一种氨燃料循环利用的制氨储能和发电系统及方法

技术领域

本发明属于储能技术领域，具体涉及一种氨燃料循环利用的制氨储能和发电系统及方法。

背景技术

我国电力系统正加快向以高比例新能源为主体的新型电力系统转变，燃煤火电机组将有序退出或转为备用，预计到2030年我国火电装机将减少到11亿千瓦，到2060年减少到3～5亿千瓦。但是，新能源发电的随机性、波动性和不确定性将给电网安全运行带来巨大挑战，电网维持电量实时平衡难度大幅增高。因此，为了保证电网能平稳地供电，一般发电系统内会配备储能装置。常见的储能装置包括电化学储能、压缩空气储能、飞轮储能、超导储能、抽水储能、制氢储能和制氨储能等方式。其中，制氨储能是近年来兴起的新型储能技术，利用弃电来制备氨气并储存，有需要时再将氨气用于燃烧发电，可实现氨在全生命周期内的零碳排放。

例如专利申请文件CN112939023A公开了一种火电厂制氨储能及脱硝的系统及其方法。本发明系统包括连接设置在锅炉上的电化学制氨装置；所述的电化学制氨装置包括供电组件、反应罐和氨储罐；所述的供电组件的输出端连接反应罐的电源；所述的反应罐的出口通过氨气管路连接氨储罐的进口；所述的氨储罐的出口分别通过管路与锅炉内部燃烧区和锅炉尾部烟道连通；所述的反应罐上设置有电极阴极和电极阳极，内部装有电解质；所述的电极阴极通入氮气，电极阳极通入氢气。该火电厂制氨储能及脱硝的系统及方法，在火电厂中通过电化学制氨装置就地制备氨气，当燃煤机组升负荷运行时，可将氨与煤粉混合后送入锅炉与煤粉一起燃烧，燃烧反应为：NH

但专利申请文件CN112939023A公开的火电厂制氨储能及脱硝的系统及其方法，适用于正在运行的燃煤火电机组，氨气燃烧反应的产物中有NO，经进一步净化处理后需要排放出去；且其公开的电化学制氨方法，采用的原料是氮气和氢气，而在储能电站中，原料氢气需要依靠外部输入，但氢气的运输和储存都具有较大的安全风险，因此该系统无法实现氨燃料的循环利用。

发明内容

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：关停或备用煤电机组闲置下来，是一笔巨大的资源浪费，如果能将其改造为储能电站，不仅可以从电源侧弥补或调节新能源的不确定性，也能够实现对闲置火电资产的再利用。但相关技术中公开的火电厂制氨储能及脱硝的系统及其方法，适用于正在运行的火电机组，氨气燃烧发电后生成NO需要排放出去，而且电化学制氨过程需要依靠外部输入氢气才能进行，因此需要源源不断输入氢气。对于利用关停或备用煤电机组改造的储能电站来说，根本不能实现在系统内部的氨燃料循环利用。可见，相关技术中对于火电厂制氨储能系统和方法的研究还不够充分，仍需要进一步研究，设计出一种氨燃料循环利用的制氨储能和发电系统及方法，便于在利用关停或备用煤电机组改造的储能电站中，实现氨燃料的循环利用。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种氨燃料循环利用的制氨储能和发电系统，利用可再生能源产生的弃电或波谷电力在储能电站内就地制取并储存氨燃料，然后在可再生能源发电不足时采用氨燃料燃烧发电，燃烧产物储存后可作为制氨的原料，能够实现氨燃料的循环利用，并且可以平抑新能源发电的波动，实现对关停或备用煤电机组的再利用。

本发明实施例的氨燃料循环利用的制氨储能和发电系统，包括液氨储罐16、送风机17、锅炉系统、氮气储罐11、水储罐12、高温催化制氨装置13、气液分离装置15和蒸汽发电装置；锅炉系统包括锅炉1、燃烧器2、水冷壁3和设置在锅炉1的烟道尾部的烟气分离装置9，液氨储罐16的输出端和送风机17的输出端分别与燃烧器2连通，烟气分离装置9的输出端分别与氮气储罐11的输入端和水储罐12的输入端连通；氮气储罐11的输出端和水储罐12的输出端分别与高温催化制氨装置13的输入端连通，高温催化制氨装置13的输出端与气液分离装置15的输入端连通，气液分离装置15的一个输出端和液氨储罐16的输入端连通，另一个输出端排空；蒸汽发电装置包括汽轮机18和与汽轮机18连接的发电机19，汽轮机18的输入端与水冷壁的输出端连通，汽轮机18的输出端与水冷壁3的输入端连通，发电机19和高温催化制氨装置13均与电网20电连接。

