用于有效利用過(guò)量電能的系統(tǒng)和方法
【專利說(shuō)明】用于有效利用過(guò)量電能的系統(tǒng)和方法
[0001]本發(fā)明涉及一種用于有效利用過(guò)量電能的設(shè)備和方法，其中電能用于制備乙炔。
[0002]可再生能源例如風(fēng)能和太陽(yáng)能的利用對(duì)于發(fā)電正前所未有地日益重要。電能通常經(jīng)由長(zhǎng)范圍、超級(jí)區(qū)域供電電網(wǎng)加上超越國(guó)界(簡(jiǎn)稱為電網(wǎng))而被帶到大量用戶。既然電能不可在電網(wǎng)自身中以顯著程度儲(chǔ)存，則送入電網(wǎng)的電能必須與用戶端的電力需求(稱作負(fù)荷)相匹配。已知負(fù)荷以時(shí)間依賴方式波動(dòng)，特別是依賴于天、周天的時(shí)間或者甚至年的時(shí)間。為了穩(wěn)定和可靠供電，需要連續(xù)等量的能量產(chǎn)生和能量消耗。發(fā)生的任何短期偏差通過(guò)正或負(fù)控制能源或控制能量的方式平衡。在產(chǎn)生可再生能量設(shè)備的情況下，困難在于在特定類型例如風(fēng)能和太陽(yáng)能情況下，能量產(chǎn)生不發(fā)生于每一時(shí)間點(diǎn)并且不能以確定的方式控制而是根據(jù)一天的時(shí)間和天氣條件經(jīng)受波動(dòng)，該波動(dòng)僅可以有限的程度預(yù)知并且通常不與特定時(shí)間下電能的需求相匹配。
[0003]來(lái)自波動(dòng)的可再生能量的能量輸出和實(shí)際消耗之間的差額通常通過(guò)其它發(fā)電站例如氣、煤和核能設(shè)備提供。隨著波動(dòng)的可再生能量和它們所代表的能量供應(yīng)比例的逐漸擴(kuò)張，其能量輸出和實(shí)際消耗之間越來(lái)越大的偏差必須要被平衡。因此，目前氣電設(shè)備和同樣難以增加的煤電設(shè)備以部分負(fù)荷操作或者完全關(guān)閉以補(bǔ)償該波動(dòng)。因?yàn)檫@種發(fā)電廠操作的可變模式與相當(dāng)可觀的額外成本相關(guān)，替代措施的研發(fā)已研究一段時(shí)間。
[0004]在過(guò)量電能的情況下，作為改變發(fā)電廠的能量輸出的替代或者除改變發(fā)電廠的能量輸出之外，一種方式為利用過(guò)量電能用于電熱制備乙炔。其一個(gè)實(shí)例為Hills chemicalworks的乙炔設(shè)備，其具有19個(gè)平行設(shè)置的弧形反應(yīng)器且其中操作中的弧形反應(yīng)器的數(shù)量依賴于電能的供應(yīng)而變化。雖然用于電熱制備乙炔的弧形反應(yīng)器可快速開(kāi)啟和關(guān)閉，但從電熱制備乙炔中獲得的產(chǎn)物氣體流中有效且經(jīng)濟(jì)地移除乙炔需要高度恒定的產(chǎn)物氣體流。Hills chemical works的乙炔設(shè)備(乙炔產(chǎn)能為120 000t/a)因此包含用于產(chǎn)物氣體流、總體積為350 OOOm3的緩沖儲(chǔ)存器。然而，如此尺寸的緩沖儲(chǔ)存器的構(gòu)造和操作在技術(shù)上是昂貴且復(fù)雜的，并且涉及安全風(fēng)險(xiǎn)。
[0005]因此需要過(guò)量電能可通過(guò)制備乙炔得以利用、并不具有上述方法缺點(diǎn)的設(shè)備和方法。
[0006]本發(fā)明提供一種用于有效利用過(guò)量電能的設(shè)備，包括:用于通過(guò)部分氧化至少一種烴制備乙炔、產(chǎn)生第一含乙炔產(chǎn)物氣體流的第一裝置，用于電熱制備乙炔、產(chǎn)生第二含乙炔產(chǎn)物氣體流的第二裝置，和用于從氣體料流分離乙炔的分離裝置，第一產(chǎn)物氣體流和第二產(chǎn)物氣體流進(jìn)料至其中。
