一种液氨与燃煤互补发电系统与方法与流程

1.本发明属于火电厂碳减排技术领域，特别涉及一种液氨与燃煤互补发电系统与方法。


背景技术：

2.火电行业作为co2排放的重要排放源，基本占据了国内co2总排放量的四分之一，未来火电厂的co2减排压力十分巨大。因此，对煤电行业采取节能升级改造、燃料清洁替代、新装co2捕集装置等技术措施，可以应对今后的碳排放要求，才能真正实现碳达峰、碳中和目标。然而，我国的能源结构以煤炭为主，在今后相当长一段时间内无法改变，电源装机中以火电为主，燃煤发电作为主力电源，在电网中肩负着压舱石和保底备用功能，短期内无法动摇。燃煤发电机组面临着碳减排的巨大压力，在发电量不会大规模削减的情况下，进行co2排放量控制，需要开辟新路径。
3.对煤电机组进行碳减排管理和改造将成为未来煤电应对碳市场的主要方式，通过采用碳检测和碳排放管理，对煤电机组进行实时的碳排放计量和碳核算，可以更加清晰地了解机组的碳排放特性；而对机组进行技术改造，将成为降低碳排放的主要手段，目前降低煤电机组的co2排放量的主要方式是通过节能提效方式，降低机组的发电煤耗，在同样发电量/供热量的前提下，减少燃煤消耗量，从而减少co2排放量。目前存在的主要问题在于：对煤电机组设备进行改造和升级，需要投入较大的投资成本，仅能带来有限的节能量，co2减排效果不明显，并且经济效益不好影响了煤电机组设备改造投入动力。因此，该技术路线实施起来存在很多障碍，只有当碳配额价格足够高时，煤电机组节能改造后，减少的co2排放量可以通过碳交易市场回收部分成本，从而推动节能改造，但是受制于热力学循环和基本的物理规律，节能潜力发掘空间有限，不能从根本上实现煤电机组深度减排。
4.另一种方式是对机组进行供热改造，降低机组发电的供电煤耗，其在计算能耗过程中将节能收益归于发电侧，对于热电联供机组的co2排放量没有必然联系，如果增加了供热量，机组的co2排放量反而将增加。


技术实现要素：

5.为克服现有技术方案不能大幅度降低co2的不足，本发明提供一种液氨与燃煤互补发电系统与方法，利用零碳的nh3作为燃煤锅炉的补充燃料，与燃煤一起互补燃烧发电，降低煤电机组的燃煤消耗量，从而实现在相同产出(发电量和供热量相同)时降低煤电机组的co2排放量,并且nh3作为助燃燃料，有利于燃煤的燃烧，从而提升燃煤机组低负荷下的稳定燃烧能力，实现机组的深度调峰，从而为新能源消纳提供负荷空间，进一步降低煤电机组的发电量，降低燃煤机组的co2排放总量。
6.本发明涉及的液氨与燃煤互补发电系统包括炉膛、设置在炉膛内的主燃烧器和分离燃尽风燃烧器，炉膛出口烟道连接的尾部烟道内依次设置有省煤器、喷氨格栅、scr脱硝反应器以及空气预热器，所述主燃烧器区域设置有氨燃料燃烧器；所述喷氨格栅设置在所
述scr脱硝反应器的入口烟道上；所述省煤器出口与所述喷氨格栅之间的烟道上设置scr入口烟气取样装置，所述scr入口烟气取样装置上连接scr入口烟气成分分析装置；所述scr脱硝反应器与所述空气预热器之间的烟道上设置scr出口烟气取样装置，所述scr出口烟气取样装置上连接scr出口烟气成分分析装置；所述系统还包括供氨装置，所述供氨装置分别连接至所述氨燃料燃烧器和喷氨格栅。
7.进一步地，所述供氨装置包括依次相连的液氨储罐、液氨泵以及气化装置，其中，所述气化装置出口分为两路，所述气化装置的第一路出口依次经燃料氨关断阀、燃料氨调节阀连接至所述氨燃料燃烧器；所述气化装置的第二路出口依次经还原氨关断阀、还原氨调节阀连接至所述喷氨格栅。
