一种电化学技术与燃煤混氨技术联用的低碳排放系统与方法与流程

1.本发明涉及能源综合应用技术领域，更确切地说，它涉及一种电化学技术与燃煤混氨技术联用的低碳排放系统与方法。


背景技术：

2.长远来看，传统的煤电机组将从目前的发电主体逐步转变为调节和保供性质的能源。然而目前可再生能源具有的间歇性和波动性等特点，会极大的威胁电网安全和能源保供。因此现有基础上推动煤电和新能源优化组合符合能源低碳化的发展趋势。
3.随着煤电行业的清洁改造逐步深入，氨在电力行业的引起了较为广泛的关注。相对氢而言，氨的单位储存能量的成本较低，体积能量密度较高，较容易液化(-33.5℃)，储运也更安全可靠。
4.专利cn113405116a《一种掺烧氨气减少碳排放的系统及控制方法》公开了一种掺杂氨气减少碳排放的系统及控制方法，但未考虑氨的来源和尾气co2的处理问题。专利cn114719250a《利用绿氨为载体的新能源与燃煤电站耦合的低碳发电系统》公开了一种绿氨为载体的新能源与燃煤电站耦合的低碳发电系统，然而该专利的氨制备方法为传统的高温法不符合绿色环保的标准，也未能考虑燃煤发电产生的co2处理问题。传统的氨合成需要在高温高压条件下进行，不符合绿色环保的要求。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供了一种电化学技术与燃煤混氨技术联用的低碳排放系统与方法。
6.第一方面，提供了一种电化学技术与燃煤混氨技术联用的低碳排放系统，包括：用户端、燃煤混氨发电装置、电催化氮还原反应器、电催化二氧化碳还原反应器、可再生能源发电装置5；
7.其中，所述燃煤混氨发电装置的电能出口、氮气出口和二氧化碳出口分别与所述用户端、所述电催化氮还原反应器和所述电催化二氧化碳还原反应器相连；所述可再生能源发电装置5的电能出口分别连接所述电催化氮还原反应器和所述电催化二氧化碳还原反应器。
8.作为优选，所述电催化氮还原反应器和所述燃煤混氨发电装置之间设置有氨补充装置。
9.作为优选，所述燃煤混氨发电装置中的氨混燃比例范围为0-50％。
10.作为优选，所述电催化氮还原反应器为流动电解池反应器，所述流动电解池反应器包括质子交换膜、催化剂和电解液。
11.作为优选，所述电催化二氧化碳还原反应器为膜电极反应器(mea)，所述膜电极反应器包括质子交换膜、催化剂、电解液和气体扩散层。
12.作为优选，所述可再生能源发电装置包括光伏发电装置、风电发电装置和水力发
电装置。
13.第二方面，提供了一种电化学技术与燃煤混氨技术联用的低碳排放方法，由第一方面所述的电化学技术与燃煤混氨技术联用的低碳排放系统执行，包括：
14.s1、燃煤混氨发电装置在富氧状态下通过喷雾燃烧法实现氨与煤炭混合燃烧，产生的电能用于对用户端供电，燃煤混氨发电装置反应得到的二氧化碳经过分离后输送到电催化二氧化碳反应器，氮气输送到电催化氮还原反应器；
15.s2、可再生能源发电装置对电催化氮还原反应器、电催化二氧化碳还原反应器进行供电，并向电催化氮还原反应器、电催化二氧化碳还原反应器通入电解液；电催化二氧化碳反应器产生还原产物甲醇产品；电催化氮还原反应器将氮气还原为氨以及氧气；
16.s3、将电催化二氧化碳反应器和电催化氮还原反应器的产物进行分离。
17.作为优选，s3包括：
18.s301、将电催化二氧化碳反应器的产物分离为未反应完全的二氧化碳和甲醇产品；所述未反应完全的二氧化碳被再次输送入电催化二氧化碳反应器进行循环；所述甲醇产品的一部分被用作电催化氮还原反应的电解液，其余部分作为系统产物输出；
19.s302、将电催化氮还原反应器的产物分离为未反应完全的氮气、氧气和液氨；所述未反应完全的氮气被再次输送入将电催化氮还原反应器进行循环；所述氧气被输送入燃煤混氨发电装置2维持发电装置的富氧环境；所述液氨产物作为燃料被输送入燃煤混氨发电装置。
