CN219429725U - 一种生活垃圾焚烧发电厂与氢氨醇制备的耦合系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种生活垃圾焚烧发电厂与氢氨醇制备的耦合系统，系统包括生活垃圾焚烧模块、电解水模块、氨合成模块及甲醇合成模块，垃圾焚烧模块包括供气系统、生活垃圾焚烧系统、余热回收系统以及烟气净化系统，电解水模块包括供水系统、电解液储罐、碱性电解槽、第一分离器、第二分离器、氧气储罐与氢气储罐，氨合成模块包括氮氧化物捕集装置、氮氧化物气罐、合成氨反应器、氨气液化装置以及液氨储罐，甲醇合成模块包括二氧化碳捕集装置、二氧化碳气罐、合成甲醇反应器以及甲醇储罐。本实用新型的优点在于充分利用生活垃圾焚烧余热回收系统中产生的蒸汽及余热发电系统产生的低价绿电实现氢氨醇制备，并实现系统内部物质与能量利用率最大化。

Description

一种生活垃圾焚烧发电厂与氢氨醇制备的耦合系统

技术领域

本实用新型涉及新能源制氢、氨、醇技术领域，特别涉及一种生活垃圾焚烧发电厂与氢氨醇制备的耦合系统。

背景技术

在全国各地城镇化率不断上升的过程中，随着人民生活水平的不断提高，人均日产生垃圾量也在不断增加，伴随而来的是日益增长的大量生活垃圾。由于生活垃圾填埋不仅占用大量土地，还会伴有渗滤液二次污染的风险，而生活垃圾焚烧发电技术凭借减量化、资源化显著、基本无二次污染的优势变得不可或缺，全国各地生活垃圾焚烧发电厂数量逐年上升。但随着新国补政策出台，对于一般建设运营周期长达25年的生活垃圾焚烧发电厂而言，新增补贴时间不能超过15年和上网电量不能超过发电机组容量在82500小时内的发电量的相关规定，无疑给生活垃圾焚烧发电行业带来了巨大影响。同时由于我国生活垃圾成分复杂、含水率、含盐量普遍较高，燃烧不充分则会大大提高烟气中二噁英、一氧化碳、氮氧化物的浓度。目前通过加大引入空气的量、控制焚烧炉内温度等措施，以及后续采用多级烟气处理工段，使烟气达标排放，但这样极大的增加了运营成本。

在双碳目标的实施背景下，氢能作为一种清洁新能源，可实现开发到利用全过程的零排放、零污染，是最具发展潜力的高效替代能源。目前，相比于煤制氢、天然气制氢等工艺，电解水制氢是一种工艺简单、获取的氢气纯度高、相对清洁的制氢方式，但制氢过程中85%的成本来源于电，直接利用电网的电，很难大幅降低制氢成本。同时，由于氢气密度很小，体积能量密度低，扩散系数大，氢气燃点低，爆炸极限宽，导致氢气储运困难，储运成本高。

生活垃圾焚烧发电作为一种绿色电力，相比于间歇式发电的光伏和风电，生活垃圾焚烧发电项目分布更广、距离城市更近。且氨和甲醇均是重要的化工产品，易于储存、运输，被众多研究学者认为是氢能储运过程中重要的载体。利用生活垃圾焚烧发电耦合制氢，合成氨和甲醇更具优势，有望成为生活垃圾焚烧发电企业亟需寻求环保和收益双赢的商业模式。目前，相关专利较少。

公开号为CN114277391A的中国专利公开了“一种垃圾焚烧发电耦合电解水制氢系统”，该系统包括垃圾焚烧发电机构和电解水制氢机构，所述垃圾焚烧发电机构用于向电解水制氢机构供电，所述电解水制氢机构通过第一管路和第二管路向所述垃圾焚烧发电机构分别供应氢气和氧气。该专利的核心是利用生活垃圾焚烧产生的电进行电解水制氢，然后利用电解水产生的氢气和氧气与生活垃圾混合燃烧，提高燃烧温度，使生活垃圾燃烧更充分。但氢气作为一种高价值能源或化工原料，再次被燃烧发电，既不经济，能量利用率也会大幅下降，而且在燃烧过程会提高烟气中的含水率，不利用后续能量回收，同时循环水冷却系统的制冷效率较低。

