一种在天然气输气管道中存储电能的方法 |
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| 申请号 | CN201710186390.X | 申请日 | 2013-03-12 | 公开(公告)号 | CN107461606A | 公开(公告)日 | 2017-12-12 |
| 申请人 | 卡尔·维尔纳·迪特里希; | 发明人 | 卡尔·维尔纳·迪特里希; | ||||
| 摘要 | 在引入 可再生 能源 的过程中，最大的困扰问题是 风 电能 和 太阳能 不可避免会产生过剩现象，以及交替出现供电缺口，而发电设备的电能储存能 力 有限。本 发明 描述了电能的生产和存储的详细过程，在此过程中，包括气体的渗透阶段和电能的存储阶段， 发电厂 内的 合成气 体在渗透阶段内通过燃烧而产生电能，在电能的存储阶段中，合成气体与额外添加的氢气会化合产生甲烷。由此产生的甲烷会被导入并且存储在 天然气 管道中，而对于从合成气体中制造甲烷所必需的氢气，则通过 电解 水 产生。所述合成气体应当优先通过干馏 焦炭 或者原 煤 产生。所述制造甲烷的过程，无论是从煤炭还是过剩的 风能 或者太阳能，都不会对 气候 造成破坏。所产生的甲烷属于混合型甲烷，其中的 碳 元素来自于化石类 燃料 ，而氢元素则来自于风能和太阳能。电能将被输电系统吸收，由煤炭额外产生的甲烷具备了天然气的特征，将被储存在输气管道中。在所述存储阶段内被存储的甲烷，或者与其同等热值的天然气可以在之后的渗透阶段中再次被天然气管道吸收，并且被输送到燃气发电厂。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种在天然气输气管道中存储电能的方法，其特征在于，煤碳被气化产生的一氧化碳与水蒸气反应，转化成二氧化碳和氢，所述二氧化碳被存储，存储的二氧化碳与利用电能电解水产生的氢反应，转化成甲烷，甲烷被送入并存储于天然气输气管道中，并在天然气输气管道中传输。 |
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| 说明书全文 | 一种在天然气输气管道中存储电能的方法[0003] 氢气可以被导入进天然气中，并且与天然气混合在一起共同输送。但是这样又遇到了另一个问题：氢气和天然气的基本物理特征和燃烧特性区别明显。从体积上看，天然气的密度是氢气的八倍，热值是氢气的三倍，而且在燃烧过程中的耗氧量是氢气的四倍。 [0004] 波动的风能和太阳能在电解作用下，也会产生波动的氢气流，并且当氢气流被引入天然气之后，就会产生波动的混合气流。这种类型的氢气和天然气的混合气体，其存储、运输以及使用方法，在已经公布的专利《DE 10 2010 020 762 A1》(可再生能源的运输和稳定)以及专利《DE 10 2010 031 777 A1》(氢气在天然气容器中的存储)。此外，在所述专利中，对于如何稳定可再生能源，也描述了一个通用的方法。这些方法对于所述波动型的混合气体推向市场也是一种障碍。 [0005] 还有另外一种方法输送氢气，即通过化学方法将氢气和二氧化碳合成为甲烷。甲烷差不多就是天然气的主要成分，因此可以没有障碍地存储在气体管道中。有许多项目都和这个课题有关。这里所说的二氧化碳，可以从火力发电厂的燃烧废气中分离而得到，或者从沼气中分离得到。从沼气中分离二氧化碳的工艺对原材料并没有详细的描述；二氧化碳从燃烧废气中的分离直至存储工艺，由于缺少大众的认可，因此前景如何，还是个未知数。 [0006] 从经济性角度看，为了运用过剩的可再生能源，可以选用传统的碳化学反应，即煤炭和水(碳元素以及水道德摩尔比为1:1之间的反应，按照化学反应式1)，在高压和高温下，产生一氧化碳和氢气。氢气和一氧化碳以相同摩尔比构成的混合气体，在下文简称为“合成气体”。然后再通过风能和太阳能按照化学反应式3进行电解水，从而制造氢气，并且按照两倍的摩尔比，将电解水而产生的氢气导流进“合成气体”中。接着按照以化学家“萨巴捷”命名的化学反应，制造甲烷和水，两者的摩尔比为1:1(参见化学反应式2)。 [0007] 化学反应式1.)C+H2O＝CO+H2 [0008] 化学反应式2.)(CO+H2)+2H2＝CH4+H2O [0009] 化学反应式3.)2H2O＝2H2+O2 [0010] 上文描述的方法，通过煤炭以及过剩的风能和太阳能生产出不影响气候的甲烷。此类甲烷属于混合型甲烷，其使用的碳元素来自于化石类能源，而氢元素则来自于风能和太阳能。在化学平衡中，供电网释放电能，并且通过添加煤炭产生甲烷，此类甲烷具备了天然气的特征(下文称为“混合甲烷”)，并且被引入输气管道。煤炭则是存储能量的载体。 [0011] 按照所述化学反应式1至3产生的含有混合甲烷的合成气体，被输送到蓄能发电设施之后，将进行渗透和燃烧(即按照化学反应式4进行燃烧反应)。合成气体和天然气混合后通过燃烧反应(按照化学反应式5)，会产生重要的合成效应。 [0012] 化学反应式4.)CO+H2+O2＝CO2+H2O [0013] 化学反应式5.)CH4+2O2＝CO2+2H2O [0014] 下文还将多次提及上面描述过的化学反应式1至5，这五个化学反应式分别被缩写为Rk.l至Rk.5。 [0015] 除了煤炭之外，其它含有碳元素的化合物(优先选择来自于植物)也可用来生产所述合成气体。这里所说的植物原料，诸如树木，其最大含量的成分的就是碳水化合物，而碳水化合物中的碳和水经过反应后可以产生氢气和一氧化碳。 [0016] 由于一氧化碳含有毒性，在通过电解水生产含有一氧化碳的合成气体的同时，必须严格按照化学反应式2规定的数量(按照剂量对称的原理)生产。为了保护人员的安全，即使按照化学反应式1和2生产，也必须避免生产或聚积过多量的一氧化碳。 [0017] 所述发明的主要内容，在于利用碳元素以及来自于供电网络的过剩电能，制造甲烷，并且通过电解水制造氢气，然后将甲烷与氢气混合，最终产生氢气和一氧化碳的混合气体。这类混合气体就是通过转化煤炭或者含碳化合物与水蒸气混合，并按照化学均衡对称的剂量直接生成合成气体，其中的主要成分甲烷将被导入天然气输送管道中。 [0018] 为了避免一氧化碳被导入气体输送管道，需要注意的是，所有一氧化碳必须彻底转化为混合型甲烷，或者混合型甲烷中分解出的一氧化碳，在被导入输气管道之前，必须被充分燃烧。建议在将混合型甲烷导入输气管道之前，对其中未彻底反应掉的一氧化碳的含量进行检测。 [0019] 一氧化碳彻底地转化为混合型甲烷，也可以降低对氢气的损耗量。过剩的氢气可以被保存在混合型甲烷中。按照现行标准，被导入天然气输气管的甲烷，其中的氢气含量最大允许比例5％(今后计划许可至10％). [0020] 因此，所述发明还包含一项内容，即被导入进输气管道的混合型甲烷，可以含有最高10％的氢气。 [0021] 按照本项发明设计的工艺，供电网络中过剩的风能或者太阳能，可以得到较大程度的吸收，并且在添加煤炭之后，可以转化为甲烷，并导入进供电网络中。本项发明的前提是，不仅要求设备具有较高的容量，而且要求与供电和输气管道相连。对于设备，已经考虑到了必要的容量。此外，在电路系统中，设备应当与高电压网络相连，在气路系统中，设备必须与高气压网络(远程供气网络)相连。为了满足这一要求，除了相关的输送管道之外，还需要额外投资变压器以及气体压缩机。 [0022] 但是，在按照本相发明设计的工艺中，如果设备和燃气发电机相连，那么所述额外的投资就可以节省。在燃气发电设施内，设备可以连接到高压输电网络上，也可以和天然气输气网络相连。涡流中的电能在转换为高压之后，会被导入进高压输电网络中。此外，电能也可以从高压网络中降为低压，以供电解反应需要。 [0023] 本项专利“蓄能发电设施将煤炭(碳)元素转换为甲烷”，包含以下诸项设备，在各项设备中，则发生了后面各自括号内标注的化学反应。 [0024] 1.发电设施/燃气发电设施(可选化学反应式4以及/或者5) [0025] 2.煤炭干馏设备，以及合成气体的生产设备。(化学反应式1) [0026] 3.电解设备，用于将电能转换为氢气(化学反应式3) [0029] 6.天然气输气网络的接口。 [0030] 在使用所述设备时，在不同的、交替出现的运行阶段，会遇到能量运用方面两个最大的挑战：如何充分利用过剩的能量，以及在供电电能不稳定的情况下，如何让供电网络的电流保持稳定。 [0031] ●在一种运行阶段(在专利中称为第一阶段)，使用燃气发电设施(1)，从而当风能和太阳能等自然原因导致供电缺口时，可以弥补这一缺口，或者可以让供电网络稳定。混合型甲烷或者与其热值等效的天然气或者合成气体，从输气网络(6)中被送出或者溢出，电能通过变压器被输进供电网络(5)中。设备中的部件2至4，不处于运行状态。 [0032] ●在另一种运行阶段(在专利中成为第二阶段)，供电网络5中释放出(过剩的)电能，并且在3中被转化为氢气。按照本项发明，在2中从煤炭等原材料生产的合成气体，与氢气在4中共同反应形成氢化甲烷。电流从供电网络(5)中被释放出，氢化甲烷被导入进天然气管道(6)中。设备1(发电设施)此时不处于运行状态。 [0033] 通过本阶段，混合型甲烷可以将过剩的电能结合煤炭的燃烧值，以天然气或者同等燃烧值气体的形式，存储在输气管道中，在需要时释放到发电设施。这样就可以定义出蓄能型发电厂最大的特征，就是把尚未使用的能量存储起来，在需要的时候再次释放出。整个设备就是一种复合型蓄能发电设施，混合型甲烷被存储在输气管道中，复合甲烷所存储的全部能量中，只有一半来自于被存储的过剩电能(另一半能量来自于煤炭)。输气管道作为能量存储设备，其优点就是具有巨大的存储容量。 [0034] 所述发明中，涉及的是一种复合型蓄能发电设施，此类发电设施中包含了前述设备1至6，在其中的设备5和6中，气体和电能的会朝着两个方向流动，并且大小会交替变化，而输气管道则起到了能量存储器作用。 [0035] 根据不同的需求以及不同的运行阶段，可以开启或关闭所述设备1至4。但是为了在这些设备中进行能量和物质的转化，前提是设备必须具备较高的灵活性。这些灵活性体现在燃气发电设施(1)和电解水设备(3)中。一氧化碳的氢化过程(4)(其中的气相，会输入氮催化剂)则可以根据实际需求，执行或删减。 [0036] 本项发明要求的灵活性和煤炭的干馏以及一氧化碳的制造过程(2)无关。虽然所述设备的功率可以调节，但是对于同步进行的电解过程(3)以及一氧化碳的氢化过程(4)，则不能随意开启或关闭。