CN111945182B - 一种利用火电厂锅炉烟气余热的制氢系统 - Google Patents

一种利用火电厂锅炉烟气余热的制氢系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用火电厂锅炉烟气余热的制氢系统，包括水箱、双通道管壳式换热器、第一给水加热器、第二给水加热器、固体氧化物蒸汽电解槽、空气压缩机、第一空气加热器、第二空气加热器、氢水分离器和氢气液压站；水箱、双通道管壳式换热器、第一给水加热器、第二给水加热器和固体氧化物蒸汽电解槽通过管道依次连接，构成蒸汽发生回路；空气压缩机、第一空气加热器、第二空气加热器和固体氧化物蒸汽电解槽通过管道依次连接，构成空气加热回路；固体氧化物蒸汽电解槽、双通道管壳式换热器、氢水分离器和氢气液压站通过管道依次连接，构成制氢回路，氢水分离器还与水箱通过管路连接，构成给水回路。本发明具有高效、灵活等优点。

Description

一种利用火电厂锅炉烟气余热的制氢系统
技术领域
本发明属于制氢领域，涉及一种电厂制氢系统，尤其涉及一种利用火电厂锅炉烟气余热的制氢系统。
背景技术
近20年来，氢能在全球范围内迎来了一轮快速发展。包括中国、美国、日本、欧盟、加拿大和韩国等国家和地区均制定了氢能发展规划。到2020年，中国燃料电池车辆将达到10000辆、加氢站数量达到100座，行业总产值达到3000 亿元。到2030年，燃料电池车辆保有量要“撞线”200万辆，加氢站数量达到1000座，产业产值将突破10000亿元。我国已经是世界第一大产氢国，2015年产氢量超过2200万吨，占到世界产氢量的34％，其中由煤、天然气、石油等化石燃料生产的氢气占了将近70％，工业副产气体制得的氢气约占30％，电解水制氢占不到1％。
截至到2019年，我国电力装机容量达到20.1亿kW，其中火力发电占到11.9 亿kW，与此同时，全国单机容量在6000kW以上的火电机组年利用小时数在4000 小时左右，火电机组存在较为严重的产能过剩，面临着越来越大的电网调峰压力。
发明内容
本发明提供一种利用火电厂锅炉烟气余热的制氢系统，以克服现有技术的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种利用火电厂锅炉烟气余热的制氢系统，锅炉的炉膛包括沿烟气流向依次分布的水平烟道和竖井烟道，系统具有这样的特征：包括水箱、双通道管壳式换热器、第一给水加热器、第二给水加热器、固体氧化物蒸汽电解槽、空气压缩机、第一空气加热器、第二空气加热器、氢水分离器和氢气液压站；水箱、双通道管壳式换热器、第一给水加热器、第二给水加热器和固体氧化物蒸汽电解槽通过管道依次连接，构成蒸汽发生回路，其中第一给水加热器和第二给水加热器分别布置在在炉膛的竖井烟道和水平烟道内；水箱中的水通入双通道管壳式换热器被预热，然后依次通入第一给水加热器和第二给水加热器，被烟气加热为过热蒸汽，最后通入固体氧化物蒸汽电解槽的阴极；空气压缩机、第一空气加热器、第二空气加热器和固体氧化物蒸汽电解槽通过管道依次连接，构成空气加热回路，其中第一空气加热器和第二空气加热器分别布置在炉膛的竖井烟道和水平烟道内；空气压缩机的空气依次通入第一空气加热器和第二空气加热器，被烟气加热，然后通入固体氧化物蒸汽电解槽的阳极；固体氧化物蒸汽电解槽、双通道管壳式换热器、氢水分离器和氢气液压站通过管道依次连接，构成制氢回路，氢水分离器还与水箱通过管路连接，构成给水回路；固体氧化物蒸汽电解槽排出的空气、水及氢气均通入双通道管壳式换热器，对其中流经的给水进行预热，然后空气排出，氢气和水经氢水分离器后，氢气通入氢气液压站，水通入水箱，补充给水。
进一步，本发明提供一种利用火电厂锅炉烟气余热的制氢系统，还可以具有这样的特征：其中，双通道管壳式换热器包括管侧通道、第一壳侧通道和第二壳侧通道；水箱通过管道与双通道管壳式换热器的管侧通道入口连通，管侧通道出口通过管道与第一给水加热器连通；固体氧化物蒸汽电解槽的阴极出口通过管道与双通道管壳式换热器的第一壳侧通道入口连接，阳极出口通过管道与第二壳侧通道入口连接；第二壳侧通道和第一壳侧通道沿管侧通道中给水的流向依次设置；双通道管壳式换热器的第二壳侧通道出口通过管道与氢水分离器连接，第一壳侧通道出口通过管道排向大气。
