CN114530870A - 一种垃圾发电与氢储能及冶金的耦合系统及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种垃圾发电与氢储能及冶金的耦合系统及其运行方法，包括电网、垃圾发电系统、氢储能系统、释能系统及氢冶金系统；垃圾发电系统的输出端与电网及氢储能系统相连接，氢储能系统的出口与释能系统的入口及氢冶金系统的入口相连通，释能系统的输出端与电网相连接，该系统及其运行方法能够保证机组安全可靠经济性。

Description

一种垃圾发电与氢储能及冶金的耦合系统及其运行方法
技术领域
本发明属于储能系统技术领域，具体涉及一种垃圾发电与氢储能及冶金的耦合系统及其运行方法。
背景技术
垃圾焚烧发电，一方面可以解决垃圾堆积的问题，燃烧的高温可去除垃圾中大量的有害物质和难闻的气味，垃圾燃烧后体积和质量大幅减少；另一方面能产生一定的经济效益，节约不可再生资源，同时实现温室气体的减排。其已成为垃圾处理的一个重要发展方向。
但是垃圾焚烧电厂的原料来源广泛、组分复杂，使得垃圾电站难以在额定工况下持续稳定的运行。由于垃圾处理量的不固定以及垃圾成分的变化，可能使垃圾的焚烧量、垃圾热值大于设计值，垃圾电厂的主要参数也会发生较大变化，对垃圾电厂的稳定运行提出了挑战，同时极大的影响机组调峰调频的功能。因此，对于垃圾发电机3组，设计和优化热力系统，保证机组安全可靠经济的运行是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种垃圾发电与氢储能及冶金的耦合系统及其运行方法，该系统及其运行方法能够保证机组安全可靠经济性。
为达到上述目的，本发明所述的垃圾发电与氢储能及冶金的耦合系统包括电网、垃圾发电系统、氢储能系统、释能系统及氢冶金系统；
垃圾发电系统的输出端与电网及氢储能系统相连接，氢储能系统的出口与释能系统的入口及氢冶金系统的入口相连通，释能系统的输出端与电网相连接。
垃圾发电系统包括垃圾焚烧炉、汽轮机、凝汽器及发电机；
垃圾焚烧炉的出口与汽轮机的入口相连通，汽轮机的输出轴与发电机的驱动轴相连接，发电机的输出端与电网及氢储能系统中电解槽的电源接口相连接，汽轮机的排汽出口与凝汽器相连通。
氢储能系统包括电解槽、氢气分离器、氧气分离器、分离器排水电动阀、换热器、过滤器、循环泵、氢气干燥器、除氧装置、第一气体过滤器、氢气储罐、氧气干燥器、第二气体过滤器、氧气储罐、氢气储罐出口电动阀、氧气储罐出口电动阀及燃料电池氧气入口调节阀；
电解槽的电源接口与垃圾发电系统相连接，电解槽的氢气出口与氢气分离器的入口相连通，电解槽的氧气出口与氧气分离器的入口相连通，氢气分离器的出水口与氧气分离器的出水口通过管道并管后经分离器排水电动阀与换热器的壳侧入口相连通，换热器的壳侧出口经过滤器及循环泵与电解槽的补水口相连通；
氢气分离器的氢气出口经氢气干燥器、除氧装置、第一气体过滤器与氢气储罐相连通，氧气分离器的氧气出口经氧气干燥器及第二气体过滤器与氧气储罐的入口相连通；
氢气储罐的出口经氢气储罐出口电动阀与释能系统及氢冶金系统相连接，氧气储罐的出口经氧气储罐出口电动阀及燃料电池氧气入口调节阀与释能系统相连通。
氢储能系统还包括冷却水进水管路及回水管道；
冷却水进水管路与换热器的管侧入口相连通，换热器的管侧出口与回水管道相连通，所述冷却水进水管路上设置有冷却水进水电动阀及冷却水进水调节阀，回水管道上设置有冷却水回水电动阀。
氢储能系统还包括补水管道、水箱、补水电动阀及补水调节阀；
补水管道与水箱的入口相连通，补水管道上设置有水箱入口调节阀，水箱的出口经补水电动阀及补水调节阀与换热器的壳侧入口相连通。
氢冶金系统包括氢气加热器、氢气还原炉及氢气加热器入口调节阀；
氢气储罐的出口经氢气储罐出口电动阀、氢气加热器入口调节阀及氢气加热器与氢气还原炉相连通。
释能系统包括燃料电池氢气入口调节阀及氢氧燃料电池；
氢气储罐的出口经氢气储罐出口电动阀及燃料电池氢气入口调节阀与氢氧燃料电池的氢气入口相连通，氧气储罐的出口经氧气储罐出口电动阀及燃料电池氧气入口调节阀与氢氧燃料电池的氧气入口相连通，氢氧燃料电池的输出端与电网相连接。