公开号为CN113701162A的中国专利公开了“一种富氧垃圾焚烧发电系统”，该系统包括垃圾储仓、垃圾焚烧系统、渗滤液处理系统、余热回收系统、烟气净化系统、余热发电系统、电解水制氢系统、氢气储运系统、二次风配风系统和一次风配风系统。该专利的核心是利用生活垃圾焚烧产生的电进行电解水制氢，再将电解水产生的氧气与空气混合供入垃圾焚烧系统，提供富氧燃烧环境，提高垃圾焚烧热效率和焚烧温度，降低二噁英的生成，同时产生的氢直接储存后运送至终端客户。虽然利用生活垃圾焚烧产生的低价绿电制氢可以大大降低电解水制氢成本，但在氢的全生命周期中，储运所占的成本也很大，其中直接高压气态储运的成本会所受终端客户运距的影响波动很大，长距离高压气态储运成本更高。

公开号为CN214496146U的中国专利公开了“一种新能源电解制氢与碳捕捉联合制甲醇系统”，该系统包括新能源发电单元、电解制氢单元、二氧化碳捕捉单元、甲醇合成单元以及配电网。该专利的核心是对火电厂烟气中二氧化碳进行捕捉，再利用风力、光伏发电，搭电网进行电解水制氢，合成甲醇。但风力和光伏发电间歇性、波动性具有显著性，为确保电解槽稳定运行，提高使用寿命，为抵消、降低风力和光伏发电的波动性，需在风力和光伏发电建设时建相匹配的大电网，建造成本会显著升高，同时风力和光伏发电的位置一般离城市比较偏远，很难与火电厂实现高度耦合发电制氢。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种生活垃圾焚烧发电厂与氢氨醇制备的耦合系统，从而充分利用生活垃圾焚烧余热回收系统中产生的蒸汽及余热发电系统产生的低价绿电实现氢氨醇制备，并实现系统内部物质与能量利用率最大化。

本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种生活垃圾焚烧发电厂与氢氨醇制备的耦合系统，其特征在于，包括生活垃圾焚烧模块、电解水模块、氨合成模块以及甲醇合成模块；

所述垃圾焚烧模块包括供气系统、生活垃圾焚烧系统、余热回收系统以及烟气净化系统，所述供气系统设置有空气入口，所述供气系统的富氧空气出口与生活垃圾焚烧系统通过管路连接，所述生活垃圾焚烧系统设置有垃圾入口，所述生活垃圾焚烧系统的烟气出口与余热回收系统通过管路连接，所述余热回收系统的烟气出口与烟气净化系统通过管路连接；

所述电解水模块包括供水系统、电解液储罐、碱性电解槽、第一气液分离器、第二气液分离器、氧气储罐与氢气储罐，所述余热回收系统的蒸汽出口与电解液储罐通过管路连接，所述电解液储罐设置有电解液入口，所述电解液储罐的电解液出口与碱性电解槽通过管路连接，所述供水系统设置有进水口，所述供水系统的出水与碱性电解槽通过管路连接，所述碱性电解槽的氢气出口与氧气出口分别通过管路与第一气液分离器、第二气液分离器连接，所述第一气液分离器的氢气出气口与氢气储罐通过管路连接，所述第二气液分离器的氧气出气口与氧气储罐通过管路连接，所述氧气储罐的氧气出气口与供气系统通过管路连接；

所述氨合成模块包括氮氧化物捕集装置、氮氧化物气罐、合成氨反应器、氨气液化装置以及液氨储罐，所述烟气净化系统的出气口与氮氧化物捕集装置通过管路连接，所述氮氧化物捕集装置的氮氧化物出口与氮氧化物气罐通过管路连接，所述氮氧化物气罐的氮氧化物出口与合成氨反应器通过管路连接，所述氢气储罐的氢气出口与合成氨反应器通过管路连接，所述合成氨反应器的氨气出口与氨气液化装置通过管路连接，所述氨气液化装置的液氨出口与液氨储罐通过管路连接；

所述甲醇合成模块包括二氧化碳捕集装置、二氧化碳气罐、合成甲醇反应器以及甲醇储罐，所述烟气净化系统的出气口与二氧化碳捕集装置通过管路连接，所述二氧化碳捕集装置的二氧化碳出口与二氧化碳气罐通过管路连接，所述二氧化碳气罐的出口与合成甲醇反应器通过管路连接，所述氢气储罐的氢气出口与合成甲醇反应器通过管路连接，所述合成甲醇反应器的甲醇出口与甲醇储罐通过管路连接。

优选的，所述垃圾焚烧模块还包括余热发电模块，所述余热回收系统的蒸汽出口还与余热发电模块通过管路连接，所述余热发电模块的电源输出端分别与供气系统、碱性电解槽以及氨气液化装置连接。