进一步，本发明提供一种利用火电厂锅炉烟气余热的制氢系统，还可以具有这样的特征：其中，固体氧化物蒸汽电解槽阴极材料为Ni/YSZ，阳极材料为LSM，固体电解质材料为YSZ。
进一步，本发明提供一种利用火电厂锅炉烟气余热的制氢系统，还可以具有这样的特征：还包括发电机、电力降压变压器、380V低压母线、交流-直流逆变器和直流母线；发电机的发电机出口母线通过三相导线与电力降压变压器的高压侧连接，电力降压变压器的低压侧通过三相导线与380V低压母线连接，380V低压母线通过三相导线与交流-直流逆变器的交流侧连接，交流-直流逆变器的直流侧通过直流导线与直流母线连接，直流母线通过直流导线与固体氧化物蒸汽电解槽的固体电解质正负端子相连。
进一步，本发明提供一种利用火电厂锅炉烟气余热的制氢系统，还可以具有这样的特征：其中，水箱与双通道管壳式换热器连接的管路上沿给水流经方向依次设有水泵和阀门。
进一步，本发明提供一种利用火电厂锅炉烟气余热的制氢系统，还可以具有这样的特征：其中，电厂除盐母管通过管路与水箱连接，为水箱提供给水。
进一步，本发明提供一种利用火电厂锅炉烟气余热的制氢系统，还可以具有这样的特征：还包括空气滤网，设于空气压缩机前，空气经过空气滤网过滤，再由管道通入空气压缩机。
进一步，本发明提供一种利用火电厂锅炉烟气余热的制氢系统，还可以具有这样的特征：其中，竖井烟道中，第一给水加热器和第一空气加热器沿烟气的流向依次设置；
水平烟道中，第二给水加热器和第二空气加热器沿烟气的流向依次设置。
本发明的有益效果在于：本发明提供一种利用火电厂锅炉烟气余热的制氢系统，利用火电厂锅炉烟气余热和发电机发出的电能作为固体氧化物蒸汽电解槽的能源进行制氢。首先，充分利用了火电厂锅炉的烟气余热，可以有效降低锅炉的排烟温度从而降低了锅炉的排烟损失，提高电站锅炉运行效率；利用现有火电机组设备及系统，既能发电也能生产氢气，在电网负荷低负荷时，火电机组可以进行制氢运行，提高火电机组调峰能力。其次，相比于其他制氢技术，固体氧化物制氢具有较高的能量转换效率，可达90％以上，同时还具有高效、简单、灵活、环境友好等特点。此外，通过氢气液压存储，还可以实现常规火电厂制氢储能，改变火电厂单一供给电能的模式，提高了常规火电企业的市场竞争力。
本系统利用现有火电机组设备及系统既能发电也能生产氢气，一方面将会加快氢能产业的发展，另一方面可以解决火电机组产能过剩问题，有效提高火电机组调峰能力，提高火电机组运行经济性和运行调度的灵活性。此外，通过制氢储氢还可以改变火电厂单一供给电能的能源生产模式，提高常规火电企业的市场竞争力。
附图说明
图1是制氢系统的示意图；
图2是固体氧化物蒸汽电解槽的示意图。
具体实施方式
以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。
如图1和2所示，本发明提供一种利用火电厂锅炉烟气余热的制氢系统。
其中，锅炉的炉膛20包括沿烟气22流向依次分布的水平烟道23和竖井烟道24。
系统包括水箱2、双通道管壳式换热器5、第一给水加热器6、第二给水加热器7、固体氧化物蒸汽电解槽8、空气压缩机10、第一空气加热器11、第二空气加热器12、氢水分离器18和氢气液压站19。
水箱2、双通道管壳式换热器5、第一给水加热器6、第二给水加热器7和固体氧化物蒸汽电解槽8通过管道依次连接，构成蒸汽发生回路。其中，第一给水加热器6和第二给水加热器7分别布置在在炉膛20的竖井烟道24和水平烟道23 内。双通道管壳式换热器5包括管侧通道、第一壳侧通道和第二壳侧通道。电厂除盐母管1通过管路与水箱2连接，为水箱2提供给水。水箱2与双通道管壳式换热器5连接的管路上沿给水流经方向依次设有水泵3和阀门4。水箱2中的水通入双通道管壳式换热器5被预热，然后依次通入第一给水加热器6和第二给水加热器7，被烟气加热为过热蒸汽，最后通入固体氧化物蒸汽电解槽8的阴极。
