一种基于固体氧化物电解池的合成氨装置的制作方法

本发明涉及固体氧化物电解池，尤其涉及一种基于固体氧化物电解池的合成氨装置。

背景技术：

1、氨可用于化肥化纤的生产、制冷等领域，或作为一种清洁的燃料。

2、目前，合成氨方法主要有三种。第一种是利用煤、天然气等化学能源合成氨，该方法碳排高、污染重。第二种是工业采用冷凝法的合成氨方法，受合成氨可逆反应和合成气各组分气-液平衡限制，该方案无法完全分离氨，要在足够低的温度下(需要控制在-5℃以下)进行分离才能保证回流气中的氨含量在3％以下。第三种是soec系统制氨，soec系统制氢以及合成氨各有两套电加热器，使系统的成本和用电量都较高。且空气侧高温尾气没有合理利用，造成一种能量损失，合成氨还需要额外通水，并且氢气和水的混合气要通过电加热，存在安全隐患。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于固体氧化物电解池的合成氨装置，用以解决现有soec系统制氨的成本和用电量较高的问题。

2、一方面，本发明实施例提供了一种基于固体氧化物电解池的合成氨装置，其特征在于，包括soec电堆、风机、电加热器、蒸汽发生器、换热器一～三和氨气合成器；其中，

3、风机、电加热器、换热器一的支路一依次连接，获得高温空气至soec电堆的空气进气口；

4、蒸汽发生器获得的水蒸气进入换热器二的支路一进行第一级换热后，再进入换热器一的支路二，与上述高温空气进行第二级换热，获得高温水蒸气至soec电堆的燃料进气口；

5、soec电堆输出的燃料极尾气进入换热器二的支路二进行第一级换热后，再进入换热器三的支路一与换热器三的支路二气体进行第二级换热，获得高温氢气、水蒸气的混合气体输送至氨气合成器。

6、上述技术方案的有益效果如下：相比现有技术，不需要直接加热氢气和水蒸气的混合气，取消了现有技术中的燃气极侧电加热器、合成氨气前的两个电加热，而是通过电加热空气，再将高温空气与常温水蒸气换热实现水蒸气加热，然后利用soec燃料极尾气的氢气与水蒸气高温混合气体，通过与换热器三的支路二气体(即氮气或用于对氮气直接加热或间接加热的气体)进行热交换，从源头上解决了合成氨气所需要的温度和湿度条件。通过有效的热管理，避免了氢气与水蒸气进行电加热后带来的安全隐患。通过热交换器能够精准控制合成氨气所需的条件，能够提高合成效率，并且，仅用一个电加热器实现为整个系统提供热能，减少了部件，降低了成本，简化了热管理的控制难度，使得该合成氨装置的成本和用电量大大降低。

7、基于上述装置的进一步改进，所述换热器三的支路二气体为常温、预设压力的氮气；

8、所述氮气进入换热器三的支路二中，与其支路一中的高温氢气和水蒸气的混合气体进行换热后，获得高温、预设压力的氮气输送至氨气合成器。

9、上述改进方案的有益效果如下：直接通过换热器三对常温、预设压力的氮气进行加热，减少了部件，降低了成本，简化了热管理的控制难度。

10、进一步，该基于固体氧化物电解池的合成氨装置还包括混合器一；并且，

11、所述换热器三的支路二气体为soec电堆输出的燃料极尾气；

12、所述混合器一的输入端一输入常温、预设压力的氮气，输入端二与换热器三的支路二输出端连接，输出端与氨气合成器的输入端连接，使得获得氮气与燃料极尾气的高温混合气体输送至氨气合成器。

13、上述改进方案的有益效果如下：增设了混合器一，通过换热器三输出的燃料极高温混合气体(氢气与水蒸气)对氮气进行混合加热，使得获得氮气与燃料极尾气的高温混合气体输送至氨气合成器进行氨气合成，实现了氮气的温度与湿度控制。

14、进一步，该基于固体氧化物电解池的合成氨装置还包括换热器四；并且，

15、所述换热器三的支路二气体为soec电堆输出的燃料极尾气或空气极尾气或空气极尾气；

16、所述换热器四的支路一中输入常温、预设压力的氮气，支路二输入端与换热器三的支路二输出端连接，支路一、支路二输出端均与氨气合成器的输入端连接，使得获得的高温氮气与高温氢气、水蒸气的混合气体分别输送至氨气合成器。