优选的，所述第一气液分离器与第二气液分离器的电解液出口与电解液储罐通过管路连接。

优选的，所述第一气液分离器与氢气储罐之间的管路上沿氢气流向还依次连接有第一气体冷却器与第一气体干燥器，所述第二气液分离器与氧气储罐之间的管路上沿氧气流向还依次连接有第二气体冷却器与第二气体干燥器。

优选的，所述液氨储罐的液氨出口分别与第一气体冷却器、第二气体冷却器通过管路连接。

优选的，所述合成甲醇反应器与合成氨反应器的出水口与供水系统通过管路连接。

优选的，所述二氧化碳捕集装置与氮氧化物捕集装置之间通过循环管路连接。

综上所述，本实用新型具有以下有益效果：

通过上述生活垃圾焚烧发电厂与氢氨醇生产制备的耦合系统，可以充分利用生活垃圾焚烧余热回收系统中产生的蒸汽及余热发电系统产生的低价绿电，实现碱性电解槽的快速启动，然后利用制取的氢气与烟气中捕集的氮氧化物、二氧化碳合成氨、甲醇，实现与生活垃圾焚烧发电厂的高度耦合，并解决氢储运成本高、难的问题。

本实用新型所提供的生活垃圾焚烧发电厂与氢氨醇生产制备的耦合系统，可将电解水制氢过程中产生的副产物氧气与生活垃圾焚烧供气系统中的空气进行混合，为生活垃圾焚烧系统提供富氧燃烧环境，提高焚烧温度和燃烧效率，提高碱性电解水的能量利用效率，降低烟气中一氧化氮、一氧化碳、二噁英等污染物的生成，实现生活垃圾焚烧发电厂碳、氮化合物零排放。

本实用新型所提供的生活垃圾焚烧发电厂与氢氨醇生产制备的耦合系统，可以将合成的液氨作为电解水制氢过程中气体冷却系统中的制冷剂，以提供更加高效的制冷效率。

本实用新型所提供的生活垃圾焚烧发电厂与氢氨醇生产制备的耦合系统，通过管路将合成氨、甲醇过程中产生的水与碱性电解水制氢供水系统连接，实现了全量节水，整个系统的物质与能量利用率均达到最大。

附图说明

图1是本实用新型的一种生活垃圾焚烧发电厂与氢氨醇制备的耦合系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明，本实施例不构成对本实用新型的限制。

如图1所示的一种生活垃圾焚烧发电厂与氢氨醇制备的耦合系统，包括生活垃圾焚烧模块、电解水模块、氨合成模块以及甲醇合成模块。

垃圾焚烧模块包括供气系统、生活垃圾焚烧系统、余热回收系统以及烟气净化系统，供气系统设置有空气入口，供气系统的富氧空气出口与生活垃圾焚烧系统通过管路连接，生活垃圾焚烧系统设置有垃圾入口，生活垃圾焚烧系统的烟气出口与余热回收系统通过管路连接，余热回收系统的烟气出口与烟气净化系统通过管路连接。

电解水模块包括供水系统、电解液储罐、碱性电解槽、第一气液分离器、第二气液分离器、氧气储罐与氢气储罐，余热回收系统的蒸汽出口与电解液储罐通过管路连接，电解液储罐设置有电解液入口，电解液储罐的电解液出口与碱性电解槽通过管路连接，供水系统设置有进水口，供水系统的出水与碱性电解槽通过管路连接，碱性电解槽的氢气出口与氧气出口分别通过管路与第一气液分离器、第二气液分离器连接，第一气液分离器的氢气出气口与氢气储罐通过管路连接，第二气液分离器的氧气出气口与氧气储罐通过管路连接，氧气储罐的氧气出气口与供气系统通过管路连接。

氨合成模块包括氮氧化物捕集装置、氮氧化物气罐、合成氨反应器、氨气液化装置以及液氨储罐，烟气净化系统的出气口与氮氧化物捕集装置通过管路连接，氮氧化物捕集装置的氮氧化物出口与氮氧化物气罐通过管路连接，氮氧化物气罐的氮氧化物出口与合成氨反应器通过管路连接，氢气储罐的氢气出口与合成氨反应器通过管路连接，合成氨反应器的氨气出口与氨气液化装置通过管路连接，氨气液化装置的液氨出口与液氨储罐通过管路连接。

甲醇合成模块包括二氧化碳捕集装置、二氧化碳气罐、合成甲醇反应器以及甲醇储罐，烟气净化系统的出气口与二氧化碳捕集装置通过管路连接，二氧化碳捕集装置的二氧化碳出口与二氧化碳气罐通过管路连接，二氧化碳气罐的出口与合成甲醇反应器通过管路连接，氢气储罐的氢气出口与合成甲醇反应器通过管路连接，合成甲醇反应器的甲醇出口与甲醇储罐通过管路连接。

