CN114689789A - 一种灵活性改造机组富氧燃烧及氢储能安全利用实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发电技术领域，特别是一种灵活性改造机组富氧燃烧及氢储能安全利用实验系统。现有富氧燃烧的燃煤机组存在氮氧化物排放不达标问题，为此本发明提供一种灵活性改造机组富氧燃烧及氢储能安全利用实验系统，包括燃烧装置和供气装置及排烟装置，同时本系统还包括氢储能装置，氢储能装置含有电解槽、氢气罐和氢燃料电池，电解槽可外接新能源供电，电解槽通过氢气管和第一氧气管分别接氢气罐和氧气罐，氢气罐通过电池供氢管和发电供氢管分别输出连接氢燃料电池和氢气发电机。本发明可将氢能、新能源和传统燃煤机融合工作充分降低氮氧化物排放，实现多个能源融合达到整个系统低碳排放。

Description

一种灵活性改造机组富氧燃烧及氢储能安全利用实验系统

所属技术领域

本发明涉及发电技术领域，特别是一种灵活性改造机组富氧燃烧及氢储能安全利用实验系统。

背景技术

富氧燃烧技术是一种高效的二氧化碳温室气体减排和有效的工业燃烧技术，常用于发电机组，其中循环流化床富氧燃烧技术通过利用高纯氧气混合再循环的烟气，辅助燃料燃烧。富氧燃烧技术将一部分再循环的烟气替代来自空气中的氮气，使燃料在燃烧过程减少来自助燃混合空气所含的氮气用量，此时燃料燃烧产生的氮氧化物排放主要源于燃料氮，在源头上从助燃混合气方面减少由空气所含氮气转变而来的氮氧化物量。

现有的富氧燃烧技术虽然减少了空气中的氮气参与燃烧，但是富氧燃烧的氮氧化物排放依旧不能满足日渐严格的大气污染物排放标准要求，随着煤电机组灵活性改造的逐步推进，对碳排放的达标要求也越来越高。

氢储能技术是利用电力和氢能的互变性而发展起来的：利用电解制氢，将间歇波动、富余电能转化为氢能储存起来；在电力输出不足时，利用氢气通过燃料电池或其他发电装置发电回馈至电网系统。将灵活性改造机组与氢储能结合起来，实现氢储能安全利用，同时实现负荷调度，成为研究难点。

发明内容

本发明针对现有使用富氧燃烧技术的机组存在的氮氧化物排放不达标的技术问题，本发明提供一种灵活性改造机组富氧燃烧及氢储能安全利用实验系统，所述实验系统可将氢能、新能源和传统燃煤机融合工作充分降低氮氧化物排放，以研究多个能源融合实现整个系统低碳排放。本发明工作时能在风电等清洁新新能源富裕情况下电解制取氢能源作氢燃料电池，同时将电解氢产生的氧气用于富氧燃烧，当用电紧张时使用前述氢燃料电池发电缓解用电紧张，探索同样发电条件下更少常规燃料进行富氧燃烧；进一步的，本发明还能进行不同空气、氧气混合比例下的燃烧试验以及不同煤粉空气混合的燃烧试验。

