CN114053955A - 基于火电厂燃煤机组调峰储热的尿素水解制氨系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明基于火电厂燃煤机组调峰储热的尿素水解制氨系统及方法，包括燃煤机组，储热单元和尿素水解制氨单元；燃煤机组包括锅炉，设在锅炉内的SCR脱硝单元，连在锅炉蒸汽盘管出口的汽轮机和发电机；SCR脱硝单元入口设NOx浓度检测探头；储热单元包括储热介质，储热回路和放热回路；储热回路入口端连接汽轮机蒸汽出口，储热回路出口端连接发电机组汽水系统，放热回路入口端连接导热油冷罐出口，放热回路出口端连接导热油热罐入口；尿素水解制氨单元热源入口连接导热油热罐出口，热源出口连接导热油冷罐入口，氨气出口连接SCR脱硝单元；NOx浓度检测探头信号输出端分别连接导热油热罐出口和尿素水解制氨单元尿素溶液入口的控制阀。
Description
技术领域
本发明涉及烟气脱硝技术领域，具体为基于火电厂燃煤机组调峰储热的尿素水解制氨系统及方法。
背景技术
随着我国电网装机容量的快速增加，电力供需不匹配问题日益严峻，居民用电量远小于供电量的现象使得电厂燃煤机组时常处于深度调峰低负荷运行状态。此外，随着新能源发电技术的不断发展，燃煤机组的上网空间被大规模占据。加之风能等新能源具有波动性大、稳定性差等反调峰特性，进一步给燃煤机组调峰过程带来了巨大的挑战和限制。此外，火电机组深度调峰过程中会产生余气余电，造成能量的浪费。
选择性催化还原(SCR)是目前我国运用最广的烟气脱硝技术，利用氨作为还原剂将烟气中的NOx还原，氨的来源有液氨、尿素和氨水三种，近年来国内外发电企业对液氨使用过程中的潜在危险越来越重视，以尿素替代液氨制备氨气的工艺得到了广泛关注。尿素水解制氨技术具有转化率高、副产物少、安全性高等优点，常规的尿素水解制氨技术抽取汽轮机中低品味的蒸汽作为热源，蒸汽为现抽现用，对机组的发电效率产生一定影响。此外，高温蒸汽的对流换热系数小于导热油的换热系数，采用蒸汽作为热源时，尿素水解反应器体积较大，不便于布置。目前，很少有将燃煤机组深度调峰时的余气余电与选择性催化还原烟气脱硝时制氨技术高效结合的技术，现有的技术存在设计复杂，操作繁琐，且利用率不高等问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供基于火电厂燃煤机组调峰储热的尿素水解制氨系统及方法，设计合理，简单高效，系统占地面积小，运行成本较低，稳定可行。
本发明是通过以下技术方案来实现：
基于火电厂燃煤机组调峰储热的尿素水解制氨系统，包括燃煤机组，分别连接在燃煤机组上的储热单元和尿素水解制氨单元；
所述燃煤机组包括锅炉，设置在锅炉尾部烟道内的SCR脱硝单元，以及依次连接在锅炉顶部蒸汽盘管出口的汽轮机和发电机；所述SCR脱硝单元的入口设置NOx浓度检测探头；
所述储热单元包括储热装置、导热油冷罐和导热油热罐；所述储热装置包括设置在内部的储热介质，以及穿过储热介质用于导热的储热回路和放热回路；储热回路入口端连接汽轮机的蒸汽出口，储热回路出口端连接发电机组汽水系统，放热回路入口端连接导热油冷罐的出口，放热回路出口端连接导热油热罐的入口；
所述尿素水解制氨单元的热源入口连接导热油热罐的出口，热源出口连接导热油冷罐的入口，氨气出口连接SCR脱硝单元；
所述NOx浓度检测探头的信号输出端分别连接导热油热罐的出口和尿素水解制氨单元尿素溶液入口设置的控制阀。
进一步的，所述储热回路采用盘管设置的热源管路；所述放热回路采用盘管设置的冷源管路。