垃圾焚烧模块还包括余热发电模块，余热回收系统的蒸汽出口还与余热发电模块通过管路连接，余热发电模块的电源输出端分别与供气系统、碱性电解槽以及氨气液化装置连接，余热发电系统产生的低价绿电，能够实现碱性电解槽的快速启动，并且减少整体的生产成本。

第一气液分离器与第二气液分离器的电解液出口与电解液储罐通过管路连接，从而将分离出的电解液液体重新回流至电解液储罐进行回收利用，避免浪费。

第一气液分离器与氢气储罐之间的管路上沿氢气流向还依次连接有第一气体冷却器与第一气体干燥器，第二气液分离器与氧气储罐之间的管路上沿氧气流向还依次连接有第二气体冷却器与第二气体干燥器。

液氨储罐的液氨出口分别与第一气体冷却器、第二气体冷却器通过管路连接，以提供更加高效的制冷效率，提升系统整体的物质与能量利用率。

合成甲醇反应器与合成氨反应器的出水口与供水系统通过管路连接，实现了全量节水。

二氧化碳捕集装置与氮氧化物捕集装置之间通过循环管路连接，从而实现对二氧化碳与氮氧化物的充分捕集与后续利用，最大化利用率。

一种生活垃圾焚烧发电厂与氢氨醇制备的耦合方法，包括如下步骤：

垃圾进入生活垃圾焚烧系统实现焚烧后产生的高温烟气进入余热回收系统，部分蒸汽进入余热发电系统产生电力，产生的电力供给供气系统、碱性电解槽以及氨气液化装置。

电解液储罐内的电解液进入碱性电解槽内进行电解，供水系统内包括除盐、除氧设备，从而为碱性电解槽提供制备的纯水，供水系统内的进水可以是湖泊等地表水、自来水、地下水等，也可以是生活垃圾焚烧发电厂污水处理车间出水，碱性电解槽电解产生的氢气分别通过第一气液分离器、第一气体冷却器与第一气体干燥器处理后存储进入氢气储罐，氢气储罐内部分氢气后续进行氨气与甲醇合成，部分直接装瓶进行外售，碱性电解槽电解产生的氧气分别通过第二气液分离器、第二气体冷却器与第二气体干燥器处理后存储进入氧气储罐，氧气储罐内部分氧气通过供气系统与空气形成富氧空气进入生活垃圾焚烧系统，从而提供富氧燃烧环境，以提高燃烧效率和碱性电解水能量利用效率，同时降低烟气中一氧化氮、一氧化碳、二噁英等污染物的生成，另外部分氧气可直接装瓶进行外售。

余热回收系统产生的烟气进入烟气净化系统，烟气净化系统对烟气净化后排出二氧化碳与氮氧化物，二氧化碳与氮氧化物循环通过二氧化碳捕集装置与氮氧化物捕集装置各自实现捕集。

二氧化碳捕集装置将捕集到的二氧化碳收集至二氧化碳气罐，二氧化碳气罐与氢气储罐分别输出二氧化碳与氢气进入合成甲醇反应器内进行甲醇的合成反应，合成得到的甲醇收集储入甲醇储罐中，甲醇储罐内的甲醇可直接进行外售。

氮氧化物捕集装置将捕集到的氮氧化物收集至氮氧化物气罐，氮氧化物气罐与氢气储罐分别输出氮氧化物与氢气进入合成氨反应器内进行氨气的合成，合成得到的氨气经过氨气液化装置形成液氨收集储入液氨储罐中。

余热回收系统内的另一部分蒸汽进入电解液储罐中进行加热保温，以保障碱性电解槽始终维持在80℃左右的运行温度，实现快速启动的同时提高电解效率。

合成甲醇反应器与合成氨反应器反应得到的水进入供水系统内进行循环使用，液氨储罐内的部分液氨作为冷却剂进入第一气体冷却器与第二气体冷却器进行冷却，部分可直接进行外售。

本实用新型能够通过生活垃圾焚烧余热回收系统中产生的蒸汽及余热发电系统产生的低价绿电来快速启动碱性电解槽电解水制氢，再与烟气中捕集的氮氧化物、二氧化碳合成制氨、甲醇，以解决氢储运成本高、难的问题，为垃圾焚烧发电行业增加效益提供一种新的商业模式。同时，电解水制氢过程中气体冷却系统采用系统合成的液氨，以提高冷却效率；电解水制氢过程中产生的副产物氧气，可为生活垃圾焚烧系统提供富氧燃烧环境，提高焚烧温度和燃烧效率，降低烟气中一氧化氮、一氧化碳、二噁英等污染物的生成，实现生活垃圾焚烧发电厂碳、氮化合物零排放；合成氨、甲醇过程中生成的水全量进入碱性电解水制氢供水系统，实现无水排放。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，不用于限制本实用新型，本领域技术人员可以在本实用新型的实质和保护范围内，对本实用新型做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种生活垃圾焚烧发电厂与氢氨醇制备的耦合系统，其特征在于，包括生活垃圾焚烧模块、电解水模块、氨合成模块以及甲醇合成模块；

