水力發(fā)電站的制作方法
【專利摘要】在引入可再生能源的過程中，最大的困擾問題是風(fēng)電能和太陽能不可避免會產(chǎn)生過?，F(xiàn)象，以及交替出現(xiàn)供電缺口，而發(fā)電設(shè)備的電能儲存能力有限。本發(fā)明描述了電能的生產(chǎn)和存儲的詳細(xì)過程，在此過程中，包括氣體的滲透階段和電能的存儲階段，發(fā)電廠內(nèi)的合成氣體在滲透階段內(nèi)通過燃燒而產(chǎn)生電能，在電能的存儲階段中，合成氣體與額外添加的氫氣會化合產(chǎn)生甲烷。由此產(chǎn)生的甲烷會被導(dǎo)入并且存儲在天然氣管道中，而對于從合成氣體中制造甲烷所必需的氫氣，則通過電解水產(chǎn)生。所述合成氣體應(yīng)當(dāng)優(yōu)先通過干餾焦炭或者原煤產(chǎn)生。所述制造甲烷的過程，無論是從煤炭還是過剩的風(fēng)能或者太陽能，都不會對氣候造成破壞。所產(chǎn)生的甲烷屬于混合型甲烷，其中的碳元素來自于化石類燃料，而氫元素則來自于風(fēng)能和太陽能。電能將被輸電系統(tǒng)吸收，由煤炭額外產(chǎn)生的甲烷具備了天然氣的特征，將被儲存在輸氣管道中。在所述存儲階段內(nèi)被存儲的甲烷，或者與其同等熱值的天然氣可以在之后的滲透階段中再次被天然氣管道吸收，并且被輸送到燃?xì)獍l(fā)電廠。
【專利說明】水力發(fā)電站
[0001]在天然能利用過程中，最大的問題是因?yàn)樽匀粭l件而產(chǎn)生了過剩的風(fēng)能和太陽能。目前業(yè)內(nèi)已達(dá)成共識，僅僅通過電力手段不能找到相應(yīng)的解決辦法。作為出路，多余的電能可以用來電解水來制造氫氣。
[0002]氫氣可以被導(dǎo)入進(jìn)天然氣中，并且與天然氣混合在一起共同輸送。但是這樣又遇到了另一個(gè)問題:氫氣和天然氣的基本物理特征和燃燒特性區(qū)別明顯。從體積上看，天然氣的密度是氫氣的八倍，熱值是氫氣的三倍，而且在燃燒過程中的耗氧量是氫氣的四倍。
[0003]波動的風(fēng)能和太陽能在電解作用下，也會產(chǎn)生波動的氫氣流，并且當(dāng)氫氣流被引入天然氣之后，就會產(chǎn)生波動的混合氣流。這種類型的氫氣和天然氣的混合氣體，其存儲、運(yùn)輸以及使用方法，在已經(jīng)公布的專利《DE 10 2010 020 762 Al》(可再生能源的運(yùn)輸和穩(wěn)定)以及專利《DE 10 2010 031 777 Al》(氫氣在天然氣容器中的存儲)。此外，在所述專利中，對于如何穩(wěn)定可再生能源，也描述了一個(gè)通用的方法。這些方法對于所述波動型的混合氣體推向市場也是一種障礙。
[0004]還有另外一種方法輸送氫氣，即通過化學(xué)方法將氫氣和二氧化碳合成為甲燒。甲烷差不多就是天然氣的主要成分，因此可以沒有障礙地存儲在氣體管道中。有許多項(xiàng)目都和這個(gè)課題有關(guān)。這里所說的二氧化碳，可以從火力發(fā)電廠的燃燒廢氣中分離而得到，或者從沼氣中分離得到。從沼氣中分離二氧化碳的工藝對原材料并沒有詳細(xì)的描述；二氧化碳從燃燒廢氣中的分離直至存儲工藝，由于缺少大眾的認(rèn)可，因此前景如何，還是個(gè)未知數(shù)。
[0005]從經(jīng)濟(jì)性角度看，為了運(yùn)用過剩的可再生能源，可以選用傳統(tǒng)的碳化學(xué)反應(yīng)，即煤炭和水(碳元素以及水道德摩爾比為1:1之間的反應(yīng)，按照化學(xué)反應(yīng)式1)，在高壓和高溫下，產(chǎn)生一氧化碳和氫氣。氫氣和一氧化碳以相同摩爾比構(gòu)成的混合氣體，在下文簡稱為“合成氣體”。然后再通過風(fēng)能和太陽能按照化學(xué)反應(yīng)式3進(jìn)行電解水，從而制造氫氣，并且按照兩倍的摩爾比，將電解水而產(chǎn)生的氫氣導(dǎo)流進(jìn)“合成氣體”中。接著按照以化學(xué)家“薩巴捷”命名的化學(xué)反應(yīng)，制造甲烷和水，兩者的摩爾比為1:1 (參見化學(xué)反應(yīng)式2)。
