本發(fā)明涉及一種儲(chǔ)存和釋放電能的系統(tǒng)和工藝。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，70％以上的碳排放來(lái)自煤炭的燃燒，然后由多到少依次來(lái)自石油、天然氣、水泥等行業(yè)，這不僅帶來(lái)了全球的溫室效應(yīng)和極端天氣頻發(fā)問(wèn)題，而且還浪費(fèi)了大量的資源。另外，由于上網(wǎng)的瓶頸，我國(guó)風(fēng)能、太陽(yáng)能?chē)?yán)重制約著風(fēng)電、太陽(yáng)能行業(yè)的發(fā)展，同時(shí)水力發(fā)電項(xiàng)目在豐水期發(fā)電量充足，但由于耗電總量在一定時(shí)期內(nèi)較為固定，造成了豐水期電能大量損失以及設(shè)備、線網(wǎng)的損耗。碳排放引起的日益嚴(yán)重的環(huán)境、資源的循環(huán)利用以及提高能源利用效率等問(wèn)題都促使人們?nèi)で蠼鉀Q這些問(wèn)題的方法。

不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)91412.89MW，2013年我國(guó)棄風(fēng)電量超過(guò)150億千瓦時(shí)，經(jīng)濟(jì)損失大約為75億元。我國(guó)優(yōu)質(zhì)風(fēng)電資源集中區(qū)的所在地電力消納能力不足，而且遠(yuǎn)離用電負(fù)荷中心。電網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)與新能源發(fā)展銜接不夠已成為制約風(fēng)電發(fā)展的瓶頸。

在太陽(yáng)能發(fā)電方面，2013年我國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝機(jī)容量1600萬(wàn)kW，全年發(fā)電量達(dá)80億千瓦時(shí)，而同期國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能實(shí)際需求量約45-60億千瓦時(shí)；到2015年，中國(guó)太陽(yáng)能光伏安裝容量將達(dá)到3500萬(wàn)kW，到時(shí)太陽(yáng)能發(fā)電無(wú)法并網(wǎng)所產(chǎn)生的棄電問(wèn)題將更加突出。

在水力發(fā)電方面，我國(guó)水電總裝機(jī)超過(guò)2.8億kW，2013年水電新增裝機(jī)近3000萬(wàn)kW。在豐水期發(fā)電量充足，由于消納量在一定時(shí)期內(nèi)較為固定，造成了豐水期電能大量損失以及設(shè)備、線網(wǎng)的損耗。

目前儲(chǔ)能技術(shù)可分為物理儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能及相變儲(chǔ)能4大類(lèi)。 最成熟、最普遍的儲(chǔ)能方式是物理儲(chǔ)能中的抽水蓄能，但是它的應(yīng)用受地質(zhì)等條件的限制，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足電力發(fā)展；而物理儲(chǔ)能中的壓縮空氣蓄能的一大缺陷在于效率較低?；瘜W(xué)儲(chǔ)能中的蓄電池儲(chǔ)電能力小、壽命短，能量密度低，致使其實(shí)現(xiàn)大型電站儲(chǔ)能受到限制，而電解水、氫氣儲(chǔ)存電能的方式受到氫氣儲(chǔ)存和運(yùn)輸難度大等缺陷的限制。

為此，人們更多地從其它方面關(guān)注大規(guī)模儲(chǔ)能。中國(guó)專(zhuān)利CN102170138公開(kāi)了一種基于電-鋁-氫循環(huán)系統(tǒng)的大規(guī)模儲(chǔ)能方法。中國(guó)專(zhuān)利CN104371780A公開(kāi)了一種風(fēng)、光棄電和工業(yè)有機(jī)廢水用于煤制天然氣的系統(tǒng)和方法。

