CN111548826B - Mcfc循环回路燃料电池-生物质气-煤粉耦合并合成氨的生物质燃气锅炉改造方法 - Google Patents
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Abstract
一种MCFC循环回路燃料电池‑生物质气‑煤粉耦合并合成氨的生物质燃气锅炉改造方法，涉及一种生物质燃气锅炉改造方法。目的是清洁能源供给不足时易出现耦合失效和不能调峰的问题。本发明利用MCFC循环回路燃料电池为热电厂煤粉锅炉进行电网并网耦合调峰，生物质燃气锅炉为热电厂煤粉锅炉进行高温蒸汽耦合调峰，该双层耦合结构可同时为热电厂煤粉锅炉调峰，也可独立运行达到调峰目的。MCFC循环回路燃料电池直接并网供电能够缓解秸秆供应不及时造成的耦合失效和不能调峰问题。本发明适用于生物质燃气锅炉改造。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物质燃气锅炉改造方法。
背景技术
常规耦合锅炉的结构为清洁能源和煤粉锅炉的单一耦合形式，但是这种方法经常受到清洁能源供给不足的制约。例如夜间无光照造成的光热热熔盐供给不足，或非秸秆收割季节造成的生物质气供应不畅，或当该单一结构出现系统故障造成的耦合失效和不能调峰等问题。同时，常规改造方案不能做到系统产物和能量循环，常有高温尾气排放污染环境，即使该尾气清洁，也造成了大量热能和生物能的浪费。另外，传统耦合形式中的燃料电池为单向通气非循环结构，不能实现反应气充分利用，造成了反应气和反应热的大量浪费。
发明内容
本发明为了解决现有耦合锅炉由于清洁能源供给不足时易出现耦合失效和不能调峰的问题，提出一种MCFC循环回路燃料电池-生物质气-煤粉耦合并合成氨的生物质燃气锅炉改造方法。
本发明MCFC循环回路燃料电池-生物质气-煤粉耦合并合成氨的生物质燃气锅炉改造方法按照以下步骤进行：
利用秸秆气化炉以秸秆为原料产生秸秆气化气，秸秆气化气中含有N2、CO、CO2和H2O，将秸秆气化气输入至燃气管道、并通过燃烧器喷嘴在生物质燃气锅炉内燃烧，将燃烧产物依次经生物质燃气锅炉的水平烟道、尾部烟道和混合烟气下降管输送后进行除水，将除水后产生的高温汽水混合物输送至供热管道进行供热，或输送至电厂煤粉锅炉水冷壁上集箱作为锅炉给水；除水后产生的分离混合气输送至混合集气箱，分离混合气按体积分数由约56％N2、约43％CO2和余量的惰性气体组成；将生物质燃气锅炉的主蒸汽管道内的高温汽水混合物输送至电厂煤粉锅炉水冷壁上集箱；
利用秸秆发酵罐以秸秆为原料发酵，发酵产生的发酵气的主要成分为CH4，发酵气输送至一氧化碳变换炉中反应得到CO和H2，一氧化碳变换炉内的反应为： 2CH4+O2＝2CO+4H2，一氧化碳变换炉产生的一部分的CO和H2输送至加压吸附装置中进行减压吸附，减压吸附得到的CO输送至生物质燃气锅炉的燃气管道作为燃料，减压吸附得到的纯净高温H2输送至氨合成塔进行工业合成氨；一氧化碳变换炉产生的另一部分CO 和H2输送至燃料电池的阳极，燃料电池的阳极反应为：2H2+2CO3 2--4e-＝2H2O+2CO2和 CO-2e-+2H2O＝CO3 2-+4H+，燃料电池阳极尾气产生大量高温H2O和高温CO2的混合气，对高温H2O和高温CO2的混合气经过除水，将除水后产生的高温汽水混合物输送至供热管道进行供热，或输送至电厂煤粉锅炉水冷壁上集箱作为锅炉的给水，将除水后产生的高温CO2输入至混合集气箱，同时将压缩空气储罐中的压缩空气输入至混合集气箱，混合集气箱内的高温CO2、分离混合气和压缩空气混合后输送至燃料电池的阴极作为阴极反应物；