[0006]化學(xué)反應(yīng)式1.) C+H20 = C0+H2
[0007]化學(xué)反應(yīng)式2.) (C0+H2) +2H2 = CH4+H20
[0008]化學(xué)反應(yīng)式3.) 2H20 = 2H2+02
[0009]上文描述的方法，通過煤炭以及過剩的風(fēng)能和太陽能生產(chǎn)出不影響氣候的甲烷。此類甲烷屬于混合型甲烷，其使用的碳元素來自于化石類能源，而氫元素則來自于風(fēng)能和太陽能。在化學(xué)平衡中，供電網(wǎng)釋放電能，并且通過添加煤炭產(chǎn)生甲烷，此類甲烷具備了天然氣的特征(下文稱為“混合甲烷”)，并且被引入輸氣管道。煤炭則是存儲能量的載體。
[0010]按照所述化學(xué)反應(yīng)式I至3產(chǎn)生的含有混合甲烷的合成氣體，被輸送到蓄能發(fā)電設(shè)施之后，將進(jìn)行滲透和燃燒(即按照化學(xué)反應(yīng)式4進(jìn)行燃燒反應(yīng))。合成氣體和天然氣混合后通過燃燒反應(yīng)(按照化學(xué)反應(yīng)式5)，會產(chǎn)生重要的合成效應(yīng)。
[0011 ]化學(xué)反應(yīng)式 4.) C0+H2+02 = C02+H20
[0012]化學(xué)反應(yīng)式5.) CH4+202 = C02+2H20
[0013]下文還將多次提及上面描述過的化學(xué)反應(yīng)式I至5，這五個(gè)化學(xué)反應(yīng)式分別被縮寫為Rk.1至Rk.5。
[0014]除了煤炭之外，其它含有碳元素的化合物(優(yōu)先選擇來自于植物)也可用來生產(chǎn)所述合成氣體。這里所說的植物原料，諸如樹木，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經(jīng)過反應(yīng)后可以產(chǎn)生氫氣和一氧化碳。
[0015]由于一氧化碳含有毒性，在通過電解水生產(chǎn)含有一氧化碳的合成氣體的同時(shí)，必須嚴(yán)格按照化學(xué)反應(yīng)式2規(guī)定的數(shù)量(按照劑量對稱的原理)生產(chǎn)。為了保護(hù)人員的安全，即使按照化學(xué)反應(yīng)式I和2生產(chǎn)，也必須避免生產(chǎn)或聚積過多量的一氧化碳。
[0016]所述發(fā)明的主要內(nèi)容，在于利用碳元素以及來自于供電網(wǎng)絡(luò)的過剩電能，制造甲烷，并且通過電解水制造氫氣，然后將甲烷與氫氣混合，最終產(chǎn)生氫氣和一氧化碳的混合氣體。這類混合氣體就是通過轉(zhuǎn)化煤炭或者含碳化合物與水蒸氣混合，并按照化學(xué)均衡對稱的劑量直接生成合成氣體，其中的主要成分甲烷將被導(dǎo)入天然氣輸送管道中。
[0017]為了避免一氧化碳被導(dǎo)入氣體輸送管道，需要注意的是，所有一氧化碳必須徹底轉(zhuǎn)化為混合型甲烷，或者混合型甲烷中分解出的一氧化碳，在被導(dǎo)入輸氣管道之前，必須被充分燃燒。建議在將混合型甲烷導(dǎo)入輸氣管道之前，對其中未徹底反應(yīng)掉的一氧化碳的含量進(jìn)行檢測。
[0018]一氧化碳徹底地轉(zhuǎn)化為混合型甲烷，也可以降低對氫氣的損耗量。過剩的氫氣可以被保存在混合型甲烷中。按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，被導(dǎo)入天然氣輸氣管的甲烷，其中的氫氣含量最大允許比例5% (今后計(jì)劃許可至10% ).
