CN106147900B - 一种储存电能的***和工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于甲烷化反应的储存电能的***和工艺，该***和工艺均包括含碳氧化合物净化***、造气***、甲烷化***、甲烷化***的蒸汽取热***和产品分离***。与现有技术相比，本发明的***和工艺能够解决难以储存和并网困难的风、太阳能产生的电能以及其它过剩电能的大规模存储问题，同时解决工业企业尾气的处理和资源的综合、循环利用问题。

Description

一种储存电能的***和工艺
技术领域
本发明涉及一种储存电能的***和工艺。
背景技术
当前，70％以上的碳排放来自煤炭的燃烧，然后由多到少依次来自石油、天然气、水泥等行业，这不仅带来了全球的温室效应和极端天气频发问题，而且还浪费了大量的资源。另外，由于上网的瓶颈，我国风能、太阳能严重制约着风电、太阳能行业的发展，同时水力发电项目在丰水期发电量充足，但由于耗电总量在一定时期内较为固定，造成了丰水期电能大量损失以及设备、线网的损耗。碳排放引起的日益严重的环境、资源的循环利用以及提高能源利用效率等问题都促使人们去寻求解决这些问题的方法。
不完全统计，我国目前风电累计装机容量达91412.89MW，2013年我国弃风电量超过150亿千瓦时，经济损失大约为75亿元。我国优质风电资源集中区的所在地电力消纳能力不足，而且远离用电负荷中心。电网规划和建设与新能源发展衔接不够已成为制约风电发展的瓶颈。
在太阳能发电方面，2013年我国太阳能光伏发电装机容量1600万kW，全年发电量达80亿千瓦时，而同期国内太阳能实际需求量约45-60亿千瓦时；到2015年，中国太阳能光伏安装容量将达到3500万kW，到时太阳能发电无法并网所产生的弃电问题将更加突出。
在水力发电方面，我国水电总装机超过2.8亿kW，2013年水电新增装机近3000万kW。在丰水期发电量充足，由于消纳量在一定时期内较为固定，造成了丰水期电能大量损失以及设备、线网的损耗。
目前储能技术可分为物理储能、化学储能、电磁储能及相变储能4大类。最成熟、最普遍的储能方式是物理储能中的抽水蓄能，但是它的应用受地质等条件的限制，远不能满足电力发展；而物理储能中的压缩空气蓄能的一大缺陷在于效率较低。化学储能中的蓄电池储电能力小、寿命短，能量密度低，致使其实现大型电站储能受到限制，而电解水、氢气储存电能的方式受到氢气储存和运输难度大等缺陷的限制。
为此，人们更多地从其它方面关注大规模储能。中国专利CN102170138公开了一种基于电-铝-氢循环***的大规模储能方法。中国专利CN104371780A公开了一种风、光弃电和工业有机废水用于煤制天然气的***和方法。
但是，上述方法均未从根本上解决难以储存和并网困难的风、太阳能产生的电能以及其它过剩电能的大规模存储问题，以及工业企业尾气的处理，资源的综合、循环利用问题和如何实现节能降耗的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种储存电能的***和工艺，该***和工艺能够解决难以储存和并网困难的风、太阳能所产生的电能以及其它过剩电能的大规模存储问题，同时解决工业企业尾气的处理和资源的综合、循环利用问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种储存电能的***，其特征在于，该***包括含碳氧化合物净化***、造气***、甲烷化***、甲烷化***的蒸汽取热***和产品分离***；所述含碳氧化合物净化***的含碳氧化合物出口以及所述造气***的氢气出口均与所述甲烷化***的反应物入口连通；所述甲烷化***的产品出口与所述产品分离***的产品入口连通。
优选地，根据本发明的***，其特征在于，所述含碳氧化合物净化***包括依次串联的水解反应器、精脱硫反应器和脱氧、脱硝反应器。
