本创新介绍了一种交变电磁场催化装置,其结构包含外筒、内筒、中心电极及高低电极引线。外筒配备热源,内筒上下端设计独特,旨在提升催化效率。
背景技术
全球气候变暖对人类社会和生态系统造成了严重的影响。温室气体排放是主要因素之一。气候变化导致极端天气增加、海平面上升、生物多样性丧失等问题,也在粮食安全、水资源、能源供应和人类健康等方面带来巨大挑战。实现双碳目标将造成气候变化、保护生态环境和人类福祉的需求。国际社会普遍认识到应对气候变化的重要性,并在《巴黎协定》等国际气候框架下取得了共识。大多数国家和地区都制定了减少碳排放的目标,承诺在未来数十年内实现净零排放或碳中和。因此实现双碳目标变得刻不容缓。传统的能源模式,如化石燃料的使用,对环境和气候造成严重的影响。依赖化石燃料会导致能源安全问题、环境污染问题以及资源过度开采导致枯竭的问题。转向可再生能源和低碳能源,如太阳能、风能和核能等,是可持续能源未来发展的方向。实现双碳目标需要加快能源转型,减少对化石燃料的依赖,并推动可再生能源的开发和利用。
可再生能源,如太阳能、风能等,不产生或仅产生极少量的温室气体排放。相比之下,传统的化石燃料发电会产生大量的温室气体排放气体,加剧气候变化。通过发展可再生能源,可以降低温室气体排放,削弱气候变化对环境和人类社会的影响。发展可再生能源,可以减少对有限资源的依赖,实现能源的可持续发展。传统的能源模式更加依赖于进口化石燃料,这可能导致能源供应的不稳定性和国家的能源安全风险。发展可再生能源可以减少对进口能源的依赖,提高能源供应的稳定性和国家的能源安全性。此外,可再生能源的利用可以降低对单一能源来源的依赖,提高能源系统的耐冲击性。传统化石燃料发电会产生大量的空气污染物和水污染物,对生态系统和人类健康造成威胁。而可再生发电能源几乎不排放温室气体,对环境和生态系统的影响较小,有利于保护自然环境和生物多样性。
绿氢储能是指使用可再生能源(如太阳能和风能)通过电解水产生绿氢。储存能量以便在需要时使用。绿氢有潜力成为清洁能源存储和转换的重要技术,但氢气具有密度小、液化困难等特点,氢在常温下为气体,密度仅为0.0899g/L,常压下需要-252.7℃才会液化,这些因素导致氢气的运输效率低下。再加上氢气分子极小,会导致氢脆现象的发生,所谓氢脆现象,是指氢气分子半径极小,导致氢气在高压下可以穿过微孔从容器中溢出或与金属容器反应,使材料强度降低而导致开裂,即氢脆现象。所以氢气的储存对材料要求很高,这也制约了氢气储运的发展。
近年来,绿氨和绿色甲醇等含氢化合物受到了更多的关注,相比氢储能的700bar高压压缩或-253℃液化的严苛条件,氨在10bar、20℃或1bar、-33℃的温和条件下便可液化。氨具有极高的体积储能密度。氨在燃烧过程中生成氮气和水,而氮气和水可以直接进入自然界循环系统,不需要人为干预。氨同时也是氮肥的原料,对全球农业具有极其重要的影响,在过去一百多年内,传统合成氨工业得到了很好的发展,人类熟练掌握了合成氨技术及液氨的安全使用方法,并在全球范围内建立了完善的液氨储运设施。此外,氨具有较高的自燃温度和窄的爆炸极限,是本征安全的储能载体。因此氨被视为未来的终极能源。
甲醇既是重要化工原料,也是一种燃料,根据其化学属性,其具有能量载体的作用,甲醇也能够通过催化裂化反应制备氢气,因此同样可以作为氢能的载体促进氢能的储运和应用。甲醇作为能源载体,可以充当清洁能源。其次,利用氢气合成甲醇和甲醇储运技术成熟,且甲醇更容易储存和运输。甲醇催化重整制氢技术成熟,能够实现氢气和甲醇之间的可逆转化,可以促进氢的储运。最后,而甲醇燃烧速度快、点火能量低,燃烧稳定性好,是优质的燃料。
传统合成氨和合成甲醇属于高能耗、高温高压的严苛反应,传统合成氨工艺被称为哈伯-博施法,是利用化石燃料制备的氢气与空气分离的氮气反应来实现,其基本反应原理为N2+3H2=2NH3,在500℃,20~30MPa的大气压下反应,是一个高耗能、高碳排的过程,消耗了全球1%的能源,排放了全球2%的二氧化碳,传统的甲醇生产是利用煤、天然气等化石燃料与水和氧气反应得到合成气原料(碳氧化合物和氢气),分为低压法、中压法和高压法,反应压力从5MPa~30MPa,温度达到300~500℃,合成1吨甲醇大约需要排放3吨左右的二氧化碳,也是一个高耗能高碳排的过程。
因此,发展温和条件下绿氨和绿色甲醇的生产,具有重要的实际意义,低温低压的操作条件可以更好地与可再生能源的波动性、间歇性相结合;高温高压条件下进行化学合成存在一定的安全风险,因为高压和高温会增加设备的运行压力和温度,而低温低压催化合成氨的方法可以降低这些风险,提高反应的安全性;此外,温和催化方法可以通过设计新型低温低压催化剂或改进现有催化剂的结构和性能,实现对特定反应的高选择性和高活性催化,这有助于提高反应的效率和产物的纯度,以及减少副反应的发生。温和催化具有更低的投资成本,相对简单的反应装置设计和较短的响应时间,这对于工业应用和经济性非常重要,通过降低生产成本和提高生产效率,可以促进新型其实际应用和商业化。
最近发现,在上述反应中引入高压高频交变电磁场催化催化,可以大大降低反应所需的温度和压力。使得反应条件更加温和,能更好地匹配清洁能源。然而在设计的过程中,发现由于在金属反应器中引入了电场,又带来了金属反应器绝缘的问题,因此反应器的合理设计对于绝缘问题和气密问题至关重要。
实现思路