[0019]因此，所述發(fā)明還包含一項(xiàng)內(nèi)容，即被導(dǎo)入進(jìn)輸氣管道的混合型甲烷，可以含有最高10%的氫氣。
[0020]按照本項(xiàng)發(fā)明設(shè)計(jì)的工藝，供電網(wǎng)絡(luò)中過剩的風(fēng)能或者太陽能，可以得到較大程度的吸收，并且在添加煤炭之后，可以轉(zhuǎn)化為甲烷，并導(dǎo)入進(jìn)供電網(wǎng)絡(luò)中。本項(xiàng)發(fā)明的前提是，不僅要求設(shè)備具有較高的容量，而且要求與供電和輸氣管道相連。對于設(shè)備，已經(jīng)考慮到了必要的容量。此外，在電路系統(tǒng)中，設(shè)備應(yīng)當(dāng)與高電壓網(wǎng)絡(luò)相連，在氣路系統(tǒng)中，設(shè)備必須與高氣壓網(wǎng)絡(luò)(遠(yuǎn)程供氣網(wǎng)絡(luò))相連。為了滿足這一要求，除了相關(guān)的輸送管道之外，還需要額外投資變壓器以及氣體壓縮機(jī)。
[0021]但是，在按照本相發(fā)明設(shè)計(jì)的工藝中，如果設(shè)備和燃?xì)獍l(fā)電機(jī)相連，那么所述額外的投資就可以節(jié)省。在燃?xì)獍l(fā)電設(shè)施內(nèi)，設(shè)備可以連接到高壓輸電網(wǎng)絡(luò)上，也可以和天然氣輸氣網(wǎng)絡(luò)相連。渦流中的電能在轉(zhuǎn)換為高壓之后，會被導(dǎo)入進(jìn)高壓輸電網(wǎng)絡(luò)中。此外，電能也可以從高壓網(wǎng)絡(luò)中降為低壓，以供電解反應(yīng)需要。
[0022]本項(xiàng)專利“蓄能發(fā)電設(shè)施將煤炭(碳)元素轉(zhuǎn)換為甲烷”，包含以下諸項(xiàng)設(shè)備，在各項(xiàng)設(shè)備中，則發(fā)生了后面各自括號內(nèi)標(biāo)注的化學(xué)反應(yīng)。
[0023]1.發(fā)電設(shè)施/燃?xì)獍l(fā)電設(shè)施(可選化學(xué)反應(yīng)式4以及/或者5)
[0024]2.煤炭干餾設(shè)備，以及合成氣體的生產(chǎn)設(shè)備。(化學(xué)反應(yīng)式I)
[0025]3.電解設(shè)備,用于將電能轉(zhuǎn)換為氫氣(化學(xué)反應(yīng)式3)
[0026]4.氫化設(shè)備,用于氫化一氧化碳,使其轉(zhuǎn)化為氫化甲燒(化學(xué)反應(yīng)式2)
[0027]5.高壓輸電網(wǎng)的接口，并且配有變壓器。
[0028]6.天然氣輸氣網(wǎng)絡(luò)的接口。
[0029]在使用所述設(shè)備時(shí)，在不同的、交替出現(xiàn)的運(yùn)行階段，會遇到能量運(yùn)用方面兩個(gè)最大的挑戰(zhàn):如何充分利用過剩的能量，以及在供電電能不穩(wěn)定的情況下，如何讓供電網(wǎng)絡(luò)的電流保持穩(wěn)定。
[0030]?在一種運(yùn)行階段(在專利中稱為第一階段)，使用燃?xì)獍l(fā)電設(shè)施(I)，從而當(dāng)風(fēng)能和太陽能等自然原因?qū)е鹿╇娙笨跁r(shí)，可以彌補(bǔ)這一缺口，或者可以讓供電網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定?；旌闲图淄榛蛘吲c其熱值等效的天然氣或者合成氣體，從輸氣網(wǎng)絡(luò)出)中被送出或者溢出，電能通過變壓器被輸進(jìn)供電網(wǎng)絡(luò)(5)中。設(shè)備中的部件2至4，不處于運(yùn)行狀態(tài)。
[0031]?在另一種運(yùn)行階段(在專利中成為第二階段)，供電網(wǎng)絡(luò)5中釋放出(過剩的)電能，并且在3中被轉(zhuǎn)化為氫氣。按照本項(xiàng)發(fā)明，在2中從煤炭等原材料生產(chǎn)的合成氣體，與氫氣在4中共同反應(yīng)形成氫化甲烷。電流從供電網(wǎng)絡(luò)(5)中被釋放出，氫化甲烷被導(dǎo)入進(jìn)天然氣管道出)中。設(shè)備1(發(fā)電設(shè)施)此時(shí)不處于運(yùn)行狀態(tài)。
