CN111425849A - 双层清洁能源与煤粉耦合的调峰煤粉锅炉 - Google Patents

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Abstract

双层清洁能源与煤粉耦合的调峰煤粉锅炉，属于锅炉改造技术领域。本发明为了解决现有调峰锅炉采用单一耦合形式，容错能力差，并且其结构会造成能源浪费的问题。包括煤粉锅炉、槽式光热集热器组、高温氢氧化钾熔融碱储罐、低温碱储罐、氢储能氢氧燃料电池单元、熔融碱热储能槽式光热单元和过热器，氢储能氢氧燃料电池单元为煤粉锅炉进行电网并网耦合调峰，熔融碱热储能槽式光热单元为煤粉锅炉进行高温蒸汽耦合调峰，该双层耦合结构可同时为煤粉锅炉调峰；即使该二者其中之一出现故障，另一种清洁能源仍能独立运行起到为煤粉锅炉调峰的作用。本发明可用于煤粉锅炉的调峰改造。

Description

双层清洁能源与煤粉耦合的调峰煤粉锅炉
技术领域
本发明涉及双层清洁能源与煤粉耦合的调峰煤粉锅炉，属于锅炉改造技术领域。
背景技术
现有常规耦合锅炉采用清洁能源与煤粉的单一耦合形式，锅炉调峰经常受到清洁能源供给侧的制约。如发生夜间无光照造成的光热热熔盐供给不足，或非秸秆收割季节造成的生物质气供应不畅等；当有任何结构出现系统故障，就会造成锅炉耦合失效而无法调峰。
另外，现有常规耦合锅炉不能够进行灵活的能量回收与释放，其没有灵活的储放能结构，造成能源浪费以及调峰不充分、不及时等问题。
发明内容
本发明是为了解决现有调峰锅炉采用单一耦合形式，容错能力差，并且其结构会造成能源浪费的问题，提供了一种双层清洁能源与煤粉耦合的调峰煤粉锅炉。
本发明所述双层清洁能源与煤粉耦合的调峰煤粉锅炉，包括煤粉锅炉，还包括槽式光热集热器组100、高温氢氧化钾熔融碱储罐200、低温碱储罐300、氢储能氢氧燃料电池单元400、熔融碱热储能槽式光热单元500和过热器600，
所述熔融碱热储能槽式光热单元500设置于煤粉锅炉炉膛内；
槽式光热集热器组100的加热出口通过熔融管路连通高温氢氧化钾熔融碱储罐200的入口，所述熔融管路上设置二号截止阀120；高温氢氧化钾熔融碱储罐200的第一出口连接氢储能氢氧燃料电池单元400的电解液入口，氢氧燃料电池单元400的阳极连接水煤气反应罐的氢气输出口，氢氧燃料电池单元400的阴极连接供暖管道；氢氧燃料电池单元400的冷碱出口连通低温碱储罐300的入口，低温碱储罐300的出口通过回流管路连通槽式光热集热器组100的回流口，所述回流管路上设置三号截止阀130；低温碱储罐300的出口还通过循环管路连通高温氢氧化钾熔融碱储罐200的入口，所述循环管路上设置一号截止阀110；
高温氢氧化钾熔融碱储罐200的第二出口连通熔融碱热储能槽式光热单元500的换热入口，熔融碱热储能槽式光热单元500的换热出口连接低温碱储罐300的入口，熔融碱热储能槽式光热单元500的蒸汽出口连通过热器600的入口。
根据本发明所述的双层清洁能源与煤粉耦合的调峰煤粉锅炉，所述高温氢氧化钾熔融碱储罐200连接一号加压泵210；低温碱储罐300连接二号加压泵310。
根据本发明所述的双层清洁能源与煤粉耦合的调峰煤粉锅炉，所述氢储能氢氧燃料电池单元400的具体结构包括：
所述水煤气反应罐输出的气体经吸附CO反应釜后，吸附CO反应釜的氢气输出口连接氢氧燃料电池单元400的阳极，吸附CO反应釜的CO输出口经吸附剂减压缓冲罐连接煤粉锅炉燃烧器喷口；氢氧燃料电池单元400的阴极通过混气缓冲罐连接供暖管道；
经氢氧燃料电池单元400的阳极后未经反应的H2与Li反应后存储于Li储氢罐中，生成LiH晶体，LiH晶体通过LiH传送带传送至LiH放氢罐，LiH放氢罐的氢气出口通过放氢管路连接氢氧燃料电池单元400的阳极，所述放氢管路上设置四号截止阀140。
根据本发明所述的双层清洁能源与煤粉耦合的调峰煤粉锅炉，所述熔融碱热储能槽式光热单元500的具体结构包括换热器510和汽水分离器520，