如何實(shí)現(xiàn)過(guò)剩電能的大規(guī)模儲(chǔ)存以及電能的連續(xù)、穩(wěn)定輸出，同時(shí)解決工業(yè)尾氣的治理、循環(huán)利用問(wèn)題，一直是本領(lǐng)域技術(shù)人員試圖解決的難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種儲(chǔ)存和釋放電能的系統(tǒng)和工藝，通過(guò)該系統(tǒng)和工藝可以實(shí)現(xiàn)將電能先以替代天然氣的形式儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)用電高峰來(lái)臨時(shí)，將替代天然氣通過(guò)燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生電能，達(dá)到現(xiàn)有電網(wǎng)的調(diào)峰和提高電能利用效率的目的。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種儲(chǔ)存和釋放電能的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括含碳氧化合物凈化系統(tǒng)、造氣系統(tǒng)、甲烷化系統(tǒng)、甲烷化系統(tǒng)的蒸汽取熱系統(tǒng)、蒸汽透平系統(tǒng)、產(chǎn)品分離系統(tǒng)、產(chǎn)品儲(chǔ)存系統(tǒng)和燃?xì)獍l(fā)電系統(tǒng)；所述含碳氧化合物凈化系統(tǒng)的含碳氧化合物出口以及所述造氣系統(tǒng)的氫氣出口均與所述甲烷化系統(tǒng)的反應(yīng)物入口連通；所述甲烷化系統(tǒng)的產(chǎn)品出口與所述產(chǎn)品分離系統(tǒng)的產(chǎn)品入口連通；所述產(chǎn)品分離系統(tǒng)的工藝?yán)淠撼隹谂c所述造氣系統(tǒng)的凈水裝置入口連通，且與所述蒸汽取熱系統(tǒng)的蒸汽入口連通；所述產(chǎn)品分離系統(tǒng)的產(chǎn)品出口與所述產(chǎn)品儲(chǔ)存系統(tǒng)的產(chǎn)品入口連 通，所述產(chǎn)品儲(chǔ)存系統(tǒng)的第一產(chǎn)品出口與所述燃?xì)獍l(fā)電系統(tǒng)的燃?xì)馊肟谶B通；所述產(chǎn)品儲(chǔ)存系統(tǒng)設(shè)置有將產(chǎn)品送入天然氣管網(wǎng)的天然氣管網(wǎng)出口；所述蒸汽取熱系統(tǒng)的蒸汽出口與蒸汽透平系統(tǒng)(35)的蒸汽入口連通，所述蒸汽透平系統(tǒng)(35)的冷凝液出口與所述產(chǎn)品分離系統(tǒng)的工藝?yán)淠撼隹谶B通；所述產(chǎn)品儲(chǔ)存系統(tǒng)的第二產(chǎn)品出口與所述蒸汽透平系統(tǒng)(35)的產(chǎn)品入口連通，所述蒸汽透平系統(tǒng)(35)設(shè)置有送出液化天然氣的液化天然氣出口。

優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，其特征在于，所述含碳氧化合物凈化系統(tǒng)包括依次串聯(lián)的水解反應(yīng)器、精脫硫反應(yīng)器和脫氧、脫硝反應(yīng)器。

優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，其特征在于，所述造氣系統(tǒng)還包括錳鹽溶液電解槽、錳稀酸反應(yīng)裝置、氫氣儲(chǔ)罐、氫氣壓縮機(jī)以及交直流整流裝置；所述錳鹽溶液電解槽的金屬錳出口與所述錳稀酸反應(yīng)裝置的金屬錳入口連通，所述錳鹽溶液電解槽的錳鹽溶液入口與所述錳稀酸反應(yīng)裝置的錳鹽溶液出口連通；所述錳稀酸反應(yīng)裝置的氫氣出口與所述氫氣儲(chǔ)罐氫氣入口連通；所述氫氣儲(chǔ)罐的氫氣出口與所述氫氣壓縮機(jī)的氫氣入口連通；所述氫氣壓縮機(jī)的氫氣出口為所述造氣系統(tǒng)的氫氣出口；所述交直流整流裝置設(shè)置有電流入口和電流出口，所述電流出口與所述錳鹽溶液電解槽的電流輸入端連通；所述凈水裝置的出口與所述錳鹽溶液電解槽的入水口連通。

優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，其特征在于，所述甲烷化系統(tǒng)包括串聯(lián)和/或并聯(lián)的2-4臺(tái)甲烷化反應(yīng)器。

優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，其特征在于，所述甲烷化系統(tǒng)包括串并聯(lián)連接的1#甲烷化反應(yīng)器和2#甲烷化反應(yīng)器。

優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，其特征在于，所述甲烷化反應(yīng)器為具有高傳熱性能的熱管固定床反應(yīng)器和/或具有導(dǎo)流錐移熱的徑向床反應(yīng)器。

優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，其特征在于，所述甲烷化系統(tǒng)的蒸汽取熱系統(tǒng)包括汽包、中壓廢鍋和蒸汽過(guò)熱器。

本發(fā)明還提供一種儲(chǔ)存和釋放電能的工藝，該工藝包括：a、將所需儲(chǔ)存的電能送入造氣系統(tǒng)進(jìn)行電解錳鹽溶液-錳金屬-錳稀酸造氣過(guò)程，得到氫氣；將含有含碳氧化合物的工業(yè)尾氣送入含碳氧化合物凈化系統(tǒng)進(jìn)行凈化處理，得到含有含碳氧化合物的凈化氣；b、將步驟a中所得的氫氣和凈化氣一起送入甲烷化系統(tǒng)進(jìn)行甲烷化反應(yīng)，得到產(chǎn)品和熱量；c、將步驟b中所得產(chǎn)品送入產(chǎn)品分離系統(tǒng)進(jìn)行分離，得到替代天然氣和工藝?yán)淠?；d、將步驟c中所得的替代天然氣送入產(chǎn)品儲(chǔ)存系統(tǒng)；將步驟c中所得的工藝?yán)淠悍謩e送入造氣系統(tǒng)的凈水裝置和蒸汽取熱系統(tǒng)；e、用電低谷時(shí)，將步驟d所述產(chǎn)品儲(chǔ)存系統(tǒng)中的替代天然氣送入天然氣管網(wǎng)和/或送入蒸汽透平系統(tǒng)；用電高峰時(shí)，將替代天然氣送入燃?xì)獍l(fā)電系統(tǒng)發(fā)電，得到電力；f、將步驟b中所得的熱量用甲烷化系統(tǒng)的蒸汽取熱系統(tǒng)取走，蒸汽取熱系統(tǒng)所產(chǎn)生的蒸汽送入蒸汽透平系統(tǒng)液化來(lái)自產(chǎn)品儲(chǔ)存系統(tǒng)的替代天然氣，得到液化天然氣和透平冷凝液；將所述透平冷凝液分別送入造氣系統(tǒng)的凈水裝置和蒸汽取熱系統(tǒng)。