本发明实施例的氨燃料循环利用的制氨储能和发电系统带来的优点和技术效果为：

(1)本发明实施例的氨燃料循环利用的制氨储能和发电系统，利用可再生能源产生的弃电或波谷电力在高温催化制氨装置13中制取氨燃料并储存在液氨储罐16中，然后在可再生能源发电不足时采用氨燃料在锅炉系统中燃烧发电，燃烧产物氮气和水储存后可作为制氨的原料，能够实现氨燃料的循环利用，并且可以平抑新能源发电的波动，实现对关停或备用煤电机组的再利用；

(2)本发明实施例的氨燃料循环利用的制氨储能和发电系统，利用氨燃料燃烧后发电，氨燃料燃烧的产物为氮气和水，无碳排放，无污染物排放，关停或备用煤电机组的原有脱硫脱硝装置均无需投运，能够实现清洁发电；

(3)本发明实施例的氨燃料循环利用的制氨储能和发电系统，系统内储能和发电的原料包括氨气、氧气、氮气、水等，这些原料均可就地获取，无需外部输入，并且通过电价峰谷差获取收益，具有良好的经济性。

在一些实施例中，高温催化制氨装置13的下部侧壁上设置有氮气入口21和水蒸气入口22，氮气储罐11的输出端和高温催化制氨装置13的氮气入口21连通，水储罐12的输出端和高温催化制氨装置13的水蒸汽入口22连通，高温催化制氨装置13的外部壳体上设置有电加热棒23，高温催化制氨装置13内设置有催化剂24，高温催化制氨装置13的顶部设置有混合气出口26，混合气出口26下方设置有丝网除雾器25，混合气出口26和液氨储罐16的输入端连通。

在一些实施例中，所述催化剂(24)为铁氯化合物。

在一些实施例中，所述催化剂(24)为铂系贵金属催化剂。

在一些实施例中，所述燃烧器(2)采用多层布置，氨气和空气分级送入所述燃烧器(2)中。

在一些实施例中，烟气分离装置9和氮气储罐11之间设置有氮气压缩装置10，高温催化制氨装置13与气液分离装置15之间设置有氨气压缩装置14。

在一些实施例中，锅炉系统还包括过热器，过热器的输入端和水冷壁3的输出端连通，过热器的输出端和汽轮机18的输入端连通；优选地，过热器包括屏式过热器4和高温过热器5，屏式过热器4的输出端和高温过热器5的输入端连通。

在一些实施例中，锅炉系统还包括依次设置在锅炉1的烟道上的省煤器6、空预器7和烟冷器8，送风机17的输出端和空预器7的输入端连通，液氨储罐16的输出端和烟冷器8的输入端连通，烟冷器的输出端和空预器7的输入端连通，空预器7的输出端和燃烧器2的输入端连通，所述汽轮机(18)的输出端和所述省煤器(6)的输入端连通，所述省煤器(6)的输出端和所述水冷壁(3)的输入端连通。

本发明实施例的氨燃料循环利用的制氨储能和发电方法，基于本发明实施例的氨燃料循环利用的制氨储能和发电系统，包括以下步骤：

(1)需要发电时，液氨储罐16向燃烧器2输送氨气，送风机17向燃烧器2内通入空气，两者混合燃烧后生成氮气和水蒸气并释放热量，生成的所述氮气和水蒸汽经水冷壁3冷却并经烟气分离装置9分离后，氮气输送至氮气储罐11内储存，水蒸气冷凝液化后输送至水储罐12内储存；同时，汽轮机18内的凝结水通入水冷壁3内，被汽化成水蒸气后，再输送到汽轮机18内，推动叶片旋转做功，带动发电机19发电，并输出到电网20；

(2)需要储能时，氮气储罐11和水储罐12分别向高温催化制氨装置13内输送氮气和水蒸气，氮气和水蒸气在高温催化制氨装置13内发生高温催化反应，输出氨气、氧气和氮气，经气液分离装置15的分离后，氨气输送至液氨储罐16储存，剩余的氮气和氧气排空。