8.进一步地，所述供氨装置包括与液氨储罐相连的液氨泵以及气化装置，其中，所述液氨泵出口分为两路，所述液氨泵的第一出口与所述气化装置相连，所述气化装置出口依次经还原氨关断阀、还原氨调节阀连接至所述喷氨格栅；所述液氨泵的第二出口依次经燃料氨关断阀、燃料氨调节阀连接至所述氨燃料燃烧器。
9.进一步地，所述氨燃料燃烧器的截面形状为矩形或圆形，其包含两层结构，一层为中空结构，另一层为网格化结构。
10.进一步地，氨燃料燃烧器的网格化结构为催化剂裂解区域，内部填充有用于氨催化裂解的催化剂；氨燃料燃烧器的中空结构为非催化裂解区域。
11.进一步地，所述主燃烧器在炉膛的侧壁呈对称分布，所述分离燃尽风燃烧器位于所述主燃烧器的上端；所述氨燃料燃烧器对称分布在主燃烧器区域中。
12.本发明还涉及一种液氨与燃煤互补发电方法，所述方法利用上述系统，所述方法步骤如下：经液氨泵从液氨储罐中泵出的液氨，通过气化装置加热成气态氨；气态氨经气化装置的第一路出口依次通过燃料氨关断阀、燃料氨调节阀进入氨燃料燃烧器中，并与炉膛内主燃烧器区域中的煤粉混合燃烧；燃烧后的烟气经过分离燃尽风燃烧器继续燃烧，并经过省煤器进入scr脱硝反应器中；气态氨经气化装置的第二路出口通过还原氨关断阀、还原氨调节阀进入喷氨格栅中，与燃烧后的烟气混合并进入scr脱硝反应器中。
13.本发明还涉及一种液氨与燃煤互补发电方法，所述方法利用上述系统，所述方法步骤如下：经液氨泵加压输送至液氨储罐第二出口的液氨，通过燃料氨关断阀、燃料氨调节阀进入氨燃料燃烧器中，并与炉膛内主燃烧器区域中的煤粉混合燃烧；燃烧后的烟气经过分离燃尽风燃烧器继续燃烧，并经过省煤器进入scr脱硝反应器中；经液氨泵加压输送至从液氨储罐第一出口的液氨，通过气化装置加热成气态氨；气态氨经气化装置的出口通过还原氨关断阀、还原氨调节阀进入喷氨格栅中，与燃烧后的烟气混合并进入scr脱硝反应器中。
14.进一步地，液氨或气态氨通过燃料氨关断阀、燃料氨调节阀进入氨燃料燃烧器中，经氨燃料燃烧器喷射，一部分液氨或气态氨进入氨燃料燃烧器的催化裂解区域，并裂解成氢气和氮气；另一部分液氨或气态氨进入氨燃料燃烧器的非催化裂解区域；两部分燃料一并送入炉膛中，与主燃烧器区域中的煤粉混合燃烧。
15.进一步地，通过省煤器出口与喷氨格栅之间的烟道上连接的scr入口烟气取样装置，以及scr入口烟气取样装置上连接的scr入口烟气成分分析装置，分析煤粉混合燃烧后的no
x
浓度和nh3浓度。
16.进一步地，当scr入口烟气成分分析装置测出的nh3浓度大于no
x
浓度时，关小燃料氨调节阀开度，减少进入炉膛内1的燃料氨用量，增加氨燃料燃烧器的催化裂解区域内的氨燃料量，减少氨燃料燃烧器的非催化裂解区域内的氨燃料量，直到nh3浓度低于100ppm。
17.进一步地，当scr入口烟气成分分析装置测出的nh3浓度高于100ppm时，增加氨燃料燃烧器及其上下区域二次风喷口的配风量；同时增加其催化裂解区域内的氨燃料量，减少其非催化裂解区域内的氨燃料量。
18.进一步地，当scr入口烟气成分分析装置测出的no
x
浓度高于200ppm时，减少主燃烧器区域的配风量，增加分离燃尽风燃烧器的配风量；同时降低scr入口烟气成分分析装置测出的o2浓度，通过调节关小燃料氨调节阀，降低进入炉膛内的燃料氨用量。
19.进一步地，通过scr脱硝反应器与空气预热器之间的烟道上设置scr出口烟气取样装置以及scr出口烟气取样装置上连接的scr出口烟气成分分析装置，分析scr脱硝反应器出口烟气中的no
