CN113028376A - 一种氨的化学链燃烧发电系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氨的化学链燃烧发电系统和方法，该系统包括燃料反应器，燃料反应器内布置水冷壁管，水冷壁管的入口连通燃料反应器工业水入口，水冷壁管出口连通的燃料反应器蒸汽出口，蒸汽出口连通汽轮机入口，汽轮机同轴连接发电机；燃料反应器的气固混合物出口连通第一分离器入口，第一分离器的顶部为尾气出口，底部的还原态载氧体出口连通空气反应器入口，空气反应器底部为空气入口，空气反应器的气固混合物出口连通第二分离器入口，第二分离器顶部为氮气出口，第二分离器底部的氧化态载氧体出口连通燃料反应器的氧化态载氧体入口；本发明开公开了该系统的工作方法；本发明系统和方法能够提高燃烧反应速率，实现纯氨燃料的稳定燃烧。

Description

一种氨的化学链燃烧发电系统和方法
技术领域
本发明涉及氨的合成和利用技术，具体为一种氨的化学链燃烧发电系统和方法。
背景技术
氨是一种可再生清洁无碳燃料，能量密度约为22.5MJ/kg，与化石燃料相当。将氨直接燃烧可以减少裂解为氢过程中的能量损耗，并且无温室气体排放，在碳达峰和碳中和的大背景下，采用纯氨燃烧发电可以显著降低发电过程中的碳排放。氨作为燃料的价格低，并且氨的压缩、储运成本远低于氢气，我国每年约有1.8亿吨氨被生产和运输，利用氨作为燃料发电具备一定工业基础。氨有多种制备途径，利用可再生能源的弃电制氨，然后就地消纳用于燃烧发电，可实现氨全生命周期内的零碳排放。
相关文献报道了氨气的掺烧机理，对氨-天然气、氨-氢气混燃进行了实验和模拟研究，如专利CN110312898B公开的一种利用燃烧用空气使燃料用氨在燃烧器内燃烧的燃烧装置，同时将氨作为燃料和还原剂使用。又如专利CN112012854A公开的一种面向可再生储氢燃料的发动机燃烧系统，利用氨和氢互补燃烧，在提升氨燃烧特性的同时，有效抑制NOx排放。又如专利CN110440251B公开的一种氨燃烧的控制方法以及氨燃烧装置，通过调节气态氨、含碳可燃性气体和空气比例，使得氨气能够在微正压条件下即实现完全燃烧，同时向外界提供热量。氨直接燃烧存在火焰速度低、NOx排放高的挑战，特别是纯氨燃料难以稳定燃烧，限制了氨燃料的商业化应用。
化学链式燃烧(Chemical Looping Gasification,CLC)是一种新颖的燃烧技术，它是通过链式反应利用固体载氧体中的晶格氧在燃料反应器中使燃料完全氧化成二氧化碳和水，反应后的载氧体在空气反应器中被空气重新氧化恢复晶格氧循环使用的过程。与传统燃烧技术相比，化学链式燃烧具有燃料高效转化、二氧化碳分离、产物低NOx等特点，更适合于氨燃料的燃烧。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种氨的化学链燃烧发电系统和方法，是一种经济可行、低氮氧化物排放、低碳排放的氨化学链燃烧发电系统和方法。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种氨的化学链燃烧发电系统，包括燃料反应器9，燃料反应器9上设置有工业水入口1、蒸汽出口3、氨气入口7、氧化态载氧体入口8和气固混合物出口，燃料反应器9内布置水冷壁管2，水冷壁管2的入口连通工业水入口1，水冷壁管2出口连通的蒸汽出口3，氨气与氧化态载氧体发生还原反应放出热量，用来加热水冷壁管2中的工业水；蒸汽出口3连通汽轮机4入口，汽轮机4同轴连接发电机5；燃料反应器9的气固混合物出口连通第一分离器10入口，第一分离器10的顶部为尾气出口11，底部的还原态载氧体出口连通空气反应器14入口，空气反应器14底部为空气入口13，空气反应器14的气固混合物出口连通第二分离器15入口，第二分离器15顶部为氮气出口16，第二分离器15底部的氧化态载氧体出口连通燃料反应器9的氧化态载氧体入口8。
所述氧化态载氧体为过渡金属氧化物。
所述过渡金属氧化物采用赤泥，该赤泥为制铝工业提取氧化铝时排出的废渣。
所述的氨的化学链燃烧发电系统的工作方法，工业水从工业水入口1进入在水冷壁管2中流动并吸热，变成蒸汽，蒸汽从蒸汽出口3送往汽轮机4，推动汽轮机4转动并带动发电机5发电，产生电能6送往电网销售；
氨气作为燃料从氨气入口7通入燃料反应器9中，与从氧化态载氧体入口8进入的氧化态载氧体发生还原反应，2NH3+5MeO→2NO+3H2O+5Me，4NH3+6NO→5N2+6H2O，氨气被氧化为氮气和水，氧化态载氧体被还原成为还原态载氧体12，反应产物进入第一分离器10中；氨气的氧化反应会放出热量，用来加热水冷壁管2中的工业水；在第一分离器10中，还原态载氧体12与尾气发生气固分离，还原态载氧体12进入空气反应器14中；尾气主要为氮气和水蒸汽，通过尾气出口11直接排入大气；