本发明解决技术问题采用的技术方案：一种灵活性改造机组富氧燃烧及氢储能安全利用实验系统，包括燃烧装置和供气装置及排烟装置，燃烧装置包括燃烧器和与其通过管路连通的煤仓与燃料罐，供气装置包括通过管路连通燃烧器的空气罐与氧气罐，排烟装置包括连接燃烧器的烟气管道和沿管道依序连接的过滤器、烟气压缩机及气体回收罐，烟气压缩机设有氧气出口和杂质气体出口，且氧气出口和杂质气体出口分别通过烟气循环管和排放管接燃烧器与气体回收罐，其特征是所述实验系统还包括氢储能装置，所述氢储能装置包括电解槽、氢气罐和氢燃料电池，电解槽可外接新能源供电，电解槽通过氢气管和第一氧气管分别接氢气罐和氧气罐，氢气罐通过电池供氢管和发电供氢管分别输出连接氢燃料电池和氢气发电机。本发明通过引入氢氢能源减少富氧燃烧和由其带来的氮氧化物排放，以使系统达标氮排放。工作时在风电等清洁的新能源富裕情况下供电给电解槽，电解槽制取获得氢气和氧气，氢气用于制备氢燃料电池和直接供给使用氢能源发电的电厂发电机，同时将电解氢产生的氧气供给燃烧器用于富氧燃烧；当用电紧张情况下使用前述氢燃料电池发电缓解用电紧张，两种使用情况下都利于减少煤等常规燃料的富氧燃烧发电，达到低碳排放达标，增加的氢能源装置可以通过电解氢将富裕的清洁新能源变为氢燃料电池和/或供氢能发电，并在用电紧张时刻通过前述氢燃料电池发电。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明采用如下技术措施：所述氧气罐和空气罐的出气口分别接氧气输出管和空气输出管，且氧气输出管和空气输出管两者远端均接入第一混合管，第一混合管上设分支管路，分支管路远端分叉形成第一助燃管和第二助燃管接燃烧器，所述第一助燃管从燃烧器顶部接入，第二助燃管远端分出高中低三路分段助燃管从燃烧器侧面接入，第一混合管远端接入燃料混合管，燃料混合管两端分别接燃烧器和燃料罐。氧气罐和空气罐输出的氧气与氮气经独立管路输出后在第一混合管进行混合，然后进入燃料混合管与来自燃料罐的燃料混合，燃料罐中主要为燃油，目的是在燃烧器点火初期燃烧用，加快燃烧器进入工作状态。第一混合管上接出的分支管路继续延伸分成两路从燃烧器顶部和侧面将空气氧气混合气体送入燃烧器内部进行高效助燃，特别是燃烧器侧面送入空氧混合气体的管路继续分成高中低三路不同的分段助燃管送入燃烧器内部，对燃烧器内部高中低三处不同高度区域都进行充分助燃，使燃烧更完全，减少因为不完全燃烧所生成的有害物质。

所述燃料混合管一端从接燃烧器顶部接入。燃料混合管和燃烧器的连接位置在燃烧器顶部，空气和氧气的混合气体与燃料混合后从燃烧器顶部送入燃烧器内帮助点火燃烧，空氧混合气体和燃油混合后从上往下喷洒送入燃烧器。

所述第一混合管上设分叉管形成第二混合管并接煤仓，煤仓出口通过管路接接旋风分离器，旋风分离器顶部出口通过煤粉传送管接燃烧器，煤粉传送管和燃烧器的连接位置设在燃烧器顶部。氧气和空气混合后经分叉形成的第二混合管送入煤仓，目的是送风方式加快煤仓想旋风分离器送煤，提高煤粉输送效率；旋风处理器分离出的煤粉从顶部出口通过煤粉传送管送往燃烧器并从其顶部进入燃烧器内。

所述实验系统还包括一电加热炉和一换热器，电加热炉和换热器均接在所述分支管路远端分叉之前的管段上，换热器位于电加热炉和分支管路远端分叉之间，换热器的冷介质进、出口接入所述分支管路的管段，换热器的热介质进、出口接入烟气管道，烟气沿着烟气管道先过换热器再过过滤器。电加热炉的目的是对空气和氧气的混合气体进行主动加热，加热的混合气体在经过换热器的时候再次和烟气发生热交换再次加热，空气和氧气的混合气体被两次加热以后具备较高的温度，再从分支管路的远端从顶部和侧面进入燃烧器，提升助燃效果；换热器接在管路上使得烟气热量能被回收换热给混合气体。

