一种基于空气中氮氧分离的高集成发电系统及方法与流程

本申请涉及发电，尤其涉及一种基于空气中氮氧分离的高集成发电系统及方法。

背景技术：

1、目前，燃煤发电是主体性电源，为解决传统燃煤锅炉碳排放量大的问题，部分火力发电系统选用氢或氨作为煤炭替代材料来实现减碳，但氢液化压力高,存在难以储存和运输且替代技术尚不成熟等弊端。氨作为典型的零碳燃料，具有安全、储运成本低、燃烧零碳排放等优点，但氨煤混燃所用氨气为灰氨，是天然气蒸汽重整氢气及空气分离的氮气通过传统哈伯法合成氨，该工艺伴随大量co2气体排放。

2、利用传统空气分离氮气，并利用氮气和氢气合成氨气也可作为替代煤炭的燃料实现减碳，但是传统空气分离氮气通常采用深冷分离法，但该方法需在超低压和高温条件下运行，存在产气成本高，对设备要求高，工程造价大，安装费用高的缺点。变压吸附法通常单一的被用作制氧机，空气中占比70％的氮气以废气的形式排出，导致整个系统利用率较低，且变压吸附由于需要解吸，不能连续产出氧气和氮气。此外，电解水系统电解水得到氢气和合成氨系统运行耗电量大，因此如何提出一种发电系统，能够利用传统空气分离氮气并实现低耗能发电是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

2、为此，本申请的目的在于提出一种基于空气中氮氧分离的高集成发电系统及方法，通过压缩空气进入氮氧分离系统连续不间断的分离出氮气和氧气，电解水制氢系统制备出氢气和氧气，氢气和氮气作为原料在合成氨系统中制备绿氨，将制备出来的氨气根据现场需求量一部分送入氨煤混燃发电系统锅炉发电；同时电解水制氢系统制备的氧气以及空气分离系统分离的氧气送入氨煤混燃发电系统来实现富氧燃烧。此外合成氨系统剩余的另一部分绿氨可用于氨煤混燃发电系统中燃烧尾气的脱硫、脱硝、脱碳处理。

3、为达到上述目的，本申请提出的一种基于空气中氮氧分离的高集成发电系统，包括

4、氮氧分离系统；其包括分别用于吸收压缩空气中氧气和氮气的第一分离子系统和第二分离子系统，实现所述压缩空气中氧气和氮气的分离；

5、电解水制氢系统，其电解水得到氢气和氧气；

6、合成氨系统，其分别与所述氮氧分离系统和所述电解水制氢系统连接，并接收氮气和氢气用于合成氨气；以及

7、氨煤混燃发电系统，其分别与所述合成氨系统、所述氮氧分离系统和所述电解水制氢系统连接，用以将所述合成氨系统输出的氨气以及所述氮氧分离系统和所述电解水制氢系统输出的氧气在锅炉中燃烧发电。

8、在一些实施例中，还包括尾气处理系统，其分别与所述氨煤混燃发电系统和所述合成氨系统连接，将所述氨煤混燃发电系统的燃烧尾气输送至所述尾气处理系统中进行脱硫、脱硝以及脱碳处理；所述合成氨系统输出氨气进入所述尾气处理系统中，用于对燃烧尾气的脱硫、脱硝以及脱碳处理。

9、在一些实施例中，所述第一分离子系统包括第一空气压缩组件和氧气吸附组件；其中所述第一空气压缩组件生产压缩空气并与所述氧气吸附组件连接，用以将压缩空气输至所述氧气吸附组件中；所述氧气吸附组件吸收压缩空气中的氧气，并将分离出的氮气输出；在氮气输出后，将所述氧气吸附组件中吸附材料进行解析释放出氧气并输出。

10、在一些实施例中，所述氧气吸附组件包括碳分子筛左吸附塔和碳分子筛右吸附塔；其中所述碳分子筛左吸附塔和所述碳分子筛右吸附塔均与所述第一空气压缩组件连接，且所述碳分子筛左吸附塔和所述碳分子筛右吸附塔之间连通有第一均压阀，用以平衡两者之间的压力。

11、在一些实施例中，所述碳分子筛左吸附塔和所述碳分子筛右吸附塔均包括塔体和设置在所述塔体内的间隔平行设置的多个碳分子筛吸附柱；所述碳分子筛吸附柱之间错落设置多个导流板实现氧气和氮气分离。

