一種利用過剩電制替代天然氣的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用過剩電制替代天然氣(ETG,ElectricityTo Gas)的方法，屬于甲烷化領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]作為世界上第一大電力生產(chǎn)國，由于經(jīng)濟增速趨穩(wěn)，中國正面臨著電力相對過剩的難題。電力相對過剩最主要的原因是經(jīng)濟發(fā)展放緩，社會用電需求下降，是中國經(jīng)濟進入新常態(tài)后造成的。電力的相對過剩帶來了十分嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光、棄水現(xiàn)象。我國已成為全球風(fēng)電規(guī)模最大、光伏發(fā)電增長最快的國家。但新能源限電現(xiàn)象卻日益加劇，大量清潔能源被浪費。
[0003]與此同時，我國電網(wǎng)“峰谷差越來越大”對“電能質(zhì)量”負面影響也越來越大。當(dāng)電網(wǎng)峰電與谷電的差值越大，電網(wǎng)波動就越大，電網(wǎng)調(diào)整的能力就越困難，進而對供電側(cè)、用戶側(cè)不同設(shè)備的負面影響也越大。加快構(gòu)建我國“谷電大規(guī)模化學(xué)儲能調(diào)峰板塊”降低“峰谷差”是解決“電能質(zhì)量”、“浪費谷電”矛盾的前提因素;而“調(diào)峰”是降低“峰谷差”的主要手段。
[0004]另外一方面，為保證核電的安全及經(jīng)濟性，中國的核電機組均帶基荷滿功率運行，隨著核電的飛速發(fā)展及負荷峰谷差的日益增大，電力系統(tǒng)調(diào)峰形勢越來越嚴(yán)峻，核電機組面臨著嚴(yán)重的調(diào)峰運行壓力。為了實現(xiàn)調(diào)峰，在建設(shè)核電站時會同步建設(shè)蓄能配套設(shè)施，一般為抽水蓄能電站，用電低谷時，用電力將低處水庫中的水抽到高處水庫；用電高峰時，再用高水庫的水推動水輪發(fā)電機組發(fā)電，但這種方法對庫容和水量要求較高、核電廠周邊選址受限、占地大、應(yīng)急能力差。
[0005]電力系統(tǒng)的最大難題是電能不能大規(guī)模的、工程化、長壽命的存儲，這種特點向新能源電力并網(wǎng)、過剩電力利用和電網(wǎng)的削峰填谷提出了挑戰(zhàn)，也使“儲能調(diào)峰”成為關(guān)乎我國“電網(wǎng)安全”、“谷電浪費”及“電能質(zhì)量”的重大的命題。傳統(tǒng)意義的電力儲能可定義為實現(xiàn)電力存儲和雙向轉(zhuǎn)換的技術(shù)，包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導(dǎo)磁儲能、電池儲能等，利用這些儲能技術(shù)，電能以機械能、電磁場、化學(xué)能等形式存儲下來，并適時反饋回電力網(wǎng)絡(luò)。通過本方法可以把電轉(zhuǎn)化為能量密度較高且可作為市場消費品的天然氣，實現(xiàn)把電能轉(zhuǎn)化為便于儲存、運輸、銷售的化學(xué)能量。
[0006]中國專利CN103107588A公開了一種非并網(wǎng)風(fēng)電制氫裝置，包括風(fēng)機、制氫裝置和控制裝置、蓄電池等，有利于充分利用風(fēng)力，無環(huán)境污染，資源利用率高，能夠方便的持續(xù)的生產(chǎn)氫氣，并且只需采用較小的蓄電池即可實現(xiàn)，達到節(jié)約了成本。中國專利CN101976853A公開了一種風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng)，包括風(fēng)力發(fā)電裝置、氫氣發(fā)生器、氫氣存儲器以及氫能發(fā)電裝置，利用氫能源的存儲技術(shù)，可有效解決風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)，特別是大型風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的問題。