一种二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电系统和方法

技术领域

本发明属于低碳技术领域，尤其涉及一种二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电系统和方法。

背景技术

随着社会的发展，尤其是工业革命之后，人类开始大规模开采、使用化石能源。化石能源的大规模使用，在极大丰富人类物质生活的同时，也带来了大气CO

电力行业是碳排放最大的行业，我国发电量的大部分来源于燃煤，因此燃煤电厂的碳减排尤为重要。目前针对燃煤电厂的碳减排主要的思路又分为三个工艺路线：燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧等。但不管是哪个技术路线，均存在捕集能耗高(用能成本高)、捕集后巨量CO

我国尿素表观需求为每年5000万吨，大部分采用煤化工制备尿素工艺，每生产一吨尿素，需要排放0.785吨CO

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的在于提出一种二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电系统，将电力行业的新工艺“富氧燃烧”和尿素行业的新工艺“绿电-绿氢-绿氨-绿尿”进行耦合，解决了发电行业碳消纳的问题，也减少了绿色尿素的成本。

本发明的另一个目的在于提出一种二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电方法。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电系统，包括：

光伏子系统，用于产生电能；

电解水子系统，所述电解水子系统连接所述光伏子系统，用于产生氢气和氧气；

富氧燃烧发电子系统，所述富氧燃烧发电子系统连通所述电解水子系统的氧气输出端和空气分离子系统的氧气输出端，用于产生电能；

烟气提纯子系统，所述烟气提纯子系统连接所述富氧燃烧发电子系统的烟气出口，用于净化烟气获得纯净的二氧化碳气体；

尿素合成子系统，所述尿素合成子系统的二氧化碳输入端连通所述烟气提纯子系统的气体出口，用于合成尿素；

合成氨子系统，所述合成氨子系统的输入端连通所述电解水子系统的氢气输出端和所述空气分离子系统的氮气输出端，用于生产氨气；所述合成氨子系统的输出端连通所述尿素合成子系统的氮气输入端。

另外，根据本发明上述实施例提出的二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电系统，还可以具有如下附加的技术特征：

在一些实施例中，所述烟气提纯子系统的水输出端连通所述电解水子系统的水输入端。

在一些实施例中，所述烟气提纯子系统包括依次连通的除尘装置、脱水装置和脱硫装置，所述除尘装置的入口连通所述富氧燃烧发电子系统的烟气出口，所述脱水装置的水输出端连通所述电解水子系统的水输入端，所述脱硫装置的气体出口连通所述尿素合成子系统的二氧化碳输入端。

在一些实施例中，所述除尘装置为电除尘器、袋式除尘器、重力除尘器中的一种，所述脱水装置为无油再生吸附式干燥器、气体冷冻式干燥机、离心式脱水机中的一种，所述脱硫装置为湿法脱硫塔、干法脱硫设备、半干法脱硫设备中的一种。

在一些实施例中，所述合成氨子系统的蒸汽出口连通所述富氧燃烧发电子系统的蒸汽输入端，所述富氧燃烧发电子系统的电能输出端连接所述合成氨子系统。

在一些实施例中，所述富氧燃烧发电子系统包括依次连通的气体混合装置、燃烧装置和发电装置，所述气体混合装置的氧气入口连通所述电解水子系统的氧气输出端和空气分离子系统的氧气输出端；所述燃烧装置的烟气出口分两路，一路连通所述烟气提纯子系统，另一路连通所述气体混合装置的循环气入口；所述燃烧装置具有化石燃料入口。

在一些实施例中，进入所述气体混合装置的氧气入口的氧气与进入所述气体混合装置的循环气入口的烟气的体积比为21：79。

在一些实施例中，所述气体混合装置为文丘里射流混合器、逆流混合器、顺流混合器中的一种，所述燃烧装置为燃煤锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉中的一种，所述发电装置为蒸汽轮机、燃气轮机中的一种。

为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电方法，该方法采用本发明实施例的二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电系统，包括：

光伏发电子系统将光能转化为电能，为电解水子系统提供能量；

空气进入空气分离子系统进行分离，获得纯度≥99.2％的第一氧气和纯度≥99.2％的氮气；

电解水制氢系统电解水获得第二氧气和氢气；

富氧燃烧子系统以所述第一氧气、第二氧气和化石燃烧为原料进行燃烧发电，其产生的烟气至少有部分进入烟气提纯子系统进行烟气净化，获得纯度≥99％的二氧化碳气体；

合成氨子系统以所述氢气和所述氮气为原料合成氨气；

尿素合成子系统以所述纯度≥99％的二氧化碳气体和所述氮气为原料合成尿素。

在一些实施例中，所述的二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电方法，还包括：所述富氧燃烧子系统产生的烟气部分作为循环气重新进入富氧燃烧子系统。