优选地，根据本发明的***，其特征在于，所述造气***包括锰盐溶液电解槽、锰稀酸反应装置、氢气储罐、氢气压缩机以及交直流整流装置；所述锰盐溶液电解槽的金属锰出口与所述锰稀酸反应装置的金属锰入口连通，所述锰盐溶液电解槽的锰盐溶液入口与所述锰稀酸反应装置的锰盐溶液出口连通；所述锰稀酸反应装置的氢气出口与所述氢气储罐的氢气入口连通；所述氢气储罐的氢气出口与所述氢气压缩机的氢气入口连通；所述氢气压缩机的氢气出口为所述造气***的氢气出口；所述交直流整流装置设置有电流入口和电流出口，所述电流出口与所述锰盐溶液电解槽的电流输入端连通。
优选地，根据本发明的***，其特征在于，所述甲烷化***包括串联和/或并联的2-4台甲烷化反应器。
优选地，根据本发明的***，其特征在于，所述甲烷化***包括串并联连接的1#甲烷化反应器和2#甲烷化反应器。
优选地，根据本发明的***，其特征在于，所述甲烷化反应器为具有高传热性能的热管固定床反应器和/或具有导流锥移热的径向床反应器。
优选地，根据本发明的***，其特征在于，所述甲烷化***的蒸汽取热***包括汽包和中压废锅。
本发明还提供一种储存电能的工艺，该工艺包括：a、将所需储存的电能送入造气***进行电解锰盐溶液-锰金属-锰稀酸造气过程，得到氢气；将含有含碳氧化合物的工业尾气送入含碳氧化合物净化***进行净化处理，得到含有含碳氧化合物的净化气；b、将步骤a中所得的氢气和净化气一起送入甲烷化***进行甲烷化反应，得到产品和热量；c、将步骤b中所得产品送入产品分离***进行分离，得到替代天然气和工艺冷凝液。
优选地，根据本发明的工艺，其中，所述所需储存的电能为选自风能发电、太阳能发电、火电、水电、核电和潮汐发电中的至少一种。
优选地，根据本发明的工艺，其中，所述含碳氧化合物为M值为2.8-3.2的一氧化碳和/或二氧化碳；所述M值为造气***所得氢气的体积与含碳氧化合物中二氧化碳的体积之差同含碳氧化合物体积的比值。
优选地，根据本发明的工艺，其中，所述净化处理依次包括水解、脱硫、脱氧和脱硝处理。
优选地，根据本发明的工艺，其中，所述含碳氧化合物的净化气中硫含量为15-200ppb，氮含量为20-1000ppm，氧含量为200-1500ppm。
优选地，根据本发明的工艺，其中，步骤a中所述造气过程包括：将所需储存的电能，经交直流整流装置整流，送入锰盐溶液电解槽进行电解，得到金属锰；将所述金属锰送入锰稀酸反应装置与稀酸进行反应，得到氢气和锰盐溶液；将锰盐溶液返回到锰盐溶液电解槽。
优选地，根据本发明的工艺，其中，步骤b中所述甲烷化反应包括：将步骤a中所得的部分氢气和净化气送入1#甲烷化反应器进行甲烷化反应，得到的产品气与另一部分氢气和净化气一起送入2#甲烷化反应器进行甲烷化反应。
优选地，根据本发明的工艺，其中，所述甲烷化***的甲烷化反应器的进口温度为220-320℃，出口温度为450-710℃，反应压力为0.8-6.5兆帕。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
第一，将难以储存和并网困难的风、太阳能所产生的电能以及其它过剩电能通过电解锰盐溶液以及锰与稀酸反应得到氢气；获得的氢气与净化后含碳氧化合物工业尾气进行甲烷化反应，得到满足管输或者加压制LNG的替代天然气；不仅解决了过剩电能的大规模储存问题，还解决工业企业尾气的处理和资源的综合、循环利用问题；
第二，由于含碳氧化合物与氢气的甲烷化反应是一个强放热反应，获得的蒸汽可以送入蒸汽管网进行利用；