優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的工藝，其中，所述所需儲(chǔ)存的電能為選自風(fēng)能發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、火電、水電、核電和潮汐發(fā)電中的至少一種。

優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的工藝，其中，所述含碳氧化合物為M值為2.8-3.2的一氧化碳和/或二氧化碳；所述M值為造氣系統(tǒng)所得氫氣的體積與含碳氧化合物中二氧化碳的體積之差同含碳氧化合物體積的比值。

優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的工藝，其中，所述凈化處理依次包括水解、脫硫、脫氧和脫硝處理。

優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的工藝，其中，所述含碳氧化合物的凈化氣中硫含量為15-200ppb，氮含量為20-1000ppm，氧含量為200-1500ppm。

優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的工藝，其中，步驟a中所述造氣過(guò)程包括：將所需儲(chǔ)存的電能，經(jīng)交直流整流裝置整流，送入含錳鹽溶液電解槽進(jìn)行電解， 得到金屬錳；將所述金屬錳送入錳稀酸反應(yīng)裝置與稀酸進(jìn)行反應(yīng)，得到氫氣和錳鹽溶液；將錳鹽溶液返回到錳鹽溶液電解槽。

優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的工藝，其中，步驟b中所述甲烷化反應(yīng)包括：將步驟a中所得的部分氫氣和凈化氣送入1#甲烷化反應(yīng)器進(jìn)行甲烷化反應(yīng)，得到的產(chǎn)品氣與另一部分氫氣和凈化氣一起送入2#甲烷化反應(yīng)器進(jìn)行甲烷化反應(yīng)。

優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的工藝，其中，所述甲烷化系統(tǒng)的甲烷化反應(yīng)器的進(jìn)口溫度為220-320℃，出口溫度為450-710℃，反應(yīng)壓力為2.8-4.5兆帕。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果包括：

第一，將難以?xún)?chǔ)存和并網(wǎng)困難的風(fēng)、太陽(yáng)能所產(chǎn)生的電能以及其它過(guò)剩電能通過(guò)電解錳鹽溶液以及錳與稀酸反應(yīng)得到氫氣；獲得的氫氣與凈化后含碳氧化合物工業(yè)尾氣進(jìn)行甲烷化反應(yīng)，得到滿(mǎn)足管輸或者加壓制LNG的替代天然氣。不僅解決了過(guò)剩電能的大規(guī)模儲(chǔ)存問(wèn)題，還解決工業(yè)企業(yè)尾氣的處理和資源的綜合、循環(huán)利用問(wèn)題；

第二，產(chǎn)品多樣性，該系統(tǒng)同時(shí)具有儲(chǔ)能、發(fā)電的功能；由于含碳氧化合物與氫氣的甲烷化反應(yīng)是一個(gè)強(qiáng)放熱反應(yīng)，蒸汽經(jīng)過(guò)蒸汽過(guò)熱器后進(jìn)一步提高了蒸汽的溫度，可以驅(qū)動(dòng)蒸汽透平系統(tǒng)壓縮天然氣，得到液化天然氣供運(yùn)輸或儲(chǔ)存使用；

第三，利用電解錳鹽溶液-錳金屬-錳稀酸反應(yīng)的方法轉(zhuǎn)化電能，用水量較少，可根據(jù)市場(chǎng)需求調(diào)整錳的配比。在錳金屬供應(yīng)充足的情況下，將錳全部參與稀酸反應(yīng)制氫氣；在錳金屬供應(yīng)不足的情況下，獲得的金屬錳除了用于與稀酸反應(yīng)生產(chǎn)氫氣外，高純度的錳金屬，還可以廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)、冶金工業(yè)和航空航天工業(yè)，在一定程度上緩解電解錳的供求關(guān)系；