在一些实施例中，所述的二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电方法，还包括：所述第一氧气、第二氧气的总体积与所述循环气的体积比为21：79。

在一些实施例中，所述的二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电方法，还包括：所述合成氨子系统的余热以蒸汽形式提供给所述富氧燃烧发电系统，所述富氧燃烧发电子系统的部分电能提供给所述合成氨子系统。

在一些实施例中，所述的二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电方法，还包括：所述烟气提纯子系统脱水后获得的水提供给所述电解水子系统作为电解水制氢的原料。

本发明实施例的氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电系统，可带来的有益效果为：

1、CO

富氧燃烧发电的碳减排原理为：常规燃煤发电是用空气燃烧化石燃料，产生热能，再利用发电装置将热能转化为电能。由于空气中N

对于绿色尿素技术路线，一方面：需要利用光伏电制备氢气，电解水时，会有氧气O

2、富氧燃烧发电的燃烧尾气CO

富氧燃烧发电的燃烧尾气的CO

3、烟气提纯子系统中，脱水后得到的水，可以作为电解水的原料，可降低CO

烟气提纯子系统中，脱水后得到的水，本质上来源于化石燃料中H元素和燃烧气体中 O元素的化学反应。这部分水经过必要的水处理后，作为电解用水，可降低CO

4、富氧燃烧发电中的尾气循环，可提高发电效率，并减少燃烧装置改造成本。

对于常规发电系统，燃烧尾气的排烟温度为130℃以上。这部分烟气的热量无法被利用，这部分热量损失叫排烟损失，是电厂锅炉最大的效率损失。采用尾气循环后，大部分的尾气和氧气混合，可以起到预热氧气的作用，从而避免大部分的排烟损失，提高锅炉效率，从而提高发电效率。

另一方面，发电系统的燃烧装置有固定的氧浓度适应区间。常规的燃烧装置都是按空气中的氧浓度进行设计的。如果用纯氧进行燃烧时，燃烧装置需要有较大的改动，甚至需要重建。改造成本较高。尾气循环后，可人为将燃烧气体保持氧浓度和空气保存一致(21％ O

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电系统的示意图。

图2是根据本发明一个实施例的二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电系统中富氧燃烧发电子系统与合成氨子系统的能量耦合示意图。

图3是根据本发明一个实施例的二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电系统中富氧燃烧发电子系统的示意图。

图4是根据本发明一个实施例的二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电系统的物料比例关系图。

图5是常规(非耦合)二氧化碳加绿氨制尿素系统的物料比例关系图。

图6是根据本发明另一个实施例的氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电系统的示意图。

附图标记：

1-光伏子系统；2-电解水子系统；3-富氧燃烧发电子系统；301-气体混合装置；302- 燃烧装置；303-发电装置；4-烟气提纯子系统；5-空气分离子系统；6-合成氨子系统；7- 尿素合成子系统。

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。

下面结合附图来描述本发明实施例的二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电系统、二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电方法。

图1是根据本发明一个实施例的二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电系统的示意图。

如图1所示，本发明实施例的二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电系统，包括光伏子系统1、电解水子系统2、富氧燃烧发电子系统3、烟气提纯子系统4、空气分离子系统5、合成氨子系统6和尿素合成子系统7。其中，光伏子系统1用于产生电能；电解水子系统2连接光伏子系统1，用于产生氢气和氧气；富氧燃烧发电子系统3连通电解水子系统2的氧气输出端和空气分离子系统5的氧气输出端，用于产生电能；烟气提纯子系统4 连接富氧燃烧发电子系统3的烟气出口，用于净化烟气获得纯净的二氧化碳气体；尿素合成子系统7的二氧化碳输入端连通烟气提纯子系统4的气体出口，用于合成尿素；合成氨子系统6的输入端连通电解水子系统2的氢气输出端和空气分离子系统5的氮气输出端，用于生产氨气；合成氨子系统6的输出端连通尿素合成子系统7的氮气输入端。

本发明实施例的二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电系统，将电力行业的新工艺“富氧燃烧”和尿素行业的新工艺“绿电-绿氢-绿氨-绿尿”进行耦合，解决了发电行业碳消纳的问题，也减少了绿色尿素的成本。

