一种耦合氨燃料储能的超临界二氧化碳锅炉及其工作方法与流程

本发明属于绿色低碳发电和先进储能技术领域，具体涉及一种耦合氨燃料储能的超临界二氧化碳锅炉及其工作方法。

背景技术：

随着全球大气污染和气候变暖形势的日趋严峻，传统的以化石能源为主的发电系统将面临前所未有的压力和挑战。从世界范围来看，各国都在努力提高自身电力结构中可再生能源发电的比例。对于火力发电系统来讲，在“30达峰、60中和”的大背景下，如何积极应对碳达峰、碳中和目标，努力寻求一条适合自身发展的道路对于今后火力发电技术的长远发展具有重要意义。此外，可再生能源的间歇性、不稳定性和不确定性等特点，严重阻碍了可再生能源的发展。未来可再生能源要实现大比例发展，作为关键环节的储能技术的作用举足轻重。因此，如果能够开发出一种新的技术，该技术不仅能实现火力发电的高效和低碳，而且能将电网中富余的可再生能源进行有效储存，可以想象，该技术必然具有广阔的应用前景，同时能够有效推动我国能源结构转型和能源革命。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种耦合氨燃料储能的超临界二氧化碳锅炉及其工作方法，该方法将超临界二氧化碳循环火力发电、可再生能源发电和基于氨燃料储能等进行有效地耦合，具有发电效率高、火力发电二氧化碳排放低、储能密度高、储能周期长和便于运输等优点。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种耦合氨燃料储能的超临界二氧化碳锅炉，包括超临界二氧化碳锅炉子系统和基于氨燃料储能子系统；

所述超临界二氧化碳锅炉子系统包括一次气气冷壁1、燃烧器2、低温过热器3、高温过热器4、二次气气冷壁5、低温再热器6、高温再热器7、烟气冷却器8、scr脱硝装置9和空气预热器10；

超临界二氧化碳锅炉的一次气气冷壁1中的工质流动方向为向下流动，锅炉工质入口通过一次气气冷壁1进口连通一次气气冷壁1，一次气气冷壁1出口连通低温过热器3的入口，低温过热器3的工质出口与高温过热器4的入口相连通，高温过热器4的工质出口连接高压透平对外做功，完成做功后的高压透平排气连通二次气气冷壁5的入口，二次气气冷壁5的工质出口连通低温再热器6的入口，低温再热器6的工质出口与高温再热器7的入口相连通，高温再热器7的出口工质进入低压透平对外做功；所述烟气冷却器8、scr脱硝装置9和空气预热器10依次布置在低温过热器3和低温再热器6下游，烟气冷却器8的进口工质与超临界二氧化碳循环火力发电系统中低温回热器冷侧出口分流相连通；

所述基于氨燃料储能子系统包括空气分离装置11、电解水装置12、合成氨装置13、运输罐车14和液氨储罐15；空气分离装置11的进口与外部空气供应系统相连接，在空气分离装置11中，空气经分离产生氮气和氧气，氧气通过收集后用作他用，空气分离装置11的氮气出口与合成氨装置13的氮气入口相连接，电解水装置12的物料进口与外部水供应系统相连接，在电解水装置12中，水经电解反应产生氢气和氧气，电解所需的电力由电网中富余的可再生能源电力供应，产生的氧气通过收集后用作他用，电解水装置12的氢气出口与合成氨装置13的氢气入口相连接，在合成氨装置13中发生氨合成反应，氮气和氢气通过化学反应产生氨气，合成氨装置13中氨合成反应所需的热量可由可再生能源供应，合成氨装置13的氨气出口通过运输罐车14运输到超临界二氧化碳循环火力发电厂，并储存在电厂的液氨储罐15中，液氨储罐15的出口分成两路，一路与超临界二氧化碳锅炉的燃烧器2相连通，另一路与超临界二氧化碳锅炉的scr脱硝装置9的氨气进口相连通。

所述的耦合氨燃料储能的超临界二氧化碳锅炉工作方法，将电网中富余的可再生能源电力通过电解水制氢，制得的氢气与空气分离得到的氮气在合成氨装置13中通过氨合成反应产生氨气，合成氨装置13中氨合成反应所需的热量可由可再生能源供应，从而实现将可再生能源电力转化为氨燃料的化学能予以储能，基于氨燃料储能，由于氨气常温下液化压力低于氢气，易于大规模储存和运输，实现可再生能源的全球输运；超临界二氧化碳锅炉的燃烧器2中的燃料为煤粉和氨气混合燃料，通过混燃，一方面能够显著降低燃煤超临界二氧化碳锅炉的二氧化碳排放量，另一方面解决氨气单独燃烧火焰传播速度低带来的燃烧负面影响。此外，氨气还作为超临界二氧化碳锅炉的scr脱硝装置9中nox还原剂氨气的来源，解决燃煤锅炉scr脱硝还原剂的供应问题。