12、在一些实施例中，所述第二分离子系统包括第二空气压缩组件和氮气吸附组件；其中所述第二空气压缩组件生产压缩空气并与所述氮气吸附组件连接，用以将压缩空气输至所述氮气吸附组件中；所述氮气吸附组件吸收压缩空气中的氮气，并将分离出的氧气输出；在氧气输出后，将所述氮气吸附组件中吸附材料进行解析释放出氮气并输出。

13、在一些实施例中，所述氮气吸附组件包括填充有分子筛的沸石左吸附塔和沸石右吸附塔；其中所述沸石左吸附塔和所述沸石右吸附塔均与所述第二空气压缩组件连接，且所述沸石左吸附塔和所述沸石右吸附塔之间连通有第二均压阀，用以平衡其中的压力。

14、在一些实施例中，所述第一空气压缩组件和所述第二空气压缩组件均包括上下游依次连接的空气压缩机和空气缓冲罐、空气干燥机和空气过滤器；用于将空气压缩后进行干燥、过滤后输出。

15、在一些实施例中，所述电解水制氢系统利用所述氨煤混燃发电系统的富余电力进行电解水，包括电解水槽、氢气分离组件、氧气分离组件和循环水通路；其中电解水槽的氢气出口和氧气出口分别与所述氢气分离组件和所述氧气分离组件连接，所述氢气分离组件和所述氧气分离组件分离出的水通过所述循环水通路输出至所述电解水槽中；所述氢气分离组件将氢气分离后输至所述合成氨系统；所述氧气分离组件将氧气分离后输至所述氨煤混燃发电系统。

16、在一些实施例中，所述氢气分离组件和所述氧气分离组件均包括依次连接的气体分离器、干燥器和气体缓冲罐，用于将分离的气体进行处理后输送至下游。

17、本申请根据第二个方面还提出了，一种基于空气中氮氧分离的高集成发电系统的发电方法，利用上述任一实施例中所述的发电系统进行发电，包括：

18、利用氮氧分离系统分别将压缩空气中氧气和氮气分离，并将氮气与电解水制氢系统输出的氢气共同输入合成氨系统合成氨气；

19、所述合成氨系统输出的氨气输至氨煤混燃发电系统进行燃烧发电，并将所述氮氧分离系统和所述电解水制氢系统输出的氧气送入所述氨煤混燃发电系统富氧助燃。

20、在一些实施例中，压缩空气进入所述氧气吸附组件中时，先进入所述碳分子筛左吸附塔进行氧气吸附并进行均压，当所述碳分子筛左吸附塔中的气体浓度达到设定值时，压缩空气进入所述碳分子筛右吸附塔并进行所述碳分子筛左吸附塔中的吸附材料进行解析释放出氧气并输出。

21、在一些实施例中，压缩空气进入所述氮气吸附组件时，先进入所述沸石左吸附塔进行氮气吸附并进行均压，当所述沸石左吸附塔中的气体浓度达到设定值时，压缩空气进入所述沸石右吸附塔并将所述沸石左吸附塔中的吸附材料进行解析释放出氮气并输出。

22、本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

技术特征：

1.一种基于空气中氮氧分离的高集成发电系统，其特征在于，包括

2.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，还包括尾气处理系统，其分别与所述氨煤混燃发电系统和所述合成氨系统连接，将所述氨煤混燃发电系统的燃烧尾气输送至所述尾气处理系统中进行脱硫、脱硝以及脱碳处理；所述合成氨系统输出氨气进入所述尾气处理系统中，用于对燃烧尾气的脱硫、脱硝以及脱碳处理。

3.根据权利要求1或2所述的发电系统，其特征在于，所述第一分离子系统包括第一空气压缩组件和氧气吸附组件；其中所述第一空气压缩组件生产压缩空气并与所述氧气吸附组件连接，用以将压缩空气输至所述氧气吸附组件中；所述氧气吸附组件吸收压缩空气中的氧气，并将分离出的氮气输出；在氮气输出后，将所述氧气吸附组件中吸附材料进行解析释放出氧气并输出。