本发明中，光伏发电子系统为常规技术，将光能转化为电能，该电能没有碳排放。本发明中光伏发电子系统，包括但不限于为单晶硅发电系统、多晶硅发电系统、薄膜发电系统等。

本发明中，电解水子系统也为常规技术，以电和水为原料，生成氢气和氧气。氢气输送到尿素合成子系统(也即CO

本发明中，富氧燃烧发电子系统，以氧气(来源于电解水子系统和空气分离子系统) 和化石燃料为原料，生产绿色电能，排放的燃烧尾气中含有较高浓度的CO

在一些实施例中，如图6所示，烟气提纯子系统4的水输出端连通电解水子系统2的水输入端。较佳的，烟气提纯子系统4的水输出端连通现有水处理系统，先对烟气提纯子系统4产生的水进行处理提纯(包括软化、脱盐等具体处理工艺，达到电解水制氢用水标准GB/T19774)，之后再进入电解水子系统2，作为电解水制氢的原料参与电解水制氢。在一些实施例中，烟气提纯子系统4包括依次连通的除尘装置、脱水装置和脱硫装置，除尘装置的入口连通富氧燃烧发电子系统3的烟气出口，脱水装置的水输出端连通电解水子系统2的水输入端，脱硫装置的气体出口连通尿素合成子系统7的二氧化碳输入端。作为非限制性实例，除尘装置为电除尘器、袋式除尘器、重力除尘器中的一种，脱水装置为无油再生吸附式干燥器、气体冷冻式干燥机、离心式脱水机中的一种，脱硫装置为湿法脱硫塔、干法脱硫设备、半干法脱硫设备中的一种。在烟气提纯子系统中，通过除尘、脱水、脱硫等工艺，将燃烧尾气制备成较纯净的CO

在一些实施例中，合成氨子系统6的蒸汽出口连通富氧燃烧发电子系统3的蒸汽输入端，富氧燃烧发电子系统3的电能输出端连接合成氨子系统6。本发明中，合成氨子系统为现有技术，包括但不限于为包括氨合成塔的系统等，在此不再赘述。

合成氨的过程为：

氢气和氮气在催化剂、高温高压环境下，反应生产氨气，其核心化学反应方程为：

N

ΔrHθ＝-92.4kJ/mol。

该氨气合成反应采用绿氢，所以也没有碳排放，获得的氨气被称为绿氨。此外，该反应为放热反应，生产过程中会放出大量热量。将热量通过蒸汽的形式输送到发电系统后，可转化为电能；按35％的发电综合效率，则每mol NH

92.4/2/3600*40％＝0.0051KWh；

这部分电能又可以用于合成氨子系统中的压缩机等大功率用电设备，实现了能量的耦合(如图2所示)。

在本发明中，尿素合成子系统为现有技术，其具体组成在此不再赘述。在尿素合成子系统中，用绿氨和烟气提纯后的CO

该尿素合成反应为放热反应，不需要另外的能量消耗，每生产一吨尿素，可消纳0.73 吨CO

在本发明中，空气分离子系统包括但不限于为空气精馏分离系统、吸附分离系统、膜分离系统等，均为现有技术，其具体组成在此不再赘述。在空气分离子系统中，以空气为原料，分离空气得到氮气和氧气。

本发明实施例的二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电系统的工作原理也即本发明实施例的二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电方法，该方法采用本发明实施例的二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电系统，包括以下步骤：

S100、光伏发电子系统将光能转化为电能，为电解水子系统2提供能量。

S200、空气进入空气分离子系统5进行分离，获得纯度≥99.2％的第一氧气和纯度≥ 99.2％的氮气。

为了方便描述，经空气分离子系统获得的纯度≥99.2％的第一氧气和纯度≥99.2％的氮气可以分别称作高纯氧气和高纯氮气。其中，高纯氧气后续参与富氧燃烧发电，高纯氮气后续参与氨气合成。

S300、电解水制氢系统电解水获得第二氧气和氢气。

本发明中，电解水子系统为常规技术，以电和水为原料，生成氢气和氧气(为了区分空气分离子系统获得的氧气，这里可以定义为第二氧气)。氢气可以后续可参与尿素合成，第二氧气可输送到富氧燃烧发电子系统与第一氧气一起参与富氧燃烧。在一些实施例中，电解水子系统可以包括但不限于为碱性电解水制氢系统、质子交换膜电解水制氢系统、高温固体氧化物电解水系统等。

S400、富氧燃烧子系统以第一氧气、第二氧气和化石燃烧为原料进行燃烧发电，其产生的烟气至少有部分进入烟气提纯子系统4进行烟气净化，获得纯度≥99％的二氧化碳气体。

这里化石燃料包括但不限于为煤，可以采用煤粉等。

在本发明中，富氧燃烧子系统产生的烟气可以全部或部分进入烟气提纯子系统4进行烟气净化。在一些实施例中，富氧燃烧子系统产生的烟气部分作为循环气重新进入富氧燃烧子系统。通过合理的设计，第一氧气、第二氧气的总体积与循环尾气按21：79的比例进行混合，作为燃烧用气。这样做的好处，一方面避免了排烟损失，提高锅炉效率和发电效率；另一方面，使得原有的常规燃烧装置不需进行专门的改造，即可采用本技术，避免了可能的改造成本。