所述MCFC循环回路燃料电池由燃料电池组、低温熔盐储罐和高温熔盐储罐构成；燃料电池组由多个熔融碳酸盐燃料电池构成，熔融碳酸盐燃料电池的高温熔融盐电解液输入口与高温熔盐储罐出口连通，熔融碳酸盐燃料电池的高温熔融盐电解液排出口与低温熔盐储罐的进口连通，高温熔盐储罐的进口与低温熔盐储罐的出口通过熔融K2CO3回路管道连通，熔融K2CO3回路管道连通中部设置在生物质燃气锅炉内，燃料电池阴极产生的尾气为纯净且高温高压的N2，将N2输送至氨合成塔进行工业合成氨；将燃料电池所产电能并入电网，实现并网耦合并协助热电厂煤粉锅炉发电。
本发明原理及有益效果为：
本发明中，MCFC循环回路燃料电池为热电厂煤粉锅炉进行电网并网耦合调峰，生物质燃气锅炉为热电厂煤粉锅炉进行高温蒸汽耦合调峰，该双层耦合结构可同时为热电厂煤粉锅炉调峰，也可独立运行达到调峰目的。MCFC循环回路燃料电池直接并网供电能够缓解秸秆供应不及时造成的耦合失效和不能调峰问题。
本发明能够同时实现MCFC燃料电池的循环回路反应、生物质气以发酵和气化参与的反应、以及最终合成附加产品氨的过程，充分提升了耦合机组的运行效率，并实现能源利用。其中，燃料电池尾气中的高温水和生物质燃气锅炉尾气中的高温水回收作为供暖水或锅炉给水；将燃料电池阳极尾气中的高温CO2、生物质燃气锅炉的燃烧产物和空气混合后作为燃料电池阴极高温反应气，形成回路，大大降低了生物能源和热能的浪费，减少了环境污染。将秸秆通过气化和发酵反应两种方式参与生产，气化气作为生物质燃气锅炉的供给气，发酵气同时作为燃料电池阳极反应气和合成氨的反应气，大大提高秸秆的利用率并减少了环境污染。冷凝器除水得到的高温汽水混合物与煤粉锅炉的汽水混合物混合后能够增加煤粉锅炉的工质流量。
附图说明
图1为实施例1中生物质燃气锅炉改造方法一部分工艺流程图；
图2为实施例1中生物质燃气锅炉改造方法另一部分工艺流程图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：本实施方式MCFC循环回路燃料电池-生物质气-煤粉耦合并合成氨的生物质燃气锅炉改造方法为：
利用秸秆气化炉以秸秆为原料产生秸秆气化气，秸秆气化气中含有N2、CO、CO2和H2O，将秸秆气化气输入至燃气管道、并通过燃烧器喷嘴在生物质燃气锅炉内燃烧，将燃烧产物依次经生物质燃气锅炉的水平烟道、尾部烟道和混合烟气下降管输送后进行除水，将除水后产生的高温汽水混合物输送至供热管道进行供热，或输送至电厂煤粉锅炉水冷壁上集箱作为锅炉给水；除水后产生的分离混合气输送至混合集气箱，分离混合气按体积分数由约56％N2、约43％CO2和余量的惰性气体组成；将生物质燃气锅炉的主蒸汽管道内的高温汽水混合物输送至电厂煤粉锅炉水冷壁上集箱；
利用秸秆发酵罐以秸秆为原料发酵，发酵产生的发酵气的主要成分为CH4，发酵气输送至一氧化碳变换炉中反应得到CO和H2，一氧化碳变换炉内的反应为： 2CH4+O2＝2CO+4H2，一氧化碳变换炉产生的一部分的CO和H2输送至加压吸附装置中进行减压吸附，减压吸附得到的CO输送至生物质燃气锅炉的燃气管道作为燃料，减压吸附得到的纯净高温H2输送至氨合成塔进行工业合成氨；一氧化碳变换炉产生的另一部分CO 和H2输送至燃料电池的阳极，燃料电池的阳极反应为：2H2+2CO3 2--4e-＝2H2O+2CO2和 CO-2e-+2H2O＝CO3 2-+4H+，燃料电池阳极尾气产生大量高温H2O和高温CO2的混合气，对高温H2O和高温CO2的混合气经过除水，将除水后产生的高温汽水混合物输送至供热管道进行供热，或输送至电厂煤粉锅炉水冷壁上集箱作为锅炉的给水，将除水后产生的高温CO2输入至混合集气箱，同时将压缩空气储罐中的压缩空气输入至混合集气箱，混合集气箱内的高温CO2、分离混合气和压缩空气混合后输送至燃料电池的阴极作为阴极反应物；