20.作为优选，s2中，所述可再生能源发电装置出力不足时，采用燃煤混氨发电装置为电催化氮还原反应器和电催化二氧化碳还原反应器提供电能。
21.本发明的有益效果是：
22.1.本发明在现有火电站的基础上，通过机组改造，建造燃煤混氨机组，实现0-50％的氨混燃比例，降低燃煤发电的co2排放。
23.2.本发明利用可再生能源驱动的电化学装置实现燃煤锅炉中co2的处理和液氨燃料的制备，不对系统造成的额外的碳排放负担。
24.3.本发明中的电催化二氧化碳还原产生的甲醇被用作电催化氮还原的电解液添加剂，实现了在较低的电位下高效产氨，抑制了氢析出反应(her),明显提升了氨的法拉第效率(fe％)，提供了较高的氨选择性。
25.4.本发明提供的电催化氮还原可以将氮气通过电化学反应还原为氨，是无额外排放的绿色生产工艺，同时产生的氧气可以用于维持燃煤混氨系统的富氧环境；相比目前合成氨产业使用的哈勃-博施法(haber
–
bosch process)，有效降低了能耗，能够减少化石燃料的使用。
附图说明
26.图1为本发明提供的电化学技术与燃煤混氨技术联用的低碳排放系统示意图；
27.图2为本发明提供的电催化二氧化碳还原器示意图；
28.图3为本发明提供的电催化氮还原器示意图；
29.附图标记说明：用户端1；燃煤混氨发电装置2；电催化氮还原反应器3；电催化二氧化碳还原反应器4；可再生能源发电装置5；甲醇产品6。
具体实施方式
30.下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
31.实施例1：
32.本发明利用电化学技术和可再生能源对现有燃煤系统进行低碳化改造，实现能源间互为补充、协同优化。具体地，本发明提供了一种电化学技术与燃煤混氨技术联用的低碳排放系统，如图1所示，包括：用户端1、燃煤混氨发电装置2、电催化氮还原反应器3、电催化二氧化碳还原反应器4、可再生能源发电装置5；
33.其中，燃煤混氨发电装置2的电能出口、氮气出口和二氧化碳出口分别与用户端1、电催化氮还原反应器3和电催化二氧化碳还原反应器4相连；可再生能源发电装置5的电能出口分别连接电催化氮还原反应器3和电催化二氧化碳还原反应器4。
34.用户端1即负荷端，包括用户等电力消费侧。负荷端的电能需求主要通过系统燃煤混氨发电模块2产生的电能来供给。
35.电催化氮还原反应器3和燃煤混氨发电装置2之间设置有氨补充装置，用以补充氨在系统循环过程中因转化效率原因造成的损失。
36.燃煤混氨发电装置2中的氨混燃比例范围为0-50％，在富氧状态下通过喷雾燃烧法实现氨与煤炭混合燃烧，达到燃煤机组低碳排放的效果。燃煤混氨发电装置中氨以液态喷淋方式自上而下进入锅炉进行充分燃烧，充分增大燃烧面积，提高燃烧效率。燃煤混氨发电装置2所得的电能直接供应至用户端1。燃烧完全的尾气中生成的氮气、水蒸气和少量的二氧化碳经过气体分离装置。燃煤混氨发电装置反应得到的二氧化碳经过分离后输送到电催化二氧化碳反应器，氮气输送到电催化氮还原反应器，其余产物如水蒸气等经过处理后排入大气，该装置内发生的反应如下：
37.4nh3+5o2+2c(煤炭)
→
2n2+2co2+6h2o(充分燃烧)
38.电催化氮还原反应器3为流动电解池反应器，流动电解池反应器包括质子交换膜、催化剂和电解液。质子交换膜通常采用全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物制备的膜，催化剂一般通过电化学沉积法、超声喷涂法等负载于碳纸上。阴极催化剂包括但不限于ni
x
–n–
c，s-b/cnfs和v-tio2等；阳极催化剂包括但不限于iro2，ru/c等。电解液的使用包括但不限于甲醇-koh溶液混合电解质，koh溶液等。
39.电催化氮还原反应器3还与电解液输送泵，加压风机，气路系统，产物分离装置等形成电催化氮还原模块。该装置可以实现从燃煤混氨废弃烟气中分离纯氮并通过该装置还原为氨以及氧气，发生的反应如下：
