一种基于氨储能的火电厂灵活性提升系统

技术领域

本发明属于火电厂灵活性提升技术领域，尤其涉及一种基于氨储能的火电厂灵活性提升系统。

背景技术

全球变暖已成为目前国际社会最为关注的热点问题，温室气体如二氧化碳的大量排放导致全球的气候问题越来越突出。然而新能源的大规模并网会给电网带来波动性和随机性，影响电网系统的稳定运行。

火电作为电网的基石存在，火电机组的灵活性运行将影响电网的整体稳定性。现有技术中，有的采用储能技术辅助火电厂的灵活性运行。储能技术包含多种不同的储能类型，其按照储能形式大致可分为物理储能、化学储能、电磁储能、热储能等。不同的储能方式存在着不同的运行方式、适用范围和工程特性。

以绿色燃料作为载体的化学储能是目前人们较为认可的新型储能技术，其中氢储能技术是目前国际上最为先进的储能理念之一，新能源发电后通过电化学方式电解水将电能转化为氢能并储存。然而氢能仍然存在着一系列的技术性难题，比如氢气的储存与运输成本较高，其安全性也得不到有效地保障，因此，氢能的发展目前仍然会受到一定程度的限制。

由于新能源的大量接入，能源结构体制改革的不断推进，燃煤电厂发电量占比将呈现逐年减少的态势，火电机组的任务从能源供给主体转换成电网供给的“压舱石”。因此，火电企业应该提升火电厂的灵活性能力，使火电企业在削峰填谷、深度调峰方面具有更显著的作用。

公开号为CN112939023A的中国发明专利公开了一种火电厂制氨储能及脱硝的系统及其方法，采用氢气、氮气的电化学反应制备氨气并应用于脱硝和储能的环节，在保证机组运行稳定的前提下，提高了机组运行的经济性，但是该发明并没有公开氨气在脱硫脱碳方面的应用。

公开号为CN212406828U的中国实用新型专利公开了一种提升火电机组灵活性的液态压缩空气储能系统，其利用液态压缩空气的储能方式提升火电机组的灵活性，该发明达到了机组深度调峰和能量储存的双重能效，对提升电网稳定性具有重要意义，但是该专利采用的是压缩空气储能，不是氨储能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于氨储能的火电厂灵活性提升系统，提升火电厂在“削峰填谷”、深度调峰等过程中的灵活性调节能力，保证机组在高负荷下平稳运行，避免火电机组的频繁启停和改变负荷过程中损失能量。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于氨储能的火电厂灵活性提升系统，提升系统包括火电机组、电化学制氨反应装置、氨储罐和尾气吸收装置，火电机组包括锅炉、汽轮机和发电机，火电机组产生的电能一方面通过变压器连接电网，另一方面连接电化学制氨反应装置用剩余电能为电化学制氨反应装置提供电能，电化学制氨装置连接氨储罐的进口，氨储罐的出口通过阀门分别连接锅炉、氨溶液稀释装置和液氨运输车辆，锅炉与尾气吸收装置连接，尾气吸收装置用于净化锅炉燃烧产生的烟气。

进一步的，尾气吸收装置包括SCR反应器、脱硫塔、碳捕集器，氨溶液稀释装置包括三个独立的稀释槽，氨溶液稀释装置的稀释槽分别通过阀门与SCR反应器、脱硫塔、碳捕集器连接。

进一步的，电化学制氨反应装置的两端分别设有阴极极板和阳极极板，阴极极板和阳极极板之间设置有质子交换膜，电化学制氨反应装置内装有电解质，阴极极板通入氮气，阴极极板上产生氨气并通过氨气通道进入氨储罐，阳极极板侧设置有补给水进口，阳极极板上产生氧气并通过氧气通道进入锅炉中助燃。