x
含量；同时根据scr入口烟气成分分析装置测出的no
x
和nh3浓度，控制进入喷氨格栅中的还原nh3流量。
20.进一步地，当scr入口烟气成分分析装置测出的nh3浓度和scr出口烟气成分分析装置测出的nh3浓度同时超标后，同时关小燃料氨调节阀和还原氨调节阀。
21.本发明设计的一种液氨与燃煤互补发电系统与方法，其有益效果如下:
22.1)将液氨气化后的氨气分为两路分别送入炉膛和scr装置，加快了液氨在炉膛内的燃烧，部分未充分燃烧的氨气与炉膛内燃烧过程中产生的no
x
发生还原反应，将部分no
x
还原为n2和h2o，逃逸到锅炉对流受热面的氨气，与烟气中的no
x
充分混合后，与scr喷氨格栅送入的氨气一起进入scr反应器，发生催化还原反应，从而降低锅炉的no
x
排放，同时也降低了因锅炉燃烧液氨或者氨气不完全所带来的氨逃逸问题；
23.2)本发明中炉膛内设置氨燃料燃烧器，氨燃料燃烧器的网格化结构区域填充有氨高温分解的催化剂，液氨或者氨气经过该区域时，在吸收炉膛内的辐射热量后，发生裂解，生成氢气和氮气，所生成的氢气由于着火速度快，燃烧后产生的高温火焰辐射催化剂区域，进一步促进氨气发生分解。氨燃料并非全部直接喷入炉膛内，本发明的这种设计方式能够提高氨燃料与煤粉混合燃烧的效率，有利于氨燃料的着火和稳定燃烧。
24.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1示出了本发明实施例中的气态氨与燃煤互补发电系统的示意图；
27.图2示出了本发明实施例中的液态氨燃料与燃煤互补发电系统的示意图；
28.图3a示出了本发明实施例中的外部区域填充催化剂的矩形氨燃料燃烧器横截面结构示意图；图3b示出了本发明实施例中的内部区域填充催化剂的矩形氨燃料燃烧器横截
面结构示意图；
29.图4a示出了本发明实施例中的外部区域填充催化剂的圆形氨燃料燃烧器横截面结构示意图，图4b示出了本发明实施例中的内部区域填充催化剂的圆形氨燃料燃烧器横截面结构示意图。
30.附图标记：1、炉膛；2、主燃烧器；3、分离燃尽风燃烧器；4、省煤器；5、scr入口烟气取样装置；6、scr入口烟气成分分析装置；7、喷氨格栅；8、scr脱硝反应器；9、scr出口烟气取样装置；10、scr出口烟气成分分析装置；11、空气预热器；12、液氨储罐；13、液氨泵；14、气化装置；15、燃料氨关断阀；16、燃料氨调节阀；17、还原氨关断阀；18、还原氨调节阀；19、氨燃料燃烧器；
31.20a、矩形燃烧器氨催化裂解区域；21a、矩形燃烧器氨非催化裂解区域；22a、圆形燃烧器氨催化裂解区域；23a、圆形燃烧器氨非催化裂解区域。
具体实施方式
32.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，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做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。
33.本发明提供一种液氨与燃煤互补发电系统与方法，通过将液氨气化或者不气化直接送入到炉膛主燃烧器区域的氨燃料燃烧器中，与煤粉一起燃烧，减少锅炉的燃煤消耗量，从而降低锅炉的co2排放浓度和排放总量。用于燃烧的液氨与用于脱硝还原剂的液氨公用一套液氨存储装置，根据进入炉膛内用于燃烧的氨燃料物理状态，分为液态氨燃料和经过气化蒸发后的气态氨燃料。氨燃料通过氨燃料燃烧器被送入到炉膛内的煤粉主燃烧器区域，与煤粉混合燃烧，其配风来自于热二次风。