40.n2+3h2o
→
2nh3+1.5o241.电催化二氧化碳还原反应器4为连续流动式膜电极反应器，膜电极反应器包括质子交换膜、催化剂、电解液和气体扩散层。气体扩散层主要使用碳布或碳纸等。质子交换膜通常采用全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物制备的膜，催化剂一般通过转印法、电化学沉积法、超声喷涂法等直接负载于扩散层上。阴极催化剂包括但不限于基于过渡金属的金属大环分子催化剂(金属大环包括肽菁、卟啉及其衍生物结构)，cu2o/cu等；阳极催化剂包括但不限于iro2,ru/c等。电解液的使用包括但不限于khco3，nahco3溶液等。
42.电催化二氧化碳还原反应器4还与电解液输送泵，加压风机，气路系统，气液分离装置等形成电催化二氧化碳还原模块。该模块可以实现从燃煤混氨废弃烟气中分离高浓度的二氧化碳，通过管道输送入电解液浸润的膜电极反应器，从而产生还原产物甲醇，发生的反应如下：
43.co2+6h
+
+6e-→
ch3oh+h2o
44.可再生能源发电装置5包括光伏发电装置、风电发电装置和水力发电装置，可对系统的部分装置供电。比如，可再生能源发电装置5产生的电能用来驱动电催化氮还原反应器3，电催化二氧化碳还原反应器4以及系统中的一些分离装置等器件的运行。
45.实施例2：
46.一种电化学技术与燃煤混氨技术联用的低碳排放方法，包括：
47.s1、燃煤混氨发电装置2在富氧状态下通过喷雾燃烧法实现氨与煤炭混合燃烧，产生的电能用于对用户端1供电，燃煤混氨发电装置2反应得到的二氧化碳经过分离后输送到电催化二氧化碳反应器4，氮气输送到电催化氮还原反应器3；
48.s2、可再生能源发电装置5对电催化氮还原反应器3、电催化二氧化碳还原反应器4进行供电，并向电催化氮还原反应器3、电催化二氧化碳还原反应器4通入电解液；电催化二氧化碳反应器4产生还原产物甲醇产品6；电催化氮还原反应器3将氮气还原为氨以及氧气；
49.s3、将电催化二氧化碳反应器4和电催化氮还原反应器3的产物进行分离。
50.s2中，电催化二氧化碳还原反应器4引入0.1m nahco3溶液作为电解液。电催化氮还原反应器3引入甲醇-koh溶液混合电解质作为电解液(koh溶液的浓度为0.1m,水的体积百分比为0.16％)。
51.s2中，可再生能源发电装置5出力不足时，采用燃煤混氨发电装置2为电催化氮还原反应器3和电催化二氧化碳还原反应器4提供电能。
52.s3包括：
53.s301、将电催化二氧化碳反应器4的产物分离为未反应完全的二氧化碳和甲醇产品6；未反应完全的二氧化碳被再次输送入电催化二氧化碳反应器4进行循环；甲醇产品6的一部分被用作电催化氮还原反应的电解液，其余部分作为系统产物输出；
54.s302、将电催化氮还原反应器3的产物分离为未反应完全的氮气、氧气和液氨；未反应完全的氮气被再次输送入将电催化氮还原反应器3进行循环；氧气被输送入燃煤混氨发电装置2维持发电装置的富氧环境；液氨产物作为燃料被输送入燃煤混氨发电装置2。
55.实施例3：
56.本技术实施例提供了低碳排放系统中电催化二氧化碳还原反应器4的装置示意图，该反应器为膜电极反应器，如图2所示。主要部分包括气体扩散电极，离子交换膜，电解液等。燃煤混氨发电装置内的高浓度co2被分离后，经过润湿处理从a-1通入，电解液则从a-3通入。经过反应，主要液体产物及未反应co2从a-2排出，电解液及阳极产生的o2从a-4排出。
57.实施例4：
58.本实施例提供了低碳排放系统中电催化氮还原反应器3的装置示意图，该反应器为如图3所示，主要部分包括离子交换膜，电极，电解液等。燃煤混氨发电装置内经过分离纯化的n2从b-1通入，在阴极上还原为nh3，分离后由b-2排出。电解液由b-4，b-5通道进入，阳
极主要发生oer反应，产生的o2及电解液从b-3排出。