所述电加热炉上设有一分支出口并通过第三混合管接混合装置，所述煤仓通过输送管接混合装置，混合装置出口接旋风分离器，旋风分离器底部出口通过U形管接混合装置。混合装置的作用是暂存煤仓送来的煤粉，第三混合管将部分经过电加热炉加热升温后的氧气与空气的混合气体送入混合装置对煤粉预热，这种预热能使煤粉中的部分氮元素转化为氮气，实现煤氮提前脱除，同时改善煤粉燃料的燃烧特性。煤粉在混合装置内预热升温然后送出并经旋风分离器处理后送入燃烧器，预热过的煤粉在燃烧器内燃烧更充分，有利于氮氧化物排放达标；旋风分离器分离出气体，并从旋风分离器底部出口排出经U形管送回混合装置，这里的U形管通过弯曲结构减缓气体送回速度，避免气体过快送回到混合装置内影响煤粉预热。

所述过滤器输入侧的管道上接冷却器，且冷却器的热介质进、出口接管道，冷却器的冷介质进、出口通过进水管连冷却水箱形成循环水路。冷却器的作用对经过冷却器的烟气降温，降温的冷源则是冷却水箱中的水，进水管将冷却水箱和冷却器连接形成一个循环水路，实现冷却器连续工作，冷却水在冷却器和冷却水箱之间循环流动。

所述氧气罐的进气口通过第二氧气管接一空气分离装置的氧气排气口，空气分离装置的氮气排气口接氮气管，空气分离装置的进气口通过空气管道接空压机。在电解氢制备获取氧气不够氧气罐输出氧气助燃的情况下，氧气罐还可以通过空压机和空气分离装置组合来补充足够的氧气，空压机直接获取空气并压缩输出给空气分离装置，空气分离装置工作将分离出的氧气输出给氧气罐，分离出的氮气则通过氮气管输出，氮气管可以接专门的氮气存储设备。

本发明能在风电等清洁新新能源富裕时通过电解制取氢能源作氢燃料电池，并将电解氢产生的氧气用于富氧燃烧；当用电紧张时使用前述的氢燃料电池发电缓解用电紧张，同样发电条件下探索使用更少燃料进行富氧燃烧。更进一步的，本发明还可以进行不同空气、氧气混合比例下的燃烧试验以及不同煤粉空气混合的燃烧试验，煤粉也采用预热后再送入燃烧器内。

附图说明

图1：本发明所述系统结构示意图。

图中：1.外接电源、2.电解槽、2-1.第一氧气管、2-2.第二氧气管、2-3.氢气管、3.氧气罐、3-1.氧气输出管、4.空气罐、4-1.空气输出管、5.空气分离装置、5-1.氮气管、5-2.空气管、5-3.空压机、6.氢气罐、6-1.发电供氢管、6-2.电池供氢管、6-3.氢燃料电池、6-4.峰电供源、7.燃料罐、7-1.第一混合管、7-2.燃料混合管、8.煤仓、8-1.第二混合管、9.输送管、10.电加热炉、10-1.加热空气管、10-2.第一助燃管、10-3.第二助燃管、10-4.分段助燃管、11.混合装置、11-1.第三混合管、12.U形管、13.旋风分离器、14.煤粉传送管、14-1.燃烧器、15.烟气管道、16.换热器、16-1.冷却器、17.冷却水箱、18.进水管、19.过滤器、19-1.冷却烟气管、20.烟气压缩机、20-1.烟气循环管、20-2.排放管、21.气体回收罐。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