34.本发明实施例的一个方面，提供一种气态氨与燃煤互补发电系统，如图1所示。本发明实施例的另一个方面，提供一种液态氨燃料与燃煤互补发电系统，如图2所示。图1和图2中，发电系统均包括炉膛1、设置在炉膛1内部的主燃烧器2和分离燃尽风燃烧器3，炉膛1出口烟道连接的尾部烟道内依次设置有省煤器4、喷氨格栅7、scr脱硝反应器8以及空气预热器11。主燃烧器2区域设置氨燃料燃烧器19；喷氨格栅7设置在scr脱硝反应器8的入口烟道上；省煤器4出口与喷氨格栅7之间的烟道上设置scr入口烟气取样装置5，scr入口烟气取样装置5上连接scr入口烟气成分分析装置6；scr入口烟气成分分析装置6用于在线实时测量和显示炉膛1内主燃烧器2区域中煤粉与氨燃料混合燃烧后的烟气成分，该烟气成分为co、o2、no
x
、nh3。scr脱硝反应器8与空气预热器11之间的烟道上设置scr出口烟气取样装置9，scr出口烟气取样装置9上连接scr出口烟气成分分析装置10。scr出口烟气成分分析装置10用于实时监测scr脱硝反应器8出口的脱硝后的烟气成分，主要包括o2、no
x
和nh3浓度等成分。
35.图1和图2中，发电系统还包括供氨装置，供氨装置分别连接至氨燃料燃烧器19和喷氨格栅7。供氨装置包括依次相连的液氨储罐12、液氨泵13以及气化装置14。图1和图2所示系统不同之处在于，进入氨燃烧器19中的氨的物理状态是气态还是液态。
36.图1中，液氨储罐12内存储的液氨经液氨泵13加压送入气化装置14中，经过气化装
置14的加热作用将液氨由液态加热变为气态。气化装置14有两路出口，其第一路出口依次经燃料氨关断阀15、燃料氨调节阀16连接至氨燃料燃烧器19，将一部分气态氨送至氨燃料燃烧器19。气化装置14的第二路出口依次经还原氨关断阀17、还原氨调节阀18连接至喷氨格栅7，将另一部分气态氨喷入喷氨格栅7中。
37.图2中，供氨装置包括与液氨储罐12相连的液氨泵13以及气化装置14，液氨泵13出口分为两路，其第一路出口与气化装置14相连，气化装置14出口依次经还原氨关断阀17、还原氨调节阀18连接至喷氨格栅7，从而液氨气化成气态氨输送至喷氨格栅7中。液氨泵13的第二路出口依次经燃料氨关断阀15、燃料氨调节阀16连接至氨燃料燃烧器19，从而直接将经液氨泵13加压后的液氨输送至氨燃料燃烧器19。
38.氨燃料燃烧器19设置内外两层结构，其中一层为中空结构，另外一层为网格化结构，该网格化结构中填充有能够使氨在高温下催化裂解的催化剂。液氨或者气态氨经过该网格化结构区域时，吸收炉膛1的辐射热量后发生裂解，生成氢气和氮气。所生成的氢气由于着火速度快，燃烧后产生的高温火焰辐射催化剂区域，进一步促进氨气发生分解。
39.氨燃料燃烧器19的截面形状可分为矩形和圆形两种形状，矩形氨燃料燃烧器横截面结构示意图如图3a、3b所示，圆形氨燃料燃烧器横截面结构示意图如图4a、4b所示。图3a和图3b中根据催化裂解催化剂的填充位置不同，分别分为外部区域填充和内部区域填充，图3a中，用于氨催化裂解的催化剂填充位置处于矩形燃烧器氨催化裂解区域20a处，即图3a中的网格化结构外部区域；中空结构内部区域为矩形燃烧器氨非催化裂解区域21a。图3b中，用于氨催化裂解的催化剂填充位置处于矩形燃烧器氨催化裂解区域20a，即图3b中的网格化内部区域，中空结构外部区域为矩形燃烧器氨非催化裂解区域21a。图4a中，用于氨催化裂解的催化剂填充位置处于圆形燃烧器氨催化裂解区域22a处，即图4a中的网格化结构外部区域；中空结构内部区域为圆形燃烧器氨非催化裂解区域23a。图4b中，用于氨催化裂解的催化剂填充位置处于圆形燃烧器氨催化裂解区域22a，即图4b中的网格化内部区域，中空结构外部区域为圆形燃烧器氨非催化裂解区域23a。