第三，利用电解锰盐溶液-锰金属-锰稀酸反应的方法转化电能，用水量较少，可根据市场需求调整锰的配比。在锰金属供应充足的情况下，将锰全部参与稀酸反应制氢气；在锰金属供应不足的情况下，获得的金属锰除了用于与稀酸反应生产氢气外，高纯度的锰金属，还可以广泛应用于电子工业、冶金工业和航空航天工业，在一定程度上缓解电解锰的供求关系。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1包括本发明储存电能***的一种具体实施方式所提供的储存电能***的示意图，同时也包括本发明储存电能工艺的一种具体实施方式所提供的储存电能工艺的示意图；
图2包括本发明储存电能***的另一种具体实施方式所提供的储存电能***的示意图，同时也包括本发明储存电能工艺的另一种具体实施方式所提供的储存电能工艺的示意图。
附图标记说明
20 1#原料加热器 21 锰盐溶液电解槽 22 冷却器
23 锅炉给水加热器 24 2#原料加热器 25 1#中压废锅
26 氢气压缩机 27 汽包 28 1#甲烷化反应器 29 2#甲烷化反应器
30 脱氧、脱硝反应器 31 精脱硫反应器 32 水解反应器
33 产品分离器 34 含碳氧化合物气体压缩机
35 交直流整流装置 36 锰稀酸反应装置 37 氢气储罐
38 2#中压废锅
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供一种储存电能的***，其特征在于，该***包括含碳氧化合物净化***、造气***、甲烷化***、甲烷化***的蒸汽取热***和产品分离***；所述含碳氧化合物净化***的含碳氧化合物出口以及所述造气***的氢气出口均与所述甲烷化***的反应物入口连通；所述甲烷化***的产品出口与所述产品分离***的产品入口连通。
根据本发明的***，所述含碳氧化合物净化***是本领域技术人员所熟知的，例如，可以包括依次串联的水解反应器32、精脱硫反应器31和脱氧、脱硝反应器30，也可以包括其它净化装置，本发明并没有限制。
根据本发明的***，所述造气***可以包括锰盐溶液电解槽21、锰稀酸反应装置36、氢气储罐37、氢气压缩机26以及交直流整流装置35；所述锰盐溶液电解槽21的金属锰出口可以与所述锰稀酸反应装置36的金属锰入口连通，所述锰盐溶液电解槽21的锰盐溶液入口可以与所述锰稀酸反应装置36的锰盐溶液出口连通；所述锰稀酸反应装置36的氢气出口可以与所述氢气储罐37的氢气入口连通；所述氢气储罐37的氢气出口可以与所述氢气压缩机26的氢气入口连通；所述氢气压缩机26的氢气出口可以为所述造气***的氢气出口；所述交直流整流装置35可以设置有电流入口和电流出口，所述电流出口可以与所述锰盐溶液电解槽21的电流输入端连通。
根据本发明的***，所述甲烷化反应器是本领域技术人员所熟知的，是指可以将含碳氧化合物与氢气进行反应生成甲烷的反应器。所述甲烷化***可以包括串联和/或并联的2-4台甲烷化反应器，优选包括串并联连接的1#甲烷化反应器28和2#甲烷化反应器29，所述串并联是指均将反应气体送入1#甲烷化反应器和2#甲烷化反应器中，并且也将1#甲烷化反应器的产物送入2#甲烷化反应器中。由于甲烷化反应是强放热反应，因此所述甲烷化反应器进一步优选为具有高传热性能的热管固定床反应器和/或具有导流锥移热的径向床反应器。
根据本发明的***，所述甲烷化***的蒸汽取热***是本领域技术人员所熟知的，可以包括汽包27和中压废锅25、中压废锅38。所述中压废锅可以用于吸收甲烷化反应器所产生的热量。
本发明还提供一种储存电能的工艺，该工艺包括：a、将所需储存的电能送入造气***进行电解锰盐溶液-锰金属-锰稀酸造气过程，得到氢气；将含有含碳氧化合物的工业尾气送入含碳氧化合物净化***进行净化处理，得到含有含碳氧化合物的净化气；b、将步骤a中所得的氢气和净化气一起送入甲烷化***进行甲烷化反应，得到产品和热量；c、将步骤b中所得产品送入产品分离***进行分离，得到替代天然气和工艺冷凝液。
根据本发明的工艺，所述所需储存的电能可以为选自风能发电、太阳能发电、火电、水电、核电和潮汐发电中的至少一种，其中所述的火电、水电、核电和潮汐发电可以为本领域技术人员所熟知的过剩电能。