第四，甲烷化反應(yīng)中會(huì)有大量的水生成，工藝凝水部分返回工藝管線，從而大幅度減少了外界供水量，提高了資源循環(huán)利用效率；

第五，運(yùn)行穩(wěn)定，具有良好的調(diào)峰效果。將風(fēng)、太陽(yáng)能產(chǎn)生的不穩(wěn)定、不連續(xù)電能以及其他過(guò)剩電能通過(guò)電-替代天然氣-燃?xì)獍l(fā)電系統(tǒng)的聯(lián)合生產(chǎn)，以替代天然氣、液化天然氣為儲(chǔ)能載體，可以實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)；當(dāng)夜晚或是冬天用電低谷期間，可以將過(guò)剩電能轉(zhuǎn)化為替代天氣；當(dāng)白天或者是夏天用電高峰時(shí)，可以將存儲(chǔ)的替代天然氣用于發(fā)電，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)峰發(fā)電的目的；

第六，環(huán)境友好，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用；含碳原料來(lái)源于工業(yè)尾氣，解決了工業(yè)尾氣污染排放問(wèn)題。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的具體實(shí)施方式部分予以詳細(xì)說(shuō)明。

附圖說(shuō)明

附圖是用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分，與下面的具體實(shí)施方式一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1包括本發(fā)明儲(chǔ)存和釋放電能系統(tǒng)的一種具體實(shí)施方式所提供的儲(chǔ)存和釋放電能的系統(tǒng)，同時(shí)也包括本發(fā)明儲(chǔ)存和釋放電能工藝的一種具體實(shí)施方式所提供的儲(chǔ)存和釋放電能的工藝；

圖2包括本發(fā)明儲(chǔ)存和釋放電能系統(tǒng)的另一種具體實(shí)施方式所提供的儲(chǔ)存和釋放電能的系統(tǒng)，同時(shí)也包括本發(fā)明儲(chǔ)存和釋放電能工藝的另一種具體實(shí)施方式所提供的儲(chǔ)存和釋放電能的工藝。

附圖標(biāo)記說(shuō)明

20 1#原料加熱器 21 錳鹽溶液電解槽 22 冷卻器

23 鍋爐給水加熱器 24 2#原料加熱器 25 1#中壓廢鍋

26 蒸汽過(guò)熱器 27 汽包 28 1#甲烷化反應(yīng)器 29 2#甲烷化反應(yīng)器

30 脫氧、脫硝反應(yīng)器 31 精脫硫反應(yīng)器 32 水解反應(yīng)器

33 產(chǎn)品分離器 34 氫氣壓縮機(jī) 35 蒸汽透平系統(tǒng)

36 含碳氧化合物氣體壓縮機(jī) 37 2#中壓廢鍋 38 3#甲烷化反應(yīng)器

39 4#甲烷化反應(yīng)器 40 凈水裝置 41 交直流整流裝置 42 錳稀酸反應(yīng)裝置

43 燃?xì)獍l(fā)電機(jī) 44 #調(diào)節(jié)閥 45 天然氣儲(chǔ)罐 46氫氣儲(chǔ)罐 47 2#調(diào)節(jié)閥

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體實(shí)施方式僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。

本發(fā)明提供一種儲(chǔ)存和釋放電能的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括含碳氧化合物凈化系統(tǒng)、造氣系統(tǒng)、甲烷化系統(tǒng)、甲烷化系統(tǒng)的蒸汽取熱系統(tǒng)、蒸汽透平系統(tǒng)35、產(chǎn)品分離系統(tǒng)、產(chǎn)品儲(chǔ)存系統(tǒng)和燃?xì)獍l(fā)電系統(tǒng)；所述含碳氧化合物凈化系統(tǒng)的含碳氧化合物出口以及所述造氣系統(tǒng)的氫氣出口均與所述甲烷化系統(tǒng)的反應(yīng)物入口連通；所述甲烷化系統(tǒng)的產(chǎn)品出口與所述產(chǎn)品分離系統(tǒng)的產(chǎn)品入口連通；所述產(chǎn)品分離系統(tǒng)的工藝?yán)淠撼隹谂c所述造氣系統(tǒng)的凈水裝置40入口連通，且與所述蒸汽取熱系統(tǒng)的蒸汽入口連通；所述產(chǎn)品分離系統(tǒng)的產(chǎn)品出口與所述產(chǎn)品儲(chǔ)存系統(tǒng)的產(chǎn)品入口連通，所述產(chǎn)品儲(chǔ)存系統(tǒng)的第一產(chǎn)品出口與所述燃?xì)獍l(fā)電系統(tǒng)的燃?xì)馊肟谶B通；所述產(chǎn)品儲(chǔ)存系統(tǒng)設(shè)置有將產(chǎn)品送入天然氣管網(wǎng)的天然氣管網(wǎng)出口；所述蒸汽取熱系統(tǒng)的蒸汽出口與蒸汽透平系統(tǒng)35的蒸汽入口連通，所述蒸汽透平系統(tǒng)35的冷凝液出口與所述產(chǎn)品分離系統(tǒng)的工藝?yán)淠撼隹谶B通；所述產(chǎn)品儲(chǔ)存系統(tǒng)的第二產(chǎn)品出口與所述蒸汽透平系統(tǒng)35的產(chǎn)品入口連通，所述蒸汽透平系統(tǒng)35設(shè)置有送出液化天然氣的液化天然氣出口。

