CN113186554B - 一种利用火电厂烟气电化学制氨的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用火电厂烟气电化学制氨的系统和方法，通过蒸汽发电系统给电化学制氨装置提供电能和部分水蒸气，水蒸气通过阴极防水透气膜进入电解池内，烟气经锅炉系统后成为主要成分为氮气和二氧化碳气体的净烟气，净烟气经二氧化碳加压液化器处理后，其中的二氧化碳气体液化进入二氧化碳储罐，剩余的氮气通过阳极中的防水透气膜进入电解池内；电化学制氨装置通过电化学反应生成氨气和氧气的混合气，后经氨气加压液化器进行氨气的提取分离；本方法制氨的原料为净化后的烟气和汽轮机中抽出的水蒸气，可以就地取材，不需要外部物料输入和复杂的分离工艺，并且实现了烟气中氮气的再利用，同时需要的外加电源能够直接从电厂获取，与燃煤电厂运行有良好的同步性。
Description
技术领域
本发明涉及电化学制氨技术，具体为一种利用火电厂烟气电化学制氨的系统和方法。
背景技术
火电厂脱硝对氨有很大需求，普遍采用液氨来制备脱硝还原剂，主要的工艺是从化工厂采购液氨并用槽车运输到电厂，然后在蒸发器中蒸发气化，气态的氨与稀释空气混合后经氨喷嘴喷入SCR反应器中。液氨具有腐蚀性且容易挥发，易着火，是重大的危险源，其运输和储存都具有较大的安全风险。目前火电厂都在积极研发新的脱硝还原剂制备方法，如尿素法、氨水法等，以替代液氨从而降低脱硝装置运行的风险。而电厂发出的电能够供电化学制氨装置使用，这就为在火电厂中采用电化学方法就地制氨提供了可能。
传统的电化学制氨方法采用的原料是氮气和氢气，在火电厂中难以就地获取。Tsuyoshi等将纳米Fe2O3和CoFe2O4悬浮于LiCl-KCl-CsCl共熔物中，以氮气和水蒸气为原料电化学合成氨。刘淑芝等提出以熔融的NaOH-KOH为电解质，悬浮的纳米Fe2O3作催化剂，镍片为阳极，蒙乃尔筛网为阴极，以水和氮气为原料直接常压电化学合成氨。开发出以水和氮气为原料的直接低温常压合成氨方法具有重要意义。
在煤炭消费量持续增长情况下，为了达到气候行动目标，就必须使用碳捕集、封存和利用技术。目前碳捕集技术主要分为三种：燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧捕集。燃烧后捕集是将煤燃烧后产生的烟气分离得到二氧化碳气体，如化学吸收法、物理吸附法、膜分离法和化学链分离法等，其本质均是将二氧化碳从氮气、氧气和水蒸气的混合烟气中分离出来，尽管技术难度并不大，但成本高昂，阻碍了其大规模推广。
发明内容
针对现有技术中存在的火电厂烟道尾气净化过程中需要氨气的问题，本发明提供一种利用火电厂烟气电化学制氨的系统和方法。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种利用火电厂烟气电化学制氨的系统，包括蒸汽发电系统、锅炉系统和电化学制氨装置；所述电化学制氨装置包括阳极、阴极、电解质、催化剂和电解池；所述电解池内部一侧设置阳极，另一侧设置阴极；电解质和催化剂置于电解池内；电解池顶部设置有混合气出气口；混合气出气口连接氨气加压液化器，加压液化器的氨气输出端连接氨储罐的输入端；氨储罐的输出端连接锅炉系统的SCR反应器；
所述锅炉系统的净烟气出口连接二氧化碳加压液化器，并接入阳极；所述蒸汽发电系统由锅炉系统提供做功蒸汽；蒸汽发电系统上设置蒸汽抽取管道，蒸汽抽取管道的输出端接入阴极；蒸汽发电系统的输电端经输电线分别连接阳极和阴极供电。
进一步，蒸汽发电系统包括过热器、汽轮机和发电机，过热器设置在锅炉烟道内并依次连接锅炉外部的汽轮机和发电机；所述汽轮机设置有蒸汽抽取管道，发电机设置有输电线的输出端。
进一步，锅炉系统包括依次连接于烟道的SCR反应器、空气预热器、电除尘器和脱硫塔，脱硫塔净烟气排出通道设置有二氧化碳加压液化器。
进一步，二氧化碳加压液化器输出端连接有二氧化碳储罐。
进一步，阳极采用镍材质，阴极采用不锈钢材质，电解质为NaOH-KOH混合溶液，催化剂采用Fe2O3粉末。