氢气储罐及氧气储罐内设置有压力测点P1、P2，电解槽内设置温度测点T1及液位高度测点H1。
氢气加热器的出口处设置有温度测点T2。
本发明所述垃圾发电与氢储能及冶金的耦合系统的工作方法包括以下步骤：
当垃圾发电系统产生的电量大于电网需求或者处于用电低谷时段时，则垃圾发电系统将剩余电能输送至氢储能系统中，氢储能系统利用所述电能电解水产生氢气及氧气，同时对氢气及氧气进行存储；
当垃圾发电系统产生的电量小于电网需求或者处于用电高峰期时，则氢储能系统将存储的氧气及氧气送入释能系统中，释能系统利用氢气及氧气发电，然后送入电网中；
当垃圾发电系统产生的电量满足电网需求时，则将释能系统中存储的氢气送入氢冶金系统中，氢冶金系统利用氢气还原铁矿原料。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的垃圾发电与氢储能及冶金的耦合系统及其运行方法在具体操作时，当垃圾发电系统产生的电量大于电网需求或者处于用电低谷时段时，则垃圾发电系统将剩余电能输送至氢储能系统中，氢储能系统利用所述电能电解水产生氢气及氧气；当垃圾发电系统产生的电量小于电网需求或者处于用电高峰期时，则氢储能系统将存储的氧气及氧气送入释能系统中，释能系统利用氢气及氧气发电，然后送入电网中；当垃圾发电系统产生的电量满足电网需求时，则将释能系统中存储的氢气送入氢冶金系统中，氢冶金系统利用氢气还原铁矿原料，以实现垃圾发电与氢储能及冶金的耦合，继而保证机组安全可靠经济性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1为垃圾焚烧炉、2为汽轮机、3为发电机、4为电解槽、5为氢气分离器、6为氧气分离器、7为换热器、8为过滤器、9为循环泵、10为水箱、11为氢气干燥器、12为除氧装置、13为第一气体过滤器、14为氢气储罐、15为氧气干燥器、16为第二气体过滤器、17为氧气储罐、18为氢氧燃料电池、19为氢气加热器、20为氢气还原炉、21为分离器排水电动阀、22为水箱入口调节阀、23为补水电动阀、24为补水调节阀、25为冷却水进水电动阀、26为冷却水进水调节阀、27为冷却水回水电动阀、28为氢气储罐出口电动阀、29为燃料电池氢气入口调节阀、30为氧气储罐出口电动阀、31为燃料电池氧气入口调节阀、32为氢气加热器入口调节阀、33为凝汽器、34为电网。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
参考图1，本发明所述的垃圾发电与氢储能及冶金的耦合系统包括电网、垃圾发电系统、氢储能系统、释能系统及氢冶金系统；
垃圾发电系统包括垃圾焚烧炉1、汽轮机2、凝汽器33及发电机3；
氢储能系统包括电解槽4、氢气分离器5、氧气分离器6、换热器7、过滤器8、循环泵9、水箱10、氢气干燥器11、除氧装置12、第一气体过滤器13、氢气储罐14、氧气干燥器15、第二气体过滤器16、氧气储罐17、氢气储罐出口电动阀28、氧气储罐出口电动阀30、燃料电池氧气入口调节阀31、冷却水进水电动阀25、冷却水进水调节阀26、冷却水回水电动阀27、分离器排水电动阀21、水箱入口调节阀22、补水电动阀23及补水调节阀24；
释能系统包括燃料电池氢气入口调节阀29及氢氧燃料电池18；
氢冶金系统包括氢气加热器19、20为氢气还原炉20及氢气加热器入口调节阀32；
垃圾焚烧炉1的出口与汽轮机2的入口相连通，汽轮机2的输出轴与发电机3的驱动轴相连接，发电机3的输出端与电网34及电解槽4的电源接口相连接，汽轮机2的排汽出口与凝汽器33相连通。
电解槽4的氢气出口与氢气分离器5的入口相连通，电解槽4的氧气出口与氧气分离器6的入口相连通，氢气分离器5的出水口与氧气分离器6的出水口通过管道并管后经分离器排水电动阀21与换热器7的壳侧入口相连通，换热器7的壳侧出口经过滤器8及循环泵9与电解槽4的补水口相连通。冷却水进水管路与换热器7的管侧入口相连通，换热器7的管侧出口与回水管道相连通，所述冷却水进水管路上设置有冷却水进水电动阀25及冷却水进水调节阀26，回水管道上设置有冷却水回水电动阀27；
补水管道与水箱10的入口相连通，补水管道上设置有水箱入口调节阀22，水箱10的出口经补水电动阀23及补水调节阀24与换热器7的壳侧入口相连通；
