SE2300074A1 - Method and device for producing ammonia and ammonium - Google Patents

Abstract

Föreliggande uppfinning avser förfarande och arrangemang för att producera ammoniak från kvävet i luft. Uppfinningen kännetecknas av att i en förbränningsmotor för väte förbränns en del av tillfört väte med syret i den omgivningsluft som tillförs motorn varvid kvarvarande del av tillfört väte reagerar med kvävet från tillförd luft och bildar ammoniak varefter motorns avgaser efter kylning och kondensering av vattenånga till vatten väsentligen utgörs av ammoniak och ammonium.The present invention relates to a method and arrangement for producing ammonia from the nitrogen in air. The invention is characterized by the fact that in an internal combustion engine for hydrogen, a part of supplied hydrogen is combusted with the oxygen in the ambient air supplied to the engine, whereby the remaining part of supplied hydrogen reacts with the nitrogen from supplied air and forms ammonia, after which the engine's exhaust after cooling and condensation of water vapor to essentially water consists of ammonia and ammonium.

Description

Metod och anordning för att producera ammoniak och ammonium Luften runt oss består till största delen av kväve cirka 78 procent och syre cirka 21 procent. I luften finns även mycket små mängder av andra gaser uppgående till cirka 1 procent. Kväve har många industriella användningsområden. Ett viktigt område är framställning av ammo- nium (ammoniak löst i vatten) som kan användas för produktion av gödsel. Oftast produceras kväve från luft genom gradvis komprimering och kylning av luften i en process benämnd Hampson-Linde. Därefter görs ammoniak, vanligen genom en metod benämnd Haber-Bosch genom att blanda kväve med väte under höga tryck, >l 00 bar, och temperaturer, >700 K, samt i närvaro av exv. jäm som katalysator, enligt formeln: Nz + 3 llz ~+ 2 Nl lg. Method and device for producing ammonia and ammonium The air around us consists mostly of about 78 percent nitrogen and about 21 percent oxygen. There are also very small amounts of other gases in the air amounting to approximately 1 percent. Nitrogen has many industrial uses. An important area is the production of ammonium (ammonia dissolved in water) which can be used for the production of fertiliser. Most often, nitrogen is produced from air by gradually compressing and cooling the air in a process called Hampson-Linde. Then ammonia is made, usually by a method called Haber-Bosch by mixing nitrogen with hydrogen under high pressures, >l 00 bar, and temperatures, >700 K, and in the presence of ex. iron as a catalyst, according to the formula: Nz + 3 llz ~+ 2 Nl lg.

Syftet med uppfinningen är att producera ammoniak/ammonium, med luft och väte som rå- vara, enligt en ny och avsevärt mindre kostnadskrävande metod och anordning. The purpose of the invention is to produce ammonia/ammonium, with air and hydrogen as raw materials, according to a new and considerably less expensive method and device.