具体的，电厂除盐母管1通过水管管路301与水箱2连接，水箱2通过水管管路302与水泵3的入口连接，水泵3的出口通过水管管路303与阀门4连接，阀门4与管道304连接，管道304与双通道管壳式换热器5的管侧通道入口连接，双通道管壳式换热器5的管侧通道出口通过管道305与第一给水加热器6入口连接，第一给水加热器6出口通过管道306与第二给水加热器7的入口连接，第二给水加热器7的出口通过管道307与固体氧化物蒸汽电解槽8的阴极通道入口C 连接；给水调节阀门4可以调节给水流量，以保证固体氧化物蒸汽电解槽8阴极 C入口蒸汽的温度在700-1000℃，以保证氢能转换效率。
空气压缩机10、第一空气加热器11、第二空气加热器12和固体氧化物蒸汽电解槽8通过管道依次连接，构成空气加热回路。其中，第一空气加热器11和第二空气加热器12分别布置在炉膛20的竖井烟道24和水平烟道23内。系统还包括空气滤网9，设于空气压缩机10前，空气经过空气滤网9过滤，再由管道通入空气压缩机10。空气压缩机10的空气依次通入第一空气加热器11和第二空气加热器12，被烟气加热，然后通入固体氧化物蒸汽电解槽8的阳极。
具体的，空气经过空气滤网9与空气管道401连接，空气管道401与空气压缩机10的入口连接，空气压缩机10的出口经过空气管道402与第一空气加热器 11的入口连接，第一空气加热器11的出口经过空气管道403与第二空气加热器 12的入口连接，第二空气加热器12的出口经过空气管道404与固体氧化物蒸汽电解槽8的阳极通道入口A连接。
其中，炉膛20内锅炉燃料火焰燃烧产生的烟气22经火焰折焰角21流过锅炉水平烟道23内布置的第二给水加热器7和第二空气加热器12，流向竖井烟道 24内布置的第一给水加热器6和第一空气加热器11，放完热的烟气流过锅炉尾部烟气设备25后排向大气。
竖井烟道24中，第一给水加热器6和第一空气加热器11沿烟气的流向依次设置。水平烟道23中，第二给水加热器7和第二空气加热器12沿烟气的流向依次设置。即高温烟气先对水进行加热，再对空气进行加热。
固体氧化物蒸汽电解槽8、双通道管壳式换热器5、氢水分离器18和氢气液压站19通过管道依次连接，构成制氢回路。氢水分离器18还与水箱2通过管路连接，构成给水回路。固体氧化物蒸汽电解槽8排出的空气、水及氢气均通入双通道管壳式换热器5，对其中流经的给水进行预热，然后空气排出，氢气和水经氢水分离器18后，氢气通入氢气液压站19，水通入水箱2，循环给水。
具体的，固体氧化物蒸汽电解槽8阴极C的出口通过管道308与双通道管壳式换热器5的第一壳侧通道入口连接，固体氧化物蒸汽电解槽8阳极A的出口通过管道405与双通道管壳式换热器5的第二壳侧入口连接，双通道管壳式换热器 5的第一壳侧出口通过管道309与氢水分离器18连接，氢水分离器18分离的氢气通过氢气管道310与氢气液压站19连接，氢水分离器18分离的水经过管道311 与水箱2相连，双通道管壳式换热器5的第二壳侧出口通过空气管道406排向大气。
其中，双通道管壳式换热器5的第二壳侧通道和第一壳侧通道沿管侧通道中给水的流向依次设置，即较低温的空气先对管侧通道中的给水进行预热，较高温的水和氢气再对管侧通道中的给水进行预热。
固体氧化物蒸汽电解槽8阴极材料为Ni/YSZ，阳极材料为LSM，固体电解质材料为YSZ。
系统还包括发电机、电力降压变压器14、380V低压母线15、交流-直流逆变器16和直流母线17。发电机的发电机出口母线13通过三相导线501与电力降压变压器14的高压侧连接，电力降压变压器14的低压侧通过三相导线502与380V 低压母线15连接，380V低压母线15通过三相导线503与交流-直流逆变器16 的交流侧连接，交流-直流逆变器16的直流侧通过直流导线504与直流母线17 连接，直流母线17通过直流导线505与固体氧化物蒸汽电解槽8的固体电解质正负端子相连。固体氧化物蒸汽电解槽8电解质所需要的直流电源取自发电机出口母线13经过电力降压变压器14降压至交流380V，经过交流-直流逆变器16 逆变成直流110V，接入到固体氧化物蒸汽电解槽8固体电解质的正、负极端子。