更进一步的，所述储热单元还包括设置在导热油冷罐入口管路上的第四温度计，依次设置在导热油冷罐出口与冷源管路入口之间管路上的第一温度计、导热油泵、第一控制阀、第一流量计，依次设置在冷源管路出口与导热油热罐入口之间管路上的第二温度计和辅助电加热器，以及依次设置在导热油热罐出口管路上的第三温度计和第二流量计；所述导热油热罐出口的控制阀为设置在第三温度计和第二流量计之间的第二控制阀；所述第二控制阀连接NOx浓度检测探头的信号输出端。
进一步的，所述储热单元采用熔盐储热、高温固体储热和相变储热系统中的任意一种。
进一步的，所述尿素水解制氨单元采用尿素水解制氨系统或尿素催化水解制氨系统。
进一步的，所述尿素水解制氨单元包括尿素水解反应器和尿素溶液储罐；
所述尿素水解反应器内部设置有尿素水解反应盘管，端部设置有与尿素水解反应盘管入口和出口连接的热源入口和热源出口，顶部设置有氨气出口，底部设置有尿素溶液入口；
所述尿素溶液储罐出口连接尿素溶液入口，且连接管路上依次设置有尿素给料泵和第三流量计；所述尿素溶液入口设置的控制阀为设置在尿素给料泵和第三流量计之间的第三控制阀；所述第三控制阀连接NOx浓度检测探头的信号输出端。
进一步的，所述SCR脱硝单元包括SCR反应器和设置在SCR反应器入口顶部的SCR喷氨装置；所述SCR喷氨装置的入口连接尿素水解制氨单元的氨气出口。
更进一步的，所述SCR喷氨装置入口和尿素水解制氨单元的氨气出口之间的管路上设置有混合器，混合器的混合输入端连接热风稀释风机。
基于火电厂燃煤机组调峰储热的尿素水解制氨方法，包括，
抽取汽轮机内的多余高温蒸汽送入储热装置的储热回路加热储热介质，将高温蒸汽的热量储存在储热介质中，冷凝水送入发电机机组汽水系统；
导热油冷罐中的常温导热油经储热介质加热后通过放热回路储存在导热油热罐中；根据NOx浓度检测探头检测的信号，将加热后的热导热油按照所需流量送至尿素水解制氨单元为尿素水解制氨提供热量，将产生的氨气稀释后按照所需氨气量送入SCR脱硝单元参与脱硝反应，热导热油在尿素水解制氨单元中放热后送回导热油冷罐中，完成烟气脱硝作业。
进一步的，所述氨气稀释后的浓度为5％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明系统通过在燃煤机组的汽轮机上设置储热单元，将调峰过程中多余的高温蒸汽送入储热单元的储热装置中，将高温蒸汽的热量储存到储热装置的储热介质中，并采用导热油作为传热介质，通过储热回路和放热回路，并利用与两个回路连接的导热油冷罐和导热油热罐进行导热油的循环利用，根据NOx浓度检测探头检测的信号，将燃煤机组中的多余热量用于尿素水解制氨单元中尿素水解制氨脱硝反应，可帮助机组深度调峰的同时，充分利用这部分废热，提高燃煤机组运行的灵活性和经济性，与常规的尿素水解制氨装置相比，尿素水解制氨脱硝反应所需的热量来源于储热介质，不直接抽取汽轮机中的高温蒸汽，不会对燃煤机组的发电效率产生影响；此外，采用导热油作为传热介质，导热油可在常压下被储热介质加热至较高的温度，作为尿素水解制氨单元的热源，可提高尿素水解反应器的安全性，而且导热油的对流换热系数高于高温蒸汽，可缩小尿素水解反应器的换热面积，进而缩小尿素水解反应器体积；导热油在导热油冷罐和导热油热罐之间循环利用，可降低尿素水解制氨系统的运行成本；同时，分别设置导热油冷罐和热罐，便于根据需要分别控制进入储热系统的冷导热油流量和送入热导热油的流量，提高整个系统的灵活性。
进一步，本发明系统通过在各个单元之间的连接管路上设置相应的温度计、控制阀和流量计，能根据实际需要进行精确测量和控制，从而保证系统的处理效果；同时，采用辅助加热器以保证导热油热罐中的导热油温度，以便储热单元中的热量不足时使用，进而保证尿素水解反应器的产氨量满足SCR脱硝单元脱硝反应的需氨量；而且，通过将NOx浓度检测探头的信号输出端连接在第二控制阀上，能有效的保证热导热油按照所需流量，提高可靠性。
进一步，本发明系统采用熔盐储热、高温固体储热和相变储热系统中的任意一种作为储热单元，安全可靠，经济可行。