中國專利CN102091629A公開了一種二氧化碳甲烷化催化劑，采用稀土與其他金屬的復(fù)合氧化物作為載體，鎳在載體上的負載量占總催化劑重量的I?15%，二氧化碳轉(zhuǎn)化率可達100% ο中國專利CN102338433A利用低谷電儲能的蓄水池結(jié)構(gòu)，蓄水池結(jié)構(gòu)包括一儲能池和平衡池；中國專利CN104279012A公開了一種基于深冷儲能的核電調(diào)峰系統(tǒng)，包括核能發(fā)電子系統(tǒng)、空氣液化子系統(tǒng)、液態(tài)空氣釋能子系統(tǒng)、蓄冷單元，在用戶負荷需求小于核電系統(tǒng)額定負荷時，將核能發(fā)電子系統(tǒng)產(chǎn)生的多余電能通過空氣液化過程轉(zhuǎn)化為深冷能儲存于液態(tài)空氣中；以提高核電系統(tǒng)在用電高峰時段的核反應(yīng)堆熱能的發(fā)電效率和凈出功量，達到消峰填谷的目的。
[0007]目前，尚沒有類似本方法利用棄光/風(fēng)/水電或核電等過剩電制替代天然氣實現(xiàn)儲能調(diào)峰的技術(shù)報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是提供一種利用過剩電制替代天然氣(ETG)的方法，即利用棄光、棄風(fēng)和/或棄水獲得的電力電解水制氫，所得到的氫氣與二氧化碳進行甲烷化化學(xué)反應(yīng)，制取替代天然氣產(chǎn)品，同時供應(yīng)熱量，實現(xiàn)把可能被浪費的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能和熱能。
[0009]本發(fā)明方法中，氫氣來源于采用棄光、棄風(fēng)和/或棄水獲得的過剩電電解水制得，電解水的同時可以獲得副產(chǎn)品氧氣;二氧化碳可以從煙氣或大宗化工廠的廢氣捕集，充分把二氧化碳資源化利用，減少溫室氣體排放，降低企業(yè)的環(huán)保壓力;碳稅征收將是未來限制二氧化碳排放的重要手段，本發(fā)明資源化利用二氧化碳有利于企業(yè)降低碳稅支出，提高經(jīng)濟效益，爭取碳交易收益。
[0010]本發(fā)明方法包括電解水制氫段和甲烷化段，甲烷化段通過控制反應(yīng)物的濃度開展逐級甲烷化反應(yīng)，用一部分非反應(yīng)控制的反應(yīng)物及反應(yīng)生成物產(chǎn)品進行稀釋，以反應(yīng)控制的反應(yīng)物作為溫度控制手段來控制反應(yīng)深度，深度反應(yīng)二氧化碳和氫氣，以滿足產(chǎn)品能夠滿足管道天然氣輸氣品質(zhì)要求。本發(fā)明可以生產(chǎn)高品質(zhì)替代天然氣。
[0011]本發(fā)明所提供的利用過剩電制替代天然氣(ETG)的方法，包括如下步驟:
[0012](I)利用過剩電電解水制取氫氣；
[0013](2)將氫氣增壓至0.5?5MPa，然后升溫至220?350°C;
[0014](3)將經(jīng)升溫后的氫氣分成2股，其中一股氫氣輸入至氣體混合器中，另一股氫氣輸入至甲烷化反應(yīng)區(qū)中；
[0015](4)將二氧化碳輸入至所述氣體混合器中與所述氫氣進行混合，然后輸入至所述甲烷化反應(yīng)區(qū)中；
[0016](5)所述甲烷化反應(yīng)區(qū)包括至少4臺串聯(lián)和/或并聯(lián)的固定床甲烷化反應(yīng)器，在最后一臺的所述固定床甲烷化反應(yīng)器的出口即收集到天然氣；
[0017]所述過剩電來自于棄光、棄風(fēng)、棄水和/或核電。
[0018]上述的方法中，步驟(I)中，對電解水制取的氫氣的純度進行控制，確保氫氣的純度2 96%，氧氣含量<0.1% ;所述氫氣既是甲烷化反應(yīng)物又是甲烷化反應(yīng)的稀釋劑。