所述换热器510的换热入口为熔融碱热储能槽式光热单元500的换热入口，换热器510的换热出口为熔融碱热储能槽式光热单元500的换热出口；
煤粉锅炉水冷壁加热后的汽水混合物经汽水分离器520的混合物入口进入汽水分离器520，汽水分离器520的蒸汽出口连通过热器600的入口；
汽水分离器520的分离水出口连接换热器510的二次加热入口，汽水分离器520的高温蒸汽出口连通汽水分离器520的高温蒸汽入口。
本发明的优点：本发明涉及氢储能的氢氧燃料电池和热储能的槽式光热系统双层清洁能源与煤粉锅炉耦合进行调峰改造。
本发明中氢储能氢氧燃料电池单元为煤粉锅炉进行电网并网耦合调峰，熔融碱热储能槽式光热单元为煤粉锅炉进行高温蒸汽耦合调峰，该双层耦合结构可同时为煤粉锅炉调峰。即使该二者其中之一出现故障，另一种清洁能源仍能独立运行起到为煤粉锅炉调峰的作用。
所述槽式光热集热器组为氢储能氢氧燃料电池单元提供充足且循环的高温熔融KOH电解液，并在白天太阳充足的时候储存充足的热熔融碱，为夜间或光照不足时燃料电池和炉膛分离水需要的热量提供能量储备。将参与反应后的KOH燃料电池电解液和炉膛换热后的低温熔融KOH汇集到图1中所示的低温熔融碱管道，低温熔融KOH可在煤粉锅炉水平烟道进行加热，从而避免在管道内凝固堵塞管道，然后再流出炉膛到低温碱储罐中。
本发明中可以实现氢能源和热能的灵活储放，避免了能源浪费，又易于灵活调峰。一举多得。充分提升了耦合机组的运行效率并实现能源利用。
附图说明
图1是本发明所述双层清洁能源与煤粉耦合的调峰煤粉锅炉的整体结构示意图；
图2是氢储能氢氧燃料电池单元的原理图；
图3是熔融碱热储能槽式光热单元的原理图。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述双层清洁能源与煤粉耦合的调峰煤粉锅炉，包括煤粉锅炉，还包括槽式光热集热器组100、高温氢氧化钾熔融碱储罐200、低温碱储罐300、氢储能氢氧燃料电池单元400、熔融碱热储能槽式光热单元500和过热器600，
所述熔融碱热储能槽式光热单元500设置于煤粉锅炉炉膛内；
槽式光热集热器组100的加热出口通过熔融管路连通高温氢氧化钾熔融碱储罐200的入口，所述熔融管路上设置二号截止阀120；高温氢氧化钾熔融碱储罐200的第一出口连接氢储能氢氧燃料电池单元400的电解液入口，氢氧燃料电池单元400的阳极连接水煤气反应罐的氢气输出口，氢氧燃料电池单元400的阴极连接供暖管道；氢氧燃料电池单元400的冷碱出口连通低温碱储罐300的入口，低温碱储罐300的出口通过回流管路连通槽式光热集热器组100的回流口，所述回流管路上设置三号截止阀130；低温碱储罐300的出口还通过循环管路连通高温氢氧化钾熔融碱储罐200的入口，所述循环管路上设置一号截止阀110；
高温氢氧化钾熔融碱储罐200的第二出口连通熔融碱热储能槽式光热单元500的换热入口，熔融碱热储能槽式光热单元500的换热出口连接低温碱储罐300的入口，熔融碱热储能槽式光热单元500的蒸汽出口连通过热器600的入口。
本实施方式中，所述一号截止阀110、二号截止阀120和三号截止阀130所在的管路与槽式光热集热器组100构成了熔融氢氧化钾KOH回路，槽式光热集热器组100通过输入的光能转化获得热能。
本实施方式以双层清洁能源与煤粉耦合的调峰结构代替传统的单一耦合形式，所述双层清洁能源分别以并网耦合调峰和高温蒸汽耦合调峰形式与煤粉锅炉进行耦合，且二者均可为煤粉锅炉起到独立调峰作用，该二者间也能够实现产物循环利用和能源互补，避免了能量浪费。
