一种基于电催化制氨的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于电催化制氨的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统及方法，能够有效利用燃煤电厂波谷余电，提高机组的灵活性和经济性，实现废能再利用，同时提升最低稳燃负荷下主燃区喷氨的脱硝效率，降低炉膛出口氮氧化物排放量，设计合理，简单高效，稳定可行。其中，还原剂喷口分别与电解制氢装置的氢气输出端和氨储罐的氨气输出端连接，还原剂喷口与电解制氢装置的氢气输出端的连接管道上设置氢气流量控制阀，还原剂喷口与氨储罐的氨气输出端的连接管道上设置氨气流量控制阀；SOFA喷口输入端与电解制氢装置的氧气输出端连接；电解制氢装置的氢气输出端还与电催化制氨装置的氢气输入端连接。端连接。端连接。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电催化制氨的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统及方法


[0001]本专利技术涉及烟气脱硝
，具体为一种基于电催化制氨的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统及方法。

技术介绍

[0002]随着电网装机容量的快速增加，电力供需不匹配问题日益严峻，居民用电量远小于供电量。在用电低谷时，燃煤电厂需参与深度调峰，为保证锅炉燃烧稳定性，锅炉负荷不能无限降低，存在一个最低稳燃负荷，导致燃煤机组在波谷用电时期存在余电浪费。此外，深度调峰期间锅炉长期处于低负荷运行，此时一次风煤比过大，燃烧初期氧量较高，导致煤粉燃烧产生的NOx质量浓度升高难以达到目前的排放标准，降低了火电机组深度调峰能力。
[0003]炉内高温还原区喷氨脱硝技术是建立在空气分级基础上的多种脱硝技术联合使用的方法，在炉内主燃区形成的高温(1200
‑
1600℃)、缺氧环境下喷入氨基还原剂，从而还原烟气中的NOx。由于高温喷氨是空气分级与喷氨技术联合使用的方法，故能达到更高的脱硝效率。如果有过量的氨剂进入炉膛下游，即燃尽区，也会被过量空气所氧化，解决氨逃逸的问题。火电厂烟气脱硝常用氨作为还原剂，为运输及储存便利，通常将气态的氨气通过加压或冷却得到液态氨。液氨属于重大危险源，其运输和储存都具有较大的安全风险。工业上合成氨采用传统的Haber
‑
Bosch法，以N2和H2为原料，在高温、高压和催化剂的作用下进行，该方法工艺流程复杂、氢的平衡转化率低、能耗高。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种基于电催化制氨的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统及方法，能够有效利用燃煤电厂波谷余电，提高机组的灵活性和经济性，实现废能再利用，同时提升最低稳燃负荷下主燃区喷氨的脱硝效率，降低炉膛出口氮氧化物排放量，设计合理，简单高效，稳定可行。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种基于电催化制氨的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统，包括锅炉、汽轮机、发电机，以及电解水制氢装置、电催化制氨装置和氨储罐；
[0007]所述锅炉采用空气分级燃烧，炉膛侧壁自下而上依次设置有低氮燃烧器、还原剂喷口和SOFA喷口；
[0008]所述SOFA喷口位于锅炉炉膛燃尽区；所述低氮燃烧器和氨气喷口位于锅炉炉膛主燃区；所述的汽轮机的输入端高温蒸汽由锅炉提供，汽轮机的动力输出端连接发电机输入端，发电机供电端分别与电解水制氢装置的电源端、电催化制氨装置的电源端和外部电网连接；
[0009]所述还原剂喷口分别与电解制氢装置的氢气输出端和氨储罐的氨气输出端连接，还原剂喷口与电解制氢装置的氢气输出端的连接管道上设置氢气流量控制阀，还原剂喷口与氨储罐的氨气输出端的连接管道上设置氨气流量控制阀；
[0010]所述SOFA喷口输入端与电解制氢装置的氧气输出端连接；电解制氢装置的氢气输出端还与电催化制氨装置的氢气输入端连接，电催化制氨装置的氨气输出端与氨储罐连接。
[0011]优选地，所述电解水制氢装置包括阳极、阴极和电解槽，阳极作为氧气输出端，阴极作为氢气输出端；电解槽的电源端与所述发电机的供电端连接。
[0012]优选地，所述电解水制氢装置的电解槽采用质子交换膜电解槽。
[0013]优选地，所述电催化制氨装置包括阴极、阳极和电解质层，阳极作为氢气输入端，阴极作为氮气输入端，电解质层设置在阳极和阴极之间。
[0014]优选地，所述电催化制氨装置的阴极和阳极均采用多孔结构。
[0015]优选地，所述电催化制氨装置的电解质层采用固体氧化物材料。
[0016]优选地，炉膛侧壁设置有位于低氮燃烧器和还原剂喷口之间的氧浓度检测装置，以及位于SOFA喷口上方的NOx浓度检测装置；氧浓度检测装置的输出端分别连接氢气流量控制阀和氨气流量控制阀的控制端，NOx浓度检测装置的输出端连接氨气流量控制阀的控制端。
[0017]一种基于电催化制氨的燃煤锅炉高温喷氨脱硝方法，包括以下步骤，
[0018]锅炉在最低稳燃负荷以下运行时，开启电解制氢装置和电催化制氨装置，发电机的余电一部分传送至电解制氢装置制备氢气，另一部分输送至电催化制氨装置制备氨气作为脱硝还原剂；
[0019]电解制氢装置制取的氢气一部分通过氢气输出端输送至电催化制氨装置的氢气输入端作为制氨原料，氢气在电催化制氨装置的阳极被氧化为H+后输送至电催化制氨装置的阴极与氮气发生反应制备得到氨气，将制取的氨气输送至氨储罐；
[0020]氨储罐中的氨气通过与氨气输出端连接的还原剂喷口喷入主燃区进行脱硝处理。