根據(jù)本發(fā)明，所述蒸汽透平系統(tǒng)是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的，是指一種 將蒸汽的熱能直接轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能，從而能夠壓縮天然氣成為液化天然氣的系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，所述含碳氧化合物凈化系統(tǒng)是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的，例如，可以包括依次串聯(lián)的水解反應(yīng)器32、精脫硫反應(yīng)器31和脫氧、脫硝反應(yīng)器30，也可以包括其它凈化裝置，本發(fā)明并沒(méi)有限制。

根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，所述造氣系統(tǒng)還可以包括錳鹽溶液電解槽21、錳稀酸反應(yīng)裝置42、氫氣儲(chǔ)罐46、氫氣壓縮機(jī)34以及交直流整流裝置41；所述錳鹽溶液電解槽21的金屬錳出口可以與所述錳稀酸反應(yīng)裝置42的金屬錳入口連通，所述錳鹽溶液電解槽21的錳鹽溶液入口可以與所述錳稀酸反應(yīng)裝置42的錳鹽溶液出口連通；所述錳稀酸反應(yīng)裝置42的氫氣出口與所述氫氣儲(chǔ)罐46氫氣入口連通；所述氫氣儲(chǔ)罐46氫氣出口與所述氫氣壓縮機(jī)34的氫氣入口連通；所述氫氣壓縮機(jī)34的氫氣出口可以為所述造氣系統(tǒng)的氫氣出口；所述交直流整流裝置41可以設(shè)置有電流入口和電流出口，所述電流出口可以與所述錳鹽溶液電解槽21的電流輸入端連通；所述凈水裝置40的出口可以與所述錳鹽溶液電解槽21的入水口連通。

根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，所述甲烷化反應(yīng)器是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的，是指可以將含碳氧化合物與氫氣進(jìn)行反應(yīng)生成甲烷的反應(yīng)器。所述甲烷化系統(tǒng)可以包括串聯(lián)和/或并聯(lián)的2-4臺(tái)甲烷化反應(yīng)器，優(yōu)選包括串并聯(lián)連接的1#甲烷化反應(yīng)器28和2#甲烷化反應(yīng)器29，所述串并聯(lián)是指均將反應(yīng)氣體送入1#甲烷化反應(yīng)器和2#甲烷化反應(yīng)器中，并且也將1#甲烷化反應(yīng)器的產(chǎn)物送入2#甲烷化反應(yīng)器中。由于甲烷化反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，因此所述甲烷化反應(yīng)器進(jìn)一步優(yōu)選為具有高傳熱性能的熱管固定床反應(yīng)器和/或具有導(dǎo)流錐移熱的徑向床反應(yīng)器。

根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，所述甲烷化系統(tǒng)的蒸汽取熱系統(tǒng)是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的，可以包括汽包27、中壓廢鍋和蒸汽過(guò)熱器26。所述中壓廢鍋可 以用于吸收溫度較低的甲烷化反應(yīng)器所產(chǎn)生的熱量；所述蒸汽過(guò)熱器可以用于吸收溫度較高的甲烷化反應(yīng)器所產(chǎn)生的熱量，即1#和/或2#甲烷化反應(yīng)器所產(chǎn)生的熱量。

本發(fā)明還提供一種儲(chǔ)存和釋放電能的工藝，該工藝包括：a、將所需儲(chǔ)存的電能送入造氣系統(tǒng)進(jìn)行電解錳鹽溶液-錳金屬-錳稀酸造氣過(guò)程，得到氫氣；將含有含碳氧化合物的工業(yè)尾氣送入含碳氧化合物凈化系統(tǒng)進(jìn)行凈化處理，得到含有含碳氧化合物的凈化氣；b、將步驟a中所得的氫氣和凈化氣一起送入甲烷化系統(tǒng)進(jìn)行甲烷化反應(yīng)，得到產(chǎn)品和熱量；c、將步驟b中所得產(chǎn)品送入產(chǎn)品分離系統(tǒng)進(jìn)行分離，得到替代天然氣和工藝?yán)淠海籨、將步驟c中所得的替代天然氣送入產(chǎn)品儲(chǔ)存系統(tǒng)；將步驟c中所得的工藝?yán)淠悍謩e送入造氣系統(tǒng)的凈水裝置和蒸汽取熱系統(tǒng)；e、用電低谷時(shí)，將步驟d所述產(chǎn)品儲(chǔ)存系統(tǒng)中的替代天然氣送入天然氣管網(wǎng)和/或送入蒸汽透平系統(tǒng)；用電高峰時(shí)，將替代天然氣送入燃?xì)獍l(fā)電系統(tǒng)發(fā)電，得到電力；f、將步驟b中所得的熱量用甲烷化系統(tǒng)的蒸汽取熱系統(tǒng)取走，蒸汽取熱系統(tǒng)所產(chǎn)生的蒸汽送入蒸汽透平系統(tǒng)液化來(lái)自產(chǎn)品儲(chǔ)存系統(tǒng)的替代天然氣，得到液化天然氣和透平冷凝液；將所述透平冷凝液分別送入造氣系統(tǒng)的凈水裝置和蒸汽取熱系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明的工藝，所述所需儲(chǔ)存的電能可以為選自風(fēng)能發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、火電、水電、核電和潮汐發(fā)電中的至少一種，其中所述的火電、水電、核電和潮汐發(fā)電可以為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的過(guò)剩電能。