电解槽4所需电能来自发电机3产生的多余电能，电解槽4的制氢方法为碱性电解水制氢，电解槽4中的溶液为质量分数为20％-30％的氢氧化钾溶液，电解槽4内设置温度测点T1及液位高度测点H1。
氢气分离器5的氢气出口经氢气干燥器11、除氧装置12、第一气体过滤器13与氢气储罐14相连通，氧气分离器6的氧气出口经氧气干燥器15及第二气体过滤器16与氧气储罐17的入口相连通；
氢气储罐14的出口经氢气储罐出口电动阀28后分为两路，其中一路经氢气加热器入口调节阀32及氢气加热器19与氢气还原炉20相连通，另一路经燃料电池氢气入口调节阀29与氢氧燃料电池18的氢气入口相连通，氧气储罐17的出口经氧气储罐出口电动阀30及燃料电池氧气入口调节阀31与氢氧燃料电池18的氧气入口相连通，氢氧燃料电池18的输出端与电网34相连接。
氢气储罐14及氧气储罐17内设置有压力测点P1、P2，氢气加热器19的出口处设置有温度测点T2。
本发明的具体工作过程为：
在机组启动阶段，垃圾焚烧炉1点火，产生的高温高压气体驱动汽轮机2做功，汽轮机2带动发电机3发电，此时氢储能系统、释能系统及氢冶金系统均不运行；
机组并网后负荷不断升高，当发电机3的发电量大于电网34的需求或处于用电低谷时段时，则将剩余电能输送至电解槽4中，电解槽4电解水产生氢气和氧气，其中，产生的氢气经氢气分离器5进行气水分离，其中，分离出来的氢气依次经氢气干燥器11、除氧装置12及第一气体过滤器13进入到氢气储罐14中，产生的氧气经氧气干燥器15及第二气体过滤器16后进入到氧气储罐17中，当氧气储罐17内的气压或者氧气储罐17内的气压大于等于预设气压值后，则电解槽4停止工作。
氢气分离器5及氧气分离器6中分离得到的水汇集后进入换热器7的壳侧中放热，然后经过滤器8及循环泵9返回至电解槽4中，其中，电解槽4工作时会产生热量，导致水温升高，当电解槽4内的温度高于预设温度值时，则启动冷却水进水电动阀25、冷却水进水调节阀26及冷却水回水电动阀27，通过电解槽4内的温度调整冷却水进水调节阀26的开度以控制电解槽4的水温，同时根据电解槽4内的液位高度调节补水电动阀23及补水调节阀24，使电解槽4内的液位高度维持在预设液位高度范围内。
当机组发电量小于电网34需求或处于用电高峰期时，则系统进入释能模式，此时开启氢气储罐出口电动阀28、燃料电池氢气入口调节阀29、氧气储罐出口电动阀30及燃料电池氧气入口调节阀31，调节燃料电池氢气入口调节阀29及燃料电池氧气入口调节阀31的开度，以控制氢气及氧气的流量，氢气及氧气进入氢氧燃料电池18中发电，氢氧燃料电池18产生的电能供给电网34。
当机组处于正常运行状态，机组负荷满足电网34需求时，则可以将氢气储罐14内储存的氢气供给给氢冶金系统，此时开启氢气储罐出口电动阀28及氢气加热器入口调节阀32，将氢气储罐14内储存的氢气送入氢气还原炉20中，同时观察氢气加热器19的出口温度T2，通过氢气加热器19将氢气加热至预设温度值，然后再送入氢气还原炉20中还原铁矿原料。
显然，上面描述的实施例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做出创造性劳动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。

Claims (10)

1.一种垃圾发电与氢储能及冶金的耦合系统，其特征在于，包括电网、垃圾发电系统、氢储能系统、释能系统及氢冶金系统；
垃圾发电系统的输出端与电网及氢储能系统相连接，氢储能系统的出口与释能系统的入口及氢冶金系统的入口相连通，释能系统的输出端与电网相连接。
2.根据权利要求1所述的垃圾发电与氢储能及冶金的耦合系统，其特征在于，垃圾发电系统包括垃圾焚烧炉(1)、汽轮机(2)、凝汽器(33)及发电机(3)；
垃圾焚烧炉(1)的出口与汽轮机(2)的入口相连通，汽轮机(2)的输出轴与发电机(3)的驱动轴相连接，发电机(3)的输出端与电网(34)及氢储能系统中电解槽(4)的电源接口相连接，汽轮机(2)的排汽出口与凝汽器(33)相连通。