[0032]通過本階段，混合型甲烷可以將過剩的電能結(jié)合煤炭的燃燒值，以天然氣或者同等燃燒值氣體的形式，存儲在輸氣管道中，在需要時(shí)釋放到發(fā)電設(shè)施。這樣就可以定義出蓄能型發(fā)電廠最大的特征，就是把尚未使用的能量存儲起來，在需要的時(shí)候再次釋放出。整個(gè)設(shè)備就是一種復(fù)合型蓄能發(fā)電設(shè)施，混合型甲烷被存儲在輸氣管道中，復(fù)合甲烷所存儲的全部能量中，只有一半來自于被存儲的過剩電能(另一半能量來自于煤炭)。輸氣管道作為能量存儲設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)就是具有巨大的存儲容量。
[0033]所述發(fā)明中，涉及的是一種復(fù)合型蓄能發(fā)電設(shè)施，此類發(fā)電設(shè)施中包含了前述設(shè)備I至6，在其中的設(shè)備5和6中，氣體和電能的會朝著兩個(gè)方向流動，并且大小會交替變化，而輸氣管道則起到了能量存儲器作用。
[0034]根據(jù)不同的需求以及不同的運(yùn)行階段，可以開啟或關(guān)閉所述設(shè)備I至4。但是為了在這些設(shè)備中進(jìn)行能量和物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，前提是設(shè)備必須具備較高的靈活性。這些靈活性體現(xiàn)在燃?xì)獍l(fā)電設(shè)施(I)和電解水設(shè)備(3)中。一氧化碳的氫化過程(4)(其中的氣相,會輸入氮催化劑)則可以根據(jù)實(shí)際需求，執(zhí)行或刪減。
[0035]本項(xiàng)發(fā)明要求的靈活性和煤炭的干餾以及一氧化碳的制造過程(2)無關(guān)。雖然所述設(shè)備的功率可以調(diào)節(jié)，但是對于同步進(jìn)行的電解過程(3)以及一氧化碳的氫化過程(4)，則不能隨意開啟或關(guān)閉。此外，正如前文告誡過的，對一氧化碳的重要的過渡產(chǎn)品，必須避免其聚積。
[0036]按照本項(xiàng)發(fā)明將設(shè)備2、3、4連接進(jìn)發(fā)電設(shè)施(I)之后，還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn):在設(shè)備2中制造出的合成氣體，其熱值已經(jīng)很接近城市中日常使用的煤氣，并且在發(fā)電設(shè)施運(yùn)行的過程中，可以單獨(dú)地(參見化學(xué)反應(yīng)式4)或者與天然氣共同(參見化學(xué)反應(yīng)式5)被釋放出。因此，負(fù)責(zé)制造合成氣體的設(shè)備2，在所述兩種運(yùn)行狀態(tài)下，都可以運(yùn)行，所以在燃?xì)獍l(fā)電設(shè)施(4)中制造電能以及在制造混合型甲烷(化學(xué)反應(yīng)式2)時(shí)，可以切換地使用設(shè)備2。
[0037]在第一運(yùn)行階段中，有一種運(yùn)行模式中，為了使供電網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，讓其中的燃?xì)獍l(fā)電設(shè)施(I)與煤炭的干餾裝置以及合成氣體生產(chǎn)設(shè)備(2)共同運(yùn)行，同時(shí)釋放合成氣體。此夕卜，還可以從輸氣管道中提取天然氣。必要的話，天然氣還可以與合成氣體混合在一起，并共同釋放，同時(shí)將電能導(dǎo)入進(jìn)供電網(wǎng)絡(luò)中。在此模式中，設(shè)備3和4不運(yùn)行。
[0038]本項(xiàng)發(fā)明的另一項(xiàng)內(nèi)容是，可以選用合成氣體，一方面作為可燃?xì)怏w，可以與天然氣混合使用，或者作為獨(dú)立的燃料用于第一運(yùn)行階段中的燃?xì)獍l(fā)電設(shè)施的發(fā)電能源，另一方面，與利用電能通過電解水而產(chǎn)生的氫氣共同使用，在第二運(yùn)行階段中，用于生產(chǎn)混合型甲烷。因此，在兩個(gè)運(yùn)行階段中，煤炭的干餾得以持續(xù)進(jìn)行。