[0021]优选地，在开启电解制氢装置和电催化制氨装置之前，判断电网所需负荷是否小于锅炉最低稳燃负荷，
[0022]若电网所需负荷小于锅炉最低稳燃负荷时，根据设置在主燃区的氧浓度检测装置检测到的氧浓度信号控制氢气流量控制阀的开度，
[0023]主燃区内的氧浓度超过阈值时，增大氢气流量控制阀的开度；
[0024]根据设置在燃尽区的NOx浓度检测装置检测到的NOx浓度信号控制氨气流量控制阀的开度，保持氨氮比在预设范围内；
[0025]若电网所需负荷高于锅炉最低稳燃负荷时，则机组不再产生余电，关闭所述电解制氢装置和电催化制氨装置。
[0026]优选地，关闭所述电解制氢装置和电催化制氨装置后，根据设置在主燃区的氧浓度检测装置和设置在燃尽区的NOx浓度检测装置共同控制氨气流量控制阀的开度；
[0027]若主燃区内的氧浓度超过阈值，关闭氨气流量控制阀，
[0028]若主燃区内的氧浓度不超过阈值，开启氨气流量控制阀；
[0029]根据监测到的NOx浓度信号调节氨气流量控制阀开度，保持氨氮比为1.5。
[0030]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0031]本专利技术提供一种基于电催化制氨的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统，当用电波谷时期，火电厂参与深度调峰，电网所需负荷降低至锅炉最低稳燃负荷以下时，锅炉无法自稳定
燃烧，此时使锅炉仍保持其最低稳燃负荷下运行，发电机在满足用电供应之外会产生部分余电，通过在现有燃煤电厂中，增加电解制氢装置和电催化制氨装置，在火电厂参与深度调峰时，开启电解制氢装置和电催化制氨装置，将机组多余的发电量用于电解水制氢和电催化制氨，电解制氨的制备条件要求较低，常压下即可实现，且制备稳定，能够保证还原剂的脱硝质量，但耗电量大，经济性有待提高，本专利技术能够有效利用燃煤电厂波谷余电，提高机组的灵活性和经济性，大大降低了电解制氨的运行成本，利用用电波谷产生的多余能源，实现废能再利用，形成可循环回路，制备的氨气储存到氨储罐中，作为脱硝还原剂送至锅炉主燃区，通过还原剂喷口将氨气还原剂喷入主燃区。本专利技术利用机组波谷余电就地制取，降低了氨气在运输过程中的安全风险，降低了氨的运输成本，提高了燃煤锅炉烟气脱硝经济性。
[0032]进一步地，本专利技术中将电解水制氢产生的另一部分氢气送入主燃区，由于锅炉在最低稳燃负荷下运行时，锅炉内主燃本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电催化制氨的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统，其特征在于，包括锅炉(1)、汽轮机(8)、发电机(9)，以及电解水制氢装置(10)、电催化制氨装置(13)和氨储罐(14)；所述锅炉(1)采用空气分级燃烧，炉膛侧壁自下而上依次设置有低氮燃烧器(2)、还原剂喷口(4)和SOFA喷口(5)；所述SOFA喷口(5)位于锅炉炉膛燃尽区；所述低氮燃烧器(2)和氨气喷口(4)位于锅炉炉膛主燃区；所述的汽轮机(8)的输入端高温蒸汽由锅炉提供，汽轮机(8)的动力输出端连接发电机(9)输入端，发电机(9)供电端分别与电解水制氢装置(10)的电源端、电催化制氨装置(12)的电源端和外部电网连接；所述还原剂喷口(4)分别与电解制氢装置(10)的氢气输出端和氨储罐(14)的氨气输出端连接，还原剂喷口(4)与电解制氢装置(10)的氢气输出端的连接管道上设置氢气流量控制阀(11)，还原剂喷口(4)与氨储罐(14)的氨气输出端的连接管道上设置氨气流量控制阀(15)；所述SOFA喷口(5)输入端与电解制氢装置(10)的氧气输出端连接；电解制氢装置(10)的氢气输出端还与电催化制氨装置(13)的氢气输入端连接，电催化制氨装置(13)的氨气输出端与氨储罐(14)连接。2.根据权利要求1所述的一种基于电催化制氨的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统，其特征在于，所述电解水制氢装置(10)包括阳极、阴极和电解槽，阳极作为氧气输出端，阴极作为氢气输出端；电解槽的电源端与所述发电机(9)的供电端连接。3.根据权利要求2所述的一种基于电催化制氨的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统，其特征在于，所述电解水制氢装置(10)的电解槽采用质子交换膜电解槽。4.根据权利要求1所述的一种基于电催化制氨的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统，其特征在于，所述电催化制氨装置(13)包括阴极、阳极和电解质层，阳极作为氢气输入端，阴极作为氮气输入端，电解质层设置在阳极和阴极之间。5.根据权利要求4所述的一种基于电催化制氨的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统，其特征在于，所述电催化制氨装置(13)的阴极和阳极均采用多孔结构。6.根据权利要求4所述的一种基于电催化制氨的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统，其特征在于，所述电催化制氨装置(13)的电解质层采用固体氧化物材料。7.根据权利要求1所述的一种基于电催化制氨的燃煤锅炉高温喷氨脱硝系统，其特征在于，炉膛侧壁设置有位于低氮燃烧器(2)和还原剂喷口(...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆续，张向宇，韩伟，付康丽，吴庆龙，张波，徐宏杰，
申请(专利权)人：华能集团技术创新中心有限公司，
类型：发明
国别省市：