本发明实施例的氨燃料循环利用的制氨储能和发电方法带来的优点和技术效果为：本发明实施例的氨燃料循环利用的制氨储能和发电方法，是基于本发明实施例的氨燃料循环利用的制氨储能和发电系统来实施的，利用可再生能源产生的弃电或波谷电力在高温催化制氨装置13中制取氨燃料并储存在液氨储罐16中，然后在可再生能源发电不足时采用氨燃料在锅炉系统中燃烧发电，燃烧产物氮气和水储存后可作为制氨的原料，能够实现氨燃料的循环利用，并且可以平抑新能源发电的波动，实现对关停或备用煤电机组的再利用。

在一些实施例中，步骤(1)中，氨气和空气在所述燃烧器(2)内混合燃烧，采用的是氨分级燃烧技术。

在一些实施例中，步骤(2)中，向所述高温催化制氨装置(13)内输送氮气和水蒸气，在当量配比上保持氮气过量。

附图说明

图1是本发明实施例1的氨燃料循环利用的制氨储能和发电系统的结构示意图；

图2是本发明实施例1的氨燃料循环利用的制氨储能和发电系统的高温催化制氨装置的结构示意图；

图3是本发明实施例2的氨燃料循环利用的制氨储能和发电方法的氨燃料燃烧发电过程的示意图；

图4是本发明实施例2的氨燃料循环利用的制氨储能和发电方法的制氨储能过程的示意图；

附图标记说明：1-锅炉，2-燃烧器，3-水冷壁，4-屏式过热器，5-高温过热器，6-省煤器，7-空预器，8-烟冷器，9-烟气分离装置，10-氮气压缩装置，11-氮气储罐，12-水储罐，13-高温催化制氨装置，14-氨气压缩装置，15-气液分离装置，16-液氨储罐，17-送风机，18-汽轮机，19-发电机，20-电网，21-氮气入口，22-水蒸气入口，23-电加热棒，24-催化剂，25-丝网除雾器，26-混合气出口。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例1

一种氨燃料循环利用的制氨储能和发电系统，如图1所示，包括液氨储罐16、送风机17、锅炉系统、氮气储罐11、水储罐12、高温催化制氨装置13、气液分离装置15和蒸汽发电装置；锅炉系统包括锅炉1、燃烧器2、水冷壁3和设置在锅炉1的烟道尾部的烟气分离装置9，液氨储罐16的输出端和送风机17的输出端分别与燃烧器2连通，烟气分离装置9的输出端分别与氮气储罐11的输入端和水储罐12的输入端连通；氮气储罐11的输出端和水储罐12的输出端分别与高温催化制氨装置13的输入端连通，高温催化制氨装置13的输出端与气液分离装置15的输入端连通，气液分离装置15的一个输出端和液氨储罐16的输入端连通，气液分离装置15的另一个输出端排空；蒸汽发电装置包括汽轮机18和与汽轮机18连接的发电机19，汽轮机18的输入端与水冷壁的输出端连通，汽轮机18的输出端与水冷壁3的输入端连通，发电机19和高温催化制氨装置13均与电网20电连接。

工作原理：液氨储罐16为锅炉系统提供氨燃料，燃烧产生的氮气和水蒸气经过气液分离装置15后分别储存在氮气储罐11和水储罐12中；氮气储罐11和水储罐12分别与高温催化制氨装置13连接，氮气和水蒸气在催化剂作用下发生化学反应生成氨气、氧气和氮气，氨气储存在液氨储罐16中，剩余的氧气和氮气排空。该系统充分利用关停或备用煤电机组的原设备，改造量小，系统控制简单，能够实现氨燃料的循环利用，并且可以平抑新能源发电的波动。可以理解的是，对于在役或在运行煤电机组，将燃料由煤粉完全替换为氨气后，也可以采用本发明实施例的系统和方法来实现氨燃料循环利用。

进一步，高温催化制氨装置13的结构如图2所示，高温催化制氨装置13的下部侧壁上设置有氮气入口21和水蒸气入口22，氮气储罐11的输出端和高温催化制氨装置13的氮气入口21连通，水储罐12的输出端和高温催化制氨装置13的水蒸汽入口22连通，高温催化制氨装置13的外部壳体上设置有电加热棒23，高温催化制氨装置13内设置有催化剂24，高温催化制氨装置13的顶部设置有混合气出口26，混合气出口26下方设置有丝网除雾器25，混合气出口26和液氨储罐16的输入端连通。

