本發(fā)明涉及一種儲存電能的系統(tǒng)和工藝。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，70％以上的碳排放來自煤炭的燃燒，然后由多到少依次來自石油、天然氣、水泥等行業(yè)，這不僅帶來了全球的溫室效應(yīng)和極端天氣頻發(fā)問題，而且還浪費(fèi)了大量的資源。另外，由于上網(wǎng)的瓶頸，我國風(fēng)能、太陽能嚴(yán)重制約著風(fēng)電、太陽能行業(yè)的發(fā)展，同時水力發(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題都促使人們?nèi)で蠼鉀Q這些問題的方法。

不完全統(tǒng)計(jì)，我國目前風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)91412.89MW，2013年我國棄風(fēng)電量超過150億千瓦時，經(jīng)濟(jì)損失大約為75億元。我國優(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。

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

在水力發(fā)電方面，我國水電總裝機(jī)超過2.8億kW，2013年水電新增裝機(jī)近3000萬kW。在豐水期發(fā)電量充足，由于消納量在一定時期內(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。

目前儲能技術(shù)可分為物理儲能、化學(xué)儲能、電磁儲能及相變儲能4大類。 最成熟、最普遍的儲能方式是物理儲能中的抽水蓄能，但是它的應(yīng)用受地質(zhì)等條件的限制，遠(yuǎn)不能滿足電力發(fā)展；而物理儲能中的壓縮空氣蓄能的一大缺陷在于效率較低?；瘜W(xué)儲能中的蓄電池儲電能力小、壽命短，能量密度低，致使其實(shí)現(xiàn)大型電站儲能受到限制，而電解水、氫氣儲存電能的方式受到氫氣儲存和運(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)模儲能。中國專利CN102170138公開了一種基于電-鋁-氫循環(huán)系統(tǒng)的大規(guī)模儲能方法。中國專利CN104371780A公開了一種風(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。

但是，上述方法均未從根本上解決難以儲存和并網(wǎng)困難的風(fēng)、太陽能產(chǎn)生的電能以及其它過剩電能的大規(guī)模存儲問題，以及工業(yè)企業(yè)尾氣的處理，資源的綜合、循環(huán)利用問題和如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種儲存電能的系統(tǒng)和工藝，該系統(tǒng)和工藝能夠解決難以儲存和并網(wǎng)困難的風(fēng)、太陽能所產(chǎn)生的電能以及其它過剩電能的大規(guī)模存儲問題，同時解決工業(yè)企業(yè)尾氣的處理和資源的綜合、循環(huán)利用問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種儲存電能的系統(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)和產(chǎn)品分離系統(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。

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)包括錳鹽溶液 電解槽、錳稀酸反應(yīng)裝置、氫氣儲罐、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罐的氫氣入口連通；所述氫氣儲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。

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)包括汽包和中壓廢鍋。

本發(fā)明還提供一種儲存電能的工藝，該工藝包括：a、將所需儲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骸?/p>

優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的工藝，其中，所述所需儲存的電能為選自風(fēng)能發(fā)電、太陽能發(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中所述造氣過程包括：將所需儲存的電能，經(jīng)交直流整流裝置整流，送入錳鹽溶液電解槽進(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0.8-6.5兆帕。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果包括：

第一，將難以儲存和并網(wǎng)困難的風(fēng)、太陽能所產(chǎn)生的電能以及其它過剩電能通過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)，得到滿足管輸或者加壓制LNG的替代天然氣；不僅解決了過剩電能的大規(guī)模儲存問題，還解決工業(yè)企業(yè)尾氣的處理和資源的綜合、循環(huán)利用問題；

第二，由于含碳氧化合物與氫氣的甲烷化反應(yīng)是一個強(qiáng)放熱反應(yīng)，獲得的蒸汽可以送入蒸汽管網(wǎng)進(jìn)行利用；

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。

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)說明。

附圖說明

附圖是用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，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)成對本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1包括本發(fā)明儲存電能系統(tǒng)的一種具體實(shí)施方式所提供的儲存電能系統(tǒng)的示意圖，同時也包括本發(fā)明儲存電能工藝的一種具體實(shí)施方式所提供的儲存電能工藝的示意圖；