在一具体实施中，炉膛20内水平烟道23的烟气温度约为900℃，依次对第二给水加热器7和第二空气加热器12加热后，竖井烟道24的烟气温度约为 300-400℃；给水经双通道管壳式换热器5预热后，约为100-200℃，经第一给水加热器6加热为约300℃的蒸汽，然后经第二给水加热器7加热为约700-900℃的过热蒸汽，从而充分满足固体氧化物蒸汽电解槽8阴极的需求；室温空气经第一空气加热器11加热至约100℃，再经第二空气加热器12加热至约600℃，从而充分满足固体氧化物蒸汽电解槽8阳极的需求。

Claims (8)

1.一种利用火电厂锅炉烟气余热的制氢系统，锅炉的炉膛包括沿烟气流向依次分布的水平烟道和竖井烟道，其特征在于：
包括水箱、双通道管壳式换热器、第一给水加热器、第二给水加热器、固体氧化物蒸汽电解槽、空气压缩机、第一空气加热器、第二空气加热器、氢水分离器和氢气液压站；
所述水箱、双通道管壳式换热器、第一给水加热器、第二给水加热器和固体氧化物蒸汽电解槽通过管道依次连接，构成蒸汽发生回路，其中第一给水加热器和第二给水加热器分别布置在炉膛的竖井烟道和水平烟道内；
水箱中的水通入双通道管壳式换热器被预热，然后依次通入第一给水加热器和第二给水加热器，被烟气加热为过热蒸汽，最后通入固体氧化物蒸汽电解槽的阴极；
所述空气压缩机、第一空气加热器、第二空气加热器和固体氧化物蒸汽电解槽通过管道依次连接，构成空气加热回路，其中第一空气加热器和第二空气加热器分别布置在炉膛的竖井烟道和水平烟道内；
空气压缩机的空气依次通入第一空气加热器和第二空气加热器，被烟气加热，然后通入固体氧化物蒸汽电解槽的阳极；
固体氧化物蒸汽电解槽、双通道管壳式换热器、氢水分离器和氢气液压站通过管道依次连接，构成制氢回路，氢水分离器还与水箱通过管路连接，构成给水回路；
固体氧化物蒸汽电解槽排出的空气、水及氢气均通入双通道管壳式换热器，对其中流经的给水进行预热，然后空气排出，氢气和水经氢水分离器后，氢气通入氢气液压站，水通入水箱，补充给水。
2.根据权利要求1所述的利用火电厂锅炉烟气余热的制氢系统，其特征在于：
其中，所述双通道管壳式换热器包括管侧通道、第一壳侧通道和第二壳侧通道；
所述水箱通过管道与双通道管壳式换热器的管侧通道入口连通，管侧通道出口通过管道与第一给水加热器连通；
固体氧化物蒸汽电解槽的阴极出口通过管道与双通道管壳式换热器的第一壳侧通道入口连接，阳极出口通过管道与第二壳侧通道入口连接；
第二壳侧通道和第一壳侧通道沿管侧通道中给水的流向依次设置；
双通道管壳式换热器的第二壳侧通道出口通过管道与所述氢水分离器连接，第一壳侧通道出口通过管道排向大气。
3.根据权利要求1所述的利用火电厂锅炉烟气余热的制氢系统，其特征在于：
其中，所述固体氧化物蒸汽电解槽阴极材料为Ni/YSZ，阳极材料为LSM，固体电解质材料为YSZ。
4.根据权利要求1所述的利用火电厂锅炉烟气余热的制氢系统，其特征在于：
还包括发电机、电力降压变压器、380V低压母线、交流-直流逆变器和直流母线；
所述发电机的发电机出口母线通过三相导线与电力降压变压器的高压侧连接，电力降压变压器的低压侧通过三相导线与380V低压母线连接，380V低压母线通过三相导线与交流-直流逆变器的交流侧连接，交流-直流逆变器的直流侧通过直流导线与直流母线连接，直流母线通过直流导线与所述固体氧化物蒸汽电解槽的固体电解质正负端子相连。
5.根据权利要求1所述的利用火电厂锅炉烟气余热的制氢系统，其特征在于：
其中，所述水箱与双通道管壳式换热器连接的管路上沿给水流经方向依次设有水泵和阀门。
6.根据权利要求1所述的利用火电厂锅炉烟气余热的制氢系统，其特征在于：
其中，电厂除盐母管通过管路与所述水箱连接，为水箱提供给水。
7.根据权利要求1所述的利用火电厂锅炉烟气余热的制氢系统，其特征在于：
还包括空气滤网，设于所述空气压缩机前，空气经过空气滤网过滤，再由管道通入空气压缩机。
8.根据权利要求1所述的利用火电厂锅炉烟气余热的制氢系统，其特征在于：
其中，所述竖井烟道中，第一给水加热器和第一空气加热器沿烟气的流向依次设置；
所述水平烟道中，第二给水加热器和第二空气加热器沿烟气的流向依次设置。
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