所述垃圾焚烧模块包括供气系统、生活垃圾焚烧系统、余热回收系统以及烟气净化系统，所述供气系统设置有空气入口，所述供气系统的富氧空气出口与生活垃圾焚烧系统通过管路连接，所述生活垃圾焚烧系统设置有垃圾入口，所述生活垃圾焚烧系统的烟气出口与余热回收系统通过管路连接，所述余热回收系统的烟气出口与烟气净化系统通过管路连接；

所述电解水模块包括供水系统、电解液储罐、碱性电解槽、第一气液分离器、第二气液分离器、氧气储罐与氢气储罐，所述余热回收系统的蒸汽出口与电解液储罐通过管路连接，所述电解液储罐设置有电解液入口，所述电解液储罐的电解液出口与碱性电解槽通过管路连接，所述供水系统设置有进水口，所述供水系统的出水与碱性电解槽通过管路连接，所述碱性电解槽的氢气出口与氧气出口分别通过管路与第一气液分离器、第二气液分离器连接，所述第一气液分离器的氢气出气口与氢气储罐通过管路连接，所述第二气液分离器的氧气出气口与氧气储罐通过管路连接，所述氧气储罐的氧气出气口与供气系统通过管路连接；

所述氨合成模块包括氮氧化物捕集装置、氮氧化物气罐、合成氨反应器、氨气液化装置以及液氨储罐，所述烟气净化系统的出气口与氮氧化物捕集装置通过管路连接，所述氮氧化物捕集装置的氮氧化物出口与氮氧化物气罐通过管路连接，所述氮氧化物气罐的氮氧化物出口与合成氨反应器通过管路连接，所述氢气储罐的氢气出口与合成氨反应器通过管路连接，所述合成氨反应器的氨气出口与氨气液化装置通过管路连接，所述氨气液化装置的液氨出口与液氨储罐通过管路连接；

所述甲醇合成模块包括二氧化碳捕集装置、二氧化碳气罐、合成甲醇反应器以及甲醇储罐，所述烟气净化系统的出气口与二氧化碳捕集装置通过管路连接，所述二氧化碳捕集装置的二氧化碳出口与二氧化碳气罐通过管路连接，所述二氧化碳气罐的出口与合成甲醇反应器通过管路连接，所述氢气储罐的氢气出口与合成甲醇反应器通过管路连接，所述合成甲醇反应器的甲醇出口与甲醇储罐通过管路连接。

2.根据权利要求1所述的一种生活垃圾焚烧发电厂与氢氨醇制备的耦合系统，其特征在于：所述垃圾焚烧模块还包括余热发电模块，所述余热回收系统的蒸汽出口还与余热发电模块通过管路连接，所述余热发电模块的电源输出端分别与供气系统、碱性电解槽以及氨气液化装置连接。

3.根据权利要求1所述的一种生活垃圾焚烧发电厂与氢氨醇制备的耦合系统，其特征在于：所述第一气液分离器与第二气液分离器的电解液出口与电解液储罐通过管路连接。

4.根据权利要求1所述的一种生活垃圾焚烧发电厂与氢氨醇制备的耦合系统，其特征在于：所述第一气液分离器与氢气储罐之间的管路上沿氢气流向还依次连接有第一气体冷却器与第一气体干燥器，所述第二气液分离器与氧气储罐之间的管路上沿氧气流向还依次连接有第二气体冷却器与第二气体干燥器。

5.根据权利要求4所述的一种生活垃圾焚烧发电厂与氢氨醇制备的耦合系统，其特征在于：所述液氨储罐的液氨出口分别与第一气体冷却器、第二气体冷却器通过管路连接。

6.根据权利要求1所述的一种生活垃圾焚烧发电厂与氢氨醇制备的耦合系统，其特征在于：所述合成甲醇反应器与合成氨反应器的出水口与供水系统通过管路连接。

7.根据权利要求1所述的一种生活垃圾焚烧发电厂与氢氨醇制备的耦合系统，其特征在于：所述二氧化碳捕集装置与氮氧化物捕集装置之间通过循环管路连接。