所述氢储能氢氧燃料电池单元400用做并网调峰，直接将氢氧燃料电池阳极释放的电子并入电网，为煤粉炉调峰。熔融碱热储能槽式光热单元500为高温蒸汽调峰，该结构的集热器管道使用镍基合金Inconel625，内部为KOH熔融碱，作用包括：一，为氢储能氢氧燃料电池单元400的高温循环提供电解液，热碱持续通过高温氢氧化钾熔融碱储罐200，反应后的冷碱持续流出至低温碱储罐300，并回到槽式光热集热器组100再行加热。为避免冷碱进入低温碱储罐300前凝结，可先将此部分的冷碱汇集到煤粉锅炉水平烟道中的冷碱管道进行加热，以保证熔融碱系统的持续运转；二，为在炉膛内的熔融碱换热器510加热汽水分离器分离出的水，重新成为蒸汽汇入到初始一次汽水混合物中，提升蒸汽效率，换热后的热碱温度降低，沿KOH放热回路向上部流动与燃料电池流出的低温熔融碱汇集在图1所示的低温熔融碱管道，经炉膛顶部水平烟道高温烟气加热，保证KOH在管道中流动性良好，不至凝结堵塞。本实施方式充分利用煤粉锅炉顶部高温烟气作用，同时加热参与燃料电池中反应的KOH电解质和参与煤粉炉炉膛内换热的KOH热熔融碱，保证两个管道内热熔融碱的良好流动性，一举两得。
进一步，结合图1所示，所述高温氢氧化钾熔融碱储罐200连接一号加压泵210；低温碱储罐300连接二号加压泵310。
再进一步，结合图2所示，所述氢储能氢氧燃料电池单元400的具体结构包括：
所述水煤气反应罐输出的气体经吸附CO反应釜后，吸附CO反应釜的氢气输出口连接氢氧燃料电池单元400的阳极，吸附CO反应釜的CO输出口经吸附剂减压缓冲罐连接煤粉锅炉燃烧器喷口；氢氧燃料电池单元400的阴极通过混气缓冲罐连接供暖管道；
经氢氧燃料电池单元400的阳极后未经反应的H2与Li反应后存储于Li储氢罐中，生成LiH晶体，LiH晶体通过LiH传送带传送至LiH放氢罐，LiH放氢罐的氢气出口通过放氢管路连接氢氧燃料电池单元400的阳极，所述放氢管路上设置四号截止阀140。
本实施方式在储放能方面，发明了适用于氢氧燃料电池回路的Li储氢罐和LiH放氢罐，及槽式光热回路冷热熔融碱储罐，实现了氢能源和热能的灵活储放，避免了能源浪费，又易于灵活调峰。
再进一步，结合图3所示，所述熔融碱热储能槽式光热单元500的具体结构包括换热器510和汽水分离器520，
所述换热器510的换热入口为熔融碱热储能槽式光热单元500的换热入口，换热器510的换热出口为熔融碱热储能槽式光热单元500的换热出口；
煤粉锅炉水冷壁加热后的汽水混合物经汽水分离器520的混合物入口进入汽水分离器520，汽水分离器520的蒸汽出口连通过热器600的入口；
汽水分离器520的分离水出口连接换热器510的二次加热入口，汽水分离器520的高温蒸汽出口连通汽水分离器520的高温蒸汽入口。
本发明的工作原理：
槽式光热集热器组100熔融碱回路原理：白天阳光充足时，关闭一号截止阀110，打开二号截止阀120和三号截止阀130，槽式光热集热器组100加热后的KOH存储于高温氢氧化钾熔融碱储罐200，高温氢氧化钾熔融碱储罐200内的热熔融碱作为燃料电池的电解液和煤粉炉分离水的换热源。完成换热后的冷碱汇集到煤粉锅炉顶部水平烟道中的冷碱管道加热后，重新回到槽式光热集热器组100进行加热。
夜间，关闭二号截止阀120和三号截止阀130，打开一号截止阀110，此时槽式光热集热器组100停止使用。打开一号加压泵210，推动白天积存在高温氢氧化钾熔融碱储罐200的热熔融碱维持燃料电池和炉膛换热的进行，参与运行后的冷碱储存于低温碱储罐300中。次日清晨，关闭一号加压泵210，打开二号加压泵310，将低温碱储罐300中的低温熔融碱沿冷碱管道推动至槽式光热集热器组100再行加热。
光热熔融碱炉膛换热原理：煤粉锅炉水冷壁加热后的汽水混合物约480℃流入汽水分离器520的汽水混合物入口后，由于蒸汽密度小，从上部直接进入过热器600，分离水密度大，从下端流出沿分离水管道流至熔融碱换热器510进行二次加热变为水蒸气，再以蒸汽形式进入汽水分离器520与一次汽水混合物结合。可提升水分循环效率，增大发电效率。
氢储能氢氧燃料电池单元400工作原理：氢氧燃料电池阳极燃料H2为水煤气反应器中C+H2O＝CO+H2生成，经吸附剂加压吸附CO后通入燃料电池阳极释放电子，分离出的CO通过吸附剂减压放出CO接入煤粉锅炉燃烧器喷口作为燃气与煤粉掺烧。阳极H2通过H2-2e-＝2H+释放电子至外电路放电，直接并网供电，为煤粉锅炉进行并网耦合调峰，剩余的H+质子透过单向质子交换膜，并通过KOH熔融电解液到达阴极，与阴极通入空气中的氧气以及外电路回来的电子e-发生阴极反应：4H++O2+4e-＝2H2O，由于该部分反应生成水量较大且温度较高，可用于接供暖管道供热或提供煤粉锅炉给水，充分利用反应余热。