催化剂24分多层排布，催化剂24的主要组分为铁氯化合物，催化制氨反应的反应温度范围为120-300℃。采用铁氯化合物作为催化剂24，催化制氨过程可以不用过高的反应温度，节省能源消耗。

进一步，燃烧器2采用多层布置，配合实施例2中的氨分级燃烧技术，将氨气和空气分级送入燃烧器2中，使得氨气和空气燃烧后的产物为氮气和水。至于分级燃烧技术的具体实施方式，属于现有技术，在此不再赘述。

进一步，烟气分离装置9和氮气储罐11之间设置有氮气压缩装置10，高温催化制氨装置13与气液分离装置15之间设置有氨气压缩装置14。

进一步，锅炉系统还包括过热器，过热器的输入端和水冷壁3的输出端连通，过热器的输出端和汽轮机18的输入端连通；过热器包括屏式过热器4和高温过热器5，屏式过热器4的输出端和高温过热器5的输入端连通。

进一步，锅炉系统还包括依次设置在锅炉1的烟道上的省煤器6、空预器7和烟冷器8，送风机17的输出端和空预器7的输入端连通，液氨储罐16的输出端和烟冷器8的输入端连通，烟冷器的输出端和空预器7的输入端连通，空预器7的输出端和燃烧器2的输入端连通，汽轮机(18)的输出端和省煤器(6)的输入端连通，省煤器(6)的输出端和水冷壁(3)的输入端连通。

实施例2

一种氨燃料循环利用的制氨储能和发电方法，利用实施例1的氨燃料循环利用的制氨储能和发电系统，包括以下步骤：

(1)需要发电时，液氨储罐16向燃烧器2输送氨气，送风机17向燃烧器2内通入空气，两者混合燃烧后生成氮气和水蒸气并释放热量，生成的氮气和水蒸汽经水冷壁3冷却并经烟气分离装置9分离后，氮气输送至氮气储罐11内储存，水蒸气冷凝液化后输送至水储罐12内储存；同时，汽轮机18内的凝结水通入水冷壁3内，被汽化成水蒸气后，再输送到汽轮机18内，推动叶片旋转做功，带动发电机19发电，并输出到电网20；

(2)需要储能时，氮气储罐11和水储罐12分别向高温催化制氨装置13内输送氮气和水蒸气，氮气和水蒸气在高温催化制氨装置13内发生高温催化反应，输出氨气、氧气和氮气，经气液分离装置15的分离后，氨气输送至液氨储罐16储存，剩余的氮气和氧气排空。

进一步，步骤(1)中，氨气和空气在所述燃烧器(2)内混合燃烧，采用的是氨分级燃烧技术。采用氨分级燃烧技术在分级燃烧器内燃烧氨气和空气，生成的产物为氮气和水。

进一步，步骤(2)中，向所述高温催化制氨装置(13)内输送氮气和水蒸气，在当量配比上保持氮气过量。

具体地，实施例2中利用氨燃料燃烧发电的过程如图3所示，储存在液氨储罐16中的液氨进入烟冷器8中，吸收烟气的热量蒸发成为气态氨气，然后进入空预器7中与烟气换热升温，然后进入燃烧器2中。空气通过送风机17进入空预器7中与烟气换热升温，然后进入燃烧器2中。氨气和空气在燃烧器2中点火燃烧并放出热量，燃烧产物为氮气和水蒸气，反应方程为NH

具体地，实施例2中利用高温催化制氨装置制氨并储氨的过程如图4所示，储存在氮气储罐11中的氮气进入高温催化制氨装置13的氮气入口21，储存在水储罐12中的水加热为水蒸气后进入高温催化制氨装置13的水蒸气入口22，电网20上的电能通过输电线连接到高温催化制氨装置13内的电加热棒23，加热提高高温催化制氨装置13的温度，可达120-300℃。在高温和催化剂作用下，氮气和水蒸气在高温催化制氨装置13中发生化学反应，生成氨气、氧气，高温催化制氨装置13中发生的化学反应具体为：N

实施例3

一种氨燃料循环利用的制氨储能和发电系统，其中，高温催化制氨装置13内设置的催化剂24为铂催化剂；另外，电加热棒23的两端与电网20连接，将电能转化为热能，高温催化制氨装置13的温度升高到1000℃以上；其他条件和实施例1的一样。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。