圖2包括本發(fā)明儲存電能系統(tǒng)的另一種具體實(shí)施方式所提供的儲存電能系統(tǒng)的示意圖，同時也包括本發(fā)明儲存電能工藝的另一種具體實(shí)施方式所提供的儲存電能工藝的示意圖。

附圖標(biāo)記說明

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 氫氣壓縮機(jī) 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 含碳氧化合物氣體壓縮機(jī)

35 交直流整流裝置 36 錳稀酸反應(yīng)裝置 37 氫氣儲罐

38 2#中壓廢鍋

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。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)明提供一種儲存電能的系統(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)和產(chǎn)品分離系統(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。

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)明并沒有限制。

根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，所述造氣系統(tǒng)可以包括錳鹽溶液電解槽21、錳稀酸反應(yīng)裝置36、氫氣儲罐37、氫氣壓縮機(jī)26以及交直流整流裝置35；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36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36的錳鹽溶液出口連通；所述錳稀酸反應(yīng)裝置36的氫氣出口可以與所述氫氣儲罐37的氫氣入口連通；所述氫氣儲罐37的氫氣出口可以與所述氫氣壓縮機(jī)26的氫氣入口連通；所述氫氣壓縮機(jī)26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35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。

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和中壓廢鍋25、中壓廢鍋38。所述中壓廢鍋可以用于吸收甲烷化反應(yīng)器所產(chǎn)生的熱量。

本發(fā)明還提供一種儲存電能的工藝，該工藝包括：a、將所需儲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骸?/p>

根據(jù)本發(fā)明的工藝，所述所需儲存的電能可以為選自風(fēng)能發(fā)電、太陽能發(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優(yōu)選為15-200ppb，氮含量優(yōu)選為20-1000ppm，氧含量優(yōu)選為200-1500ppm。

根據(jù)本發(fā)明的工藝，步驟a中所述造氣過程可以包括：將所需儲存的電能，經(jīng)交直流整流裝置整流，送入錳鹽溶液電解槽進(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。

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

實(shí)施例

如圖1和圖2所示，將M＝3.0的含CO₂、CO工業(yè)尾氣經(jīng)過除塵凈化處理后，通過含碳氧化合物氣體壓縮機(jī)34加壓送入1#原料加熱器20，預(yù)熱后的凈化氣經(jīng)過水解反應(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。

將難以儲存和并網(wǎng)困難的風(fēng)電經(jīng)交直流整流裝置35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36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，氫氣送入氫氣儲罐37；氫氣儲罐37中的氫氣經(jīng)過氫氣壓縮機(jī)26后，壓力達(dá)到2.95MPa。

將含有凈化氣與氫氣的原料氣送入設(shè)置兩臺高效傳熱的熱管徑向固定床反應(yīng)器的兩級串并聯(lián)甲烷化反應(yīng)器，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2.95MPa。

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)后從底部離開反應(yīng)器，產(chǎn)品氣經(jīng)過1#中壓廢鍋25釋放部分熱量后，與另一股原料氣混合進(jìn)入2#甲烷合成反應(yīng)器29繼續(xù)進(jìn)行甲烷化反應(yīng)，兩個甲烷化反應(yīng)器的進(jìn)出口溫度分別為285℃、615℃和320℃、580℃，操作壓力為2.9MPa。

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)兩個區(qū)域構(gòu)成，兩個區(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，產(chǎn)生中壓蒸汽后進(jìn)入汽包27，一股進(jìn)入2#中壓廢鍋38，產(chǎn)生中壓蒸汽后進(jìn)入汽包27，第三股直接進(jìn)入汽包。兩臺甲烷化反應(yīng)器共用一個汽包27，副產(chǎn)10MPa、350℃左右的高溫蒸汽，送入蒸汽管網(wǎng)。

2#甲烷化反應(yīng)器出口產(chǎn)物順次通過2#中壓廢鍋38、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，最后通過產(chǎn)品分離器33，分離后得到替代天然氣。

產(chǎn)品分離器33分離出來的工藝?yán)淠核腿牍に嚬芫€，多余工藝?yán)淠号懦龉┢渌に囉谩?/p>