本发明的有益效果：

一种耦合氨燃料储能的超临界二氧化碳锅炉及其工作方法，具有如下优点：(1)基于氨燃料进行储能，易于大规模储存和长距离运输；(2)通过煤粉和氨气混燃，既能显著降低超临界二氧化碳循环火力发电的二氧化碳排放量，又能有效解决氨气单独燃烧火焰传播速度低带来的燃烧负面影响；(3)耦合氨燃料储能，氨气还可用作超临界二氧化碳锅炉scr脱硝装置9的nox还原剂，有效解决scr脱硝还原剂的供应问题。

附图说明

图1为本发明耦合氨燃料储能的超临界二氧化碳锅炉的结构示意图。

其中，1为一次气气冷壁、2为燃烧器、3为低温过热器、4为高温过热器、5为二次气气冷壁、6为低温再热器、7为高温再热器、8为烟气冷却器、9为scr脱硝装置、10为空气预热器、11为空气分离装置、12为电解水装置、13为合成氨装置、14为运输罐车、15为液氨储罐。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，一种耦合氨燃料储能的超临界二氧化碳锅炉，包括超临界二氧化碳锅炉子系统和基于氨燃料储能子系统；

所述超临界二氧化碳锅炉子系统包括一次气气冷壁1、燃烧器2、低温过热器3、高温过热器4、二次气气冷壁5、低温再热器6、高温再热器7、烟气冷却器8、scr脱硝装置9和空气预热器10；

超临界二氧化碳锅炉的一次气气冷壁1中的工质流动方向为向下流动，锅炉工质通过一次气气冷壁1进口进入一次气气冷壁1中，一次气气冷壁1出口连通低温过热器3的入口，低温过热器3的工质出口与高温过热器4的入口相连通，高温过热器4的工质出口连接高压透平对外做功，完成做功后的高压透平排气连通二次气气冷壁5的入口，二次气气冷壁5的工质出口连通低温再热器6的入口，低温再热器6的工质出口与高温再热器7的入口相连通，高温再热器7的出口工质进入低压透平对外做功。

所述燃烧器2位于超临界二氧化碳锅炉的一次气气冷壁1区域，燃烧器2中的燃料为煤粉与氨气的混合燃料。

所述烟气冷却器8、scr脱硝装置9和空气预热器10依次布置在低温过热器3和低温再热器6下游，烟气冷却器8的进口工质与超临界二氧化碳循环火力发电系统中低温回热器冷侧出口分流相连通。

所述低温过热器3与低温再热器6并排布置于锅炉尾部烟道。

额定工况下烟气冷却器8的出口烟温为320～390℃。

所述基于氨燃料储能子系统包括空气分离装置11、电解水装置12、合成氨装置13、运输罐车14和液氨储罐15；空气分离装置11的进口与外部空气供应系统相连接，在空气分离装置11中，空气经分离产生氮气和氧气，氧气通过收集后用作他用，空气分离装置11的氮气出口与合成氨装置13的氮气入口相连接，电解水装置12的物料进口与外部水供应系统相连接，在电解水装置12中，水经电解反应产生氢气和氧气，电解所需的电力由电网中富余的可再生能源电力供应，产生的氧气通过收集后用作他用，电解水装置12的氢气出口与合成氨装置13的氢气入口相连接，在合成氨装置13中，氮气和氢气通过化学反应产生氨气，合成氨装置13中氨合成反应所需的热量可由可再生能源供应，合成氨装置13的氨气出口通过运输罐车14运输到超临界二氧化碳循环火力发电厂，并储存在电厂的液氨储罐15中，液氨储罐15的出口分成两路，一路与超临界二氧化碳锅炉的燃烧器2相连通，另一路与超临界二氧化碳锅炉scr脱硝装置9的氨气进口相连通。

本发明所述的耦合氨燃料储能的超临界二氧化碳锅炉工作方法，将电网中富余的可再生能源电力通过电解水制氢，制得的氢气与空气分离得到的氮气在合成氨装置13中通过氨合成反应产生氨气，合成氨装置13中氨合成反应所需的热量可由可再生能源供应，从而实现将可再生能源电力转化为氨燃料的化学能予以储能，基于氨燃料储能，由于氨气常温下液化压力远远低于氢气，易于大规模储存和运输，可实现可再生能源的全球输运。超临界二氧化碳锅炉的燃烧器2中的燃料为煤粉和氨气混合燃料，通过混燃，一方面能够显著降低燃煤超临界二氧化碳锅炉的二氧化碳排放量，另一方面还可以解决氨气单独燃烧火焰传播速度低带来的燃烧负面影响。此外，氨气还可作为超临界二氧化碳锅炉的scr脱硝装置9中nox还原剂氨气的来源，可很好地解决燃煤锅炉scr脱硝还原剂的供应问题。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。