进一步，阳极和阴极中间均设置防水透气膜，两侧包裹设置有通孔的板式电极，并分别作为电解池的侧壁。
进一步，阳极的外侧侧壁连通二氧化碳加压液化器的气体通道接入氮气，阴极的外侧侧壁连通的蒸汽抽取管道接入蒸汽。
一种利用火电厂烟气电化学制氨的方法，包括以下步骤：
蒸汽发电系统通过蒸汽抽取管道将水蒸气通入化学制氨装置的阴极，且通过输电线为化学制氨装置提供电能；
烟气经锅炉系统处理后成为包括氮气和二氧化碳气体的净烟气，二氧化碳加压液化器对净烟气中的二氧化碳气体液化后，剩余的氮气通入阳极；水蒸气和氮气经板式电极和防水透气膜进入电解池内；
氮气和水蒸气在电化学制氨装置中发生电化学反应生成氨气和氧气的混合气，并排入氨气加压液化器，氨气加压液化器对混合气进行加压，氨气沿氨气输出端进入氨储罐，氧气经氧气出气口排出。
进一步，电化学制氨装置发生的电化学反应具体为：
在阴极(14)上：Fe2O3+3H2O+6e-→2Fe+6OH-，
在阳极(13)上：2Fe+6OH-+N2→2NH3+Fe2O3+3/2O2+6e-，
总的化学反应为：N2+3H2O→2NH3+3/2O2。
进一步，氨储罐中部分氨气送往SCR反应器并用于锅炉系统的脱硝过程。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提出一种利用火电厂烟气电化学制氨的系统，包括蒸汽发电系统、锅炉系统和在锅炉外部搭建的电化学制氨装置。蒸汽发电系统为电化学制氨装置提供电能和水蒸气；烟道出口连接锅炉系统，可实现将原烟气净化为主要成分为氮气和二氧化碳的净烟气，为电化学制氨装置提供反应原料氮气，氨气加压液化器可实现对电解池反应后产生的混合气进行氨气的提取分离，氨气加压液化器氨气输出端连接氨储罐。本系统能够实现对原烟气中的氮气进行再利用，反应生成氨气并用于烟气脱硝，脱硝后富余的氨气可送往市场销售，改善电厂盈利能力。
进一步，本发明在锅炉系统的脱硫塔出气口设置二氧化碳加压液化器，可实现在净烟气中对二氧化碳的液化和收集，实现碳捕集、封存和利用，同时，使得通入电化学制氨装置的烟气主要为氮气，提高电化学制氨装置对产生的氨气的捕集效率。
进一步，本发明中的阳极和阴极中间为防水透气膜，两侧为设置有通孔的板式电极，使得氮气和水蒸气可以透过防水透气膜进入电解池，提高反应过程中的原料补给速率和纯度。
本方法为一种利用火电厂烟气电化学制氨的方法，通过蒸汽发电系统给电化学制氨装置提供电能和部分水蒸气，水蒸气通过阴极防水透气膜进入电解池内，烟气经锅炉系统后成为主要成分为氮气和二氧化碳气体的净烟气，净烟气经二氧化碳加压液化器处理后，其中的二氧化碳气体液化进入二氧化碳储罐，剩余的氮气通过阳极中的防水透气膜进入电解池内；电化学制氨装置通过电化学反应生成氨气和氧气的混合气，后经氨气加压液化器进行氨气的提取分离；本方法制氨的原料为净化后的烟气和汽轮机中抽出的水蒸气，可以就地取材，不需要外部物料输入和复杂的分离工艺，并且实现了烟气中氮气的再利用，同时需要的外加电源能够直接从电厂获取，与燃煤电厂运行有良好的同步性。
进一步的，电化学制氨方法与传统的Haber工艺相比，反应可以在低温低压下进行，可以减少20％的能量消耗，且反应不受热力学限制，理论上的单程氢转化率可以达到100％。
附图说明
图1为本发明具体实施例中一种利用火电厂烟气电化学制氨的系统；
图2为本发明具体实施例中电化学制氨装置示意图。
图中：锅炉1；过热器2；氨喷口3；SCR反应器4；空气预热器5；电除尘器6；脱硫塔7；净烟气8；汽轮机9；发电机10；输电线11；水蒸气12；阳极13；阴极14；电解质15；催化剂16；氨气17；氨储罐18；液氨罐车19；二氧化碳加压液化器211；氨气加压液化器212；二氧化碳储罐22；二氧化碳槽车23；蒸汽发电系统25；锅炉系统26；电化学制氨装置27；防水透气膜28；板式电极29。
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。