进一步，本发明系统通过将常规尿素水解制氨系统和尿素催化水解制氨系统中的任意一种作为尿素水解制氨单元，合理可行，安全经济。
进一步，本发明系统采用尿素溶液储罐为尿素水解反应器提供尿素溶液，利用设置在两者连接管路上的尿素给料泵、第三控制阀、第三流量计以及NOx浓度检测探头检测的信号，对尿素溶液的给入量进行控制，方便准确；同时利用盘管进行冷热源对流换热，设计合理，安全高效。
进一步，本发明系统通过设置的SCR喷氨装置将尿素水解制氨单元产生的氨气喷入SCR反应器内进行烟气脱硝反应，经济可靠，系统脱硝效率高。
进一步，本发明系统采用将混合器设置在SCR喷氨装置入口和尿素水解制氨单元的氨气出口之间的管路上，能将尿素水解产生的氨气经空气稀释成一定浓度的氨气，提高反应效果；同时，设置热风稀释风机在混合器的输入端，能有效避免氨气在低温下逆向反应生成氨基甲酸盐现象的发生。
附图说明
图1为本发明实施例中所述系统的结构示意图。
图中：1-锅炉，2-过热器/再热器，3-汽轮机，4-发电机，5-导热油冷罐，6-第一温度计，7-导热油泵，8-第一控制阀，9-第一流量计，10-储热装置，11-第二温度计，12-辅助电加热器，13-导热油热罐，14-第三温度计，15-第二控制阀，16-第二流量计，17-尿素水解反应器，18-尿素水解反应器盘管，19-第四温度计，20-尿素溶液储罐，21-尿素给料泵，22-第三控制阀，23-第三流量计，24-混合器，25-热风稀释风机，26-SCR反应器，27-SCR喷氨装置，28-NOx浓度检测探头，101-热源管路，102-冷源管路。
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。
基于火电厂燃煤机组调峰储热的尿素水解制氨系统，如图1所示，包括锅炉1、汽轮机3、发电机4组成的燃气机组，以及储热单元、尿素水解制氨单元、SCR脱硝单元和NOx浓度检测探头28；
所述储热单元包括储热装置10、导热油冷罐5、导热油热罐13、辅助电加热器12；所述储热装置10内部装有储热介质，穿过储热介质布置有用于导热的储热回路和放热回路；所述的储热回路采用盘管设置的热源管路101，放热回路采用盘管设置的冷源管路102，两路管束实现导热；储热单元的热源为汽轮机3中抽取的高温蒸汽，冷源为导热油。从汽轮机3抽取的高温蒸汽与储热装置10的热源管路101入口相连，热源管路101出口与发电机组汽水系统相连；储热装置10的冷源管路102入口通过第一流量计9、第一控制阀8、导热油泵7、第一温度计6与导热油冷罐5相连，冷源管路102出口通过第二温度计11、辅助电加热器12与导热油热罐13入口相连；所述导热油冷罐5入口与尿素水解反应器17内的盘管18出口相连；所述导热油热罐13通过第三温度计14、第二控制阀15、第二流量计16与尿素水解反应器17内的盘管18入口相连。
所述储热单元包括但不限于熔盐储热、高温固体储热、相变储热等。
所述尿素水解制氨单元包括尿素水解反应器17和尿素溶液储罐20，尿素溶液储罐20的出口依次通过尿素溶液给料泵21、尿素溶液控制阀22、第三流量计23，与尿素水解反应器17底部尿素溶液入口相连，尿素水解反应器17顶部氨气出口通过混合器24与SCR喷氨系统27相连；尿素水解反应器17中盘管18入口与储热单元中的导热油热罐13出口相连，盘管18出口与储热单元中的导热油冷罐5入口相连。
所述尿素水解制氨单元包括但不限于常规尿素水解制氨系统或尿素催化水解制氨系统。
所述SCR脱硝单元包括混合器24、SCR脱硝反应器26和SCR喷氨装置27；所述混合器24入口分别与热风稀释风机25和尿素水解反应器17顶部氨气出口相连，混合器24出口与SCR喷氨装置27相连；所述NOx浓度检测探头28的信号输出端分别与尿素溶液储罐20管路上的第三控制阀22和导热油热罐13出口的第二控制阀15相连。