根据本发明的工艺，所述含碳氧化合物是本领域技术人员所熟知的，是指含有一氧化碳和/或二氧化碳的气体，一般来自工业尾气，优选为M值为2.8-3.2的一氧化碳和/或二氧化碳；所述M值可以为造气***所得氢气的体积与含碳氧化合物中二氧化碳的体积之差同含碳氧化合物体积的比值，即M＝(V(H2)-V(CO2))/(V(CO+CO2))，因为如果甲烷化反应进行完全，V(H2)：V(CO2)＝4:1，V(H2)：V(CO)＝3:1，而M值为3左右，意味着含碳氧化合物与氢气差不多刚好反应完全。
根据本发明的工艺，所述净化处理是本领域技术人员所熟知的，可以依次包括水解、脱硫、脱氧和脱硝处理，也可以包括其它常规处理，本发明并没有限制。
根据本发明的工艺，为了甲烷化反应的稳定进行，所述含碳氧化合物的净化气中硫含量优选为15-200ppb，氮含量优选为20-1000ppm，氧含量优选为200-1500ppm。
根据本发明的工艺，步骤a中所述造气过程可以包括：将所需储存的电能，经交直流整流装置整流，送入锰盐溶液电解槽进行电解，得到金属锰；将所述金属锰送入锰稀酸反应装置与稀酸进行反应，得到氢气和锰盐溶液；将锰盐溶液返回到锰盐溶液电解槽。其中，所述稀酸可以为选自稀盐酸、稀硫酸和稀硝酸中的至少一种。
根据本发明的工艺，步骤b中所述甲烷化反应可以包括：将步骤a中所得的部分氢气和净化气送入1#甲烷化反应器进行甲烷化反应，得到的产品气与另一部分氢气和净化气一起送入2#甲烷化反应器进行甲烷化反应。
根据本发明的工艺，所述甲烷化***的甲烷化反应器的进口温度可以为220-320℃，出口温度可以为450-710℃，反应压力可以为2.8-4.5兆帕。
下面将通过实施例对本发明进行一步地说明，但是本发明并不因此而受到任何限制。
实施例
如图1和图2所示，将M＝3.0的含CO2、CO工业尾气经过除尘净化处理后，通过含碳氧化合物气体压缩机34加压送入1#原料加热器20，预热后的净化气经过水解反应器32、精脱硫反应器31、脱氧、脱硝反应器30后，得到的净化气硫含量为65ppb，氮含量为150ppm，氧含量270ppm。
将难以储存和并网困难的风电经交直流整流装置35整流后，引入锰盐溶液电解槽21。锰盐溶液电解槽21获得金属锰，析出的金属锰与稀硫酸在锰稀酸反应装置36反应生成大量氢气和锰盐溶液，锰盐溶液返回到电解槽21供电解循环使用，氢气送入氢气储罐37；氢气储罐37中的氢气经过氢气压缩机26后，压力达到2.95MPa。
将含有净化气与氢气的原料气送入设置两台高效传热的热管径向固定床反应器的两级串并联甲烷化反应器，反应器中装填活性组分为35wt％Ni基催化剂。进入反应器前的原料气与来自2#甲烷化反应器出口的产品气在2#原料加热器24中进行预热，使原料气预热到285℃，压力为2.95MPa。
预热后的原料气分两股，一股进入1#甲烷合成反应器28，经反应后从底部离开反应器，产品气经过1#中压废锅25释放部分热量后，与另一股原料气混合进入2#甲烷合成反应器29继续进行甲烷化反应，两个甲烷化反应器的进出口温度分别为285℃、615℃和320℃、580℃，操作压力为2.9MPa。
径向热管的甲烷化反应器，由上部换热区和下部甲烷化反应区两个区域构成，两个区域中设置有连通的热管，由于热管具有高效的传热性能，能及时移除甲烷化反应所产生的热量，避免床层飞温使催化剂失活。
锅炉给水经过锅炉给水加热器23预热后，分三股，一股进入1#中压废锅25，产生中压蒸汽后进入汽包27，一股进入2#中压废锅38，产生中压蒸汽后进入汽包27，第三股直接进入汽包。两台甲烷化反应器共用一个汽包27，副产10MPa、350℃左右的高温蒸汽，送入蒸汽管网。
2#甲烷化反应器出口产物顺次通过2#中压废锅38、2#原料加热器24、1#原料加热器20、锅炉给水加热器23、冷却器22，最后通过产品分离器33，分离后得到替代天然气。