[0039]按照本項(xiàng)發(fā)明，在燃?xì)獍l(fā)電設(shè)施內(nèi)通過利用煤炭以及過剩的可再生能源來生產(chǎn)混合氣體，還有另外一個(gè)“合成能源效應(yīng)”，即可以拓寬電解水中的供水來源。合成氣體中的可燃?xì)怏w氫氣或甲烷與氧氣反應(yīng)后(化學(xué)反應(yīng)式4或5)，會形成冷凝水。這種冷凝水中不含任何鹽,符合電解水的必要條件。一摩爾氫氣可以產(chǎn)生一摩爾的水。而如果要通過電解水獲得2摩爾的氫氣，按照化學(xué)反應(yīng)式3，則需要2摩爾的純水，而按照化學(xué)反應(yīng)式2，通過燃燒甲烷可以獲得不含鹽的冷凝水，正好提供這2摩爾的純水。按照純粹的計(jì)算，在整個(gè)工藝流程中可獲得不含鹽的水，電解時(shí)以及在按照本項(xiàng)發(fā)明通過風(fēng)能和太陽能生產(chǎn)甲烷時(shí)都需要這種水。當(dāng)天然氣燃燒后，可以獲得2摩爾的冷凝水(參見化學(xué)反應(yīng)式5)，這2摩爾的水正好成為化學(xué)反應(yīng)式3中必需的水。
[0040]在電解水的過程中，每消耗I兆瓦的電能，可以產(chǎn)生200至250立方米的氫氣(取決于不同的能量利用效率)，并且需要消耗大約160至200升的不含鹽的純凈水(蒸餾水)。假定一個(gè)產(chǎn)能為100MW/h的燃?xì)獍l(fā)電設(shè)施，裝備的設(shè)備對過剩電能的吸收容量也為100MW/h，那么該發(fā)電設(shè)施每小時(shí)電解水所需的蒸餾水為16000至20000升。這就意味著，購買蒸餾水用于電解，需要花費(fèi)巨大的費(fèi)用，因此成本和能源將成為一個(gè)大問題。
[0041]發(fā)電設(shè)施獲得的冷凝水是一種恰當(dāng)?shù)妮敵鑫?，可作為電解水工藝中廉價(jià)的原材料。從天然成份上來講，這種冷凝水不含鹽，含有微弱濃度的碳酸、硫酸和氫硫酸，但是酸度很低(pH值大約為4.5)。碳酸可以從水中排放掉，礦物酸可以通過陰離子交換，與冷凝水分離。
[0042]此外，還可以從氣體取暖設(shè)施(“燃燒型取暖器”)中通過相同的原理獲得冷凝水。對于功率在60千瓦以上的取暖設(shè)施，為了遵守公共道德原則，所有的冷凝水必須在確保其在化學(xué)上呈中性才能夠排放到溝渠中。因此，如果把冷凝水聚積在一起，用于本項(xiàng)發(fā)明所涉及的工藝中則是一種經(jīng)濟(jì)有效的方案。
[0043]如果合成氣體在燃?xì)獍l(fā)電站中和天然氣混合在一起燃燒，且燃燒后的冷凝水按照相同的方式用于電解水，則需事先對合成氣體做特殊的處理。煤炭可以作為合成氣體的生產(chǎn)原料，但是煤炭中也會含有最高達(dá)4%的硫化合物，而硫化合物必須得到充分的燃燒。煤炭燃燒后產(chǎn)生的氣體中會結(jié)合硫化物，這一點(diǎn)已為人所知。還有，煤炭在干餾過程中，會產(chǎn)生氧化鐵。因此，合成氣體的清洗過程很重要，因?yàn)閺暮铣蓺怏w中產(chǎn)生的混合型甲烷，會被導(dǎo)入進(jìn)輸氣管道中，而且在輸氣管道中也會存在天然氣，輸氣管道對清潔程度的要求很高?；谶@一點(diǎn)，如果在燃?xì)獍l(fā)電設(shè)施中把合成氣體與天然氣分開后再向外釋放，并且只使用純天然氣燃燒后產(chǎn)生的冷凝水(2摩爾的水)用于電解，效果則會更好(請對比化學(xué)反應(yīng)式3 和 5)。
[0044]上文所述的發(fā)明中，其內(nèi)容還包括在燃?xì)獍l(fā)電設(shè)施(I)中，對天然氣燃燒后產(chǎn)生的冷凝水的收集和利用，把冷凝水作為電解反應(yīng)(3)的原材料。按照化學(xué)反應(yīng)式2、4和5而獲得的冷凝水，正好提供電解反應(yīng)(化學(xué)反應(yīng)式3)以及在此之后的氫化反應(yīng)(化學(xué)反應(yīng)式2)所需。
[0045]按照本項(xiàng)發(fā)明設(shè)計(jì)的工藝對在所述設(shè)備2、3、4中的合成部分進(jìn)行運(yùn)用，即利用風(fēng)能或者太陽能，從煤炭或者其它的碳化合物中，制造混合型甲烷?；旌闲图淄榈奶卣鳎铜h(huán)保型的天然氣不相上下。所述工藝與能源利用技術(shù)融合之后，輸氣管道中的天然氣會逐步地被復(fù)合氣體淘汰，也就不再需要依賴進(jìn)口的天然氣。
[0046]燃?xì)獍l(fā)電設(shè)施中增加了煤炭干餾以及電解水和一氧化碳?xì)浠磻?yīng)之后，產(chǎn)生的“合成能源效應(yīng)”分別簡述如下:
[0047]?若煤炭干餾過程(即按照化學(xué)反應(yīng)式I制造合成氣體的過程)是一個(gè)持續(xù)不間斷的工藝流程時(shí)，則生產(chǎn)技術(shù)上可以體現(xiàn)出優(yōu)勢。這就意味著，在第二運(yùn)行階段(參照化學(xué)反應(yīng)式2)制造混合型甲烷的過程中，以及在第一運(yùn)行階段在燃?xì)獍l(fā)電設(shè)施(參照化學(xué)反應(yīng)式4)釋放氣體時(shí)，則需要用到合成氣體。
[0048]?在電解水的過程中(參照化學(xué)反應(yīng)式3)，為了按照化學(xué)反應(yīng)式2進(jìn)行氫化反應(yīng)，為了保證必需的氫氣，除了在合成氣體中含有氫氣之外，還需要2摩爾的水。其中一摩爾的水，可以從第二運(yùn)行階段(即化學(xué)反應(yīng)式2)內(nèi)，直接通過分離冷凝水獲得并且儲存；另一摩爾的水，可以在第一運(yùn)行階段中，從燃?xì)獍l(fā)電設(shè)施的煙塵中冷凝獲得，然后儲存。這就是說，用來制造混合型甲烷的氫氣來自于兩個(gè)運(yùn)行階段中生產(chǎn)設(shè)備里的冷凝水。在此過程中，設(shè)備1、2、3和4相互連通，因此從化學(xué)上精確計(jì)算的、用于制造混合型甲烷所必需的純凈水，可以得到聚積和存儲。
[0049]?如果接通了天然氣管道，并且還接通了高壓輸電網(wǎng)絡(luò)，那么在不同的運(yùn)行階段內(nèi)，氣體和電流可以向著不同的方向輸送，所有設(shè)備均可運(yùn)用。即天然氣管道及其接口以及高壓輸電網(wǎng)絡(luò)和接口可以由所有設(shè)備共同使用。
[0050]?發(fā)電廠裝備了量程廣泛的變壓器，從而可以在第一運(yùn)行階段內(nèi)，將電流從渦流中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，進(jìn)而輸入高壓網(wǎng)絡(luò)中。而在第二運(yùn)行階段，同一個(gè)變壓器，則可以把高壓網(wǎng)絡(luò)中的電能轉(zhuǎn)換為較低的電壓，從而滿足電解反應(yīng)的需要。
[0051]針對混合型蓄能發(fā)電廠，其所蓄電能中的一部分來自于過剩的電能，一部分來自于從煤炭生產(chǎn)出的混合型甲烷。這類混合型甲烷將被輸送進(jìn)輸氣管道，在需要使用的時(shí)可從輸氣管道中再次釋放出。因此，輸氣管道在混合型蓄能發(fā)電廠中起到了蓄能器的作用。還有另一種蓄能器，就是蓄水池。
[0052]對于按照本項(xiàng)發(fā)明設(shè)計(jì)的混合型蓄能發(fā)電廠，為了注重其經(jīng)濟(jì)性，每存儲I百萬千瓦過剩電能并且再添加大約80噸煤炭，大約可以制造出13萬立方米的混合型甲烷，假定燃?xì)獍l(fā)電廠的能量利用效率為65%，并且使用冷凝水，那么在需求峰值時(shí)可以提供85萬千瓦的電能，并且氣體可以再次釋放，在不使用煤炭的情況下，能量利用效率可以達(dá)到85%。
[0053]自然界的可再生能源會導(dǎo)致過多或者過少的能量輸入到供電網(wǎng)絡(luò)中，因此將導(dǎo)致兩個(gè)運(yùn)行階段交替地更換。為了讓供電網(wǎng)絡(luò)的電流穩(wěn)定，可以使用高熱值的、應(yīng)用范圍廣泛的煤炭。不過最好不要使用煤炭，而是使用對氣候無害的天然氣(混合型甲烷)。
[0054]為了考慮生態(tài)平衡，可以逐步地增加氫氣的用量，氫氣依舊通過電解水(化學(xué)反應(yīng)式3)來獲得。氫氣和被導(dǎo)入天然氣管道的混合型甲烷混合在一起。按照最新的標(biāo)準(zhǔn)，氫氣在天然氣中的添加量，可以達(dá)到10%。
[0055]按照化學(xué)反應(yīng)式3，在電解水時(shí)產(chǎn)生的氧氣，可以被收集和存儲，在之后用于合成氣體(化學(xué)反應(yīng)式4)或者天然氣/甲烷(化學(xué)反應(yīng)式5)的燃燒。在去除了空氣中的氮?dú)夂?，也就可以避免在燃燒過程中產(chǎn)生氮氧化物。氮氧化物對氣候的損害程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過二氧化碳。在電解水之后，氧氣因?yàn)槊芏容^大而下沉，因此純度比可燃?xì)飧撸菀滓夯⑶乙砸簯B(tài)的形式存儲。
