一种发电方法及发电装置 |
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| 申请号 | CN201610860714.9 | 申请日 | 2016-09-29 | 公开(公告)号 | CN106285802A | 公开(公告)日 | 2017-01-04 |
| 申请人 | 中国化学工程第七建设有限公司; 四川七化建化工工程有限公司; | 发明人 | 邹万清; 廖良彬; 舒小华; 彭璐; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种发电方法及发电装置，通过在可再生自然 能源 发电中，利用 水 和二 氧 化 碳 作为循环载体，解决了氢能的转变，实现了从 电能 转变成 化学能 ，克服了现有再生能源发电中的间歇性、功率不平稳、发电时间不稳定和对 电网 产生冲击现象等问题，解决了有 风 、有光发电没用的弃光、弃风现象，以及缺风、缺光就缺电的本质问题，通过本技术提升了光伏等可再生资源发电装置的生产强度，实现了 可再生能源 安全、稳定发电，平稳、安全上网，高品质的对外供电，形成“用光、用风、惜光、惜风”的良好新局面。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种发电方法，其特征在于：所述发电方法具体为： |
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| 说明书全文 | 一种发电方法及发电装置技术领域[0001] 本发明属于发电技术领域，特别涉及一种发电方法及发电装置。 背景技术[0002] 近年来，随着社会的进步和经济的大力发展，电已经成为当今社会中不可或缺的必要能源之一。电是一种重要的战略性能源，也是一种优质的二次能源，它清洁、方便、利用率高，已广泛用于工业、农业、军事、医疗等各行各业，与人民的生活、工作息息相关，一个国家的人均用电量的多少标志着这个国家或地区经济发展水平和人民生活水平，虽然我国人均用电量已接近世界平均水平，但仅为部分发达国家的1/4～1/5，差距明显，电的需求潜在市场仍然巨大。 [0003] 电能虽然优质、清洁，但它难以储存，且毕竟需要一次能源（化石能源、水能、风能、光能、生物质能）转化才能得到，风能、光能等均为很好的自然界可再生能源，是理想的发电一次能源，国家给予补贴，鼓励使用，但由于受地理限制和时间性限制、具有极强的间歇性，其功率不平稳，发电时间不稳定，对电网产生巨大冲击，能好好并网发电的寥寥无几，被业内称呼为垃圾电，所以出现大规模的“弃风、弃光” 现象。 [0004] 我国目前仍以化石能源（火力）发电为主，据统计到2012年底，全国电力总装机容量突破11亿千瓦，其中火电装机容量达8.1917亿千瓦，约占总装机容量的71.5%；水电2.4890亿千瓦，占全部装机容量的21.7%；核电1257万千瓦，并网风电6083万千瓦，并网太阳能发电328万千瓦，三项之和占总装机容量的6.8%。由此可见，火电厂无论是对国民经济的发展，还是人民生活水平的提高，都起着重大作用。 [0005] 火力发电厂弊端就是：污染空气、污染水源、耗费宝贵的煤炭资源。环境污染是火力发电急需解决的一大难题燃眉之急，从2014年7月1日，对现役燃煤电厂开始实施《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）；仅2014年，对燃煤电厂污染物排放要求就有三次变化，致使大量燃煤电厂环保设施重复改造，边际成本增大；2014年电力大气污染物排放量大幅下降，电力烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放量分别降至98万吨、620万吨、620万吨左右，实际这样的数据还是严重污染了大气环境。 [0006] 经过分析，开发利用好太阳能等可再生能源发电，解决好电能储存，电的储存可以变相通过电解水产生氢气来解决，在发电高峰时大量的电能用于电解水生成氢气，将氢气进行储存，在没有光（风）或者在光（风）发电不足时，将氢气通过燃机进行转换产生电能，进自动控调节达到平衡运行，实现安全上网，对外平稳供电，这样风电、光电就不再是垃圾电。 [0007] 然而，真正制约氢大规模发电的瓶颈，并非成本高，其实现在化石能源价格飞涨，氢的成本已经不是不能接受了，真正的瓶颈乃是氢的储存和安全性，至今尚未有完美的解决方案。金属氢脆现象简直要了氢命，既具备金属可溶性，又具备非金属可溶性，无孔不入的氢气，实在是很难长期安全大规模的储存。这是世界性的难题。而氢在20摄氏度的空气中的爆炸极限范围是恐怖的4%～74.2%，为所有常见可燃气体的最大范围，安全性巨差无比。这才是不敢大规模使用氢气做能源的罪魁祸首。 发明内容[0009] 本发明技术的技术方案是这样实现的：一种发电方法，其特征在于：所述发电方法具体为：a）、水电解制氢气和氧气：通过电解槽对槽内的电解液进行电解，根据需要将纯水储罐内储存的水送至电解槽内，电解过程中阴极产生的氢气直接送入以下步骤b）使用，阳极制得的氧气送入氧气储罐进行储存； b）、氢气和二氧化碳反应制甲烷或甲醇：将步骤a）制得的氢气与二氧化碳储罐送来的二氧化碳在反应器内通过催化剂的催化作用反应生成甲烷，反应生成的甲烷高温气流经反应余热锅炉回收热量后送去甲烷储罐进行储存，回收热量产生的蒸气送去以下步骤d）中汽轮机发电机组进行发电，在反应过程中根据温度变化情况适当补充加入以下步骤c）出来的水蒸气； c）、甲烷或甲醇与氧气通过燃机发电和燃机尾气与制甲烷或甲醇的反应余热回收发电：将甲烷储罐和氧气储罐送来的甲烷和氧气，分别经燃气轮机的燃料进口和助燃剂进口进入燃气轮机的缸体内，在缸体内混合燃烧产生爆炸推动燃气轮机活塞对外做功驱动发电机转子旋转，将机械能转化成电能，实现燃气轮机发电，并对外输电，燃气轮机推动活塞后 550℃至600℃的高温气流通过燃气轮机排气烟道排出送入燃机余热锅炉回收热量产生蒸气，蒸气送去以下步骤d）中汽轮机发电机组进行发电； d）、汽轮机发电机组发电：将来自步骤b）和步骤c）的蒸气合并进入汽轮机驱动叶轮旋转，叶轮带动发电机的转子进行高速旋转产生电能，实现对外输电。 [0010] 本发明所述的发电方法，其在所述步骤a）中，所述电解液的具体制备方法是：选用去离子水作为电解水源，99.95%的固体氢氧化钠作为电解质，将氢氧化钠溶解于去离子水中，配制成15%的氢氧化钠水溶液作为电解水制氢气和氧气的电解液，溶液温度控制在60℃至65℃，送至步骤a）的电解槽。 [0011] 本发明所述的发电方法，其用甲烷与氧反应制得二氧化碳和水，要求制得的二氧化碳中：CO2≥99% 、H2O＜0.5%、O2＜0.3%、N2＜0.2%，制得的水中：H2O≥99.9%，CO2＜0.1%，其中二氧化碳送入二氧化碳储罐进行储存，水送入纯水储罐进行储存。 [0012] 本发明所述的发电方法，其在所述步骤a）中，电解槽的供电由光伏装置提供，所述光伏装置包括太阳电池组件，通过太阳电池组件收集太阳光照，并将太阳能转化为电能对外输出，其中输出的电能通过控制器一部分用于电解槽进行电解液的电解，另一部分依次通过逆变器和输电控制器上网对外输出供电，所述汽轮机发电机组和燃气轮机产生的电能分别通过输电控制器上网对外输出供电。 [0013] 一种发电装置，其特征在于：包括汽轮机发电机组、燃气轮机、电解槽以及反应器，所述电解槽通过管路分别与氧气储罐和反应器连接，所述反应器与反应余热锅炉连接，所述反应余热锅炉回收的热量一部分送回反应器，另一部分通过管路送至汽轮机发电机组，所述反应余热锅炉与第一汽水分离器连接，所述第一汽水分离器通过管路分别与纯水储罐和甲烷储罐连接，所述纯水储罐通过管路与电解槽连接，所述氧气储罐和甲烷储罐分别通过管路与燃气轮机连接，所述燃气轮机与燃机余热锅炉连接，所述燃机余热锅炉回收的热量通过管路送至汽轮机发电机组，所述轮机发电机组生成的冷凝水返回反应余热锅炉和燃机余热锅炉作为冷介质继续换热，所述燃机余热锅炉与第二汽水分离器连接，所述第二汽水分离器通过管路分别与纯水储罐和二氧化碳储罐连接，所述二氧化碳储罐通过管路与反应器连接，所述汽轮机发电机组和燃气轮机产生的交流电分别与输电控制器连接。 [0016] 2、相比现有的光伏等可再生能源发电装置存在的间隙性明显，电量波动大，弃风、弃光现象时常发生，能源总发电利用率不足15%的问题，本发明消除了装置间隙性、消除了发电量波动，大大提高了能源总发电效率，使总发电利跃升至28%以上。 [0017] 3、相比现有技术发电对国家电网的间隙性冲击，通过本发明方的电能储存和释放，消除了对电网的阶段性冲击现象。 [0018] 本发明对现有技术的突出贡献在于提出了一个全新的能量间的循环转换和物料间的循环转换，来实现循环发电的新模式，也就是光能等再生能源-电能-化学能（储存）-机械能-电能的能量循环模式，以及电解水制氢气和氧气-氢气和氧气反应生成甲烷同时反应热发电-甲烷与氧气反应生成二氧化碳和水，同时化学能和反应热能发电的电-水、氧气、氢气、二氧化碳、甲烷-电的物料循环模式。本发明技术在降低碳排放、实行碳交易，治理环境污染的的今天显得尤为重要，随着本技术的全面推广，我国每年将减少因发电而产生的烟尘物排放98万吨量、二氧化硫物排放量620万吨、氮氧化物排放量620万吨左右同时，减少二氧化碳排放量67.43亿吨左右，节约发电用煤18.39亿吨左右。附图说明 [0019] 图1是本发明的结构示意图。 [0020] 图中标记：1为蓄电池，2为太阳电池组件，3为控制器，4为逆变器，5为输电控制器，6为电解槽，7为反应器，8为燃气轮机，9为汽轮机发电机组，10为反应余热锅炉，11为燃机余热锅炉，12为第一汽水分离器，13为第二汽水分离器，14为纯水储罐，15为氧气储罐，16为甲烷储罐，17为二氧化碳储罐。 具体实施方式[0021] 下面结合附图，对本发明作详细的说明。 [0022] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 [0023] 如图1所示，一种发电方法，所述发电方法具体为：a）、水电解制氢气和氧气：通过电解槽对槽内的电解液进行电解，根据需要将纯水储罐内储存的水送至电解槽内，电解过程中阴极产生的氢气直接送入以下步骤b）使用，阳极制得的氧气送入氧气储罐进行储存。 [0024] 其中，所述电解液的具体制备方法是：选用去离子水作为电解水源，99.95%的固体氢氧化钠作为电解质，将氢氧化钠溶解于去离子水中，配制成15%的氢氧化钠水溶液作为电解水制氢气和氧气的电解液，溶液温度控制在60℃至65℃，送至步骤a）的电解槽。所述电解槽的供电由光伏装置提供，所述光伏装置包括太阳电池组件，通过太阳电池组件收集太阳光照，并将太阳能转化为电能对外输出，其中输出的电能通过控制器一部分用于电解槽进行电解液的电解，将不能储存的电能通过电解水的途径将电能转变成可临时储存的氢能及氢气和氧气，另一部分依次通过逆变器和输电控制器上网对外输出供电，所述汽轮机发电机组和燃气轮机产生的电能分别通过输电控制器上网对外输出供电。 [0025] 在纯水中加入工业级氢氧化钠，配成15%的氢氧化钠水溶液，再利用光伏等可再生能源发出的电进行电解，在阴极生成氢气，阳极生成氧气，整个过程实际就是水的电解，而氢氧化钠只是充当电解质，起着液体导电的作用，在整个电解工程中氢氧化钠的总量恒定不变，提高了电解效率，降低了电解能耗。 [0026] 二氧化碳与水的制备：用甲烷与氧反应制得二氧化碳和水，要求制得的二氧化碳中：CO2≥99% 、H2O＜0.5%、O2＜0.3%、N2＜0.2%，制得的水中：H2O≥99.9%，CO2＜0.1%，其中二氧化碳送入二氧化碳储罐进行储存，水送入纯水储罐进行储存。 [0027] b）、氢气和二氧化碳反应制甲烷或甲醇：将步骤a）制得的氢气与二氧化碳储罐送来的二氧化碳在反应器内通过催化剂的催化作用反应生成甲烷，反应生成的甲烷高温气流经反应余热锅炉回收热量后送去甲烷储罐进行储存，回收热量产生的蒸气送去以下步骤d）中汽轮机发电机组进行发电，在反应过程中根据温度变化情况适当补充加入以下步骤c）出来的水蒸气。通过该步骤能够将难储存易爆炸的氢能氢气，通过与二氧化碳进行化学反应生成甲烷，转变成安全且容易储存的化学能进行存放。 [0028] 电解产生的氢气，与二氧化碳在催化剂的作用下反应生成甲烷实现了氢能转化，解决了氢气的储存难问题，降低了系统危险性，增大了运行安全可靠性，最终将电能转化成化学能的以储存，同时也避免了电能储存靠电池的后期电池垃圾对环境的二次污染；化学反应放出的热通过余热回收系统产生蒸气进行回收，蒸气用于汽轮机发电转化成对外输出的电能。 [0029] c）、甲烷或甲醇与氧气通过燃机发电和燃机尾气与制甲烷或甲醇的反应余热回收发电：将甲烷储罐和氧气储罐送来的甲烷和氧气，分别经燃气轮机的燃料进口和助燃剂进口进入燃气轮机的缸体内，在缸体内混合燃烧产生爆炸推动燃气轮机活塞对外做功驱动发电机转子旋转，将机械能转化成电能，实现燃气轮机发电，并对外输电，燃气轮机推动活塞后550℃至600℃的高温气流通过燃气轮机排气烟道排出送入燃机余热锅炉回收热量产生蒸气，蒸气送去以下步骤d）中汽轮机发电机组进行发电。 [0030] d）、汽轮机发电机组发电：将来自步骤b）和步骤c）的蒸气合并进入汽轮机驱动叶轮旋转，叶轮带动发电机的转子进行高速旋转产生电能，实现对外输电。 [0031] 本发明将用纯水（原始开车时用去离子水和99.95%的氢氧化钠配制成的15%氢氧化钠溶液）用泵注入离子膜电解槽，将光伏等可再生能源发出的电70%-100%（高峰时70%，不足时100%）的电量输入离子膜电解槽作为电解电源，通电对槽中的水进行电解，阳极生成氧气通过氧气压缩机，用管道送至罐区氧气压缩罐进行储存，以备作为燃机机组助燃剂生成水的原料循环使用，阴极生成氢气通过氢气压缩机，用管道输送至反应器氢气进口。 [0032] 罐区储存的压缩二氧化碳气体通过二氧化碳压缩机，用管道输送至反应器的二氧化碳气体进口，进入反应器的二氧化碳气体与氢气进口进入的氢气充分混合通过催化剂床层进行化学反应生成甲烷气体；同时放出大量的反应热，致使温度升高，为避免反应过于剧烈，造成温度过高而烧坏催化剂，导致催化剂失去活性，将来自反应余热锅炉产生的部分蒸气送入反应釜蒸气进口与反应物混合降低反应物浓度，控制反应温度在催化剂活性温度范围而不超高；反应生成物主要是甲烷和高温水蒸气的气流，经过反应余热锅炉时与反应余热锅炉内的软水经换热管壁进行换热，回收热量，锅炉内的软水吸收热量汽化成水蒸气，部分蒸气送入反应器蒸气进口，大部分蒸汽送汽轮机发电机组用于发电，此阶段汽汽轮机发电机组发出的电与光伏等可再生能源发出的余下电，一并经输变电网对外送出；高温气流换热放出热量后温度降低，气流中的水蒸气冷凝成水，经第一汽水分离器分离，水得到回收送去罐区纯水储罐进行储存，分离水后的低温甲烷气体经甲烷压缩机，用管道送入罐区甲烷储罐进行储存，以备作为燃气轮机原料循环使用。 [0033] 在阳光等可再生能源不足时，将罐区储存的甲烷和氧气分别从甲烷储罐、氧气储罐用管道送入燃气轮机发电机组，甲烷与氧气反应生成高温尾气，释放化学能，在机组内化学能转化成机械能，机械在进一步转化成电能实现燃气轮机的发电，生成主要成分是二氧化碳和水蒸气的高温尾气；高温尾气经过燃机余热锅炉时与燃机余热锅炉内的软水经换热管壁进行换热，回收热量，锅炉内的软水吸收热量汽化成水蒸气，水蒸汽送汽轮机发电机组用于发电，此阶段汽轮机组发出的电与燃气机组发出的电，一并经输变电网对外送出；高温尾气经换热放出热量后温度降低，气流中的水蒸气冷凝成水，经第二汽水分离器分离，水得到回收送去罐区纯水储罐进行储存以备循环使用作为电解水，分离水后的低温二氧化碳气体经二氧化碳压缩机，用管道送入罐区二氧化碳储罐进行储存，以备作为甲烷生成反应的原料循环使用。 [0034] 如图1所示，一种发电装置，包括汽轮机发电机组9、燃气轮机8、电解槽6以及反应器7，所述电解槽6通过管路分别与氧气储罐15和反应器7连接，所述反应器7与反应余热锅炉10连接，所述反应余热锅炉10回收的热量一部分送回反应器7，另一部分通过管路送至汽轮机发电机组9，所述反应余热锅炉10与第一汽水分离器12连接，所述第一汽水分离器12通过管路分别与纯水储罐14和甲烷储罐16连接，所述纯水储罐14通过管路与电解槽6连接，所述氧气储罐15和甲烷储罐16分别通过管路与燃气轮机8连接，所述燃气轮机8与燃机余热锅炉11连接，所述燃机余热锅炉11回收的热量通过管路送至汽轮机发电机组9，所述轮机发电机组9生成的冷凝水返回反应余热锅炉10和燃机余热锅炉11作为冷介质继续换热，所述燃机余热锅炉11与第二汽水分离器13连接，所述第二汽水分离器13通过管路分别与纯水储罐14和二氧化碳储罐17连接，所述二氧化碳储罐17通过管路与反应器7连接，所述汽轮机发电机组9和燃气轮机8产生的交流电分别与输电控制器5连接。 [0035] 所述发电设备还包括太阳光伏组件2，所述太阳光伏组件2与控制器3连接，所述控制器3分别与蓄电池1、逆变器4以及电解槽6连接，所述逆变器4与输电控制器5连接。 [0036] 首先，太阳电池组件经过阳光照射产生直流电流，太阳电池组件生成的直流电流通过控制器对蓄电池充电，蓄电池又对控制器放出电流，控制器再将太阳能产生的直流电少部分输送给逆变器转变成交流电送至输电控制器，而将大部分作为电解电源输送至电解槽。 [0037] 其次，来自纯水储罐的纯水，原始开车初次用的是15%的氢氧化钠溶液，在电解槽中进行电解，阳极产生的氧气，输送至氧气储罐进行储存；阴极产生的氢气直接输送至反应器与二氧化碳储罐来的二氧化碳进行反应，初次生产二氧化碳外购，反应生成的高温甲烷和水蒸气混合气体，经过反应余热锅炉与反应余热锅炉中的软水换热软水吸收热量变成蒸气，一部分返回反应器调节反应温度，大部分送去汽轮机发电机组发电，生成的电流输送至输电控制器，生成的冷凝水返回反应余热锅炉作为冷介质继续换热；高温混合气流放出热量温度降低，混合气体中的水蒸气冷凝成纯水，送入纯水储罐进行储存；混合气中冷却下来的甲烷气体送入甲烷储罐进行储存。 [0038] 接着，将甲烷储罐中的甲烷气体和氧气储罐中的氧气分别送入燃气轮机进行发电，生成的电流送至输电控制器；产生高温二氧化碳和水蒸气的混合气流，高温混合气流送入燃机余热锅炉与锅炉内的软水换热，软水吸收热量变成生气，输送至汽轮机发电机组发电，生成的电流输送至输电控制器，生成的冷凝水返回燃机余热锅炉作为冷介质继续换热；高温混合气流放出热量温度降低，混合气体中的水蒸气冷凝成纯水，送入纯水储罐进行储存；混合气中冷却下来的二氧化碳气体送入二氧化碳储罐进行储存。 [0039] 最后，来自逆变器、汽轮机发电机组和燃气轮机的交流电流，汇聚在输电控制器，通过控制器连续平稳对国家电网输出电流。 [0040] 在本发明中，甲烷（天然气及LNG的主要成分）和甲醇的储存、运输都已很好的解决了，甲烷和甲醇都可通过氢气和二氧化碳进行合成，这就很好的解决了电的转换储存问题。首先，通过电解水产氢气和氧气，氢气与二氧化碳反应生成甲烷或甲醇，再将甲烷和前面电解水得到纯氧气在燃机内反应实现燃机发电的同时生成的二氧化碳和水，尾气余热和氢气与二氧化碳的反应热经回收用于发电，最后，将尾气中二氧化碳和水经回收，水进行电解制氢和氧，二氧化碳与氢气反应再制甲烷或甲醇，这样就实现了二氧化碳和水的循环利用，整个循环理论上无须外界补充物料和对外无物料排放，实际由于泄露有少量的二氧化碳和水蒸气损失，需外界向本装置进行少量补充。 [0041] 通过本技术既解决了点的变相转换和储存，又没有“三废”对外排放，所用原料仅作为电转换的载体，是最清洁的一种发电方式，充分的利用了可再生能源，将带动可再生清洁能源发电的蓬勃发展。 |
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