进一步的，阴极极板为负载有NRR催化剂的金属电极材料，阴极极板上发生的反应为：N

进一步的，阳极极板为石墨材料，阳极极板上发生的反应为：2H

进一步的，SCR反应器中的反应方程式为：

NO+NO

进一步的，脱硫塔中的反应方程式为：

SO

进一步的，碳捕集器中的反应方程式为：

2NH

NH

(NH

与现有技术相比，本发明提供的基于氨储能的火电厂灵活性提升系统有以下有益效果：

1.氨储能方式在多个方面相较其他储能方式具有较大优势，(1)在储运方式灵活性方面，氨在标准大气压下-33℃就能实现液化，因此氨通常以液体的形式进行储存和运输，且在我国拥有非常完备的氨运输和分配体系；(2)在地理限制方面，与抽水储能等储能方式不同，氨储能不需要特定的地理环境和地理位置；(3)在储能经济性方面，从长期比较来看，氨储能系统相对于氢储能系统和储电系统的成本更低，且相同体积的液氨比液氢含氢量超过60％，经济性优势显著；(4)在储能时间方面，相比于氢和锂电池储能，氨储能时间长达10-10000h，更适合用于长期规模的储能；(5)在环境效益方面，目前制氨方法的研究均在摆脱传统的哈伯法制氨，采用绿色环保的电化学制氨方法，有望实现制氨过程的零碳排放。

2.本发明通过火电厂内设置电化学制氨反应装置，利用火电厂的多余负荷进行电化学制氨，并将氨应用于储能、烟气处理、销售等途径。储能方面，氨可以通入炉膛进行混煤燃烧，将氨气中储存的化学能转化为电能从而减少煤炭的消耗量，达到减少成本及降低碳排放的作用；烟气处理方面，氨具有碱性和还原性的特点，其可作为烟气脱硝工艺中的还原剂和脱硫、脱碳工艺中的吸收剂，从而减少火电厂对于烟气处理方面的成本；氨作为工业、农业上重要的化学品，具有较高的商业价值，能够增加电厂的额外收益。

3.本发明中电化学制氨反应装置所使用的电能为电厂高负荷运转状态下的剩余电能，使火电厂发电负荷稳定在一个较高的水平上，通过电化学制氨储氨的方式消纳火电厂的多余负荷量，并在用电高峰期时将氨能以燃烧方式释放出去，从而避免机组因改变负荷或频繁启停而造成的设备折损和能量消耗。

4.本发明采用电化学制氨工艺，与传统的哈伯法制氨工艺相比具有绿色环保、低碳减排的优点。另外，本发明中氨法脱硫和脱碳产物铵盐为重要化工产品，可用于制备化肥等化工产品，为电力企业带来更大收益。

5.本发明中火电机组根据电网的实时需求量进行电力调配，在用电高峰时段，机组高负荷运转并全部通入电网供电，非用电高峰时段则在通入电网的基础上多余发电量用来进行电化学制氨的生产，通过调度电力分配来达到提高火电机组灵活性的目的，在解决火电企业的削峰填谷、深度调峰等问题上具有较好的可适用性。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

图1为本发明提供的基于氨储能的火电厂灵活性提升系统的示意图一；

图2为本发明提供的基于氨储能的火电厂灵活性提升系统的示意图二。

图中，1、氮气接入口；2、氨气通道；3、补给水接入口；4、氧气通道；5、电源；6、氨储罐；7、锅炉；8、SCR反应器；9、脱硫塔；10、碳捕集器；11、氨溶液稀释装置；12、烟囱；13、液氨运输车辆；14、汽轮机；15、发电机；16、变压器；17、阴极极板；18、阳极极板。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1-2，图1为本发明提供的基于氨储能的火电厂灵活性提升系统的示意图一；图2为本发明提供的基于氨储能的火电厂灵活性提升系统的示意图二。

本发明提供的基于氨储能的火电厂灵活性提升系统，包括火电机组、电化学制氨反应装置、氨储罐6和尾气吸收装置，火电机组包括锅炉7、汽轮机14和发电机15，火电机组产生的电能一方面通过变压器16连接电网，另一方面连接电化学制氨反应装置的电源5用剩余电能为电化学制氨反应装置提供电能，电化学制氨装置连接氨储罐6的进口，氨储罐6的出口通过阀门分别连接锅炉7、氨溶液稀释装置11和液氨运输车辆13，锅炉7与尾气吸收装置连接，尾气吸收装置用于净化锅炉7燃烧产生的烟气，净化后的烟气从烟囱12排出。

