CN215711818U - 依托火力发电厂的高效清洁合成氨/尿素的系统 - Google Patents

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金绪良
王海刚
陈坤洋
杨钧晗
贾嘉
殷爱鸣
聂晋峰
马林
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Abstract

本实用新型的依托火力发电厂的高效清洁合成氨/尿素的系统，其中，本实用新型的依托火力发电厂的高效清洁合成氨/尿素的系统，包括：烟气分离纯化系统、电解制氢系统、合成氨或尿素装置，合成氨或尿素装置与烟气分离纯化系统、电解制氢系统分别连接。本实用新型将火力发电厂排出的烟气中的氮气、CO2、水分离纯化；对烟气分离纯化得到的水进行电解，以得到氢气；将烟气分离纯化得到的氮气、CO2以及由电解制氢系统得到的氢气合成氨或尿素。本实用新型的技术方案采用烟气分离纯化、电解水制氢、工业合成氨尿素技术相结合的方式，实现了火力发电厂烟气零排放，在应对碳达峰及碳中和方面具有良好的环境效益。

Description

依托火力发电厂的高效清洁合成氨/尿素的系统
技术领域
本实用新型涉及制备尿素的工艺与设备，主要涉及一种依托火力发电厂的高效清洁合成氨/尿素的系统。
背景技术
气候变化是目前存在的全球性问题，自从工业革命开始以来，大气中各类温室气体的浓度显著增加。以二氧化碳(CO2)为例，在夏威夷的莫纳罗阿天文台测得的平均浓度已从1959年的316ppm上升到2019年的411ppm以上。工业革命以来，全球CO2排放量已增加40％，全球气候正在急剧变化，气候的变化导致气温的上升，进而对自然生态系统带来威胁，从而影响生物多样性。作为CO2排放大户，火力发电厂烟气排放问题日益突出。
在此背景下，寻求火力发电厂烟气减排技术显得尤为重要。目前，火力发电厂烟气减排主要集中在CO2减排，常见的CO2减排技术为二氧化碳捕集利用及封存技术(CCUS)。CCUS技术主要分为燃烧前碳捕集技术、富氧燃烧技术和燃烧后碳捕集技术，迄今为止，燃烧前脱碳技术在IGCC发电厂中已有大规模工业应用的示范工程，但该技术具有工艺复杂，兼容性差，成本高等缺点，导致其发展缓慢。富氧燃烧技术仍处于中试阶段，制氧过程的高投资和高能耗大大制约了该技术的发展，难以大规模商业化建设和运行。燃烧后碳捕集技术是目前应用最广的技术，但CO2的封存和利用仍存在明显的局限，当前应用最成熟的CO2驱油或地质封存对地域条件要求较高，研发电厂烟气大规模综合利用技术十分必要。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种依托火力发电厂的高效清洁合成氨/尿素的系统。
本实用新型的依托火力发电厂的高效清洁合成氨/尿素的系统，包括：用于将火力发电厂排出的烟气中的氮气、CO2、水分离纯化的烟气分离纯化系统；用于对所述烟气分离纯化得到的水进行电解，以得到氢气的电解制氢系统，与烟气分离纯化系统连接；用于将所述烟气分离纯化得到的氮气、CO2以及由电解制氢系统得到的氢气合成氨或尿素的合成氨或尿素装置；与烟气分离纯化系统、电解制氢系统分别连接。
本实用新型的依托火力发电厂的高效清洁合成氨/尿素的系统，其中，烟气分离纯化系统包括：与火力发电厂的排烟装置分别连接的CO2捕集装置、氮气捕集装置以及烟气取水装置。
本实用新型的依托火力发电厂的高效清洁合成氨/尿素的系统，其中，CO2捕集装置为化学吸收法碳捕集装置、吸附法碳捕集装置或膜分离法碳捕集装置。