在实际应用中，使用本发明所述尿素水解制氨系统时，包括如下几个步骤，
步骤1，充热过程：用电低谷时，火电厂参与调峰，抽取汽轮机3中超出所需负荷部分的多余高温蒸汽，送入储热单元的储热回路中，加热储热介质，从而将高温蒸汽的热量储存在储热介质中。本优选实例中，所抽取的高温蒸汽温度为390-430℃，高温蒸汽放热后的冷凝水返回到发电机机组汽水系统中；
放热过程：导热油冷罐5中的常温导热油经储热单元中的储热介质加热后通过放热回路储存在导热油热罐13中，通过检测储热装置10进出口导热油温度，根据热平衡控制导热油流量，本优选实例中，使加热后的导热油温度保持在350-390℃左右；
步骤2，将导热油热罐13中的导热油送至尿素水解反应器17的盘管18中，供给尿素水解反应所需的热量，导热油不与尿素溶液接触；尿素溶液由尿素水解反应器17底部送入尿素水解反应器17内，发生如下反应，NH2CONH2+H2O→2NH3+CO2。尿素水解产生的氨气经空气稀释成浓度约5％的氨气，送往锅炉尾部SCR脱硝单元，还原烟气中的氮氧化物，稀释空气温度为170℃以上，以避免氨气在低温下逆向反应生成氨基甲酸盐；
步骤3，根据SCR反应器26入口检测的NOx浓度信号确定需氨量，进而控制尿素溶液给料量；根据尿素溶液给料量确定尿素水解反应所需的热量，再由尿素水解反应器17导热油进出口温度，根据热平衡计算，控制尿素水解反应器17热导热油流量；
步骤4，热导热油在尿素水解反应器17中放热后，本优选实例中，温度降低至170-200℃，将其再送回导热油冷罐5中，对导热油冷罐5中的导热油进行预热，以实现余热利用；
步骤5，当储热单元中的热量不足以将导热油加热所需温度时，本优选实例中以350-390℃为例，开启辅助电加热器12，以保证导热油热罐13中的导热油温度，进而保证尿素水解反应器17的产氨量满足SCR脱硝单元脱硝反应的需氨量。
本发明将调峰过程中多余的高温蒸汽的热量进行储存，用来供给尿素水解反应过程中所需的热量，减少了能源浪费，整个系统设计合理，结构简单，运行稳定高效。
基于上述系统，本发明还提供基于火电厂燃煤机组调峰储热的尿素水解制氨方法，包括，
汽轮机3抽取燃煤机组中锅炉1内的多余高温蒸汽送入储热装置10的储热回路后加热储热介质，将高温蒸汽的热量储存在储热介质中，冷凝水送入发电机机组汽水系统；
导热油冷罐5中的常温导热油经储热介质加热后通过放热回路储存在导热油热罐13中；根据NOx浓度检测探头28检测的信号，将加热后的热导热油按照所需流量送至尿素水解制氨单元为尿素水解制氨提供热量，将产生的氨气稀释后按照所需氨气量送入SCR脱硝单元参与脱硝反应，热导热油在尿素水解制氨单元中放热后送回导热油冷罐5中，完成烟气脱硝作业。
其中，所述氨气稀释后的浓度为5％。
Claims (10)
1.基于火电厂燃煤机组调峰储热的尿素水解制氨系统，其特征在于，包括燃煤机组，分别连接在燃煤机组上的储热单元和尿素水解制氨单元；
所述燃煤机组包括锅炉(1)，设置在锅炉(1)尾部烟道内的SCR脱硝单元，以及依次连接在锅炉(1)顶部蒸汽盘管出口的汽轮机(3)和发电机(4)；所述SCR脱硝单元的入口设置NOx浓度检测探头(28)；
所述储热单元包括储热装置(10)、导热油冷罐(5)和导热油热罐(13)；所述储热装置(10)包括设置在内部的储热介质，以及穿过储热介质用于导热的储热回路和放热回路；储热回路入口端连接汽轮机(3)的蒸汽出口，储热回路出口端连接发电机组汽水系统，放热回路入口端连接导热油冷罐(5)的出口，放热回路出口端连接导热油热罐(13)的入口；
所述尿素水解制氨单元的热源入口连接导热油热罐(13)的出口，热源出口连接导热油冷罐(5)的入口，氨气出口连接SCR脱硝单元；