产品分离器33分离出来的工艺冷凝液送入工艺管线，多余工艺冷凝液排出供其它工艺用。

Claims (13)

1.一种储存电能的***，其特征在于，
该***包括含碳氧化合物净化***、造气***、甲烷化***、甲烷化***的蒸汽取热***和产品分离***；
所述含碳氧化合物净化***的含碳氧化合物出口以及所述造气***的氢气出口均与所述甲烷化***的反应物入口连通；
所述甲烷化***的产品出口与所述产品分离***的产品入口连通；
所述造气***包括锰盐溶液电解槽(21)、锰稀酸反应装置(36)、氢气储罐(37)、氢气压缩机(26)以及交直流整流装置(35)；
所述锰盐溶液电解槽(21)的金属锰出口与所述锰稀酸反应装置(36)的金属锰入口连通，所述锰盐溶液电解槽(21)的锰盐溶液入口与所述锰稀酸反应装置(36)的锰盐溶液出口连通；所述锰稀酸反应装置(36)的氢气出口与所述氢气储罐(37)的氢气入口连通；所述氢气储罐(37)的氢气出口与所述氢气压缩机(26)的氢气入口连通；
所述氢气压缩机(26)的氢气出口为所述造气***的氢气出口；
所述交直流整流装置(35)设置有电流入口和电流出口，所述电流出口与所述锰盐溶液电解槽(21)的电流输入端连通。
2.根据权利要求1的***，其特征在于，所述含碳氧化合物净化***包括依次串联的水解反应器(32)、精脱硫反应器(31)和脱氧、脱硝反应器(30)。
3.根据权利要求1的***，其特征在于，所述甲烷化***包括串联和/或并联的2-4台甲烷化反应器。
4.根据权利要求1的***，其特征在于，所述甲烷化***包括串并联连接的1#甲烷化反应器(28)和2#甲烷化反应器(29)。
5.根据权利要求3或4的***，其特征在于，所述甲烷化反应器为具有高传热性能的热管固定床反应器和/或具有导流锥移热的径向床反应器。
6.根据权利要求1的***，其特征在于，所述甲烷化***的蒸汽取热***包括汽包(27)和中压废锅。
7.一种储存电能的工艺，该工艺包括：
a、将所需储存的电能送入造气***进行电解锰盐溶液-锰金属-锰稀酸造气过程，得到氢气；将含有含碳氧化合物的工业尾气送入含碳氧化合物净化***进行净化处理，得到含有含碳氧化合物的净化气；步骤a中所述造气过程包括：将所需储存的电能，经交直流整流装置整流，送入锰盐溶液电解槽进行电解，得到金属锰；将所述金属锰送入锰稀酸反应装置与稀酸进行反应，得到氢气和锰盐溶液；将锰盐溶液返回到锰盐溶液电解槽；
b、将步骤a中所得的氢气和净化气一起送入甲烷化***进行甲烷化反应，得到产品和热量；
c、将步骤b中所得产品送入产品分离***进行分离，得到替代天然气和工艺冷凝液。
8.根据权利要求7的工艺，其中，所述所需储存的电能为选自风能发电、太阳能发电、火电、水电、核电和潮汐发电中的至少一种。
9.根据权利要求7的工艺，其中，所述含碳氧化合物为M值为2.8-3.2的一氧化碳和/或二氧化碳；所述M值为造气***所得氢气的体积与含碳氧化合物中二氧化碳的体积之差同含碳氧化合物体积的比值。
10.根据权利要求7的工艺，其中，所述净化处理依次包括水解、脱硫、脱氧和脱硝处理。
11.根据权利要求7的工艺，其中，所述含碳氧化合物的净化气中硫含量为15-200ppb，氮含量为20-1000ppm，氧含量为200-1500ppm。
12.根据权利要求7的工艺，其中，步骤b中所述甲烷化反应包括：将步骤a中所得的部分氢气和净化气送入1#甲烷化反应器进行甲烷化反应，得到的产品气与另一部分氢气和净化气一起送入2#甲烷化反应器进行甲烷化反应。
13.根据权利要求7的工艺，其中，所述甲烷化***的甲烷化反应器的进口温度为220-320℃，出口温度为450-710℃，反应压力为0.8-6.5兆帕。
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