此外，正如前文告诫过的，对一氧化碳的重要的过渡产品，必须避免其聚积。 [0037] 按照本项发明将设备2、3、4连接进发电设施(1)之后，还有一个优点：在设备2中制造出的合成气体，其热值已经很接近城市中日常使用的煤气，并且在发电设施运行的过程中，可以单独地(参见化学反应式4)或者与天然气共同(参见化学反应式5)被释放出。因此，负责制造合成气体的设备2，在所述两种运行状态下，都可以运行，所以在燃气发电设施(4)中制造电能以及在制造混合型甲烷(化学反应式2)时，可以切换地使用设备2。 [0038] 在第一运行阶段中，有一种运行模式中，为了使供电网络稳定，让其中的燃气发电设施(1)与煤炭的干馏装置以及合成气体生产设备(2)共同运行，同时释放合成气体。此外，还可以从输气管道中提取天然气。必要的话，天然气还可以与合成气体混合在一起，并共同释放，同时将电能导入进供电网络中。在此模式中，设备3和4不运行。 [0039] 本项发明的另一项内容是，可以选用合成气体，一方面作为可燃气体，可以与天然气混合使用，或者作为独立的燃料用于第一运行阶段中的燃气发电设施的发电能源，另一方面，与利用电能通过电解水而产生的氢气共同使用，在第二运行阶段中，用于生产混合型甲烷。因此，在两个运行阶段中，煤炭的干馏得以持续进行。 [0040] 按照本项发明，在燃气发电设施内通过利用煤炭以及过剩的可再生能源来生产混合气体，还有另外一个“合成能源效应”，即可以拓宽电解水中的供水来源。合成气体中的可燃气体氢气或甲烷与氧气反应后(化学反应式4或5)，会形成冷凝水。这种冷凝水中不含任何盐，符合电解水的必要条件。一摩尔氢气可以产生一摩尔的水。而如果要通过电解水获得2摩尔的氢气，按照化学反应式3，则需要2摩尔的纯水，而按照化学反应式2，通过燃烧甲烷可以获得不含盐的冷凝水，正好提供这2摩尔的纯水。按照纯粹的计算，在整个工艺流程中可获得不含盐的水，电解时以及在按照本项发明通过风能和太阳能生产甲烷时都需要这种水。当天然气燃烧后，可以获得2摩尔的冷凝水(参见化学反应式5)，这2摩尔的水正好成为化学反应式3中必需的水。 [0041] 在电解水的过程中，每消耗1兆瓦的电能，可以产生200至250立方米的氢气(取决于不同的能量利用效率)，并且需要消耗大约160至200升的不含盐的纯净水(蒸馏水)。假定一个产能为100MW/h的燃气发电设施，装备的设备对过剩电能的吸收容量也为100MW/h，那么该发电设施每小时电解水所需的蒸馏水为16000至20000升。这就意味着，购买蒸馏水用于电解，需要花费巨大的费用，因此成本和能源将成为一个大问题。 [0042] 发电设施获得的冷凝水是一种恰当的输出物，可作为电解水工艺中廉价的原材料。从天然成份上来讲，这种冷凝水不含盐，含有微弱浓度的碳酸、硫酸和氢硫酸，但是酸度很低(pH值大约为4.5)。碳酸可以从水中排放掉，矿物酸可以通过阴离子交换，与冷凝水分离。 [0043] 此外，还可以从气体取暖设施(“燃烧型取暖器”)中通过相同的原理获得冷凝水。对于功率在60千瓦以上的取暖设施，为了遵守公共道德原则，所有的冷凝水必须在确保其在化学上呈中性才能够排放到沟渠中。因此，如果把冷凝水聚积在一起，用于本项发明所涉及的工艺中则是一种经济有效的方案。 [0044] 如果合成气体在燃气发电站中和天然气混合在一起燃烧，且燃烧后的冷凝水按照相同的方式用于电解水，则需事先对合成气体做特殊的处理。煤炭可以作为合成气体的生产原料，但是煤炭中也会含有最高达4％的硫化合物，而硫化合物必须得到充分的燃烧。煤炭燃烧后产生的气体中会结合硫化物，这一点已为人所知。还有，煤炭在干馏过程中，会产生氧化铁。因此，合成气体的清洗过程很重要，因为从合成气体中产生的混合型甲烷，会被导入进输气管道中，而且在输气管道中也会存在天然气，输气管道对清洁程度的要求很高。基于这一点，如果在燃气发电设施中把合成气体与天然气分开后再向外释放，并且只使用纯天然气燃烧后产生的冷凝水(2摩尔的水)用于电解，效果则会更好(请对比化学反应式3和5)。 [0045] 上文所述的发明中，其内容还包括在燃气发电设施(1)中，对天然气燃烧后产生的冷凝水的收集和利用，把冷凝水作为电解反应(3)的原材料。按照化学反应式2、4和5而获得的冷凝水，正好提供电解反应(化学反应式3)以及在此之后的氢化反应(化学反应式2)所需。 [0046] 按照本项发明设计的工艺对在所述设备2、3、4中的合成部分进行运用，即利用风能或者太阳能，从煤炭或者其它的碳化合物中，制造混合型甲烷。混合型甲烷的特征，和环保型的天然气不相上下。所述工艺与能源利用技术融合之后，输气管道中的天然气会逐步地被复合气体淘汰，也就不再需要依赖进口的天然气。 [0047] 燃气发电设施中增加了煤炭干馏以及电解水和一氧化碳氢化反应之后，产生的“合成能源效应”分别简述如下： [0048] ●若煤炭干馏过程(即按照化学反应式1制造合成气体的过程)是一个持续不间断的工艺流程时，则生产技术上可以体现出优势。这就意味着，在第二运行阶段(参照化学反应式2)制造混合型甲烷的过程中，以及在第一运行阶段在燃气发电设施(参照化学反应式4)释放气体时，则需要用到合成气体。 [0049] ●在电解水的过程中(参照化学反应式3)，为了按照化学反应式2进行氢化反应，为了保证必需的氢气，除了在合成气体中含有氢气之外，还需要2摩尔的水。