3.根据权利要求1所述的垃圾发电与氢储能及冶金的耦合系统，其特征在于，氢储能系统包括电解槽(4)、氢气分离器(5)、氧气分离器(6)、分离器排水电动阀(21)、换热器(7)、过滤器(8)、循环泵(9)、氢气干燥器(11)、除氧装置(12)、第一气体过滤器(13)、氢气储罐(14)、氧气干燥器(15)、第二气体过滤器(16)、氧气储罐(17)、氢气储罐出口电动阀(28)、氧气储罐出口电动阀(30)及燃料电池氧气入口调节阀(31)；
电解槽(4)的电源接口与垃圾发电系统相连接，电解槽(4)的氢气出口与氢气分离器(5)的入口相连通，电解槽(4)的氧气出口与氧气分离器(6)的入口相连通，氢气分离器(5)的出水口与氧气分离器(6)的出水口通过管道并管后经分离器排水电动阀(21)与换热器(7)的壳侧入口相连通，换热器(7)的壳侧出口经过滤器(8)及循环泵(9)与电解槽(4)的补水口相连通；
氢气分离器(5)的氢气出口经氢气干燥器(11)、除氧装置(12)、第一气体过滤器(13)与氢气储罐(14)相连通，氧气分离器(6)的氧气出口经氧气干燥器(15)及第二气体过滤器(16)与氧气储罐(17)的入口相连通；
氢气储罐(14)的出口经氢气储罐出口电动阀(28)与释能系统及氢冶金系统相连接，氧气储罐(17)的出口经氧气储罐出口电动阀(30)及燃料电池氧气入口调节阀(31)与释能系统相连通。
4.根据权利要求1所述的垃圾发电与氢储能及冶金的耦合系统，其特征在于，氢储能系统还包括冷却水进水管路及回水管道；
冷却水进水管路与换热器(7)的管侧入口相连通，换热器(7)的管侧出口与回水管道相连通，所述冷却水进水管路上设置有冷却水进水电动阀(25)及冷却水进水调节阀(26)，回水管道上设置有冷却水回水电动阀(27)。
5.根据权利要求1所述的垃圾发电与氢储能及冶金的耦合系统，其特征在于，氢储能系统还包括补水管道、水箱(10)、补水电动阀(23)及补水调节阀(24)；
补水管道与水箱(10)的入口相连通，补水管道上设置有水箱入口调节阀(22)，水箱(10)的出口经补水电动阀(23)及补水调节阀(24)与换热器(7)的壳侧入口相连通。
6.根据权利要求3所述的垃圾发电与氢储能及冶金的耦合系统，其特征在于，氢冶金系统包括氢气加热器(19)、氢气还原炉(20)及氢气加热器入口调节阀(32)；
氢气储罐(14)的出口经氢气储罐出口电动阀(28)、氢气加热器入口调节阀(32)及氢气加热器(19)与氢气还原炉(20)相连通。
7.根据权利要求3所述的垃圾发电与氢储能及冶金的耦合系统，其特征在于，释能系统包括燃料电池氢气入口调节阀(29)及氢氧燃料电池(18)；
氢气储罐(14)的出口经氢气储罐出口电动阀(28)及燃料电池氢气入口调节阀(29)与氢氧燃料电池(18)的氢气入口相连通，氧气储罐(17)的出口经氧气储罐出口电动阀(30)及燃料电池氧气入口调节阀(31)与氢氧燃料电池(18)的氧气入口相连通，氢氧燃料电池(18)的输出端与电网(34)相连接。
8.根据权利要求3所述的垃圾发电与氢储能及冶金的耦合系统，其特征在于，氢气储罐(14)及氧气储罐(17)内设置有压力测点P1、P2，电解槽(4)内设置温度测点T1及液位高度测点H1。
9.根据权利要求6所述的垃圾发电与氢储能及冶金的耦合系统，其特征在于，氢气加热器(19)的出口处设置有温度测点T2。
10.一种权利要求1所述垃圾发电与氢储能及冶金的耦合系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
当垃圾发电系统产生的电量大于电网(34)需求或者处于用电低谷时段时，则垃圾发电系统将剩余电能输送至氢储能系统中，氢储能系统利用所述电能电解水产生氢气及氧气，同时对氢气及氧气进行存储；
当垃圾发电系统产生的电量小于电网(34)需求或者处于用电高峰期时，则氢储能系统将存储的氧气及氧气送入释能系统中，释能系统利用氢气及氧气发电，然后送入电网(34)中；
当垃圾发电系统产生的电量满足电网(34)需求时，则将释能系统中存储的氢气送入氢冶金系统中，氢冶金系统利用氢气还原铁矿原料。
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