[0019]上述的方法中，步驟(3)中，輸入至所述氣體混合器中的氫氣與輸入至所述甲烷化反應(yīng)區(qū)的氫氣的摩爾比可為1: 0.1?8。
[0020]上述的方法中，步驟(4)中，將所述二氧化碳加熱至220?350°C后輸入至所述氣體混合器中；
[0021]所述二氧化碳的純度要求可為10%?100%，硫化氫含量<20ppb，如純度100%的CO2o
[0022]上述的方法中，步驟(4)中，所述氣體混合器中，所述二氧化碳與所述氫氣的摩爾比為1:1?8。
[0023]上述的方法中，所述甲烷化反應(yīng)區(qū)包括5臺固定床甲烷化反應(yīng)器。
[0024]上述的方法中，所述甲烷化反應(yīng)區(qū)中，3臺所述固定床甲烷化反應(yīng)器與2臺所述固定床甲烷化反應(yīng)器之間設(shè)有一臺氣液分離器；
[0025]前3臺所述固定床甲烷化反應(yīng)器分配的設(shè)計主要用于避免反應(yīng)器過大，均衡各反應(yīng)器負荷。其中原料氣的分流比可根據(jù)反應(yīng)控制需要進行設(shè)定，分流比可根據(jù)各反應(yīng)器反應(yīng)負荷進行調(diào)節(jié)；
[0026]步驟(2)中，輸入至所述甲烷化反應(yīng)區(qū)的氫氣分成2股，分別輸入至第2臺所述固定床甲烷化反應(yīng)器和第3臺所述固定床甲烷化反應(yīng)器中；輸入至所述氣體混合器中的氫氣、輸入至第2臺所述固定床甲烷化反應(yīng)器中的氫氣與輸入至第3臺所述固定床甲烷化反應(yīng)器中的氫氣的體積比可為0.33:0.23:0.44o
[0027]上述的方法中，所述氣體混合器中的混合氣可按照摩爾比為0.7:0.2:0.1分成3股分別輸入至第I臺所述固定床甲烷化反應(yīng)器、第2臺所述固定床甲烷化反應(yīng)器和第3臺所述固定床甲烷化反應(yīng)器中。
[0028]上述的方法中，所述甲烷化反應(yīng)區(qū)中所述固定床甲烷化反應(yīng)器中的反應(yīng)壓力可為I?5MPa;
[0029]第I臺所述固定床甲烷化反應(yīng)器、第2臺所述固定床甲烷化反應(yīng)器和第3臺所述固定床甲烷化反應(yīng)器中的溫度為250 °C?670 °C ；
[0030]所述第4臺所述固定床甲烷化反應(yīng)器和所述第5臺固定床甲烷化反應(yīng)器中的溫度為 230°C ?670°C。
[0031]本發(fā)明方法中，所述甲烷化反應(yīng)的固定床甲烷化催化劑可采用本領(lǐng)域中常用的催化劑，如中國專利CN102091629A中公開的二氧化碳甲烷化催化劑。
[0032]本發(fā)明方法通過電能、化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)換和互補，實現(xiàn)電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)的緊密結(jié)合的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)電和天然氣雙向轉(zhuǎn)換的“互聯(lián)”。為解決電力生產(chǎn)和消費的不同步性和市場供需不平衡性提供了一種路徑方法，使其在兩個網(wǎng)絡(luò)之間的時間和空間上具有可平移性，有利于實現(xiàn)能源共享。
[0033]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0034]1、實現(xiàn)電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)的互聯(lián)，解決棄光/風(fēng)/水、過剩電、核電和谷電的儲能、調(diào)峰難題;減少電力新常態(tài)下的電力浪費問題，解決棄風(fēng)電并網(wǎng)難造成能源浪費的問題；
[0035]2、本發(fā)明能夠適應(yīng)電力的高波動性，具有即開即停、根據(jù)電力情況反應(yīng)負荷