其中一摩尔的水，可以从第二运行阶段(即化学反应式2)内，直接通过分离冷凝水获得并且储存；另一摩尔的水，可以在第一运行阶段中，从燃气发电设施的烟尘中冷凝获得，然后储存。这就是说，用来制造混合型甲烷的氢气来自于两个运行阶段中生产设备里的冷凝水。在此过程中，设备1、2、3和4相互连通，因此从化学上精确计算的、用于制造混合型甲烷所必需的纯净水，可以得到聚积和存储。 [0050] ●如果接通了天然气管道，并且还接通了高压输电网络，那么在不同的运行阶段内，气体和电流可以向着不同的方向输送，所有设备均可运用。即天然气管道及其接口以及高压输电网络和接口可以由所有设备共同使用。 [0051] ●发电厂装备了量程广泛的变压器，从而可以在第一运行阶段内，将电流从涡流中进行转换，进而输入高压网络中。而在第二运行阶段，同一个变压器，则可以把高压网络中的电能转换为较低的电压，从而满足电解反应的需要。 [0052] 针对混合型蓄能发电厂，其所蓄电能中的一部分来自于过剩的电能，一部分来自于从煤炭生产出的混合型甲烷。这类混合型甲烷将被输送进输气管道，在需要使用的时可从输气管道中再次释放出。因此，输气管道在混合型蓄能发电厂中起到了蓄能器的作用。还有另一种蓄能器，就是蓄水池。 [0053] 对于按照本项发明设计的混合型蓄能发电厂，为了注重其经济性，每存储1百万千瓦过剩电能并且再添加大约80吨煤炭，大约可以制造出13万立方米的混合型甲烷，假定燃气发电厂的能量利用效率为65％，并且使用冷凝水，那么在需求峰值时可以提供85万千瓦的电能，并且气体可以再次释放，在不使用煤炭的情况下，能量利用效率可以达到85％。 [0054] 自然界的可再生能源会导致过多或者过少的能量输入到供电网络中，因此将导致两个运行阶段交替地更换。为了让供电网络的电流稳定，可以使用高热值的、应用范围广泛的煤炭。不过最好不要使用煤炭，而是使用对气候无害的天然气(混合型甲烷)。 [0055] 为了考虑生态平衡，可以逐步地增加氢气的用量，氢气依旧通过电解水(化学反应式3)来获得。氢气和被导入天然气管道的混合型甲烷混合在一起。按照最新的标准，氢气在天然气中的添加量，可以达到10％。 [0056] 按照化学反应式3，在电解水时产生的氧气，可以被收集和存储，在之后用于合成气体(化学反应式4)或者天然气/甲烷(化学反应式5)的燃烧。在去除了空气中的氮气后，也就可以避免在燃烧过程中产生氮氧化物。氮氧化物对气候的损害程度远远超过二氧化碳。在电解水之后，氧气因为密度较大而下沉，因此纯度比可燃气更高，容易液化并且以液态的形式存储。 [0057] 在使用纯氧燃烧的过程中，可燃气体的燃烧温度较高，且能量密度较大，这有利于提高能量的利用效率，但是各种材料的温度也接近了各自的抗高温极限。这里推荐添加冷却水，并且优先使用冷凝水作为冷却水，以便监控燃烧温度。消耗掉的冷凝水以及蒸发能，可以通过在燃烧之后的冷凝水重新回收。并且可燃气中含有的一氧化碳也可以被回收，而且从烟尘中分离出的二氧化碳也可以回收利用。 [0058] 如果合成气体在第一运行阶段中被燃烧，那么从二氧化碳排放方面评价，这一部分工艺属于增加碳排放。从生态平衡角度考虑，可以通过利用过剩的能量把煤炭转换为不损害气候环境的甲烷，以供以后使用。这样只有一个细微的缺点，就是在第一运行阶段内，在燃气发电厂内会产生过多的天然气与混合甲烷。除此之外，按照经验，总体上而言，可燃气的输送比煤炭等固体的输送更为有效。 [0059] 另一方面，按照本项发明设计的工艺中，在按照化学反应式2对煤炭干馏时，运用一些木材等自然原料(或者局部地使用)，对生态平衡更有益处。木材作为碳水化合物，按照化学反应式1可以转换为合成气体。木炭和氢气可以合成“生物甲烷”。为了提高生态平衡，可在导入输气管道的甲烷中添加氢气，因为氢气可以完全燃烧，且不会释放任何有害气体。 [0060] 从过剩的可再生能源以及煤炭中获得对气候无危害的混合型甲烷之后，实际经济利润显而易见。各个州只需要煤炭，因此对天然气的进口不再依赖。以煤炭和过剩的电能为基础能源的蓄能发电厂，逐渐转向可再生能源的利用，从而实现最经济节省的工艺流程。 [0061] 按照本项发明设计的工业化，其经济效益大致估算如下：依靠1百万千瓦的过剩电能，大约可以制造出13.5万立方米的混合型甲烷，把这些混合型甲烷或者与其热值相当的天然气重新释放出，用于生产，可以获得大约85万千瓦的能量(请参照本文结束语中的“电化学模拟计算”)。 [0062] 这些混合型甲烷中的碳元素，大约需要60至80吨的煤炭，这就是说，使用大约70吨的煤炭，以及1百万千瓦的过剩电能，可以产生85万千瓦的高价值能量，可在以后需求峰值时投入使用。 [0063] 其它非灵活型的发电厂，诸如火力发电厂或者核能发电厂，当发电设施的发电量超出了输电网络的最大承载能力，也会产生过剩的电能。有个现状是大型发电厂对经济效益看的比较重，而且目前阶段扩大利用可再生能源的时间比较好，因为可再生能源在供电网络中具有优先使用权。可以想象，目前供电网络中的电能要么不足，要么就是过剩。 [0064] 在此类非灵活型的发电厂内，可以按照本项发明建造混合型蓄能发电设施。