如图1所示，一种灵活性改造机组富氧燃烧及氢储能安全利用实验系统，包括燃烧装置和供气装置及排烟装置，燃烧装置包括燃烧器14-1和与其通过管路连通的煤仓8与燃料罐7，供气装置包括通过管路连通燃烧器14-1的空气罐4与氧气罐3，排烟装置包括连接燃烧器14-1的烟气管道15和沿管道依序连接的过滤器19、烟气压缩机20及气体回收罐21，接在过滤器19和烟气过滤器20之间的管道形成冷却烟气管19-1，烟气压缩机20设有氧气出口和杂质气体出口，且氧气出口和杂质气体出口分别通过烟气循环管20-1和排放管20-2接燃烧器14-1与气体回收罐21，所述实验系统还包括氢储能装置，所述氢储能装置包括电解槽2、氢气罐6和氢燃料电池6-3，燃料电池6-3可给峰电供源6-4提供电能，电解槽2可外接新能源供电，电解槽2通过氢气管和第一氧气管分别接氢气罐6和氧气罐3，氢气罐6通过电池供氢管6-2和发电供氢管6-1分别输出连接氢燃料电池6-3和氢气发电机；所述过滤器19输入侧的管道上接冷却换热器16-1，且冷却换热器16-1的热介质进、出口接管道，冷却换热器16-1的冷介质进、出口通过进水管18连冷却水箱1形成循环水路。此外，本发明的全部管路上都设有阀门，以便调节混合比例或开闭管路。

工作时，风电等清洁的新能源富裕情况下通供电给电解槽，电解槽制取获得氢气和氧气，其中氢气制备氢燃料电池和直接供给使用氢能源发电的电厂发电机，氧气供给燃烧器用于富氧燃烧。在用电紧张时，使用前述氢燃料电池发电缓解用电紧张，两种使用情况下都利于减少煤等常规燃料的富氧燃烧发电，达到低碳排放达标，增加的氢能源装置可以通过电解氢将富裕的清洁新能源变为氢燃料电池和/或供氢能发电，并在用电紧张时刻通过前述氢燃料电池发电。

进一步的，所述氧气罐3和空气罐4的出气口分别接氧气输出管3-1和空气输出管4-1，氧气输出管和空气输出管上都设有调节阀门以便调整后续氧气和空气混合比例，氧气输出管3-1和空气输出管4-1两者远端均接入第一混合管7-1，第一混合管7-1上设分支管路，分支管路远端分叉形成第一助燃管10-2和第二助燃管10-3接燃烧器14-1，所述第一助燃管10-2从燃烧器14-1顶部接入，第二助燃管10-3远端分出高中低三路分段助燃管10-4从燃烧器14-1侧面接入，第一混合管7-1远端接入燃料混合管7-2，燃料混合管7-2两端分别接燃烧器14-1和燃料罐7，燃料罐7中装有可配合燃烧器14-1点火初期燃烧用的燃油，燃料混合管7-2一端从接燃烧器14-1顶部接入；所述第一混合管7-1上设分叉管形成第二混合管8-1并接煤仓8，煤仓8出口通过管路接旋风分离器13，旋风分离器13顶部出口通过煤粉传送管14接燃烧器14-1，煤粉传送管14和燃烧器14-1的连接位置设在燃烧器14-1顶部；本发明所述实验系统还包括一加热炉10和一换热器16，加热炉10和换热器16均接在所述分支管路远端分叉之前的管段上，换热器16位于加热炉10和分支管路远端分叉之间，换热器16的冷介质进、出口接入所述分支管路的管段，换热器16在冷介质出口一侧的部分烟气管道15形成加热空气管10-1，换热器16的热介质进、出口接入烟气管道15，烟气沿着烟气管道15先过换热器16再过过滤器19；所述加热炉10上设有一分支出口并通过第三混合管11-1接混合装置11，所述煤仓8通过输送管9接混合装置11，混合装置11出口接旋风分离器13，旋风分离器13底部出口通过U形管12接混合装置11。