17、上述改进方案的有益效果如下：增设了换热器四，通过换热器三换热器三输出的燃料极高温尾气或空气极高温尾气在换热器四中对常温、预设压力的氮气进行间接加热，实现了热管理控制。

18、进一步，该基于固体氧化物电解池的合成氨装置还包括三通阀、混合器二；其中，

19、所述三通阀设置于换热器四的前端，输入端输入的是常温、预设压力的氮气，输出端一与换热器四的支路一输入端连接，输出端二与混合器二的输入端二连接；

20、所述混合器二设置于换热器四与氨气合成器之间，其输入端一与换热器四的支路一输出端连接，输出端与氨气合成器的输入端连接，使得获得的高温氮气输送至氨气合成器。

21、上述改进方案的有益效果如下：增设了括三通阀、混合器二后，通过将常温氮气与高温氮气进行混合，实现对氮气的加热。

22、进一步，该基于固体氧化物电解池的合成氨装置还包括依次连接的氮气储气瓶、增压泵；

23、所述增压泵的输出端与换热器三的支路二输入端，或混合器一的输入端一，或三通阀的输入端连接，用于将输出的常温、预设压力的氮气传输至换热器三的支路二输入端，或混合器一的输入端一，或三通阀的输入端。

24、上述改进方案的有益效果如下：氮气在增压泵的作用下提供合成氨所需的压力环境，提高合成氨的效率。

25、进一步，该基于固体氧化物电解池的合成氨装置，还包括依次连接的水箱、水泵；其中，

26、所述水泵的输出端与蒸汽发生器的进水口连接。

27、上述改进方案的有益效果如下：通过水泵对水蒸气的含量进行控制，从源头上解决了合成氨气所需要的湿度条件，提高了合成氨的效率。

28、进一步，该基于固体氧化物电解池的合成氨装置还包括控制器；

29、控制器，用于获取并控制进入蒸汽发生器的水流量，获取并控制进入soec电堆的空气流量；以及，在识别soec电堆输出的气体温度达到预设温度后，再启动氨气合成器。

30、上述改进方案的有益效果如下：仅通过一个控制器，可实现对合成氨的整个过程的控制以及优化，使得使用便利性大幅度提升，提高了用户体验，节约了人力成本。

31、进一步，控制器进一步包括：

32、数据采集单元，用于获取进入soec电堆的空气流量和温度，soec电堆输出的燃料极尾气中氢气、水蒸气各自的流量和温度，以及氨气合成器输入端的气体类型及各自流量，发送至数据处理与控制单元；

33、数据处理与控制单元，用于启动风机和电加热器，在入堆空气达到设定温度后，启动换热器一、二和蒸汽发生器；然后，调整进入蒸汽发生器的水流量、风机的转速，使得出堆的氢气、水蒸气的流量比达到制备氨气的设定范围；以及，在出堆的氢气、水蒸气的流量比达到制备氨气的设定范围后，监测soec电堆输出的气体温度，一旦soec电堆输出的气体温度达到设定温度后，启动换热器三和氨气合成器，使得soec电堆输出的燃料极尾气以预设流量比、温度进入氨气合成器内制备氨气。

34、上述改进方案的有益效果如下：对合成氨的空气、水蒸气、氮气分别进行控制，精准地控制合成氨气所需要的温度和湿度条件，能够提高合成效率。

35、进一步，所述数据采集单元进一步包括：

36、空气流量温度一体传感器，设置于soec电堆的空气进气口，用于获取进入soec电堆的空气流量和温度；

37、水流量测量与控制设备，设置于蒸汽发生器的进水口，用于获取进入蒸汽发生器的水流量，并且，根据数据处理与控制单元的控制指令，控制进入蒸汽发生器的水流量；

38、水蒸气流量温度一体传感器，分别设置于soec电堆的燃料进气口、燃料极尾气出气口，以及氨气合成器的输入端，用于分别获取进入、排出soec电堆的水蒸气流量和温度，以及，获取进入氨气合成器的水蒸气流量和温度；

39、氢气流量温度一体传感器，设置于soec电堆的燃料极尾气出气口以及氨气合成器的输入端，用于分别获取出堆的氢气流量和温度，进入氨气合成器的氢气流量和温度；

40、氮气流量温度一体传感器，设置于氨气合成器的输入端，用于分别获取进入氨气合成器的氮气流量和温度。

41、上述改进方案的有益效果如下：传感器简单，易布设，能够实现精准控制。

42、提供
技术实现要素：
部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。