本发明一种利用火电厂烟气电化学制氨的系统，如图1所示，包括蒸汽发电系统25、锅炉系统26和电化学制氨装置27；其中电化学制氨装置27包括阳极13、阴极14、电解质15、催化剂16和电解池；
其中电解池内部一侧设置阳极13，另一侧设置阴极14；电解质15和催化剂16置于电解池内；电解池顶部设置有混合气出气口；混合气出气口连接氨气加压液化器212，加压液化器212的氨气输出端连接氨储罐18的输入端；氨储罐18的输出端连接锅炉系统26尾部的SCR反应器4；
所述锅炉系统26的净烟气排出通道设置有二氧化碳加压液化器211，并接入阳极13；蒸汽发电系统25由锅炉系统26提供做功蒸汽；蒸汽发电系统25上设置蒸汽抽取管道，蒸汽抽取管道的输出端接入阴极14；蒸汽发电系统25的输电端经输电线11分别连接阳极13和阴极14供电。
其中，如图2所示，阳极13采用镍材质，阴极14采用不锈钢材质，电解质15采用NaOH-KOH混合溶液，催化剂16采用Fe2O3粉末，且阳极13和阴极14中间为防水透气膜28，两侧包裹设置带有通孔的板式电极29，并分别作为电解池的侧壁，便于氮气和水蒸气12进入电解池参与化学反应。
所述阳极13的外侧侧壁连通二氧化碳加压液化器211的气体通道接入氮气，阴极14的外侧侧壁连通的蒸汽抽取管道接入蒸汽，使得氮气和水蒸气12顺着电极的孔洞进入电解池，发生电解反应。
蒸汽发电系统25包括过热器2、汽轮机9和发电机10，过热器2在锅炉1水平烟道内并依次连接锅炉1外部的汽轮机9和发电机10，汽轮机9包括蒸汽抽取管道；发电机10通过水蒸气12带动旋转发电，输出的电量增加一路输电线11，送往电化学制氨装置27，作为反应供能，输电线11的输出端连接阳极13和阴极14的电源输入端。
锅炉系统26包括依次连接于烟道上的SCR反应器4、空气预热器5、电除尘器6和脱硫塔7，脱硫塔7的净烟气排出通道设置有二氧化碳加压液化器211，可实现对净烟气8中二氧化碳气体的液化，二氧化碳加压液化器211连接二氧化碳储罐22，用于收集液化后的二氧化碳，可通过二氧化碳槽车23运输和转移，实现碳捕集、封存和利用；
电化学制氨装置27的混合气出口连接氨气加压液化器212，加压液化器212的氨气输出端连接氨储罐18，氨储罐18输出端连接氨喷口3，氨喷口3布置在SCR反应器4的顶部，将氨喷入SCR反应器4中，脱除烟气中的氮氧化物。
本发明一种电化学制氨装置系统简单，占地面积小，且能够在常压下安全运行，对电厂已有设备布置和运行安全性没有影响。
本发明一种利用火电厂烟气电化学制氨的方法，如图1所示，包括以下步骤：
蒸汽发电系统25通过蒸汽抽取管道将水蒸气12通入化学制氨装置27的阴极14一侧，通过阴极14侧壁的孔洞，进入电解池，同时在发电机10外接输电线11为化学制氨装置27提供电能；
烟气经锅炉系统26处理后得到包括氮气和二氧化碳气体的净烟气8，当净烟气8进入二氧化碳加压液化器211后，对其中的二氧化碳气体进行液化，并导流至二氧化碳储罐22，进行存储和利用；
净烟气8中剩下的氮气通入阳极13一侧，通过阳极13侧壁的孔洞，进入电解池；氮气和水蒸气12在电化学制氨装置27中电化学反应生成氨气17和氧气，电化学制氨装置27的混合气出气口连接氨气加压液化器212，氨气加压液化器212对混合气进行加压，产生液态的氨气，并通过氨气输出端进入氨储罐18，氧气经氧气出气口排出。
其中，电化学制氨装置27发生的电化学反应具体为：
在阴极14上：Fe2O3+3H2O+6e-→2Fe+6OH-，
在阳极13上：2Fe+6OH-+N2→2NH3+Fe2O3+3/2O2+6e-，
总的化学反应为：N2+3H2O→2NH3+3/2O2。
其中部分氨气17通过氨喷口3送往SCR反应器4中，用于锅炉系统26的脱硝过程；而富余的氨气17，存储在氨储罐18中，也可装入液氨罐车19中，送往厂外销售，改善电厂盈利能力。
设置在脱硫塔7出气口的二氧化碳加压液化器211对二氧化碳气体液化后，导流至二氧化碳储罐22内，进行存储，实现再利用或埋藏封存，也可通过二氧化碳槽车23送往厂外销售，改善电厂盈利能力，并降低燃煤电厂的碳排放。
Claims (10)