[0056]在使用純氧燃燒的過程中，可燃?xì)怏w的燃燒溫度較高，且能量密度較大，這有利于提高能量的利用效率，但是各種材料的溫度也接近了各自的抗高溫極限。這里推薦添加冷卻水，并且優(yōu)先使用冷凝水作為冷卻水，以便監(jiān)控燃燒溫度。消耗掉的冷凝水以及蒸發(fā)能，可以通過在燃燒之后的冷凝水重新回收。并且可燃?xì)庵泻械囊谎趸家部梢员换厥?，而且從煙塵中分離出的二氧化碳也可以回收利用。
[0057]如果合成氣體在第一運(yùn)行階段中被燃燒，那么從二氧化碳排放方面評價(jià)，這一部分工藝屬于增加碳排放。從生態(tài)平衡角度考慮，可以通過利用過剩的能量把煤炭轉(zhuǎn)換為不損害氣候環(huán)境的甲烷，以供以后使用。這樣只有一個(gè)細(xì)微的缺點(diǎn)，就是在第一運(yùn)行階段內(nèi)，在燃?xì)獍l(fā)電廠內(nèi)會產(chǎn)生過多的天然氣與混合甲烷。除此之外，按照經(jīng)驗(yàn)，總體上而言，可燃?xì)獾妮斔捅让禾康裙腆w的輸送更為有效。
[0058]另一方面，按照本項(xiàng)發(fā)明設(shè)計(jì)的工藝中，在按照化學(xué)反應(yīng)式2對煤炭干餾時(shí)，運(yùn)用一些木材等自然原料(或者局部地使用)，對生態(tài)平衡更有益處。木材作為碳水化合物，按照化學(xué)反應(yīng)式I可以轉(zhuǎn)換為合成氣體。木炭和氫氣可以合成“生物甲烷”。為了提高生態(tài)平衡，可在導(dǎo)入輸氣管道的甲烷中添加氫氣，因?yàn)闅錃饪梢酝耆紵?，且不會釋放任何有害氣體。
[0059]從過剩的可再生能源以及煤炭中獲得對氣候無危害的混合型甲烷之后，實(shí)際經(jīng)濟(jì)利潤顯而易見。各個(gè)州只需要煤炭，因此對天然氣的進(jìn)口不再依賴。以煤炭和過剩的電能為基礎(chǔ)能源的蓄能發(fā)電廠，逐漸轉(zhuǎn)向可再生能源的利用，從而實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)節(jié)省的工藝流程。
[0060]按照本項(xiàng)發(fā)明設(shè)計(jì)的工業(yè)化，其經(jīng)濟(jì)效益大致估算如下:依靠I百萬千瓦的過剩電能，大約可以制造出13.5萬立方米的混合型甲烷，把這些混合型甲烷或者與其熱值相當(dāng)?shù)奶烊粴庵匦箩尫懦?，用于生產(chǎn)，可以獲得大約85萬千瓦的能量(請參照本文結(jié)束語中的“電化學(xué)模擬計(jì)算”)。
[0061]這些混合型甲烷中的碳元素，大約需要60至80噸的煤炭，這就是說，使用大約70噸的煤炭，以及I百萬千瓦的過剩電能，可以產(chǎn)生85萬千瓦的高價(jià)值能量，可在以后需求峰值時(shí)投入使用。
[0062]其它非靈活型的發(fā)電廠，諸如火力發(fā)電廠或者核能發(fā)電廠，當(dāng)發(fā)電設(shè)施的發(fā)電量超出了輸電網(wǎng)絡(luò)的最大承載能力，也會產(chǎn)生過剩的電能。有個(gè)現(xiàn)狀是大型發(fā)電廠對經(jīng)濟(jì)效益看的比較重，而且目前階段擴(kuò)大利用可再生能源的時(shí)間比較好，因?yàn)榭稍偕茉丛诠╇娋W(wǎng)絡(luò)中具有優(yōu)先使用權(quán)?？梢韵胂?，目前供電網(wǎng)絡(luò)中的電能要么不足，要么就是過剩。
[0063]在此類非靈活型的發(fā)電廠內(nèi)，可以按照本項(xiàng)發(fā)明建造混合型蓄能發(fā)電設(shè)施。首先，可以用過剩的電能制造混合型甲烷，并且將甲烷導(dǎo)入輸氣管道中，在此之后，當(dāng)燃?xì)獍l(fā)電廠對能量的需求達(dá)到高峰時(shí)，可以釋放這些可燃?xì)狻?主)發(fā)電設(shè)施因此可以較優(yōu)的能量效率持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。必要時(shí)可在主發(fā)電設(shè)施的燃燒室內(nèi)輸入合成氣體，與甲烷共同燃燒。