[0007]本發(fā)明額外提供一種用于有效利用過(guò)量電能的方法，其中，在根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備中，用于電熱制備乙炔的裝置使用過(guò)量電能操作。
[0008]本發(fā)明進(jìn)一步提供一種用于提供控制電網(wǎng)能量的方法，其中，在根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備中，用于通過(guò)部分氧化至少一種烴制備乙炔的第一裝置和用于電熱制備乙炔的第二裝置均在部分負(fù)荷下操作;為了提供控制能量，改變用于電熱制備乙炔的第二裝置的輸出，和使用控制裝置，以分離裝置中被分離的乙炔總量維持于指定范圍之內(nèi)的方式調(diào)整用于通過(guò)部分氧化至少一種烴制備乙炔的第一裝置的輸出。
[0009]本發(fā)明的設(shè)備包括用于通過(guò)部分氧化至少一種烴制備乙炔、產(chǎn)生第一含乙炔產(chǎn)物氣體流的第一裝置。該第一裝置可包括一個(gè)或多個(gè)其中乙炔通過(guò)部分氧化產(chǎn)生的設(shè)備。如果第一裝置包括多個(gè)用于產(chǎn)生乙炔的設(shè)備，則它們優(yōu)選平行設(shè)置并可彼此獨(dú)立地操作。使用多個(gè)平行設(shè)置的單元允許乙炔制備的逐步改變同時(shí)通過(guò)開(kāi)啟和關(guān)閉各個(gè)單元而在各個(gè)單元中維持最優(yōu)操作條件并避免因部分負(fù)荷操作導(dǎo)致的功效損失。
[0010]作為本發(fā)明設(shè)備的第一裝置，可使用現(xiàn)有技術(shù)已知用于通過(guò)部分氧化制備乙炔的全部裝置，實(shí)例為Sachsse-Bartho1me方法裝置和BASF浸沒(méi)火焰法(submerged flameprocess)裝置，從Ullmar/s Encyclopedia of Industrial Chemistry，第5片反，第Al卷，第107-110和113-114頁(yè)已知，或者從GB I，000，480的Montecatini方法裝置已知。用于通過(guò)部分氧化制備乙炔的第一裝置優(yōu)選包括至少一個(gè)進(jìn)料有至少一種烴和氧氣的混合物的燃燒器。
[0011]除了用于通過(guò)部分氧化制備乙炔的第一裝置之外，本發(fā)明的設(shè)備還包含用于電熱制備乙炔、產(chǎn)生第二含乙炔產(chǎn)物氣體流的第二裝置。該第二裝置可包括一個(gè)或多個(gè)其中電熱產(chǎn)生乙炔的設(shè)備。如果第二裝置包括多個(gè)用于產(chǎn)生乙炔的設(shè)備，則它們優(yōu)選平行設(shè)置并可彼此獨(dú)立地操作。使用多個(gè)平行設(shè)置的單元允許乙炔制備的逐步改變同時(shí)通過(guò)開(kāi)啟和關(guān)閉各個(gè)單元而在各個(gè)單元中維持最優(yōu)操作條件并避免因部分負(fù)荷操作導(dǎo)致的功效損失。
[0012]在乙炔的電熱制備中，乙炔以烴或碳的吸熱反應(yīng)制備并且進(jìn)行該反應(yīng)所需的熱量通過(guò)電能產(chǎn)生。優(yōu)選使用氣態(tài)的或蒸發(fā)的烴，特別優(yōu)選脂肪族烴。特別適合的是甲烷、乙烷、丙烷和丁烷，特別是甲烷。適用于電熱制備乙炔的裝置從現(xiàn)有技術(shù)是已知的，例如已知自Ullmann7 s Encyclopedia of Industrial Chemistry，第5片反，第Al卷，第115-122卷、DE I900 644 Al和EP O 133 982 A2。