根據(jù)本發(fā)明的工藝，所述含碳氧化合物是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的，是指含有一氧化碳和/或二氧化碳的氣體，一般來(lái)自工業(yè)尾氣，優(yōu)選為M值為2.8-3.2的一氧化碳和/或二氧化碳；所述M值可以為造氣系統(tǒng)所得氫氣的體積與含碳氧化合物中二氧化碳的體積之差同含碳氧化合物體積的比值，即M＝(V(H₂)-V(CO₂))/(V(CO+CO₂))，因?yàn)槿绻淄榛磻?yīng)進(jìn)行完全，V(H₂)： V(CO₂)＝4:1，V(H₂)：V(CO)＝3:1，而M值為3左右，意味著含碳氧化合物與氫氣差不多剛好反應(yīng)完全。

根據(jù)本發(fā)明的工藝，所述凈化處理是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的，可以依次包括水解、脫硫、脫氧和脫硝處理，也可以包括其它常規(guī)處理，本發(fā)明并沒(méi)有限制。

根據(jù)本發(fā)明的工藝，為了甲烷化反應(yīng)的穩(wěn)定進(jìn)行，所述含碳氧化合物的凈化氣中硫含量?jī)?yōu)選為15-200ppb，氮含量?jī)?yōu)選為20-1000ppm，氧含量?jī)?yōu)選為200-1500ppm。

根據(jù)本發(fā)明的工藝，步驟a中所述造氣過(guò)程可以包括：將所需儲(chǔ)存的電能，經(jīng)交直流整流裝置整流，送入含錳鹽溶液電解槽進(jìn)行電解，得到金屬錳；將所述金屬錳送入錳稀酸反應(yīng)裝置與稀酸進(jìn)行反應(yīng)，得到氫氣和錳鹽溶液；將錳鹽溶液返回到錳鹽溶液電解槽。其中，所述稀酸可以為選自稀鹽酸、稀硫酸和稀硝酸中的至少一種。

根據(jù)本發(fā)明的工藝，步驟b中所述甲烷化反應(yīng)可以包括：將步驟a中所得的部分氫氣和凈化氣送入1#甲烷化反應(yīng)器進(jìn)行甲烷化反應(yīng)，得到的產(chǎn)品氣與另一部分氫氣和凈化氣一起送入2#甲烷化反應(yīng)器進(jìn)行甲烷化反應(yīng)。

根據(jù)本發(fā)明的工藝，所述甲烷化系統(tǒng)的甲烷化反應(yīng)器的進(jìn)口溫度可以為220-320℃，出口溫度可以為450-710℃，反應(yīng)壓力可以為2.8-4.5兆帕。

下面將通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行一步地說(shuō)明，但是本發(fā)明并不因此而受到任何限制。

實(shí)施例1

如圖1所示，將M＝3.0的含CO₂、CO工業(yè)尾氣經(jīng)過(guò)除塵凈化處理后，通過(guò)含碳氧化合物氣體壓縮機(jī)36加壓送入1#原料加熱器20，預(yù)熱后的凈化氣經(jīng)過(guò)水解反應(yīng)器32、精脫硫反應(yīng)器31、脫氧、脫硝反應(yīng)器30后，得到的 凈化氣硫含量為65ppb，氮含量為150ppm，氧含量270ppm。

將難以?xún)?chǔ)存和并網(wǎng)困難的風(fēng)電經(jīng)交直流整流裝置41整流后，引入錳鹽溶液電解槽21。錳鹽溶液電解槽21獲得金屬錳，析出的金屬錳與稀硫酸在錳稀酸反應(yīng)裝置42反應(yīng)生成大量氫氣和錳鹽溶液，錳鹽溶液返回到電解槽21供電解循環(huán)使用，氫氣送入氫氣儲(chǔ)罐46；氫氣儲(chǔ)罐46中的氫氣經(jīng)過(guò)氫氣壓縮機(jī)34后，壓力達(dá)到3.5MPa。

將含有凈化氣與氫氣的原料氣送入設(shè)置三臺(tái)高效傳熱的徑向熱管固定床反應(yīng)器的兩級(jí)串并聯(lián)、一臺(tái)串聯(lián)甲烷化反應(yīng)器的甲烷化系統(tǒng)，反應(yīng)器中裝填活性組分為35wt％Ni基催化劑。進(jìn)入反應(yīng)器前的原料氣與來(lái)自2#甲烷化反應(yīng)器出口的產(chǎn)品氣在2#原料加熱器24中進(jìn)行預(yù)熱，使原料氣預(yù)熱到285℃，壓力為3.5MPa。