本发明可以进行各种不同燃烧实验。实验一为不同空气氧气比例下富氧燃烧实验，此时氧气罐3的氧气通过氧气输出管3-1流出，空气罐4的空气从空气输出管4-1流出，氧气和空气混合，通过调节阀可以调整氧气和空气的比例以进行不同混合比例下的燃烧实验。混合后的氧气和空气通过第一混合管7-1进入燃料混合管7-2，此时燃料不参与燃烧实验，燃料罐7处于关闭状态不输出燃料。混合后的氧气和空气进入燃烧器14-1，煤仓8中的煤通过输送管9进入混合装置11，一路空氧混合气经过电加热炉10加热，通过第三混合管11-1将混合装置11中的煤粉送入旋风分离器13，氧气和空气的混合气体通过旋风分离器13下部接的U形管12流出并送回混合装置11，煤粉经过煤粉传送管14送入燃烧器14-1，点燃煤粉和氧气及空气混合燃烧，在燃烧实验过程中可以调节空气和氧气的混合比例进行不同比例的燃烧实验。当燃烧过程中煤粉供应不足时，可以通过第二混合管8-1送气将煤仓中的煤加速送入燃烧器14-1。燃烧开始后，烟气通过烟气管道15流出，烟气在经换热器16时换热，就能对空氧混合气体再次加热，热交换后的烟气进入冷却器16-1，作水冷，冷却后的烟气进入过滤器19过滤杂质，过滤后的冷却烟气进入烟气压缩机20处理，处理后杂质进入气体回收罐21，氧气经过烟气循环管20-1送回燃烧器14-1进行再循环使用。整个燃烧过程可以进行不同空气氧气比例下的富氧燃烧中助燃空气实验，加热后的空气分两路，一路经过第二助燃管10-3，从高中低三个位置送入燃烧器进行助燃实验，此时第一助燃管10-2处于关闭状态。此外还可以进行纯氧气或纯空气的燃烧实验，如只打开氧气输出管3-1或者空气输出管4-1就能分别进行纯氧气或纯空气的燃烧实验。

实验二为燃料氧气非预混燃烧实验，此时氧气和空气分别从氧气输出管3-1、空气输出管4-1流出后进入电加热炉10加热，加热后经加热空气管10-1再入第二助燃管10-2，送入燃烧器14-1，此时第一混合管7-1处于关闭的停用状态，燃料罐7中的燃料流出进入燃料混合管7-2，送入燃烧器14-1，同时煤仓8中的煤经过输送管9送入混合装置11。另外一路空氧混合气进入电加热炉10加热，加热后的空氧混合气将混合装置11中的煤粉送入旋风分离器13，分离出的空气氧气混合气体通过下部的U形管缓慢流出回到混合装置11，煤粉经过煤粉传送管14送入燃烧器14-1。燃料罐7的燃油送入燃烧器14-1和空氧混合气点燃做燃烧实验，燃烧过程中可以调节氧气和燃料的比例进行不同比例下的燃烧实验。燃烧过程中煤粉供应不足时，开启第二混合管8-1，利用热的空氧混合气将煤仓中的煤加速送入燃烧器。当燃烧开始后，烟气通过烟气管道15排出，烟气途径换热器16时换热，换热降温后的烟气进入冷却器16-1冷却，再经过滤器19除去杂质，冷却烟气进入烟气压缩机20处理，杂质进入气体回收罐21，烟气中的氧气经过烟气再循环管20-1送回燃烧器14-1再循环。

实验三为燃料氧气预混燃烧实验，氧气和空气分别从氧气输出管3-1、空气输出管4-1流出进入第一混合管7-1，燃料罐7打开送出燃油，燃油和空氧混合气在燃料混合管7-2内混合，送入燃烧器14-1；另外一路空氧混合气经电加热炉10加热后经加热空气管10-1及高中低三路分段助燃管10-4送入燃烧器14-1，此时第一助燃管10-2处于关闭的停用状态。通过阀门调节就可以进行不同程度的燃油与空氧混合气混合比例的燃烧实验。

Claims (8)