Metoden utförs i en internförbränningsmotors förbränningskammare där temperatur och tryck i förbränningskammaren, med en invändig yta som åtminstone delvis är utförd i jäm, uppnår ovan nämnda nivåer för processen Haber-Bosch. Inför motorns arbetstakt tillförs förbrän- ningskammaren omgivningsluft och väte med en kvantitet av väte som betydligt överstiger den vätekvantitet som åtgår för att under förbränningen förbruka allt syre i tillförd luft. Vid förbränningen av luft-väteblandningen som inleds i anslutning till kolvens övre vändläge kommer vätet i den överstigande, ej i förbränningen deltagande, vätekvantiteten att reagera med kvävet i tillförd omgivningsluft enligt formeln: 3 H2 + Ng -> 2 NH; Målet är att tillsam- mans med omgivningsluft tillföra väte i sådan kvantitet att efter förbränning, där allt syre åt- går, med bildande av vattenånga och ammoniak resterar inget väte eller kväve i energiom- vandlarens avgaser, en stökiometrisk reaktion, vilket innebär att inför varje arbetstakt skall förbränningskammaren tillföras tre molekyler väte för varje tillförd molekyl kväve utöver det väte som åtgår för att förbränna allt tillfört syre i luft-väteblandningen. Dock är väte dyrt jäm- fört med luftens kväve vilket är skälet till att mer omgivningsluft tillförs än vad som skulle behövas för nämnda stökiometri. Gasblandningen av vattenånga, och pga. högt tryck och temperatur bildad ammoniak, kyls varvid när vattenångan kondenseras samtidigt ammoniak, åtminstone delvis, löses i kondensatet, vattnet, och ammonium bildas. The method is carried out in the combustion chamber of an internal combustion engine where temperature and pressure in the combustion chamber, with an internal surface that is at least partially made of iron, reach the aforementioned levels for the Haber-Bosch process. Before the working cycle of the engine, ambient air and hydrogen are supplied to the combustion chamber with a quantity of hydrogen that significantly exceeds the quantity of hydrogen required to consume all the oxygen in the supplied air during combustion. During the combustion of the air-hydrogen mixture that begins in connection with the upper turning position of the piston, the hydrogen in the excess, not participating in the combustion, quantity of hydrogen will react with the nitrogen in the supplied ambient air according to the formula: 3 H2 + Ng -> 2 NH; The goal is to supply hydrogen together with ambient air in such a quantity that after combustion, where all the oxygen is consumed, with the formation of water vapor and ammonia, no hydrogen or nitrogen remains in the exhaust gases of the energy converter, a stoichiometric reaction, which means that before each operating rate, three molecules of hydrogen must be supplied to the combustion chamber for each supplied molecule of nitrogen in addition to the hydrogen required to burn all supplied oxygen in the air-hydrogen mixture. However, hydrogen is expensive compared to the nitrogen in the air, which is the reason why more ambient air is added than would be needed for said stoichiometry. The gas mixture of water vapor, and due to high pressure and temperature formed ammonia, is cooled whereby when the water vapor is condensed at the same time ammonia, at least partially, dissolves in the condensate, the water, and ammonium is formed.

I kondenseringsfasen fångas även förekommande partiklar från exv. motorslitage som avskiljs innan ammoniak resp. ammoniumet separeras och lagras i exv. varsin tank. Därefter återstår inledningsvis nämnda små mängder av andra gaser som exv. argon vars ev. omhändertagande inte berörs av uppfinningen. In the condensation phase, existing particles from e.g. engine wear that is separated before ammonia or the ammonium is separated and stored in exv. each tank. After that, the initially mentioned small amounts of other gases such as e.g. argon whose possible handling is not affected by the invention.

Genom att motorn bringas utföra nyttoarbete som att driva elverk eller annan nyttoanordning och att spillvärme, i form av motorvärmet och avgasvärmet, tillvaratas blir totalverkningsgra- den hög med följden att kostnaden för produktion av ammoniak och ammonium blir låg. By making the engine perform useful work such as powering a power plant or other useful device and by saving waste heat, in the form of engine heat and exhaust gas heat, the total efficiency is high with the consequence that the cost of production of ammonia and ammonium is low.

Inom jordbruk kan, vid exv. en traktor eller annan jordbruksmaskin med väteförbränningsmo- tor, avgaserna efter eventuell kylning och rening i gödslingssyfte ledas ner i jorden bakom fordonet i samband med plöjning, harvning, sådd, skörd eller annat arbete som kompensation för den kväve som frigörs när jord rörs om i samband med nämnda förfaranden. Vid behov av sterilisering av jord kyls inte avgasema innan de förs ned i jorden. In agriculture, e.g. a tractor or other agricultural machine with a hydrogen combustion engine, the exhaust gases after possible cooling and purification for fertilizing purposes are led into the soil behind the vehicle in connection with ploughing, harrowing, sowing, harvesting or other work as compensation for the nitrogen released when soil is moved in connection with said procedures. If soil sterilization is required, the exhaust gases are not cooled before they are brought into the soil.