本实用新型的依托火力发电厂的高效清洁合成氨/尿素的系统，其中，膜分离法碳捕集装置用于根据各组分在膜中渗透速率的不同，利用膜两侧压力差作为推动力，实现气体分离，用于CO2分离的膜为有机膜或无机膜或混合基质膜，所述有机膜为聚氧乙烯膜、聚砜膜或聚酯膜。
本实用新型的技术方案采用烟气分离纯化、电解水制氢、工业合成氨尿素技术相结合的方式，实现了火力发电厂烟气零排放，在应对碳达峰及碳中和方面具有良好的环境效益。
附图说明
图1为本实用新型的依托火力发电厂的高效清洁合成氨/尿素的系统的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型的依托火力发电厂的高效清洁合成氨/尿素的系统，其特征在于，包括：用于将火力发电厂排出的烟气中的氮气、CO2、水分离纯化的烟气分离纯化系统；用于对所述烟气分离纯化得到的水进行电解，以得到氢气的电解制氢系统，与烟气分离纯化系统连接；用于将所述烟气分离纯化得到的氮气、CO2以及由电解制氢系统得到的氢气合成氨或尿素的合成氨或尿素装置；与烟气分离纯化系统、电解制氢系统分别连接。
本实用新型的依托火力发电厂的高效清洁合成氨/尿素的系统，其中，烟气分离纯化系统包括：与火力发电厂的排烟装置分别连接的CO2捕集装置、氮气捕集装置以及烟气取水装置。
本实用新型的依托火力发电厂的高效清洁合成氨/尿素的系统，其中，CO2捕集装置为化学吸收法碳捕集装置、吸附法碳捕集装置或膜分离法碳捕集装置。
本实用新型的依托火力发电厂的高效清洁合成氨/尿素的系统，其中，膜分离法碳捕集装置用于根据各组分在膜中渗透速率的不同，利用膜两侧压力差作为推动力，实现气体分离，用于CO2分离的膜为有机膜或无机膜或混合基质膜，所述有机膜为聚氧乙烯膜、聚砜膜或聚酯膜。
一种依托火力发电厂的高效清洁合成氨/尿素的方法，包括：
将火力发电厂排出的烟气中的氮气、CO2、水分离纯化；
对所述烟气分离纯化得到的水进行电解，以得到氢气；
将所述烟气分离纯化得到的氮气、CO2以及由电解制氢系统得到的氢气合成氨或尿素。
本实用新型的依托火力发电厂的高效清洁合成氨/尿素的方法，其中，将火力发电厂排出的烟气中的氮气、CO2、水分离纯化包括CO2捕集纯化，CO2捕集纯化为化学吸收法碳捕集、吸附法碳捕集或膜分离法碳捕集。
本实用新型的依托火力发电厂的高效清洁合成氨/尿素的方法，其中，膜分离法碳捕集根据各组分在膜中渗透速率的不同，利用膜两侧压力差作为推动力，实现气体分离，用于CO2分离的膜为有机膜或无机膜或混合基质膜，所述有机膜为聚氧乙烯膜、聚砜膜或聚酯膜。
本实用新型的依托火力发电厂的高效清洁合成氨/尿素的方法，其中，吸附法碳捕集为变温吸附、变电吸附、变压吸附或变温变压吸附。
本实用新型的依托火力发电厂的高效清洁合成氨/尿素的方法，其中，变压吸附通过控制压力的周期性变化，在高压时对进气中的CO2进行吸收，低压时解析出CO2。
本实用新型的技术方案采用烟气分离纯化、电解水制氢、工业合成氨尿素技术相结合的方式，实现了火力发电厂烟气零排放，在应对碳达峰及碳中和方面具有良好的环境效益。
本实用新型的技术方案采用烟气分离纯化、电解水制氢、工业合成氨尿素技术相结合的方式，实现了火力发电厂烟气零排放，在应对碳达峰及碳中和方面具有良好的环境效益。
膜分离法碳捕集装置根据各组分在膜中渗透速率的不同，利用膜两侧压力差作为推动力，实现气体分离。气体分离膜的分离能力与膜材料的结构及膜材料对不同气体的选择性有关。用于CO2分离的膜有有机膜，如聚氧乙烯、聚砜、聚酯等，但由于膜材料分离性能和稳定性差，应用受限。后开发出分离性能和稳定性高的膜材料，如无机膜(如金属、沸石、碳膜等)和混合基质膜等。膜分离法具有设备体积小、投资少、能耗低、易操作、易维护等优点，被认为是最有发展潜力的CO2分离技术。