首先，可以用过剩的电能制造混合型甲烷，并且将甲烷导入输气管道中，在此之后，当燃气发电厂对能量的需求达到高峰时，可以释放这些可燃气。(主)发电设施因此可以较优的能量效率持续运转。必要时可在主发电设施的燃烧室内输入合成气体，与甲烷共同燃烧。 [0065] 在现有的发电厂内，发电机的输出电压一般都为5000伏。常见的电解设备的输入电压一般为200至300伏之间，而在电解装置中，所有电解单元依次串联接通后，各自连接的电压仅为2.2伏。这些串联的单元的总数，不得不受到限制，因为即使其中一个电解单元发生故障，整个电解设备都会被关闭，必须对整体设备维修。如果把所有的电解单元分成若干个模块，每个模块中具有相同数量的串联电解单元，并且还额外保留一个备用模块，则可以增加不少电解单元的总数。这些运行中的所有模块中即使有一个出现故障，那么额外保留的那个备用模块可以开启，受损的模块可以被关闭，等待修复。因此，电解装置就可以导入相对较高的电压，安全运行。电解装置的输入电压就可以和电厂发电机相匹配，并且高压输电网中的变压器，在两个运行阶段中，对两种设备都适用。发电机和电解设备之间的电压差(以及与主变压器之间的电压差)，可以通过变压器得到平衡。 [0066] 如果混合型蓄能发电设施位于褐煤发电厂附近，那么在地理位置上就更具备优势，因为那里可以直接取用褐煤，当蓄能发电厂对能源的需求可以预见地增加时，褐煤可以一车接一车地运往发电厂。直接燃烧褐煤，这种尚有争议的举动，将来会被改进，褐煤作为经济型能源，应当得到更合理的运用，在能源企业中应该发挥更重要的功能。煤炭的使用必须遵守当前生态方面的法令。 [0067] 化学反应方程式概览(化学反应式1-5) [0068] Rk.1.)C+H2O＝CO+H2 [0069] Rk.2.)(CO+H2)+2H2＝CH4+H2O [0070] Rk.3.)2H2O＝2H2+O2 [0071] Rk.4.)CO+H2+O2＝CO2+H2O [0072] Rk.5.)CH4+2O2＝CO2+2H2O [0073] Rk.6.)CO2+4H2＝CH4+2H2O [0074] 混合型蓄能发电厂各设备概览(括号中标注的1-5是每台设备涉及的化学反应式的编号) [0075] 1.发电设施/燃气发电设施(化学反应式4以及/或者化学反应式5)[0076] 2.煤炭干馏设备以及合成气体生产设备(化学反应式1) [0077] 3.电解设备以及整流器，用于调节制造氢气的电能(化学反应式3)[0078] 4.用来水合一氧化碳(或者二氧化碳)、制造混合型甲烷的设备(化学反应式5和6)[0079] 5.高压输电网络以及变压器的接口(化学反应式4、5或者3) [0080] 6.天然气输气管道的接口(化学反应式5或者2) [0081] 关于储能装置或者能量存储媒质 [0082] 最重要的储能装置，其实就是可燃气输送管道，其中的混合型甲烷就作为能量存储媒质。当需要消耗能量的时候，被存储的混合型甲烷或者与其同等燃烧值的可燃气可以被释放到可燃气输送管道中，与那里的天然气混合，这种释放过程最好在燃气发电厂进行，因此此类发电厂中应建有蓄能发电设施。各类设备整合之后，如何协同作用已在前文有详细描述。此外，储能气体的再释放也可以在一个独立的地点进行，那么天然气则应从天然气管道中排出，与甲烷或者同等燃烧值的可燃气混合。 [0083] 二氧化碳业也可以从烟尘中分离并且存储。在燃烧过程中，如果用电解水产生的氧气来替代空气，那么在水冷凝之后，这些二氧化碳就显得多余。如果让这些二氧化碳也进入输气管道被输送，那么在煤炭燃烧时，煤炭不可避免会和二氧化碳反应而产生一氧化碳。这些一氧化碳可以被回流进燃烧室，以避免流入大气。 [0084] 另外一个存储能量的媒质就是用于电解的水，这些水一般来自一个或多个燃气发电设施的烟尘中的冷凝水。如果燃气发电设施和复合型蓄能发电设施相连通的话，那么就可以在现场就地收集冷凝水，按照对应的容量存储在蓄水池中，为电解备用。如果燃气发电设施和复合型蓄能发电设施未连通，那么被收集的冷凝水，只能通过蓄水车被输送到混合型蓄能发电设施。在输送过程中，也可以同时收集供暖装置中的冷凝水。如何从天然气和混合型燃气的燃烧过程中收集和储存冷凝水，并因此可以从混合气体中重新分离出混合型甲烷(参见化学反应式2、3和5)，也是本项发明的内容之一。从天然气燃烧过程中收集出的冷凝水具有较高的纯度，因此，按照本项发明，用于电解的冷凝水将优先选用在由煤炭中提取的合成气体的燃烧过程中收集的冷凝水。 [0085] 关于合成气体的制造和使用 [0086] 在“费-托工艺流程”(Fischer-Tropsch)的第一级中，碳和水蒸气通过在高温下按照化学反应式1发生反应而产生合成气体。取决于煤炭或者碳化合物的不同质量，所述反应之后产生的主要物质是一氧化碳以及氢气，可能也会有一些甲烷。也可以把煤炭在隔绝空气的条件下，加热到1000至1300摄氏度，获得焦炭。这有助于提高碳元素的纯度，并有利于转换为合成气体。1吨煤可以产生大约300立方米的煤气，其中主要成分为大约50％的氢气和30％的甲烷，这些气体会直接被导入输气管道，也可以按照化学反应式2继续反应。煤炭干馏后，会产生其它的副产品，例如“煤焦油”其实是各种芳香类物质的混合物。煤焦油历来被视为化学工业的基础原料。