所述MCFC循环回路燃料电池由燃料电池组、低温熔盐储罐和高温熔盐储罐构成；燃料电池组由多个熔融碳酸盐燃料电池构成，熔融碳酸盐燃料电池的高温熔融盐电解液输入口与高温熔盐储罐出口连通，熔融碳酸盐燃料电池的高温熔融盐电解液排出口与低温熔盐储罐的进口连通，高温熔盐储罐的进口与低温熔盐储罐的出口通过熔融K2CO3回路管道连通，熔融K2CO3回路管道连通中部设置在生物质燃气锅炉内，燃料电池阴极产生的尾气为纯净且高温高压的N2，将N2输送至氨合成塔进行工业合成氨；将燃料电池所产电能并入电网，实现并网耦合并协助热电厂煤粉锅炉发电。
本实施方式中，MCFC循环回路燃料电池为热电厂煤粉锅炉进行电网并网耦合调峰，生物质燃气锅炉为热电厂煤粉锅炉进行高温蒸汽耦合调峰，该双层耦合结构可同时为热电厂煤粉锅炉调峰，也可独立运行达到调峰目的。MCFC循环回路燃料电池直接并网供电能够缓解秸秆供应不及时造成的耦合失效和不能调峰问题。
本实施方式能够同时实现MCFC燃料电池的循环回路反应、生物质气以发酵和气化参与的反应、以及最终合成附加产品氨的过程，充分提升了耦合机组的运行效率，并实现能源利用。其中，燃料电池尾气中的高温水和生物质燃气锅炉尾气中的高温水回收作为供暖水或锅炉给水；将燃料电池阳极尾气中的高温CO2、生物质燃气锅炉的燃烧产物 (N2+CO2+H2O)和空气(N2+O2+CO2)混合后作为燃料电池阴极高温反应气，形成回路，大大降低了生物能源和热能的浪费，减少了环境污染。将秸秆通过气化和发酵反应两种方式参与生产，气化气作为生物质燃气锅炉的供给气，发酵气同时作为燃料电池阳极反应气和合成氨的反应气，大大提高秸秆的利用率并减少了环境污染。冷凝器除水得到的高温汽水混合物与煤粉锅炉的汽水混合物混合后能够增加煤粉锅炉的工质流量。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述靠近高温熔盐储罐的进口处的K2CO3回路管道上设置有用以输送熔融K2CO3的熔盐泵。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述氨合成塔内H2和N2合成氨过程中反应温度为500℃，压力为30Mpa，采用铁触煤催化。其他步骤和参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述除水在冷凝器中进行。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述秸秆气化气燃烧后产生的燃烧产物按体积分数由约50％的N2、约38％的CO2、约10％的H2O和余量的惰性气体组成。
其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。
实施例1：
利用秸秆气化炉以秸秆为原料产生秸秆气化气，秸秆气化气中含有N2、CO、CO2和H2O，将秸秆气化气输入至燃气管道、并通过燃烧器喷嘴在生物质燃气锅炉内燃烧，燃烧后产生的燃烧产物由50％的N2、38％的CO2和10％的H2O组成，将燃烧产物依次经生物质燃气锅炉的水平烟道、尾部烟道和混合烟气下降管输送后进行除水，将除水后产生的高温汽水混合物输送至供热管道进行供热，或输送至电厂煤粉锅炉水冷壁上集箱作为锅炉给水；除水后产生的分离混合气输送至混合集气箱，分离混合气按体积分数由约56％N2、约43％CO2和余量的惰性气体组成；将生物质燃气锅炉的主蒸汽管道内的高温汽水混合物输送至热电厂煤粉锅炉水冷壁上集箱；