1.一种利用火电厂烟气电化学制氨的系统，其特征在于，包括蒸汽发电系统(25)、锅炉系统(26)和电化学制氨装置(27)；
所述电化学制氨装置(27)包括阳极(13)、阴极(14)、电解质(15)、催化剂(16)和电解池；所述电解池内部一侧设置阳极(13)，另一侧设置阴极(14)；电解质(15)和催化剂(16)置于电解池内；电解池顶部设置有混合气出气口；混合气出气口连接氨气加压液化器(212)，加压液化器(212)的氨气输出端连接氨储罐(18)的输入端；氨储罐(18)的输出端连接锅炉系统(26)的SCR反应器(4)；
所述锅炉系统(26)的净烟气出口连接二氧化碳加压液化器(211)，并接入阳极(13)；
所述蒸汽发电系统(25)由锅炉系统(26)提供做功蒸汽；蒸汽发电系统(25)上设置蒸汽抽取管道，蒸汽抽取管道的输出端接入阴极(14)；蒸汽发电系统(25)的输电端经输电线(11)分别连接阳极(13)和阴极(14)供电。
2.根据权利要求1所述的一种利用火电厂烟气电化学制氨的系统，其特征在于，所述蒸汽发电系统(25)包括过热器(2)、汽轮机(9)和发电机(10)，过热器(2)设置在锅炉(1)烟道内并依次连接锅炉(1)外部的汽轮机(9)和发电机(10)；所述汽轮机(9)设置有蒸汽抽取管道，发电机(10)设置有输电线(11)的输出端。
3.根据权利要求1所述的一种利用火电厂烟气电化学制氨的系统，其特征在于，所述锅炉系统(26)包括依次连接于烟道的SCR反应器(4)、空气预热器(5)、电除尘器(6)和脱硫塔(7)，脱硫塔(7)净烟气排出通道设置有二氧化碳加压液化器(211)。
4.根据权利要求1所述的一种利用火电厂烟气电化学制氨的系统，其特征在于，所述二氧化碳加压液化器(211)输出端连接有二氧化碳储罐(22)。
5.据权利要求1所述的一种利用火电厂烟气电化学制氨的系统，其特征在于，所述阳极(13)采用镍材质，阴极(14)采用不锈钢材质，电解质(15)为NaOH-KOH混合溶液，催化剂(16)采用Fe2O3粉末。
6.根据权利要求1所述的一种利用火电厂烟气电化学制氨的系统，其特征在于，所述阳极(13)和阴极(14)中间均设置防水透气膜(28)，两侧包裹设置有通孔的板式电极(29)，并分别作为电解池的侧壁。
7.据权利要求6所述的一种利用火电厂烟气电化学制氨的系统，其特征在于，所述阳极(13)的外侧侧壁连通二氧化碳加压液化器(211)的气体通道接入氮气，阴极(14)的外侧侧壁连通的蒸汽抽取管道接入蒸汽。
8.一种利用火电厂烟气电化学制氨的方法，其特征在于，基于权利要求1-7任一项所述一种利用火电厂烟气电化学制氨的系统，包括以下步骤：
蒸汽发电系统(25)通过蒸汽抽取管道将水蒸气(12)通入化学制氨装置(27)的阴极(14)，且通过输电线(11)为化学制氨装置(27)提供电能；
烟气经锅炉系统(26)处理后成为包括氮气和二氧化碳气体的净烟气(8)，二氧化碳加压液化器(211)对净烟气(8)中的二氧化碳气体液化后，剩余的氮气通入阳极(13)；水蒸气(12)和氮气经板式电极(29)和防水透气膜(28)进入电解池内；
氮气和水蒸气(12)在电化学制氨装置(27)中发生电化学反应生成氨气(17)和氧气的混合气，并排入氨气加压液化器(212)，氨气加压液化器(212)对混合气进行加压，氨气(17)沿氨气输出端进入氨储罐(18)，氧气经氧气出气口排出。
9.根据权利要求8所述一种利用火电厂烟气电化学制氨的方法，其特征在于，所述电化学制氨装置(27)发生的电化学反应具体为：
在阴极(14)上：Fe2O3+3H2O+6e-→2Fe+6OH-，
在阳极(13)上：2Fe+6OH-+N2→2NH3+Fe2O3+3/2O2+6e-，
总的化学反应为：N2+3H2O→2NH3+3/2O2。
10.根据权利要求8所述一种利用火电厂烟气电化学制氨的方法，其特征在于，所述氨储罐(18)中部分氨气(17)送往SCR反应器(4)并用于锅炉系统(26)的脱硝过程。
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