按照本项发明设计的工艺，可以合理利用煤炭能源，改善生态环境，并获得大量的中间类化学品，而且对石油化工的依赖会逐渐降低。 [0087] 在所述两种生产合成气体的工艺中，包括在气体的清洗过程，以及在蓄能发电设施的两个运行阶段中，不能持续不间断地切换。因此，本项发明有个特别的贡献，就是在两个运行阶段中，在不同的使用情况下，都可以使用合成气体(在第一运行阶段中按照化学反应式3使用合成气体，在第二运行阶段中按照化学反应式4使用合成气体)。 [0088] 如果在混合型蓄能发电设施的旁边还建造了煤炭发电设施(火力发电设施)，那么在第二运行阶段中，合成气体也可以被吹入火力发电设施的燃烧室中并且在那里释放。当对能量的需求达到峰值时，可以额外添加别的气态燃料，可以快速达到较大功率。因此，煤炭发电设施拥有了较大的自主灵活性。 [0089] 合成气体按照化学反应式2转换为复合型甲烷，其过程属于按照化学家萨巴蒂尔(Sabat ier)命名的化学反应之一。在此类反应中，在氮催化剂或者铁催化剂的作用下，一氧化碳被氢气氢化，产生甲烷。此类化学反应属于放热反应，按照本项发明设计的其它工艺中，如果需要吸热，可以利用此反应释放的热量，因此合成气体释放时的能量利用效率可以得到进一步提升。 [0090] 按照化学反应式3进行的反应中，如果适当改进，还能够获得大分子碳水化合物，可以作为汽车的燃料。 [0091] 合成气体/二氧化碳的释放和存储 [0092] 释放合成气体，意味着直接或间接的利用其热值，以获得电能。 [0093] 在合成气体被释放的阶段所产生的二氧化碳，也可以被存储或者筛分。例如，氢气燃烧后产生的水被冷凝之后，可以通过高压液化，从烟尘中分离出二氧化碳。电解水产生的氧气，如果取代空气被用于助燃，因此不需要吹入空气，那么在水蒸气被冷凝之后，二氧化碳成为唯一的气体，直接被存储。 [0094] 在释放合成气体的过程中，合成气体除了直接燃烧之外，其中的一氧化碳还可以和水蒸气发生反应，产生二氧化碳和氢气。由此产生的二氧化碳将被存储，在此之后，只有氢气被燃烧。就像通过电解水获得氢气一样，可以让二氧化碳换为甲烷，即让氢气和存储的二氧化碳按照化学反应式6进行反应，也可以让氢气与合成气体或者一氧化碳按照化学反应式2进行反应。合成气体也可以被分成两部分，其中一部分用来制造氢气和二氧化碳，另一部分合成气体与氢气按照化学反应式2发生反应用于制造甲烷。在合成气体的释放过程中，也会产生甲烷，这些甲烷既可以直接燃烧或者释放，也可以存储起来。 [0095] 归纳而言，合成气体可以和纯氢气或者纯甲烷一样，被释放或燃烧。在总共三种类型的合成气体中，其中的二氧化碳都可以被分离出，并且存储。 [0096] 在此建议：最好在复合型蓄能发电设施不需要消耗电能、并且不会产生排放的时候，将合成气体转换为甲烷。 [0097] 按照本项发明设计的工艺中，如果合成气体来自于生物型能源(例如树木)，那么在释放合成气体的阶段，可以把二氧化碳存储在地下(因为二氧化碳容易被植物吸收)。在存储过剩电能的同时，制造出生物型甲烷。 [0098] 在二氧化碳和甲烷的混合气体中，关于其生物型来源的证明 [0099] 二氧化碳和甲烷属于最终产品，其来源(生物或者化石)需要在技术文件或者财务报告中说明，例如“生物型甲烷”。如果用树木按照本项发明设计的工艺制造所述气体(甲烷和二氧化碳)，则应当将其描述为“生物型xx(气体名称)”。 [0100] 可以通过放射学中已有的“碳同位素放射法”(C14方法)来测定：所使用的生物型原材料以及由此制造的生物型甲烷，通过同位素测定在C14同位素部分方面具有相同的起始值。而化石类碳元素中不包含C14同位素。对于二氧化碳的来源，所述方法也同样适用。可以按照被称为“洛比法(Lobby)”的放射性计数管法则”对气体进行测量。 [0101] 在利用煤炭和(过剩的)电能生产混合型甲烷时的电化学模拟计算[0102] 按照化学反应式3(电解水)开始生产。假定电解时的能量效率为80％，那么每生产一立方米的氢气需要4.2千瓦的电能。按照化学反应式2，合成气体中还需要2摩尔的氢气，用于与一氧化碳反应来制造混合型甲烷。因此，从合成气体中每生产1立方米的混合型甲烷，总共需要大约8.4千瓦的电能。 [0103] 在此假定，混合型甲烷中的碳元素，全部来自煤炭。甲烷中的碳元素质量比例为75％(甲烷的分子量为16，其中的碳元素的原子量为12)。甲烷的气态密度为718克/立方米。 因此，通过计算得知，1立方米的甲烷，其中含有539克的碳元素。通常使用的原煤，其中碳元素度含量为65％至90％(取决于原煤的质量)。所以，每立方米的混合甲烷需要580至830克的原煤。 [0104] 综上所述，通过8.4千瓦(过剩的)电能以及580克至830克的(脱水的)原煤，可以生产1立方米的混合型甲烷。混合型甲烷的燃烧值与天然气相似。每立方米的混合型甲烷被释放后，可以提供7.5千瓦的电能(每立方米混合型甲烷的内能为11.5千瓦，燃气发电厂的能量使用效率假定为65％.如果原煤的使用量为标记在括号中的580克，则混合型甲烷释放后的能量使用效率为87％。 [0105] 合成气体的释放/一氧化碳氢化反应的稳定化 [0106] 在气体释放阶段，合成气体通过在发电设施内的燃烧被转化为热能。合成气体的释放可以在煤炭发电设施或者燃气发电设施内进行。