述氢气进气口。

23、在一些实施例中，所述第一反应温度为1200-1600℃，所述第二反应温度为600-1000℃，所述第三反应温度为700-1100℃，所述第四反应温度为200-600℃。

24、第二方面，本发明还提供了一种联合制备绿氢和绿氨的方法，所述方法包括：

25、当氧载体反应腔受热达到第一反应温度时，氧载体在所述第一反应温度下进行反应，生成中间氧产物和氧气；氮载体反应腔接收受热的所述氧载体反应腔通过热隔离材料传递的热能达到第二反应温度，氮载体在所述第二反应温度下和氮气进行反应，生成中间氮产物；所述第二反应温度小于所述第一反应温度；

26、当所述氧载体反应腔不再受热逐渐降温达到第三反应温度时，所述中间氧产物在所述第三反应温度下和水进行反应，生成所述氧载体和氢气；所述氮载体反应腔接收不再受热的所述氧载体反应腔通过所述热隔离材料传递的热能达到第四反应温度，所述中间氮产物在所述第四反应温度下和氢气进行反应，生成所述氮载体和氨气；所述第四反应温度小于所述第三反应温度。

27、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

28、本发明用于提供一种联合制备绿氢和绿氨的系统及方法，包括反应器和热能供给部件，反应器包括氧载体反应腔、氮载体反应腔以及设置于氧载体反应腔和氮载体反应腔之间的热隔离材料，热能供给部件基于可再生能源生成热能，并向氧载体反应腔提供热能，当氧载体反应腔受热达到第一反应温度时，氧载体在第一反应温度下进行反应，生成中间氧产物和氧气，氮载体反应腔接收受热的氧载体反应腔通过热隔离材料传递的热能达到第二反应温度，氮载体在第二反应温度下和氮气进行反应，生成中间氮产物；当氧载体反应腔不再受热逐渐降温达到第三反应温度时，中间氧产物在第三反应温度下和水进行反应，生成氧载体和氢气，氮载体反应腔接收不再受热的氧载体反应腔通过热隔离材料传递的热能达到第四反应温度，中间氮产物在第四反应温度下和氢气进行反应，生成氮载体和氨气，本发明通过设计上述系统，以水与氮气作为原料，利用可再生能源提供的高温热能，即可同时制备得到氢气和氨气，且无副产物生成。