尾气吸收装置包括SCR反应器、脱硫塔9、碳捕集器10，氨溶液稀释装置11包括三个独立的稀释槽，分别稀释成符合脱硝、脱硫、脱碳要求的氨吸收剂，氨溶液稀释装置11的稀释槽分别通过阀门与SCR反应器、脱硫塔9、碳捕集器10连接。储罐中储存的氨通过稀释调配成比例不同的氨溶液，将其用于燃煤电厂烟气处理的全过程中，使其作为SCR选择性催化还原脱硝的还原剂、湿法脱硫和二氧化碳捕集的吸收剂。

SCR反应器中的反应方程式为：

NO+NO

脱硫塔9中的反应方程式为：

SO

碳捕集器10中的反应方程式为：

2NH

NH

(NH

氨法脱硫和脱碳产物铵盐为重要化工产品，可用于制备化肥等化工产品，为电力企业带来收益。

电化学制氨反应装置的两端分别设有阴极极板17和阳极极板18，阴极极板17和阳极极板18之间设置有质子交换膜，电化学制氨反应装置内装有电解质，阴极极板17通过氮气接入口1通入氮气，阴极极板17上产生氨气并通过氨气通道2进入氨储罐6，阳极极板18侧设置有补给水接入口3，阳极极板18上产生氧气并通过氧气通道4进入锅炉7中助燃。

用于制氨的氮气为加压氮气罐(气瓶中氧含量≤0.8％)中的氮气，源于空气分离机的分离或外来购置。

阴极极板17为负载有NRR催化剂的金属电极材料，以增强电化学制氨的效率，阴极极板17上发生的反应为：N

在一些优选的实施例中，阴极极板17采用贵金属催化剂掺杂的碳基气体扩散电极，以保证但其能够顺畅地通过极板在催化剂上完成合成氨反应，电解质采用硫酸钠溶液，以保证电流的正常流通且不会产生副产物。

火电机组根据电网的实时需求量进行电力调配，在用电高峰时段，机组高负荷运转并全部通入电网供电，非用电高峰时段则在通入电网的基础上多余发电量用来进行电化学制氨的生产，通过调度电力分配来达到提高火电机组灵活性的目的。

在电化学制氨方面，在阴极极板17上负载有NRR催化剂，使氮气能够在常温常压下转化为氨气，通电作用后阴极上氮气转化为氨气，阳极上水中的氧原子氧化生成氧气。电解过程所使用的电源来自于电厂的多余产电量，电解过程产生的氨气通过储氨罐将氨气暂时储存起来。

在氨的资源化利用方面，氨的应用包含三种主要途径，一为将储罐中储存的氨通过稀释调配成比例不同的氨溶液，将其用于燃煤电厂烟气处理的全过程中，使其作为SCR选择性催化还原脱硝的还原剂、湿法脱硫和二氧化碳捕集的吸收剂；二为将储罐中的氨气通过减压后接入炉膛进行混煤燃烧，将氨气中储存的化学能转化为电能从而减少煤炭的消耗量，减少二氧化碳的排放，达到氨储能的效果；三为将液氨以化学品的形式进行售卖，从而为电厂带来更多的收益。

本发明提供的基于氨储能的火电厂灵活性提升系统，火电厂在用电负荷的低谷期将富余电量通过电化学反应制备氨气并储存起来，在用电负荷的高峰期通过掺煤燃烧等方式辅助火电运行，富余氨可用于电厂污染物脱除，大幅提升火电厂运行的灵活性。本发明包括电化学制氨和氨的资源化利用，在能源结构改革、新能源发电大规模接入电网的背景下，保障火电厂的稳定运行，避免因为机组的频繁启停和降低负荷而造成资源上的浪费，并可以有效地帮助火电企业解决“削峰填谷”的技术难题。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。