一种耦合电锅炉储热的燃煤锅炉掺氢降碳系统及运行方法与流程

本发明涉及节能降碳，具体为一种耦合电锅炉储热的燃煤锅炉掺氢降碳系统及运行方法。

背景技术：

1、随着新能源装机量不断提升，新能源发电消纳问题需要得到解决。并且，由于风光等新能源出力波动大，弃电率高，造成大量能源浪费。

2、在目前的碳减排技术应用中，燃煤电厂通常在新能源发电出力超出电网接纳能力的低谷时段，收集富余的弃电作为能量来源。现有技术通过将所述弃电输送至单一类型的电解水制氢设备中产生氢气，并利用输送管路将氢气输送至燃煤锅炉的燃烧单元内进行混合燃烧，以替代部分传统固体燃料，从而达到消纳新能源电力和降低锅炉碳排放的目的。

3、然而，现有技术在实施过程中存在关键的技术缺陷。由于风电和光伏等新能源出力具有高波动性和随机性，而单一类型的电解制氢设备在面临输入功率大幅波动时，其负荷调节响应速度与调节范围有限，无法随着弃电的变化实现宽负荷的实时匹配，导致新能源弃电的消纳效率低下，同时也无法向燃煤锅炉提供稳定可控的氢气流量，难以实现制氢消纳端与锅炉掺烧端的动态协同运行。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种耦合电锅炉储热的燃煤锅炉掺氢降碳系统及运行方法，解决了上述背景技术中提及的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、本发明第一方面提供一种耦合电锅炉储热的燃煤锅炉掺氢降碳系统，包括弃电收集及分配系统、电解制氢系统、气体储存与输送系统、蓄热式电锅炉系统、燃煤锅炉系统和监测控制系统。

4、所述弃电收集及分配系统的电能输出端分别连接所述电解制氢系统的电能输入端和所述蓄热式电锅炉系统的电能输入端；所述电解制氢系统的气体输出端连接所述气体储存与输送系统的气体输入端；所述气体储存与输送系统的氢气输出端和氧气输出端分别连接所述燃煤锅炉系统的氢气输入端和氧气输入端；所述监测控制系统分别与所述弃电收集及分配系统、所述电解制氢系统、所述气体储存与输送系统、所述蓄热式电锅炉系统和所述燃煤锅炉系统电连接。

5、所述弃电收集及分配系统包括弃电采集装置、整流滤波器、稳压器和电量分配调控装置。所述弃电采集装置用于筛选出超出电网接纳能力及电厂自身用电需求的弃电，避免将厂用刚需电误判为弃电。所述整流滤波器用于将接收到的交流电转换为直流电，并过滤直流电中的杂波与谐波；所述稳压器将直流电电压稳定在预定范围，防止电压波动导致设备损坏。所述电量分配调控装置采用plc控制器，其内置智能调控算法采用lstm神经网络预测未来15分钟至4小时的新能源出力，并根据新能源波动性、所述燃煤锅炉系统的运行负荷、氢气需求、蒸汽需求及所述蓄热式电锅炉系统的储热状态，动态计算并分配弃电的使用比例。

6、所述电解制氢系统包括电解槽、水处理装置和纯化装置。所述水处理装置采用反渗透技术制备纯水。所述电解槽采用宽负荷适配型结构，根据输入电能的波动调整制氢功率；所述电解槽采用改进型碱性电解槽与质子交换膜电解槽混联的架构，在所述混联架构中，所述改进型碱性电解槽承担稳定基荷制氢，所述质子交换膜电解槽响应输入电能的波动，从而适应弃电的波动特性。所述纯化装置采用分子筛吸附法去除气体中的水分和杂质，确保气体纯度。

7、所述气体储存与输送系统包括氢气缓冲罐、高压储氢容器、氧气缓冲罐和氧气储罐。所述氢气缓冲罐与所述氧气缓冲罐用于缓冲电解水过程中的气体压力波动，维持输送连续性。所述高压储氢容器采用碳纳米管复合储氢瓶，将储存压力控制在安全范围。所述氧气储罐用于回收并储存电解产生的氧气，其输出端连接所述燃煤锅炉系统用于助燃。氢气管路与氧气管路均采用316l不锈钢材质以确保储存与输送安全。

8、所述蓄热式电锅炉系统包括电加热装置、蓄热装置、换热器、蒸汽发生器和热量回收系统。所述电加热装置利用输入的直流弃电加热蓄热介质。所述蓄热装置内部填充熔盐材料进行热能存储。所述热量回收系统用于回收所述燃煤锅炉系统的排烟余热，并将回收的热量传输至所述蓄热装置中协同储存。所述换热器将储存的热量转换为热水或蒸汽，用以满足锅炉补水预热和辅助系统加热需求。所述蒸汽发生器分别连接所述电加热装置和所述换热器，直接利用弃电加热产生高压蒸汽，或者当电能输入不足时接收所述蓄热装置释放的热量产生蒸汽，并根据所述燃煤锅炉系统的蒸汽需求调节蒸汽输出量和压力，实现蒸汽供需平衡。