預(yù)熱后的原料氣分兩股，一股進(jìn)入1#甲烷合成反應(yīng)器28，經(jīng)反應(yīng)后從底部離開(kāi)反應(yīng)器，產(chǎn)品氣經(jīng)過(guò)蒸汽過(guò)熱器26釋放部分熱量后，與另一股原料氣混合進(jìn)入2#甲烷化反應(yīng)器29繼續(xù)進(jìn)行甲烷化反應(yīng)，兩個(gè)甲烷化反應(yīng)器的進(jìn)出口溫度分別為285℃、615℃和320℃、580℃，操作壓力為3.45MPa。2#甲烷化反應(yīng)器29出口產(chǎn)品氣經(jīng)過(guò)1#中壓廢鍋25后進(jìn)入3#甲烷化反應(yīng)器38，3#甲烷化反應(yīng)器的進(jìn)口溫度為325℃，出口溫度為350℃，壓力為3.3MPa。

徑向熱管的甲烷化反應(yīng)器，由上部換熱區(qū)和下部甲烷化反應(yīng)區(qū)兩個(gè)區(qū)域構(gòu)成，兩個(gè)區(qū)域中設(shè)置有連通的熱管，由于熱管具有高效的傳熱性能，能及時(shí)移除甲烷化反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，避免床層飛溫使催化劑失活。

鍋爐給水經(jīng)過(guò)鍋爐給水加熱器23預(yù)熱后，分三股，一股進(jìn)入1#中壓廢鍋25和2#中壓廢鍋37，產(chǎn)生中壓蒸汽后進(jìn)入汽包27，第二股直接進(jìn)入汽包，第三股經(jīng)過(guò)凈水裝置40后進(jìn)入錳鹽溶液電解槽21，補(bǔ)充錳鹽溶液電解槽21中的水量。三臺(tái)甲烷化反應(yīng)器共用一個(gè)汽包27，副產(chǎn)10.5MPa、350℃左右的高溫蒸汽。

3#甲烷化反應(yīng)器38出口產(chǎn)物經(jīng)過(guò)2#中壓廢鍋37后，順次通過(guò)2#原料加熱器24、1#原料加熱器20、鍋爐給水加熱器23、冷卻器22，最后通過(guò)產(chǎn)品分離器33，分離后得到替代天然氣，送入天然氣儲(chǔ)罐45儲(chǔ)存或進(jìn)一步送入天然氣管網(wǎng)。

獲得的蒸汽經(jīng)過(guò)蒸汽過(guò)熱器26進(jìn)一步提高蒸汽的溫度，驅(qū)動(dòng)蒸汽透平系統(tǒng)35液化來(lái)自天然氣儲(chǔ)罐45的替代天然氣，得到液化天然氣和透平冷凝液，將透平冷凝液與產(chǎn)品分離器33分離出來(lái)的工藝?yán)淠夯旌希徊糠纸?jīng)過(guò)凈化后補(bǔ)充錳鹽溶液電解槽21用水，一部分送入工藝管線，多余工藝?yán)淠号懦龉┢渌に囉谩?/p>

當(dāng)出現(xiàn)用電高峰時(shí)，打開(kāi)天然氣儲(chǔ)罐的2#調(diào)節(jié)閥44，將產(chǎn)生的替代天然氣供給燃?xì)獍l(fā)電機(jī)43發(fā)電，增加電能供給，實(shí)現(xiàn)調(diào)峰發(fā)電，從而實(shí)現(xiàn)了過(guò)剩電能-替代天然氣-燃?xì)獍l(fā)電的循環(huán)。

實(shí)施例2

如圖2所示，實(shí)施例2與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于：1)使用四臺(tái)具有導(dǎo)流錐移熱的徑向床反應(yīng)器代替熱管反應(yīng)器；2)1#甲烷化反應(yīng)器出口設(shè)置蒸汽過(guò)熱器26；3)2#和3#甲烷化反應(yīng)器出口分別設(shè)置中壓廢鍋25、中壓廢鍋37；4)3#和4#甲烷化反應(yīng)器采用串聯(lián)的方式連接。具體過(guò)程如下：

將難以?xún)?chǔ)存和并網(wǎng)困難的風(fēng)電、太陽(yáng)能產(chǎn)生的電能，經(jīng)交直流整流裝置41整流后，引入錳鹽溶液電解槽21。錳鹽溶液電解槽21獲得金屬錳，析出的金屬錳與稀硫酸在錳稀酸反應(yīng)裝置42反應(yīng)生成大量氫氣和錳鹽溶液，錳鹽溶液返回到錳鹽溶液電解槽21供電解循環(huán)使用；氫氣同樣經(jīng)過(guò)凈化、壓縮后其壓力達(dá)到3.05MPa。