在空气反应器14中，还原态载氧体12与空气中的氧气发生氧化反应，变成氧化态载氧体，2Me+O2→2MeO，反应产物进入第二分离器15，空气由空气反应器底部的空气入口13通入；在第二分离器15中，氧化态载氧体与氮气发生气固分离，氮气通过氮气出口16直接排入大气，氧化态载氧体送入燃料反应器9中，重复进行循环。
蒸汽推动汽轮机4转动做功后冷凝为工业水，从燃料反应器9的工业水入口1补充到水冷壁管2中参与循环。
所述的燃料反应器9和空气反应器14内均保持流化状态。
所述氧化态载氧体从第二分离器15底部的氧化态载氧体出口通过皮带传送送入燃料反应器9中，并控制氧化态载氧体循环倍率来实现氨完全燃烧为氮气和水，具体为，首先根据负荷指令确定氨的供给量，然后调整氧化态载氧体循环倍率使氨与氧化态载氧体的当量比为2:3，循环倍率通过调节皮带转速和空气流速实现。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
氨气的燃点温度高，热值中等，火焰燃烧速度低，难以单独稳定燃烧，目前主要作为掺混的燃料。化学链燃烧中采用晶格氧与氨反应，晶格氧具有较高的反应活性，能够提高燃烧反应速率，实现纯氨燃料的稳定燃烧。
氨燃烧易生成氮氧化物，特别是在氧气过量时，会造成氮氧化物严重超标。化学链燃烧中，通过控制氧化态载氧体循环速率，使氨气和晶格氧在最佳当量比附近反应，保证氨燃料在欠氧环境中燃烧；另一方面，通过还原态载氧体使空气中的氧和氮气分离，氮气不进入燃料反应器，从而减少热力NOx的生成，降低氮氧化物排放。氨燃料中不含硫化物和飞灰，经化学链燃烧后仅产生氮气和水，可直接排往大气，从而降低烟气净化费用。
氨是一种无碳燃料，完全燃烧时没有温室气体排放，提高掺氨燃料的比例，能够减少二氧化碳排放。采用化学链燃烧实现纯氨燃料发电，能够显著降低发电过程碳排放，为碳中和和碳达峰提供新的技术路径。
本实例优选的氧化态载氧体为赤泥，赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的废渣。采用赤泥作为载氧体参与反应，既降低了运行成本，也能够实现赤泥的有效再利用。工业水和氧化态载氧体循环利用，能够降低物料消耗，提高技术经济性。燃料反应器和空气反应器中保持流化状态，增加了固体颗粒与氨气之间的碰撞机率，能够提高反应速率。
附图说明
图1为本发明所述的氨的化学链燃烧发电系统。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明提出一种氨的化学链燃烧方法，并实现纯氨燃烧发电，系统组成如图1所示，包括燃料反应器9，燃料反应器9上设置有工业水入口1、蒸汽出口3、氨气入口7、氧化态载氧体入口8和气固混合物出口，燃料反应器9内布置水冷壁管2，水冷壁管2的入口连通工业水入口1，水冷壁管2出口连通的蒸汽出口3，氨气与氧化态载氧体发生还原反应放出热量，用来加热水冷壁管2中的工业水；蒸汽出口3连通汽轮机4入口，汽轮机4同轴连接发电机5；燃料反应器9的气固混合物出口连通第一分离器10入口，第一分离器10的顶部为尾气出口11，底部的还原态载氧体出口连通空气反应器14入口，空气反应器14底部为空气入口13，空气反应器14的气固混合物出口连通第二分离器15入口，第二分离器15顶部为氮气出口16，第二分离器15底部的氧化态载氧体出口连通燃料反应器9的氧化态载氧体入口8。
优选地，所述氧化态载氧体为过渡金属氧化物。进一步优选地，所述过渡金属氧化物采用赤泥，该赤泥为制铝工业提取氧化铝时排出的废渣，既降低了运行成本，也能够实现赤泥的有效再利用。
如图1所示，本发明所述的氨的化学链燃烧发电系统的工作方法，工业水从工业水入口1进入在水冷壁管2中流动并吸热，变成蒸汽，蒸汽从蒸汽出口3送往汽轮机4，推动汽轮机4转动并带动发电机5发电，产生电能6送往电网销售；蒸汽推动汽轮机4转动做功后冷凝为工业水，从燃料反应器9的工业水入口1补充到水冷壁管2中参与循环。
氨气作为燃料从氨气入口7通入燃料反应器9中，与从氧化态载氧体入口8进入的氧化态载氧体发生还原反应，2NH3+5MeO→2NO+3H2O+5Me，4NH3+6NO→5N2+6H2O，氨气被氧化为氮气和水，氧化态载氧体被还原成为还原态载氧体12，反应产物进入第一分离器10中；氨气的氧化反应会放出热量，用来加热水冷壁管2中的工业水；在第一分离器10中，还原态载氧体12与尾气发生气固分离，还原态载氧体12进入空气反应器14中；尾气主要为氮气和水蒸汽，通过尾气出口11直接排入大气；