40.矩形截面适合于直流煤粉燃烧器锅炉，有利于安装布置，与矩形煤粉燃烧器及其二次风喷口容易结合。燃烧过程中，喷出的氨燃料与二次风能够快速地混合，实现氨燃料燃烧后形成的火焰稳定燃烧。对于圆形截面，适合于旋流煤粉燃烧器锅炉，有利于安装布置，与圆形的煤粉燃烧器及其二次风喷口容易结合，燃烧过程中，从圆形喷口喷出的氨燃料与二次风能够快速混合，确保氨燃料燃烧后形成的火焰可以稳定燃烧，旋流的二次风可给氨燃料燃烧器19提供足够的送风，确保氨燃烧过程中所需空气。
41.本发明实施例中，经供氨装置输送的气态氨燃料或者液态氨燃料并非直接进入炉膛1中，而是经过氨燃料燃烧器19喷射后进入炉膛1中，该过程中利用布置在氨燃料燃烧器19网格化结构区域中的氨催化裂解催化剂将气态氨或液态氨裂解成氢气和氮气，氢气和氨气燃烧产生的高温火焰为氨气裂解提供高温辐射热量，氨燃料与煤粉一起在主燃烧器2内混合燃烧。主燃烧器2区域的燃烧反应方程式为：o2 nh3→
n2 h2o，o2 nh3→
no h2o，o2 no
→
no2；2c o2→
2co，2co o2→
2co2。主燃烧器2在炉膛1的侧壁呈对称分布，分离燃尽风燃烧器3位于主燃烧器2的上端；氨燃料燃烧器19对称分布在主燃烧器2区域。本发明实施例中采用部分催化燃烧方式，在氨燃料燃烧器19端部设置圆形或者矩形结构的喷嘴，喷嘴分为内部、外部两部分，其中一部分设置有用于氨裂解的催化剂，当不容易燃烧的氨燃料经过氨燃料
燃烧器19端部时，在炉膛1内部高温火焰辐射和氨燃烧火焰辐射的共同作用下，经过该区域的燃料氨发生分解反应，裂解成氢气和氮气，氢气容易点燃和着火燃烧，燃烧速度快，可以起到助燃和点燃氨燃料的作用。相较于直接将气态氨燃料或者液态氨燃料喷入炉膛1中，本发明更能实现氨燃料的着火和稳定燃烧。
42.本发明实施例的另一个方面，提供一种液氨与燃煤互补发电方法，该方法利用如图1所示的系统实现时，具体步骤为：从液氨储罐12出来的液氨在液氨泵13的作用下，经过气化装置14的加热作用，将液氨由液体加热变为气体；然后分为两路，第一路依次经过还原氨关断阀17和还原氨调节阀18后，被送入到喷氨格栅7中，与锅炉烟气进行混合后，进入到scr脱硝反应器8中，发生脱硝还原反应，将烟气中的no
x
还原程n2和h2o；第二路依次经过燃料氨关断阀15和燃料氨调节阀16后，被送入氨燃料燃烧器19中，一部分气态氨进入氨燃料燃烧器19的催化裂解区域，并裂解成氢气和氮气；另一部分气态氨进入氨燃料燃烧器19的非催化裂解区域；两部分燃料一并送入炉膛1中，与主燃烧器2区域中的煤粉混合燃烧之后喷入炉膛1中的主燃烧器2区域，与煤粉一起混合燃烧。
43.燃烧后的烟气经过分离燃尽风燃烧器3的作用，将未燃尽的可燃物进一步燃烧，同时对部分已生成的no
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进行还原生成n2，控制炉膛1出口的no
x