N2捕集装置多采用深冷分离法，即将空气冷却到-150℃以下，再用低温精馏的方法实现分离。该法可以同时得到氮气和氧气，还可以得到液氮和液氧。变压吸附法和膜分离法是近年新兴的分离方法，但是存在产品浓度不够高、回收率较低等问题，需要通过改进吸附剂和研发高分子膜来克服。
烟气取水装置采用膜分离法烟气取水装置。
电解制氢系统为碱性电解水制氢、质子交换膜电解制氢或高温固体氧化物电解制氢装置。
本实用新型的依托火力发电厂的高效清洁合成氨/尿素的方法：系统工作时，将火力发电厂烟气中的氮气、CO2、水(H2O)分别通过CO2捕集装置、氮气(N2)捕集装置以及烟气取水装置进行分离纯化，其中N2与电解水制氢的H2反应生成氨(NH3)，NH3再与CO2合成尿素，分离出来的H2O可用做电解水制氢的原料。
本实用新型的技术方案技术效果如下：
a)提高火力发电厂资源综合利用能力。通过此工艺回收的CO2和H2O 可为火力发电厂节约大量成本，生产的产品氨或尿素可回用到电厂。
b)改变合成氨尿素工艺的原料路线。以天然气为原料的合成氨装置因投资低、能耗低、成本低的缘故，世界上大多数合成氨厂仍以气体燃料为主要原料。但是天然气储量有限，且此工艺路线将排放大量CO2，因此寻求新的合成氨尿素工艺路线是当务之急。
c)电解制氢可为火电厂调峰。可再生能源(风电、光伏、核电等)大量上网，并在未来电源结构中占比越来越大。风电、光伏发电等随机性和波动性比较大，因此需要运行稳定的火电机组进行调峰调频。电解制氢装置因其启动快、出力调节速度快的特点，可对火电机组进行精确调峰调频，在火电调峰中发挥重要作用。
d)此工艺系统中的副产物氧气可用于锅炉富氧燃烧。在3060碳达峰、碳中和愿景下，火电厂二氧化碳减排是大势所趋，富氧燃烧是碳捕集技术的重要手段之一。此外，富氧燃烧可以大幅提高烟气中的二氧化碳浓度到80％以上，极大的降低了碳捕集的难度及能耗。
选取某火力发电厂，引取一段300Nm3/h烟气，进行烟气分离纯化，在厂区空地合适位置建设一座电解制氢站，另选取合适位置建设合成氨尿素装置。烟气分离采用水洗脱硫塔去除杂气，碳捕集装置分离纯化二氧化碳，后续烟气进入膜分离装置进行烟气取水，剩余氮气收集进入合成氨尿素装置。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种依托火力发电厂的高效清洁合成氨/尿素的系统，其特征在于，包括：用于将火力发电厂排出的烟气中的氮气、CO2、水分离纯化的烟气分离纯化系统；用于对所述烟气分离纯化得到的水进行电解，以得到氢气的电解制氢系统，与烟气分离纯化系统连接；用于将所述烟气分离纯化得到的氮气、CO2以及由电解制氢系统得到的氢气合成氨或尿素的合成氨或尿素装置；与烟气分离纯化系统、电解制氢系统分别连接。
2.根据权利要求1所述的依托火力发电厂的高效清洁合成氨/尿素的系统，其特征在于，烟气分离纯化系统包括：与火力发电厂的排烟装置分别连接的CO2捕集装置、氮气捕集装置以及烟气取水装置。
3.根据权利要求2所述的依托火力发电厂的高效清洁合成氨/尿素的系统，其特征在于，CO2捕集装置为化学吸收法碳捕集装置、吸附法碳捕集装置或膜分离法碳捕集装置。
4.根据权利要求3所述的依托火力发电厂的高效清洁合成氨/尿素的系统，其特征在于，膜分离法碳捕集装置用于根据各组分在膜中渗透速率的不同，利用膜两侧压力差作为推动力，实现气体分离，用于CO2分离的膜为有机膜或无机膜或混合基质膜，所述有机膜为聚氧乙烯膜、聚砜膜或聚酯膜。
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