Förbränningsmotorers konstruktion och arbetssätt är väl kända vilket är skäl till att ytterligare beskrivning i form av figurer och figurbeskrivningar för en fackmans tillämpning av uppfin- ningen inte anses vara behövlig men kan tillföras om granskande patentmyndighet så kräver. The construction and working methods of internal combustion engines are well known, which is the reason why further description in the form of figures and figure descriptions for a specialist's application of the invention is not considered necessary, but can be added if the examining patent authority so requires.

Som prioritetsgrundande föreliggande patentansökning åberopas svenska patentansökningar nr: 2300062-3, 2200076-4, 2200081-4, 2200080-6, 2200097-0, 2200108-5, 2200107-Ovanstående beskrivning, och prioritetsgrundande patentansökningar, begränsar inte uppfin- ningen utan modifieringar kan göras inom ramen för de följande angivna patentkraven. lSwedish patent applications No. 2300062-3, 2200076-4, 2200081-4, 2200080-6, 2200097-0, 2200108-5, 2200107 are invoked as the basis for the present patent application. The above description, and priority patent applications, do not limit the invention without modifications. be made within the framework of the following patent claims. l

Claims (7)

1. Metod för att framställa ammoniak i en förbränningsmotor samtidigt som värme omvandlas till arbete, kännetecknad av att inför förbränningsmotorns arbetstakter tillförs förbrännings- kammaren väte och luft i ett blandningsförhållande som dels innebär att vid åtföljande för- bränning förbränns allt syre med väte och som dels innebär att oforbränt väte tillsammans med kväve i den tillförda luften bildar ammoniak.1. Method for producing ammonia in an internal combustion engine at the same time as heat is converted into work, characterized by the fact that before the working cycles of the internal combustion engine, hydrogen and air are supplied to the combustion chamber in a mixture ratio which partly means that during the accompanying combustion all oxygen is burned with hydrogen and partly means that unburned hydrogen together with nitrogen in the supplied air forms ammonia. 2. Metod enligt krav 1, kännetecknad av att motorns avgaser kyls för kondensering av vid förbränningen bildad vattenånga till vatten i vilket en del av bildad ammoniak lösts och for- mat ammonium varvid resterande gas väsentligen utgörs av ammoniak.2. Method according to claim 1, characterized in that the engine's exhaust gases are cooled to condense the water vapor formed during the combustion into water in which part of the ammonia formed is dissolved and formate ammonium, whereby the remaining gas essentially consists of ammonia. 3. Metod enligt krav 2, kännetecknad av att ammoniumet avskiljs och lagras i tank för lag- ring av ammonium samt att ammoniaken komprimeras och lagras i tank för komprimerad ammoniak.3. Method according to claim 2, characterized in that the ammonium is separated and stored in a tank for storing ammonium and that the ammonia is compressed and stored in a tank for compressed ammonia. 4. Metod enligt krav 2, kännetecknad av att avgasblandningen leds ned i marken bakom en traktor eller annan jordbruksmaskin.4. Method according to claim 2, characterized in that the exhaust gas mixture is led down into the ground behind a tractor or other agricultural machine. 5. Anordning för genomförande av metoden enligt krav 1, kännetecknad av att anordningen utgörs av en förbränningsmotor där tillfört bränsle utgörs av väte som tillsammans med syret i tillförd omgivningsluft förbränns under motoms arbetstakter.5. Device for carrying out the method according to claim 1, characterized in that the device consists of an internal combustion engine where supplied fuel consists of hydrogen which, together with the oxygen in supplied ambient air, is burned during the engine's operating cycles. 6. Anordning enligt krav 5 kännetecknad av att förbränningskammarens invändiga yta åt- minstone delvis innefattar järn.6. Device according to claim 5, characterized in that the internal surface of the combustion chamber at least partially comprises iron. 7. Anordning enligt krav 5 kännetecknad av att förbränningsmotom driver en elgenerator eller en traktor eller annan jordbruksmaskin eller annan nyttoanordning.7. Device according to claim 5, characterized in that the combustion engine drives an electric generator or a tractor or other agricultural machine or other utility device.