浓度。通过省煤器4出口与喷氨格栅7之间的烟道上设置的scr入口烟气取样装置5、以及scr入口烟气取样装置5上连接的scr入口烟气成分分析装置6，在线实时测量和显示氨燃料与煤粉混合燃烧后的烟气成分(co、o2、no
x
、nh3)，可以为氨燃料在炉膛1内中的燃烧提供反馈，指导炉膛1进行配风优化，控制省煤器4出口烟道中烟气中的co和no
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浓度，从而实现炉膛内部氨燃料与煤粉的最佳燃烧，既能保证燃烧效率，又能控制污染物排放。
44.具体地，当scr入口烟气成分分析装置6检测出来的nh3浓度高于100ppm，需要增加氨燃料燃烧器19及其上下区域二次风喷口的配风量，并且增加氨燃料燃烧器19催化裂解区域内的氨燃料量，相应地减少其非催化裂解区域内的氨燃料量，提高催化裂解燃烧的氨燃料比例，降低非催化裂解氨燃料的比例。如有必要，再调节关小燃料氨调节阀16，减少进入炉膛内1的燃料氨用量，直到scr入口烟气成分分析装置6检测出来的nh3浓度低于或等于100ppm。当scr入口烟气成分分析装置6检测出来的nox浓度高于200ppm时，需要减少主燃烧器2区域的配风量，增加分离燃尽风燃烧器3的配风量，同时降低scr入口烟气成分分析装置6检测出来的o2浓度，通过调节关小燃料氨调节阀16，降低进入炉膛内的燃料氨用量；当scr入口烟气成分分析装置6检测出来的nh3浓度大于no
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浓度时，需要调节关小燃料氨调节阀16，减少进入炉膛内1的燃料氨用量，并且增加催化裂解区域内的氨燃料量，相应地减少非催化裂解区域内的氨燃料量，提高催化裂解燃烧的氨燃料比例，降低非催化裂解氨燃料的比例，直到nh3浓度低于100ppm。
45.通过scr脱硝反应器8与空气预热器11之间的烟道上设置scr出口烟气取样装置9以及scr出口烟气取样装置9上连接的scr出口烟气成分分析装置10，分析脱硝后混合烟气的成分数据，并根据该成分数据控制进入喷氨格栅7中的还原氨流量。同时调节对应的喷氨及炉膛1燃烧情况，确保scr出口no
x
排放满足环保要求。当scr入口烟气成分分析装置6测出的nh3浓度和scr出口烟气成分分析装置10测出的nh3浓度同时超标后，同时关小燃料氨调节阀16和还原氨调节阀18。本发明通过设置scr出口烟气成分分析装置10，分析scr脱硝反应器8出口烟气中的no
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含量，同时根据scr入口烟气成分分析装置6测出的no
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和nh3浓度，计算
出喷氨格栅7需要投入的还原氨流量，从而实现有效利用炉膛1内的逃逸氨，并将其作为scr反应的还原剂和气化装置14提供的气态氨一起喷入scr脱硝反应器8中。
46.本发明的发电方法利用如图2所示的装置实现时，不同之处在于燃料氨不经过气化，直接从液氨泵13出口分流为两路，一路经过气化装置14，经过加热蒸发后，氨气依次经过还原氨关断阀17、还原氨调节阀18后进入到喷氨格栅7中，另一路不经过气化装置14，经过液氨泵13加压后，液态燃料氨依次经过燃料氨关断阀15、燃料氨调节阀16后送入到炉膛1中。
47.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。