[0013]用于電熱制備乙炔的裝置優(yōu)選包括電弧反應(yīng)器。乙炔的電熱制備可以單步法進(jìn)行，其中至少一種烴與氣流一起通過(guò)電弧。作為可供選擇的方法，乙炔的電熱制備可以兩步法進(jìn)行，其中氫氣通過(guò)電弧并且在電弧的下游將至少一種烴進(jìn)料入電弧中產(chǎn)生的氫等離子體。用于電熱制備乙炔的裝置優(yōu)選包含多個(gè)平行設(shè)置并可彼此獨(dú)立操作的電弧反應(yīng)器。
[0014]本發(fā)明的設(shè)備進(jìn)一步包含用于從氣流分離乙炔的分離裝置，該分離裝置供以來(lái)自用于通過(guò)部分氧化至少一種烴制備乙炔的第一裝置的第一產(chǎn)物氣體流、和來(lái)自用于電熱制備乙炔的第二裝置的第二產(chǎn)物氣體流。用于分離乙炔的分離裝置優(yōu)選包含壓縮機(jī)、壓力下操作的吸收塔、和在比吸收塔低的壓力下操作的解吸塔。水或適合的溶劑，例如N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺或甲醇，可用于選擇性吸收乙炔。適用于分離乙炔的分離裝置已知自現(xiàn)有技術(shù)，例如已知自Ullmanr/s Encyclopedia of Industrial Chemistry，第5版，第Al卷，第 110-112 頁(yè)。
[0015]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，本發(fā)明的設(shè)備進(jìn)一步包含控制裝置，其使第一裝置中和第二裝置中乙炔的產(chǎn)生以分離裝置中分離的乙炔總量維持于指定范圍之內(nèi)的方式相互匹配。分離裝置中分離的乙炔總量?jī)?yōu)選基本維持恒定。為了該目的，控制裝置優(yōu)選包含用于測(cè)定第一產(chǎn)物氣體流和第二產(chǎn)物氣體流的質(zhì)量流速或體積流速的測(cè)量裝置，用于測(cè)定第一產(chǎn)物氣體流和第二產(chǎn)物氣體流的乙炔含量的分析裝置，和用于改變用于通過(guò)部分氧化制備乙炔的第一裝置和用于電熱制備乙炔的第二裝置的輸出的裝置。
[0016]用于制備乙炔的第一裝置和第二裝置優(yōu)選各自包括用于快速冷卻(驟冷)產(chǎn)物氣體流的裝置。將在這些用于快速冷卻的分離裝置之后所得的氣體流進(jìn)料至用于分離乙炔的分離裝置。這些產(chǎn)物氣體流優(yōu)選冷至小于250°C的溫度?？焖倮鋮s可使用直接驟冷方法實(shí)現(xiàn)，例如引入烴和/或水，或使用間接驟冷方法實(shí)現(xiàn)，例如在熱交換器中伴隨產(chǎn)生蒸汽而快速冷卻。直接驟冷和間接驟冷也可彼此結(jié)合。在第一實(shí)施方案中，離開(kāi)反應(yīng)區(qū)的氣體混合物僅用水驟冷。該實(shí)施方案的特征為相對(duì)低成本。在優(yōu)選實(shí)施方案中，離開(kāi)反應(yīng)區(qū)的氣體混合物與含烴氣體或與含烴液體混合，其中至少部分的烴吸熱裂解。取決于工藝方式，制得或多或少的寬產(chǎn)物范圍，例如除乙炔、氫氣和可能的一氧化碳之外的乙烷部分、丙烷部分、乙烯部分和其它更低級(jí)烴。作為結(jié)果，所產(chǎn)生的熱量可以基本上更大的程度傳遞至進(jìn)一步應(yīng)用，例如經(jīng)的吸熱裂解。適用于驟冷產(chǎn)物氣體流的裝置已知自現(xiàn)有技術(shù)，例如已知自UlImann7 sEncyclopedia of Industrial Chemistry，第5版，第Al卷，第108-110和116-118頁(yè)。
[0017]特別優(yōu)選地，制備乙炔的第一裝置和第二裝置各自包括用于快速冷卻產(chǎn)物氣體流的裝置和用于移除煙灰的下游裝置。在用于移除煙灰的裝置之后獲得的氣體流進(jìn)料至用于分離乙炔的分離裝置。為了移除煙