根据对能量的需求量，在燃气发电设施内，在释放合成气体的同时，还可以同时释放天然气。 [0107] 气体释放阶段，能量的存储过程暂时停止。按照本项发明设计的工艺中的能量存储过程和煤炭干馏过程一样，都属于一个化学流程，其中需要一氧化碳的参与。如果此时对功率的需求较低，那么最好把一氧化碳氢化进而生成甲烷的过程也设置在这个阶段。 [0108] 即使没有电解水产生的氢气参与，也能进行气体释放进程。在此过程中，合成气体中的氢气会被分离。然后按照化学反应式2，2摩尔被分离出的氢气，和另外1摩尔的氢气以及合成气体中1摩尔的一氧化碳结合转换为甲烷。在气体释放阶段，甲烷的制造过程在较低功率下就可进行。残余的一氧化碳或者含有一氧化碳的合成气体，则应当按照本项发明设计的工艺释放到发电设施内。 [0109] .在一氧化碳的氢化过程中，如果未反应彻底的一氧化碳残留在甲烷中，那么这类反应混合物应该临时性地在发电设施内燃烧掉。在此需要避免一氧化碳被混入到输气管道中(作为安全防范措施，可以检查终极产品甲烷中的一氧化碳含量)。因为一氧化碳的氢化过程与合成气体的释放阶段是同时进行的，所以如果产生额外的可燃气，那么反而是有利的现象。发电设施与一氧化碳氢化设施联合在一起，也是一种新的合成工艺。 [0110] 电化学模拟计算/气体的回流 [0111] 如何按照化学定律，计算反应物和生成物的质量、能量、体积之间的相互关系，将在下文作详细描述。在计算时，约定合成气体是氢气和二氧化碳的混合物，但是二氧化碳和氢气的混合比例可以灵活变化，主要取决于原材料的性质(例如生物型原料或者煤炭等化石型原料)及其干馏气化方法。此外，在合成气体中，允许渗入提前形成的甲烷。 [0112] 存储阶段：能量/质量/体积 [0113] 可存储电能的基准容量：1百万千瓦 [0114] 如果要通过电解水制造1立方米的氢气，大约需要0.8升的纯净水和4.2KW的能量(利用率为80％。) [0115] 按照化学反应式2以及3，将产生2份氢气(含有合成气体)以及1份甲烷。 [0116] 这就意味着，1立方米的甲烷，需要8.4千瓦/1百万千瓦，并且需要600-800克的煤炭。 [0117] 因此，制造12万立方米的甲烷，则需要大约85吨的煤炭。 [0118] 储存设施 [0119] 只有从烟尘中分离出的冷凝水，才需要进行存储(在第二运行阶段存储)。这就意味着， [0120] 当天然气燃烧时，会产生0.8x 2x 120000＝192000升的纯净水，即[0121] 192立方米纯净水 [0122] 当合成气体燃烧时，会产生0,8x 1x 120000＝96000升的纯净水，即[0123] 96立方米纯净水 [0124] 为输气管道配备的第二储存器，是为所有可以预见的状况而准备的，以确保有足够的容量。 [0125] 气体的回流 [0126] 在燃气发电设施，12万立方米的甲烷，当能量利用率为65％时，可以产生大约85万千瓦的能量。 [0127] (假定不使用原煤制造出的1百万千瓦的能量，能量利用率为)85％[0128] 结束语 [0129] ■煤炭和过剩的能量可用于制造甲烷，这些甲烷可以存储在输气管道中，并且被运输，然后以85％的利用率(气流和电流的比值)被释放。 [0130] ■在不同的运行状况下，电能将由混合型蓄能发电厂交替地吸收和存储或者被排放。 [0131] ■混合型甲烷与H-等级的天然气的质量相当。 [0132] ■1立方米的混合型甲烷，需要大约700克煤炭以及8千瓦的的过剩电能来生产。 [0133] ■已存储的能量，其回放时的利用率(每兆瓦电能回放时还需要提供大约60至80千克的煤炭)大约为85％(该数值在75％至90％之间浮动，取决于发电设施在气体回流时的能量利用率) [0134] ■通过添加煤炭，水的电解速度可以提高2倍以上。 [0135] ■在使用生物型原材料时，所有被使用的生物型碳原料，其可被存储的电能将被转化为生物型甲烷(在生物型燃气设施中，碳元素不仅生成甲烷，还有30％至50％的二氧化碳)。 [0136] 被存储的二氧化碳，可以与氢气发生反应，生成甲烷。与合成气体相比，在用二氧化碳制造甲烷时，需要使用2倍的氢气。 [0137] 下班三个化学反应式，描述了从烟尘中再生甲烷的机理： [0138] A.)甲烷的燃烧CH4+2O2>CO2+2H2O [0139] B.)水的电解4H2O>4H2+2O2 [0140] C.)甲烷的再生CO2+4H2>CH4+2H2O [0141] 从化学反应式C)中可以看到，在用二氧化碳再生甲烷的过程中，需要投入4摩尔的氢气，但是用合成气体制造甲烷只需要2摩尔的氢气。相应地，上文描述的生产技术中，其效率(能量利用率)被称为“电能转换为燃气的效率”。整体能量利用率大约在35至40％之间(电流转换为气流)。 [0142] 化学反应式A/B/C描述了化工型的蓄能发电设施的特征。在其中一个运行阶段中，甲烷被释放和燃烧，从而产生能量(化学反应式A)，然后二氧化碳从烟尘中被分离出，得到存储。在另一个运行阶段，被存储的过剩电能被用来电解水，从而产生了氢气(化学反应式B)，然后这些氢气对被存储的二氧化碳进行氢化反应，产生甲烷(化学反应式C)。在化学反应式A和C中生成的水，通过冷凝被分离，然后被用于电解反应(化学反应式B)。