在空气反应器14中，还原态载氧体12与空气中的氧气发生氧化反应，变成氧化态载氧体，2Me+O2→2MeO，反应产物进入第二分离器15，空气由空气反应器底部的空气入口13通入；在第二分离器15中，氧化态载氧体与氮气发生气固分离，氮气通过氮气出口16直接排入大气，氧化态载氧体通过皮带传送送入燃料反应器9中，重复进行循环。通过控制氧化态载氧体循环倍率来实现氨完全燃烧为氮气和水，具体为，首先根据负荷指令确定氨的供给量，然后调整氧化态载氧体循环倍率使氨与氧化态载氧体的当量比为2:3，循环倍率可通过调节皮带转速和空气流速实现。

Claims (7)

1.一种氨的化学链燃烧发电系统，其特征在于：包括燃料反应器(9)，燃料反应器(9)上设置有工业水入口(1)、蒸汽出口(3)、氨气入口(7)、氧化态载氧体入口(8)和气固混合物出口，燃料反应器(9)内布置水冷壁管(2)，水冷壁管(2)的入口连通工业水入口(1)，水冷壁管(2)出口连通的蒸汽出口(3)，氨气与氧化态载氧体发生还原反应放出热量，用来加热水冷壁管(2)中的工业水；蒸汽出口(3)连通汽轮机(4)入口，汽轮机(4)同轴连接发电机(5)；燃料反应器(9)的气固混合物出口连通第一分离器(10)入口，第一分离器(10)的顶部为尾气出口(11)，底部的还原态载氧体出口连通空气反应器(14)入口，空气反应器(14)底部为空气入口(13)，空气反应器(14)的气固混合物出口连通第二分离器(15)入口，第二分离器(15)顶部为氮气出口(16)，第二分离器(15)底部的氧化态载氧体出口连通燃料反应器(9)的氧化态载氧体入口(8)。
2.根据权利要求1所述的一种氨的化学链燃烧发电系统，其特征在于：所述氧化态载氧体为过渡金属氧化物。
3.根据权利要求2所述的一种氨的化学链燃烧发电系统，其特征在于：所述过渡金属氧化物采用赤泥，该赤泥为制铝工业提取氧化铝时排出的废渣。
4.权利要求1至3任一项所述的氨的化学链燃烧发电系统的工作方法，其特征在于：
工业水从工业水入口(1)进入在水冷壁管(2)中流动并吸热，变成蒸汽，蒸汽从蒸汽出口(3)送往汽轮机(4)，推动汽轮机(4)转动并带动发电机(5)发电，产生电能(6)送往电网销售；
氨气作为燃料从氨气入口(7)通入燃料反应器(9)中，与从氧化态载氧体入口(8)进入的氧化态载氧体发生还原反应，2NH3+5MeO→2NO+3H2O+5Me，4NH3+6NO→5N2+6H2O，氨气被氧化为氮气和水，氧化态载氧体被还原成为还原态载氧体(12)，反应产物进入第一分离器(10)中；氨气的氧化反应会放出热量，用来加热水冷壁管(2)中的工业水；在第一分离器(10)中，还原态载氧体(12)与尾气发生气固分离，还原态载氧体(12)进入空气反应器(14)中；尾气主要为氮气和水蒸汽，通过尾气出口(11)直接排入大气；
在空气反应器(14)中，还原态载氧体(12)与空气中的氧气发生氧化反应，变成氧化态载氧体，2Me+O2→2MeO，反应产物进入第二分离器(15)，空气由空气反应器底部的空气入口(13)通入；在第二分离器(15)中，氧化态载氧体与氮气发生气固分离，氮气通过氮气出口(16)直接排入大气，氧化态载氧体送入燃料反应器(9)中，重复进行循环。
5.根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于：蒸汽推动汽轮机(4)转动做功后冷凝为工业水，从燃料反应器(9)的工业水入口(1)补充到水冷壁管(2)中参与循环。
6.根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于：所述的燃料反应器(9)和空气反应器(14)内均保持流化状态。
7.根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于：所述氧化态载氧体从第二分离器(15)底部的氧化态载氧体出口通过皮带传送送入燃料反应器(9)中，并控制氧化态载氧体循环倍率来实现氨完全燃烧为氮气和水，具体为，首先根据负荷指令确定氨的供给量，然后调整氧化态载氧体循环倍率使氨与氧化态载氧体的当量比为2:3，循环倍率通过调节皮带转速和空气流速实现。
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