將主要含有CO₂工業(yè)尾氣經(jīng)過(guò)除塵凈化處理后，通過(guò)含碳氧化合物氣體壓縮機(jī)36加壓送入1#原料加熱器，預(yù)熱后的凈化氣經(jīng)過(guò)脫硫、脫硝、脫氧 工序后，得到的凈化氣中硫含量為110ppb，氮含量為85ppm，氧含量310ppm。

將凈化后的CO₂氣體與氫氣按V(CO₂):V(H₂)＝1:4.0進(jìn)入四級(jí)串并聯(lián)固定床反應(yīng)器，反應(yīng)器中裝填活性組分為30wt％Ni基催化劑。進(jìn)入反應(yīng)器前的原料氣與來(lái)自4#甲烷化反應(yīng)器出口的產(chǎn)品氣在2#原料加熱器中進(jìn)行換熱，使原料氣預(yù)熱到290℃，壓力為3.05MPa?；旌虾蟮姆磻?yīng)原料氣分兩股進(jìn)入1#、2#甲烷化反應(yīng)器，1#甲烷化反應(yīng)器溫度620℃，反應(yīng)壓力3.05MPa，反應(yīng)器出口設(shè)置蒸汽過(guò)熱器26，換熱后的產(chǎn)品氣與進(jìn)入2#甲烷化反應(yīng)器的原料氣混合后進(jìn)入2#甲烷化反應(yīng)器，2#甲烷化反應(yīng)器溫度560℃，反應(yīng)壓力3.0MPa，2#甲烷化反應(yīng)器設(shè)置中壓廢鍋25，回收熱量，產(chǎn)生的蒸汽壓力230℃、3.5MPa；換熱后的產(chǎn)品氣進(jìn)入3#甲烷化反應(yīng)器，進(jìn)行甲烷化反應(yīng)，3#甲烷化反應(yīng)器溫度480℃，反應(yīng)壓力3.0MPa；3#甲烷化反應(yīng)器出口產(chǎn)品氣進(jìn)4#甲烷化反應(yīng)器進(jìn)行進(jìn)一步精制，盡可能將未反應(yīng)的CO、CO₂轉(zhuǎn)化為CH₄。4#甲烷化反應(yīng)器出口與產(chǎn)品分離器33相連。將富含CH₄的產(chǎn)品氣經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的冷卻、分水、干燥后得到符合管輸要求的替代天然氣，得到的CH₄體積含量98體％以上。

鍋爐給水先經(jīng)過(guò)鍋爐給水加熱器23預(yù)熱后，分三股，第一股進(jìn)入1#中壓廢鍋25，第二股進(jìn)入2#中壓廢鍋37，產(chǎn)生中壓蒸汽進(jìn)汽包27，第三股經(jīng)過(guò)凈水裝置40后進(jìn)入錳鹽溶液電解槽21，補(bǔ)充錳鹽溶液電解槽中的水量。2#、3#甲烷化反應(yīng)器共用一個(gè)汽包，副產(chǎn)9.5MPa、340℃的高溫蒸汽。

4#甲烷化反應(yīng)器出口產(chǎn)物順次通過(guò)2#原料加熱器24、1#原料加熱器20、鍋爐給水加熱器23、冷卻器22，最后通過(guò)產(chǎn)品分離器33，分離后得到替代天然氣，送入天然氣儲(chǔ)罐45儲(chǔ)存或進(jìn)一步送入天然氣管網(wǎng)。。

獲得的蒸汽經(jīng)過(guò)蒸汽過(guò)熱器26進(jìn)一步提高蒸汽的溫度，驅(qū)動(dòng)蒸汽透平系統(tǒng)35液化來(lái)自天然氣儲(chǔ)罐45的替代天然氣，得到液化天然氣和透平冷凝液，將透平冷凝液與產(chǎn)品分離器33分離出來(lái)的工藝?yán)淠夯旌?，一部分?jīng) 過(guò)凈化后補(bǔ)充錳鹽溶液電解槽21用水，一部分送入工藝管線，多余工藝?yán)淠号懦龉┢渌に囉谩?/p>

當(dāng)出現(xiàn)用電高峰時(shí)，打開(kāi)天然氣儲(chǔ)罐的2#調(diào)節(jié)閥44，將產(chǎn)生的替代天然氣供給燃?xì)獍l(fā)電機(jī)43發(fā)電，增加電能供給，實(shí)現(xiàn)調(diào)峰發(fā)電，從而實(shí)現(xiàn)了過(guò)剩電能-替代天然氣-燃?xì)獍l(fā)電的循環(huán)。

綜上所述，基于甲烷化反應(yīng)的能量?jī)?chǔ)存和釋放系統(tǒng)，可以根據(jù)氣候、季節(jié)的變化，以替代天然氣、液化天然氣為能源載體可以靈活的調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，不但能實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能和調(diào)峰發(fā)電等功能，還能解決工業(yè)尾氣污染排放問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)資源的綜合、循環(huán)利用問(wèn)題。