燃料电池储放氢工作原理：通过阳极后未经反应的H2，经2Li+H2＝2LiH反应将H2储存于Li储氢罐。生成的LiH晶体通过传送带传送至LiH放氢罐，需要进行氢能释放调峰时，打开四号截止阀140，通过2LiH+H2O＝2LiOH+H2释放的H2和水煤气反应生成的H2混合进入燃料电池阳极释放电子，增加阳极气体的使用效率和燃料电池为系统调峰的放电效率，从而达到氢能源储存和释放的目的。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (4)

1.一种双层清洁能源与煤粉耦合的调峰煤粉锅炉，包括煤粉锅炉，其特征在于，还包括槽式光热集热器组(100)、高温氢氧化钾熔融碱储罐(200)、低温碱储罐(300)、氢储能氢氧燃料电池单元(400)、熔融碱热储能槽式光热单元(500)和过热器(600)，
所述熔融碱热储能槽式光热单元(500)设置于煤粉锅炉炉膛内；
槽式光热集热器组(100)的加热出口通过熔融管路连通高温氢氧化钾熔融碱储罐(200)的入口，所述熔融管路上设置二号截止阀(120)；高温氢氧化钾熔融碱储罐(200)的第一出口连接氢储能氢氧燃料电池单元(400)的电解液入口，氢氧燃料电池单元(400)的阳极连接水煤气反应罐的氢气输出口，氢氧燃料电池单元(400)的阴极连接供暖管道；氢氧燃料电池单元(400)的冷碱出口连通低温碱储罐(300)的入口，低温碱储罐(300)的出口通过回流管路连通槽式光热集热器组(100)的回流口，所述回流管路上设置三号截止阀(130)；低温碱储罐(300)的出口还通过循环管路连通高温氢氧化钾熔融碱储罐(200)的入口，所述循环管路上设置一号截止阀(110)；
高温氢氧化钾熔融碱储罐(200)的第二出口连通熔融碱热储能槽式光热单元(500)的换热入口，熔融碱热储能槽式光热单元(500)的换热出口连接低温碱储罐(300)的入口，熔融碱热储能槽式光热单元(500)的蒸汽出口连通过热器(600)的入口。
2.根据权利要求1所述的双层清洁能源与煤粉耦合的调峰煤粉锅炉，其特征在于，所述高温氢氧化钾熔融碱储罐(200)连接一号加压泵(210)；低温碱储罐(300)连接二号加压泵(310)。
3.根据权利要求2所述的双层清洁能源与煤粉耦合的调峰煤粉锅炉，其特征在于，所述氢储能氢氧燃料电池单元(400)的具体结构包括：
所述水煤气反应罐输出的气体经吸附CO反应釜后，吸附CO反应釜的氢气输出口连接氢氧燃料电池单元(400)的阳极，吸附CO反应釜的CO输出口经吸附剂减压缓冲罐连接煤粉锅炉燃烧器喷口；氢氧燃料电池单元(400)的阴极通过混气缓冲罐连接供暖管道；
经氢氧燃料电池单元(400)的阳极后未经反应的H2与Li反应后存储于Li储氢罐中，生成LiH晶体，LiH晶体通过LiH传送带传送至LiH放氢罐，LiH放氢罐的氢气出口通过放氢管路连接氢氧燃料电池单元(400)的阳极，所述放氢管路上设置四号截止阀(140)。
4.根据权利要求3所述的双层清洁能源与煤粉耦合的调峰煤粉锅炉，其特征在于，所述熔融碱热储能槽式光热单元(500)的具体结构包括换热器(510)和汽水分离器(520)，
所述换热器(510)的换热入口为熔融碱热储能槽式光热单元(500)的换热入口，换热器(510)的换热出口为熔融碱热储能槽式光热单元(500)的换热出口；
煤粉锅炉水冷壁加热后的汽水混合物经汽水分离器(520)的混合物入口进入汽水分离器(520)，汽水分离器(520)的蒸汽出口连通过热器(600)的入口；
汽水分离器(520)的分离水出口连接换热器(510)的二次加热入口，汽水分离器(520)的高温蒸汽出口连通汽水分离器(520)的高温蒸汽入口。
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