在电解水(化学反应式B)的过程中，除了氢气之外，还产生了氧气，氧气被存储后可用于甲烷的燃烧(化学反应式A)，因此不必再吹入空气。因此，烟尘由二氧化碳和水蒸气组成，而水蒸气被冷凝并且分离之后，气态二氧化碳可以直接被存储。当然，二氧化碳和水蒸气也可以作为混合气体，存储在一起。 [0143] 另外一种蓄能型发电设施，其实就体现在化学反应式B中。按照这一化学反应式，在一个运行阶段中，化学反应可以按照化学反应式B从右向左进行，即释放和燃烧氢气。氢气燃烧后生成的水，在冷凝之后被收集和存储。在另一个运行阶段中，存储的冷凝水，用存储的电能进行电解，被分解为氢气和氧气，即重新按照从左向右的顺序按照化学反应式B进行反应。此时产生的氢气将被存储，到另一个运行阶段中将被释放和燃烧。此时产生的氧气也可以被存储，可以提供给可燃气的燃烧，以取代原先需要吹入的空气。用纯氧燃烧的优点是，没有氮气的干扰，不会产生有害的氮氧化物。 [0144] 所述发明的另一项内容是，通过电化学反应从烟尘中对甲烷的结构进行重组。需要说明的是，在燃气发电设施中，电解水的反应和二氧化碳的氢化反应是结合在第一运行阶段中的，此时天然气和甲烷被持续从输气管道中导入，气体在发电设施中燃烧会产生电能，这些电能会被输入到电网中；从烟尘中可以分离出二氧化碳，并且收集和存储。在第二运行阶段中，从电网中输出的电能用于水的电解。而且在水电解时产生的氢气，与在第一个运行阶段被收集和存储的二氧化碳发生氢化反应而生成甲烷，并被导入输气管中。 [0145] 此外，从烟尘中分离的水蒸气，在第一运行阶段被冷凝及存储，并在第二运行阶段电解时使用。 [0146] 除此之外，在第二运行阶段电解水的过程中，除了产生氢气之外，还产生适量的氧气，这些氧气被存储之后，在之后的第一运行阶段中可以取代空气为可燃气助燃。如果在之后的过程中，纯氢气和纯氧气发生燃烧反应，则烟尘就由纯水构成，这些纯水被储存后可以直接被用来电解。如果纯甲烷和纯氧气发生反应，则烟尘就由水蒸气和二氧化碳组成，应当将其分离后再存储，等待再次使用。 [0147] 总之，氢气或者碳氢化合物燃烧后，从烟尘中提取的冷凝水(例如可以在燃烧型取暖设施中进行)，可以作为电解的原料水。 [0148] 通过电解水过程收集并且存储的氧气，如果合理利用，归纳而言，具有如下优点： [0149] 1.甲烷燃烧时，如果使用纯氧取代空气助燃，那么燃烧后的烟尘中只含有二氧化碳和水蒸气。将水蒸气冷凝并且从烟尘中分离后，那么剩余的烟尘就是纯二氧化碳，可以存储能量。因此在后续的存储阶段，氧气的含量可以精确计算，这些氧气在后续存储阶段，对于甲烷的燃烧是必需的。 [0150] 2.如上文第1点所说，合成气体燃烧时如果使用纯氧助燃，那么燃烧后产生的烟尘就只由水蒸气和二氧化碳组成，二氧化碳从中的分离过程(包括存储和筛分)，就会变得很简单。在分离出冷凝水之后，二氧化碳会转变为液态(例如可以通过高压让二氧化碳液化)。可燃气体中含有的一氧化碳，在接近100摄氏度的温度下比二氧化碳沸腾渗透得更深，因此更容易保留在气相中，回流等待燃烧。在此过程中，以氧化碳在燃烧过程中，会处于循环周转状态，不会被引入大气环境中。因此在燃烧合成气体的时候，可以允许气体温度达到更高，以满足热动力学的要求，不用避免温度过高产生更多的一氧化碳，因为一氧化碳不会排放进大气。 [0151] 3.同样地，在释放或者燃烧氢气的过程中，使用纯氧助燃也有优点：氢气在纯氧中燃烧，产生的烟尘中只有水蒸气，水蒸气存储后，在之后整个工艺的存储阶段直接可以用于电解反应。纯净的氢气以及纯净的氧气，就和纯水电解后生成的纯阳和纯氢气一样。由于氢气和氧气的混合气体具有较高的能量密度，因此可以让水蒸气成为气体燃烧时监控温度的媒质。在此过程中，水蒸气的涡流可以直接设定在可燃气体的涡流的后面。混合蒸气的压强降低之后，都会回流到气体燃烧室中，但是其中只有水蒸气才会被冷凝，之后的电解反应正好需要这种冷凝水。 [0152] 4.在上文描述的三种应用情况中，纯氧气取代了空气作为助燃气体，和用空气作为助燃气体时相比，因为没有了氮气的参与，所以反应之后就不会产生有害的氮氧化物。 [0153] 5.为了制造合成气体，需要进行所谓的Oxy干馏(即焦炭或者含碳化合物在输入氧气的情况下进行的干馏气化)，此时，可以使用电解水产生的纯氧气。因为在此过程中可以就地取材地制造和使用氧气，因此在气体释放阶段，不必再另外存储氧气。 [0154] 如果合成气体是从生物型原料提炼，则按照本项发明设计的工艺具有如下优点： [0155] 1.当从生物型原料中提炼的合成气体释放和燃烧时，构成生物型原料的植物，会从大气中吸收燃烧产生的二氧化碳。这就意味着，在按照本项发明的设计的工艺中，若使用生物型原料，则可以降低二氧化碳在大气中的含量。 [0156] 2.在存储阶段，合成气体中所有的生物型碳元素将全部会被转换为生物型甲烷。和生物型可燃气装置相比，合成气体产生的甲烷的数量是其两倍。 [0157] 3.如果生物型原材料和煤炭混合在一起干馏，但是混合比例随着不同的季节而变化，那么可以按照已知的“碳同位素放射法”来确定生物型碳元素分别转化为二氧化碳和甲烷的比例。 |
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