利用秸秆发酵罐以秸秆为原料发酵，发酵产生的发酵气的主要成分为CH4，发酵气输送至一氧化碳变换炉中反应得到CO和H2，一氧化碳变换炉内的反应为： 2CH4+O2＝2CO+4H2，一氧化碳变换炉产生的一部分的CO和H2输送至加压吸附装置中进行减压吸附，减压吸附得到的CO输送至生物质燃气锅炉的燃气管道作为燃料，减压吸附得到的纯净高温H2输送至氨合成塔进行工业合成氨；一氧化碳变换炉产生的另一部分CO 和H2输送至燃料电池的阳极，燃料电池的阳极反应为：2H2+2CO3 2--4e-＝2H2O+2CO2和 CO-2e-+2H2O＝CO3 2-+4H+，燃料电池阳极尾气产生大量高温H2O和高温CO2的混合气，对高温H2O和高温CO2的混合气经过除水，将除水后产生的高温汽水混合物输送至供热管道进行供热，或输送至电厂煤粉锅炉水冷壁上集箱作为锅炉的给水，将除水后产生的高温CO2输入至混合集气箱，同时将压缩空气储罐中的压缩空气输入至混合集气箱，混合集气箱内的高温CO2、分离混合气和压缩空气混合后输送至燃料电池的阴极作为阴极反应物；
所述MCFC循环回路燃料电池由燃料电池组、低温熔盐储罐和高温熔盐储罐构成；燃料电池组由多个熔融碳酸盐燃料电池构成，熔融碳酸盐燃料电池的高温熔融盐电解液输入口与高温熔盐储罐出口连通，熔融碳酸盐燃料电池的高温熔融盐电解液排出口与低温熔盐储罐的进口连通，高温熔盐储罐的进口与低温熔盐储罐的出口通过熔融K2CO3回路管道连通，熔融K2CO3回路管道连通中部设置在生物质燃气锅炉内，高温熔融盐电解液槽中电解液为K2CO3热熔盐，阳极反应为2H2+2CO3 2--4e-＝2H2O+2CO2，阴极反应为： O2+2CO2+4e-＝2CO3 2-，虽阳极反应时消耗大量CO3 2-，但同时阴极反应持续生成的CO3 2-能够维持电解液离子浓度和导电性保证阳极反应顺利进行。低温熔盐储罐和高温熔盐储罐之间的熔融K2CO3回路管道设置在生物质燃气锅炉的水平烟道内，熔融K2CO3回路管道内的K2CO3热熔盐被加热后返回至高温熔盐储罐并参与发电，实现了余热利用；燃料电池阴极产生的尾气为纯净且高温高压的N2，将N2输送至氨合成塔进行工业合成氨；将燃料电池所产电能并入电网，实现并网耦合并协助热电厂煤粉锅炉发电；
所述靠近高温熔盐储罐的进口处的K2CO3回路管道上设置有用以输送熔融K2CO3的熔盐泵；所述氨合成塔内H2和N2合成氨过程中反应温度为500℃，压力为30Mpa，采用铁触煤催化；所述除水在冷凝器中进行；
本实施例中MCFC循环回路燃料电池-生物质气-煤粉耦合并合成氨的生物质燃气锅炉改造方法流程由图1和图2所示流程图组合后构成，其中图1包含生物质燃气锅炉运行和MCFC循环回路燃料电池运行；图2包含秸秆发酵运行、工业合成氨运行和MCFC循环回路燃料电池运行。
本实施例中，MCFC循环回路燃料电池为热电厂煤粉锅炉进行电网并网耦合调峰，生物质燃气锅炉为热电厂煤粉锅炉进行高温蒸汽耦合调峰，该双层耦合结构可同时为热电厂煤粉锅炉调峰，也可独立运行达到调峰目的。MCFC循环回路燃料电池直接并网供电能够缓解秸秆供应不及时造成的耦合失效和不能调峰问题。
本实施例能够同时实现MCFC燃料电池的循环回路反应、生物质气以发酵和气化参与的反应、以及最终合成附加产品氨的过程，充分提升了耦合机组的运行效率，并实现能源利用。其中，燃料电池尾气中的高温水和生物质燃气锅炉尾气中的高温水回收作为供暖水或锅炉给水；将燃料电池阳极尾气中的高温CO2、生物质燃气锅炉的燃烧产物 (N2+CO2+H2O)和空气(N2+O2+CO2)混合后作为燃料电池阴极高温反应气，形成回路，大大降低了生物能源和热能的浪费，减少了环境污染。将秸秆通过气化和发酵反应两种方式参与生产，气化气作为生物质燃气锅炉的供给气，发酵气同时作为燃料电池阳极反应气和合成氨的反应气，大大提高秸秆的利用率并减少了环境污染。冷凝器除水得到的高温汽水混合物与煤粉锅炉的汽水混合物混合后能够增加煤粉锅炉的工质流量。