1.一种灵活性改造机组富氧燃烧及氢储能安全利用实验系统，包括燃烧装置和供气装置及排烟装置，燃烧装置包括燃烧器(14-1)和与其通过管路连通的煤仓(8)与燃料罐(7)，供气装置包括通过管路连通燃烧器(14-1)的空气罐(4)与氧气罐(3)，排烟装置包括连接燃烧器(14-1)的烟气管道(15)和沿管道依序连接的过滤器(19)、烟气压缩机(20)及气体回收罐(21)，烟气压缩机(20)设有氧气出口和杂质气体出口，且氧气出口和杂质气体出口分别通过烟气循环管(20-1)和排放管(20-2)接燃烧器(14-1)与气体回收罐(21)，其特征是所述实验系统还包括氢储能装置，所述氢储能装置包括电解槽(2)、氢气罐(6)和氢燃料电池(6-3)，电解槽(2)可外接新能源供电，电解槽(2)通过氢气管和第一氧气管分别接氢气罐(6)和氧气罐(3)，氢气罐(6)通过电池供氢管(6-2)和发电供氢管(6-1)分别输出连接氢燃料电池(6-3)和氢气发电机。

2.根据权利要求1所述的灵活性改造机组富氧燃烧及氢储能安全利用实验系统，其特征是所述氧气罐(3)和空气罐(4)的出气口分别接氧气输出管(3-1)和空气输出管(4-1)，且氧气输出管(3-1)和空气输出管(4-1)两者远端均接入第一混合管(7-1)，第一混合管(7-1)上设分支管路，分支管路远端分叉形成第一助燃管(10-2)和第二助燃管(10-3)接燃烧器(14-1)，所述第一助燃管(10-2)从燃烧器(14-1)顶部接入，第二助燃管(10-3)远端分出高中低三路分段助燃管(10-4)从燃烧器(14-1)侧面接入，第一混合管(7-1)远端接入燃料混合管(7-2)，燃料混合管(7-2)两端分别接燃烧器(14-1)和燃料罐(7)。

3.根据权利要求2所述的灵活性改造机组富氧燃烧及氢储能安全利用实验系统，其特征是所述燃料混合管(7-2)一端从接燃烧器(14-1)顶部接入。

4.根据权利要求2所述的灵活性改造机组富氧燃烧及氢储能安全利用实验系统，其特征是所述第一混合管(7-1)上设分叉管形成第二混合管(8-1)并接煤仓(8)，煤仓(8)出口通过管路接旋风分离器(13)，旋风分离器(13)顶部出口通过煤粉传送管(14)接燃烧器(14-1)，煤粉传送管(14)和燃烧器(14-1)的连接位置设在燃烧器(14-1)顶部。(煤粉预热可以使煤粉中的部分氮元素转化为氮气，实现煤氮提前脱除，另一方面改善了燃料的燃烧特性。)

5.根据权利要求4所述的灵活性改造机组富氧燃烧及氢储能安全利用实验系统，其特征是所述实验系统还包括一电加热炉(10)和一换热器(16)，电加热炉(10)和换热器(16)均接在所述分支管路远端分叉之前的管段上，换热器(16)位于电加热炉(10)和分支管路远端分叉之间，换热器(16)的冷介质进、出口接入所述分支管路的管段，换热器(16)的热介质进、出口接入烟气管道(15)，烟气沿着烟气管道(15)先过换热器(16)再过过滤器(19)。

6.根据权利要求5所述的灵活性改造机组富氧燃烧及氢储能安全利用实验系统，其特征是所述电加热炉(10)上设有一分支出口并通过第三混合管(11-1)接混合装置(11)，所述煤仓(8)通过输送管(9)接混合装置(11)，混合装置(11)出口接旋风分离器(13)，旋风分离器(13)底部出口通过U形管(12)接混合装置(11)。

7.根据权利要求1所述的灵活性改造机组富氧燃烧及氢储能安全利用实验系统，其特征是所述过滤器(19)输入侧的管道上接冷却器(16-1)，且冷却器(16-1)的热介质进、出口接管道，冷却器(16-1)的冷介质进、出口通过进水管(18)连冷却水箱(1)形成循环水路。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的灵活性改造机组富氧燃烧及氢储能安全利用实验系统，其特征是所述氧气罐(3)的进气口通过第二氧气管(2-2)接一空气分离装置(5)的氧气排气口，空气分离装置(5)的氮气排气口接氮气管(5-1)，空气分离装置(5)的进气口通过空气管道(5-2)接空压机(5-3)。

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