9、所述燃煤锅炉系统包括锅炉本体、氢气掺烧系统、助燃风机和阻火器。所述氢气掺烧系统设置在所述锅炉本体的燃烧器处，采用双通道燃烧器实现氢气与煤粉分级喷入。所述阻火器设置在氢气管路与所述氢气掺烧系统的连接处，用于防止所述锅炉本体内的火焰回火至氢气管路。所述助燃风机提供燃烧空气，且所述气体储存与输送系统输出的氧气通入所述助燃风机中混合，用以调节氧气含量并提升燃烧效率。

10、所述监测控制系统包括多组控制阀、排空阀、气体泄漏阀，以及监测传感器和中央控制器。所述氢气流量控制阀调节氢气输送流量；所述氧气流量控制阀通过所述助燃风机出口空气中的氧含量进行反馈调节。相关排空控制阀和排空调节阀均设置在排空支路上，用于在压力超限或纯度不达标时实现气体的安全排空。所述储罐区气体泄漏阀与所述燃烧区气体泄漏阀分别用于监测泄漏情况，并在浓度超标时联动关闭相关阀门或调整风量。所述中央控制器接收所述监测传感器采集的数据进行分析处理，在系统异常时发出报警信号并触发应急处理机制。

11、本发明第二方面提供一种耦合电锅炉储热的燃煤锅炉掺氢降碳系统的运行方法。

12、该运行方法基于上述耦合电锅炉储热的燃煤锅炉掺氢降碳系统实现，具体包括以下步骤：

13、步骤s100：系统初始化与参数设定。启动系统，检查各系统运行状态，设定系统运行参数和电量分配调节逻辑。所述系统运行参数具体包括：弃电采集阈值、所述电解制氢系统的制氢效率阈值、氢气和氧气的储存压力范围，以及所述蓄热式电锅炉系统的蓄热温度范围。设定电量分配调节逻辑为：优先保障降碳需求，兼顾蒸汽供应与储热需求。

14、步骤s200：弃电收集与实时监测。所述弃电收集及分配系统采集并处理新能源弃电；所述监测控制系统实时采集各系统运行数据并传输，所述运行数据包括新能源出力、弃电总量、电解相关参数、气体储存压力、电锅炉储热温度与蒸汽输出量、燃煤锅炉负荷，以及掺氢比例和氢气产量的协同控制数据。

15、步骤s300：弃电动态分配与系统协同运行。所述电量分配调控装置根据监测数据，结合不同弃电场景动态分配弃电。当处于弃电富余场景时，电能优先供给所述电解制氢系统满负荷制氢，剩余弃电供给所述蓄热式电锅炉系统。当处于弃电适中场景时，若降碳优先，则将弃电按比例分配至所述改进型碱性电解槽和所述质子交换膜电解槽，剩余弃电供给所述蓄热式电锅炉系统；若所述蓄热装置低于预设温度，则优先分配弃电补充储热。当处于弃电不足场景时，停止向所述电解制氢系统供电，全部弃电供给所述蓄热式电锅炉系统，同时利用所述高压储氢容器释放储存的氢气维持掺氢燃烧；若氢气储存压力过低，则联动调整锅炉负荷并由所述蓄热装置释放热量保障蒸汽供应。

16、步骤s400：系统运行反馈与动态调整。所述监测控制系统分析运行数据，发现异常时触发报警和应急处理机制，所述应急处理机制包括关闭相关阀门、开启排空装置以及调整系统负荷；同时，所述电量分配调控装置实时调整弃电分配比例。

17、步骤s500：系统停机与维护。停止弃电供给，对各系统进行泄压、保温处理，并开展全面维护。。

18、本发明提供了一种耦合电锅炉储热的燃煤锅炉掺氢降碳系统及运行方法。具备以下有益效果：

19、1、本发明通过构建弃电收集调控与制氢系统的协同运行机制，利用神经网络预测动态分配弃电。制氢系统采用改进型碱性与质子交换膜电解槽混联架构，平抑电能波动以提升消纳率。同时，将制备的氢气引入锅炉本体分级掺烧，并将副产氧气通入助燃风机调节炉膛氧气含量。该结构实现弃电向清洁燃料转化，在降低燃煤消耗与碳排放的同时，提高能源综合利用率。

20、2、本发明通过设置蓄热式电锅炉系统承接分配的弃电，利用电加热装置加热高密度固体蓄热介质，将波动电能转化为热能存储。换热器与蒸汽发生器利用存储热能产生蒸汽与热水，满足厂区加热需求并联动调节蒸汽输出。此外，热量回收系统将燃煤锅炉排烟余热引入蓄热装置协同储存，减少热量流失，在弃电不足时仍能保障蒸汽与热源供应的连续性，拓宽调峰范围。

21、3、本发明通过构建包含多组受控阀门与监测传感器的监测控制系统，实现对制氢、储氢与掺烧环节的闭环调节与安全联锁。氢气掺烧管路设置阻火器防止火焰回火，储罐区与燃烧区配置气体泄漏阀实时采集浓度数据。当管路压力越限或气体泄漏时，中央控制器联动关闭流量控制阀、调整风机风量并开启排空支路。该排布防止超压与燃爆事故，确保全系统稳定运行。