Claims (5)
1.一种MCFC循环回路燃料电池-生物质气-煤粉耦合并合成氨的生物质燃气锅炉改造方法，其特征在于：该方法按照以下步骤进行：
利用秸秆气化炉以秸秆为原料产生秸秆气化气，秸秆气化气中含有N2、CO、CO2和H2O，将秸秆气化气输入至燃气管道、并通过燃烧器喷嘴在生物质燃气锅炉内燃烧，将燃烧产物依次经生物质燃气锅炉的水平烟道、尾部烟道和混合烟气下降管输送后进行除水，将除水后产生的高温汽水混合物输送至供热管道进行供热，或输送至电厂煤粉锅炉水冷壁上集箱作为锅炉给水；除水后产生的分离混合气输送至混合集气箱，分离混合气由N2、CO2和余量的惰性气体组成；将生物质燃气锅炉的主蒸汽管道内的高温汽水混合物输送至电厂煤粉锅炉水冷壁上集箱；
利用秸秆发酵罐以秸秆为原料发酵，发酵产生的发酵气的主要成分为CH4，发酵气输送至一氧化碳变换炉中反应得到CO和H2，一氧化碳变换炉内的反应为：2CH4+O2＝2CO+4H2，一氧化碳变换炉产生的一部分的CO和H2输送至加压吸附装置中进行减压吸附，减压吸附得到的CO输送至生物质燃气锅炉的燃气管道作为燃料，减压吸附得到的纯净高温H2输送至氨合成塔进行工业合成氨；一氧化碳变换炉产生的另一部分CO和H2输送至燃料电池的阳极，燃料电池的阳极反应为：2H2+2CO3 2--4e-＝2H2O+2CO2和CO-2e-+2H2O＝CO3 2-+4H+，燃料电池阳极尾气产生大量高温H2O和高温CO2的混合气，对高温H2O和高温CO2的混合气经过除水，将除水后产生的高温汽水混合物输送至供热管道进行供热，或输送至电厂煤粉锅炉水冷壁上集箱作为锅炉的给水，将除水后产生的高温CO2输入至混合集气箱，同时将压缩空气储罐中的压缩空气输入至混合集气箱，混合集气箱内的高温CO2、分离混合气和压缩空气混合后输送至燃料电池的阴极作为阴极反应物；
所述MCFC循环回路燃料电池由燃料电池组、低温熔盐储罐和高温熔盐储罐构成；燃料电池组由多个熔融碳酸盐燃料电池构成，熔融碳酸盐燃料电池的高温熔融盐电解液输入口与高温熔盐储罐出口连通，熔融碳酸盐燃料电池的高温熔融盐电解液排出口与低温熔盐储罐的进口连通，高温熔盐储罐的进口与低温熔盐储罐的出口通过熔融K2CO3回路管道连通，熔融K2CO3回路管道连通中部设置在生物质燃气锅炉内，燃料电池阴极产生的尾气为纯净且高温高压的N2，将N2输送至氨合成塔进行工业合成氨；将燃料电池所产电能并入电网，实现并网耦合并协助热电厂煤粉锅炉发电。
2.根据权利要求1所述的MCFC循环回路燃料电池-生物质气-煤粉耦合并合成氨的生物质燃气锅炉改造方法，其特征在于：
所述靠近高温熔盐储罐的进口处的K2CO3回路管道上设置有用以输送熔融K2CO3的熔盐泵。
3.根据权利要求1所述的MCFC循环回路燃料电池-生物质气-煤粉耦合并合成氨的生物质燃气锅炉改造方法，其特征在于：
所述氨合成塔内H2和N2合成氨过程中反应温度为500℃，压力为30Mpa，采用铁触煤催化。
4.根据权利要求1所述的MCFC循环回路燃料电池-生物质气-煤粉耦合并合成氨的生物质燃气锅炉改造方法，其特征在于：所述除水在冷凝器中进行。
5.根据权利要求1所述的MCFC循环回路燃料电池-生物质气-煤粉耦合并合成氨的生物质燃气锅炉改造方法，其特征在于：所述秸秆气化气燃烧后产生的燃烧产物由N2、CO2、H2O和余量的惰性气体组成。
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