进入烟气提纯子系统4的烟气通过除尘、脱水、脱硫等工艺，将燃烧尾气制备成纯度≥99％的CO

S500、合成氨子系统6以来自电解水子系统的氢气和来自空气分离子系统的氮气为原料合成氨气。

合成氨的过程为：

氢气和氮气在催化剂(可以是常规的铁触媒等)、高温高压(温度一般为500℃，压力一般为20-50MPa)环境下，反应生产氨气，其核心化学反应方程为：

N

ΔrHθ＝-92.4kJ/mol。

该氨气合成反应采用绿氢，所以也没有碳排放，获得的氨气被称为绿氨。此外，该反应为放热反应，生产过程中会放出大量热量。将热量通过蒸汽的形式输送到富氧燃烧发电子系统后，可转化为电能；按35％的发电综合效率，则每mol NH

92.4/2/3600*40％＝0.0051KWh；

这部分电能又可以用于合成氨子系统中的压缩机等大功率用电设备，实现了能量的耦合(如图2所示)。

S600、尿素合成子系统7以纯度≥99％的二氧化碳气体和氮气为原料合成尿素,化学方程式为：

该尿素合成反应为放热反应，不需要另外的能量消耗，每生产一吨尿素，可消纳0.73 吨CO

下面结合一个具体的实例来说明本发明二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电系统的物料比例关系。

本实施例的二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电系统，包括光伏子系统1、电解水子系统2、富氧燃烧发电子系统3、烟气提纯子系统4、空气分离子系统5、合成氨子系统6和尿素合成子系统7。其中，光伏子系统1用于产生电能；电解水子系统2连接光伏子系统1，用于产生氢气和氧气；富氧燃烧发电子系统3连通电解水子系统2的氧气输出端和空气分离子系统5的氧气输出端，用于产生电能；烟气提纯子系统4连接富氧燃烧发电子系统3的烟气出口，用于净化烟气获得纯净的二氧化碳气体；尿素合成子系统7的二氧化碳输入端连通烟气提纯子系统4的气体出口，用于合成尿素；合成氨子系统6的输入端连通电解水子系统2的氢气输出端和空气分离子系统5的氮气输出端，用于生产氨气；合成氨子系统6的输出端连通尿素合成子系统7的氮气输入端。

其中，光伏发电子系统、电解水子系统、空气分离子系统、合成氨子系统和尿素合成子系统均为常规技术。光伏发电子系统选择单晶硅发电系统，其将光能转化为电能，该电能没有碳排放。电解水子系统为碱性电解水制氢系统，以电和水为原料，生成纯度为99.7％氢气和纯度为99.7％氧气。氢气输送到尿素合成子系统(也即CO

富氧燃烧发电子系统，以氧气(来源于电解水子系统和空气分离子系统)和化石燃料无烟煤为原料，生产绿色电能，排放的燃烧尾气中含有较高浓度的CO

烟气提纯子系统4的水输出端连通电解水子系统2的水输入端。烟气提纯子系统4包括依次连通的除尘装置、脱水装置和脱硫装置，除尘装置的入口连通富氧燃烧发电子系统 3的烟气出口，脱水装置的水输出端连通电解水子系统2的水输入端，脱硫装置的气体出口连通尿素合成子系统7的二氧化碳输入端。除尘装置为袋式除尘器，脱水装置为气体冷冻式干燥机，脱硫装置为湿法脱硫塔。在烟气提纯子系统中，通过除尘、脱水、脱硫等工艺，将燃烧尾气制备成纯度为99.5％的CO

针对本实施例的二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电系统进行物料关系计算，得到物料比例关系图，如图4所示。

成产1mol的尿素，需要的物质和能量消耗，如图4所示。

合成氨子系统核心反应为：

N

ΔrHθ＝-92.4kJ/mol；

尿素合成化学方程式为：

每mol尿素生产的同时，放出的热量，按热电转化效率按40％计算，则对应的发电量为0.01KWh。

水的理论电解能为286KJ/mol，按80％的电解效率为：358KJ/mol。

针对本实施例的二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电系统、常规(非耦合)二氧化碳加绿氨制尿素系统(如图5所示)和现有煤制尿素分别计算运行成本。以1万吨/年尿素产量(1.67*10

表1本实施例的二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电系统与常规技术效果比较

从表3可以看出，采用本实施例的二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电系统，每吨尿素的运行成本为1733元，相比常规(非耦合)CO

综上所述，本发明实施例的二氧化碳加绿氨制尿素耦合富氧燃烧发电系统和方法，将 CO

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

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。