所述NOx浓度检测探头(28)的信号输出端分别连接导热油热罐(13)的出口和尿素水解制氨单元尿素溶液入口设置的控制阀。
2.根据权利要求1所述的基于火电厂燃煤机组调峰储热的尿素水解制氨系统，其特征在于，所述储热回路采用盘管设置的热源管路(101)；所述放热回路采用盘管设置的冷源管路(102)。
3.根据权利要求2所述的基于火电厂燃煤机组调峰储热的尿素水解制氨系统，其特征在于，所述储热单元还包括设置在导热油冷罐(5)入口管路上的第四温度计(19)，依次设置在导热油冷罐(5)出口与冷源管路(102)入口之间管路上的第一温度计(6)、导热油泵(7)、第一控制阀(8)、第一流量计(9)，依次设置在冷源管路(102)出口与导热油热罐(13)入口之间管路上的第二温度计(11)和辅助电加热器(12)，以及依次设置在导热油热罐(13)出口管路上的第三温度计(14)和第二流量计(16)；所述导热油热罐(13)出口的控制阀为设置在第三温度计(14)和第二流量计(16)之间的第二控制阀(15)；所述第二控制阀(15)连接NOx浓度检测探头(28)的信号输出端。
4.根据权利要求1所述的基于火电厂燃煤机组调峰储热的尿素水解制氨系统，其特征在于，所述储热单元采用熔盐储热、高温固体储热和相变储热系统中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的基于火电厂燃煤机组调峰储热的尿素水解制氨系统，其特征在于，所述尿素水解制氨单元采用尿素水解制氨系统或尿素催化水解制氨系统。
6.根据权利要求1所述的基于火电厂燃煤机组调峰储热的尿素水解制氨系统，其特征在于，所述尿素水解制氨单元包括尿素水解反应器(17)和尿素溶液储罐(20)；
所述尿素水解反应器(17)内部设置有尿素水解反应盘管(18)，端部设置有与尿素水解反应盘管(18)入口和出口连接的热源入口和热源出口，顶部设置有氨气出口，底部设置有尿素溶液入口；
所述尿素溶液储罐(20)出口连接尿素溶液入口，且连接管路上依次设置有尿素给料泵(21)和第三流量计(23)；所述尿素溶液入口设置的控制阀为设置在尿素给料泵(21)和第三流量计(23)之间的第三控制阀(22)；所述第三控制阀(22)连接NOx浓度检测探头(28)的信号输出端。
7.根据权利要求1所述的基于火电厂燃煤机组调峰储热的尿素水解制氨系统，其特征在于，所述SCR脱硝单元包括SCR反应器(26)和设置在SCR反应器(26)入口顶部的SCR喷氨装置(27)；所述SCR喷氨装置(27)的入口连接尿素水解制氨单元的氨气出口。
8.根据权利要求7所述的基于火电厂燃煤机组调峰储热的尿素水解制氨系统，其特征在于，所述SCR喷氨装置(27)入口和尿素水解制氨单元的氨气出口之间的管路上设置有混合器(24)，混合器(24)的混合输入端连接热风稀释风机(25)。
9.基于火电厂燃煤机组调峰储热的尿素水解制氨方法，其特征在于，基于权利要求1-8所述的任意一项系统，包括，
抽取汽轮机内的多余高温蒸汽送入储热装置(10)的储热回路加热储热介质，将高温蒸汽的热量储存在储热介质中，冷凝水送入发电机机组汽水系统；
导热油冷罐(5)中的常温导热油经储热介质加热后通过放热回路储存在导热油热罐(13)中；根据NOx浓度检测探头(28)检测的信号，将加热后的热导热油按照所需流量送至尿素水解制氨单元为尿素水解制氨提供热量，将产生的氨气稀释后按照所需氨气量送入SCR脱硝单元参与脱硝反应，热导热油在尿素水解制氨单元中放热后送回导热油冷罐(5)中，完成烟气脱硝作业。
10.根据权利要求9所述的基于火电厂燃煤机组调峰储热的尿素水解制氨方法，其特征在于，所述氨气稀释后的浓度为5％。
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