4.根据权利要求3所述的发电系统，其特征在于，所述氧气吸附组件包括碳分子筛左吸附塔和碳分子筛右吸附塔；其中所述碳分子筛左吸附塔和所述碳分子筛右吸附塔均与所述第一空气压缩组件连接，且所述碳分子筛左吸附塔和所述碳分子筛右吸附塔之间连通有第一均压阀，用以平衡两者之间的压力。

5.根据权利要求3所述的发电系统，其特征在于，所述碳分子筛左吸附塔和所述碳分子筛右吸附塔均包括塔体和设置在所述塔体内的间隔平行设置的多个碳分子筛吸附柱；所述碳分子筛吸附柱之间错落设置多个导流板实现氧气和氮气分离。

6.根据权利要求3所述的发电系统，其特征在于，所述第二分离子系统包括第二空气压缩组件和氮气吸附组件；其中所述第二空气压缩组件生产压缩空气并与所述氮气吸附组件连接，用以将压缩空气输至所述氮气吸附组件中；所述氮气吸附组件吸收压缩空气中的氮气，并将分离出的氧气输出；在氧气输出后，将所述氮气吸附组件中吸附材料进行解析释放出氮气并输出。

7.根据权利要求6所述的发电系统，其特征在于，所述氮气吸附组件包括填充有分子筛的沸石左吸附塔和沸石右吸附塔；其中所述沸石左吸附塔和所述沸石右吸附塔均与所述第二空气压缩组件连接，且所述沸石左吸附塔和所述沸石右吸附塔之间连通有第二均压阀，用以平衡其中的压力。

8.根据权利要求7所述的发电系统，其特征在于，所述第一空气压缩组件和所述第二空气压缩组件均包括上下游依次连接的空气压缩机和空气缓冲罐、空气干燥机和空气过滤器；用于将空气压缩后进行干燥、过滤后输出。

9.根据权利要求8所述的发电系统，其特征在于，所述电解水制氢系统利用所述氨煤混燃发电系统的富余电力进行电解水，包括电解水槽、氢气分离组件、氧气分离组件和循环水通路；其中电解水槽的氢气出口和氧气出口分别与所述氢气分离组件和所述氧气分离组件连接，所述氢气分离组件和所述氧气分离组件分离出的水通过所述循环水通路输出至所述电解水槽中；所述氢气分离组件将氢气分离后输至所述合成氨系统；所述氧气分离组件将氧气分离后输至所述氨煤混燃发电系统。

10.根据权利要求8所述的发电系统，其特征在于，所述氢气分离组件和所述氧气分离组件均包括依次连接的气体分离器、干燥器和气体缓冲罐，用于将分离的气体进行处理后输送至下游。

11.一种基于空气中氮氧分离的高集成发电系统的发电方法，其特征在于，利用权利要求1-10中任一所述的发电系统进行发电，包括：

12.根据权利要求11所述的发电方法，其特征在于，包括：压缩空气进入所述氧气吸附组件中时，先进入所述碳分子筛左吸附塔进行氧气吸附并进行均压，当所述碳分子筛左吸附塔中的气体浓度达到设定值时，压缩空气进入所述碳分子筛右吸附塔并进行所述碳分子筛左吸附塔中的吸附材料进行解析释放出氧气并输出。

13.根据权利要求11所述的发电方法，其特征在于，压缩空气进入所述氮气吸附组件时，先进入所述沸石左吸附塔进行氮气吸附并进行均压，当所述沸石左吸附塔中的气体浓度达到设定值时，压缩空气进入所述沸石右吸附塔并将所述沸石左吸附塔中的吸附材料进行解析释放出氮气并输出。

技术总结
本申请提出一种基于空气中氮氧分离的高集成发电系统及方法，通过压缩空气进入氮氧分离系统连续不间断的分离出氮气和氧气，电解水制氢系统制备出氢气和氧气，氢气和氮气作为原料在合成氨系统中制备绿氨，将制备出来的氨气根据现场需求量一部分送入氨煤混燃发电系统锅炉发电；同时电解水制氢系统制备的氧气以及空气分离系统分离的氧气送入氨煤混燃发电系统来实现富氧燃烧。此外合成氨系统剩余的另一部分绿氨可用于氨煤混燃发电系统中燃烧尾气的脱硫、脱硝、脱碳处理。

技术研发人员：赵晨,王志超,萧云志,晋中华,白发琪,周科,张波,向小凤,贾子秀,李宇航,程栩佳
受保护的技术使用者：华能国际电力股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16