[0064]在現(xiàn)有的發(fā)電廠內(nèi)，發(fā)電機(jī)的輸出電壓一般都為5000伏。常見的電解設(shè)備的輸入電壓一般為200至300伏之間，而在電解裝置中，所有電解單元依次串聯(lián)接通后，各自連接的電壓僅為2.2伏。這些串聯(lián)的單元的總數(shù)，不得不受到限制，因?yàn)榧词蛊渲幸粋€(gè)電解單元發(fā)生故障，整個(gè)電解設(shè)備都會被關(guān)閉，必須對整體設(shè)備維修。如果把所有的電解單元分成若干個(gè)模塊，每個(gè)模塊中具有相同數(shù)量的串聯(lián)電解單元，并且還額外保留一個(gè)備用模塊，則可以增加不少電解單元的總數(shù)。這些運(yùn)行中的所有模塊中即使有一個(gè)出現(xiàn)故障，那么額外保留的那個(gè)備用模塊可以開啟，受損的模塊可以被關(guān)閉，等待修復(fù)。因此，電解裝置就可以導(dǎo)入相對較高的電壓，安全運(yùn)行。電解裝置的輸入電壓就可以和電廠發(fā)電機(jī)相匹配，并且高壓輸電網(wǎng)中的變壓器，在兩個(gè)運(yùn)行階段中，對兩種設(shè)備都適用。發(fā)電機(jī)和電解設(shè)備之間的電壓差(以及與主變壓器之間的電壓差)，可以通過變壓器得到平衡。
[0065]如果混合型蓄能發(fā)電設(shè)施位于褐煤發(fā)電廠附近，那么在地理位置上就更具備優(yōu)勢，因?yàn)槟抢锟梢灾苯尤∮煤置?，?dāng)蓄能發(fā)電廠對能源的需求可以預(yù)見地增加時(shí)，褐煤可以一車接一車地運(yùn)往發(fā)電廠。直接燃燒褐煤，這種尚有爭議的舉動，將來會被改進(jìn)，褐煤作為經(jīng)濟(jì)型能源，應(yīng)當(dāng)?shù)玫礁侠淼倪\(yùn)用，在能源企業(yè)中應(yīng)該發(fā)揮更重要的功能。煤炭的使用必須遵守當(dāng)前生態(tài)方面的法令。
[0066]化學(xué)反應(yīng)方程式概覽(化學(xué)反應(yīng)式1-5)
[0067]Rk.1.) C+H20 = C0+H2
[0068]Rk.2.) (C0+H2) +2 H2 = CH4+H20
[0069]Rk.3.) 2H20 = 2H2+02
[0070]Rk.4.) C0+H2+02 = C02+H20
[0071]Rk.5.) CH4+202 = C02+2 H20
[0072]Rk.6.) C02+4H2 = CH4+2 H20
[0073]混合型蓄能發(fā)電廠各設(shè)備概覽(括號中標(biāo)注的1-5是每臺設(shè)備涉及的化學(xué)反應(yīng)式的編號)
[0074]1.發(fā)電設(shè)施/燃?xì)獍l(fā)電設(shè)施(化學(xué)反應(yīng)式4以及/或者化學(xué)反應(yīng)式5)
[0075]2.煤炭干餾設(shè)備以及合成氣體生產(chǎn)設(shè)備(化學(xué)反應(yīng)式I)
[0076]3.電解設(shè)備以及整流器，用于調(diào)節(jié)制造氫氣的電能(化學(xué)反應(yīng)式3)
[0077]4.用來水合一氧化碳(或者二氧化碳)、制造混合型甲烷的設(shè)備(化學(xué)反應(yīng)式5和6)
[0078]5.高壓輸電網(wǎng)絡(luò)以及變壓器的接口(化學(xué)反應(yīng)式4、5或者3)
[0079]6.天然氣輸氣管道的接口(化學(xué)反應(yīng)式5或者2)
[0080]關(guān)于儲能裝置或者能量存儲媒質(zhì)
[0081]最重要的儲能裝置，其實(shí)就是可燃?xì)廨斔凸艿?，其中的混合型甲烷就作為能量存儲媒質(zhì)。當(dāng)需要消耗能量的時(shí)候，被存儲的混合型甲烷或者與其同等燃燒值的可燃?xì)饪梢员会尫诺娇扇細(xì)廨斔凸艿乐校c那里的天然氣混合，這種釋放過程最好在燃?xì)獍l(fā)電廠進(jìn)行，因此此類發(fā)電廠中應(yīng)建有蓄能發(fā)電設(shè)施。各類設(shè)備整合之后，如何協(xié)同作用已在前文有詳細(xì)描述。此外，儲能氣體的再釋放也可以在一個(gè)獨(dú)立的地點(diǎn)進(jìn)行，那么天然氣則應(yīng)從天然氣管道中排出，與甲烷或者同等燃燒值的可燃?xì)饣旌稀?br> [0082]二氧化碳業(yè)也可以從煙塵中分離并且存儲。在燃燒過程中，如果用電解水產(chǎn)生的氧氣來替代空氣，那么在水冷凝之后，這些二氧化碳就顯得多余。如果讓這些二氧化碳也進(jìn)入輸氣管道被輸送，那么在煤炭燃燒時(shí)，煤炭不可避免會和二氧化碳反應(yīng)而產(chǎn)生一氧化碳。這些一氧化碳可以被回流進(jìn)燃燒室，以避免流入大氣。
[0083]另外一個(gè)存儲能量的媒質(zhì)就是用于電解的水，這些水一般來自一個(gè)或多個(gè)燃?xì)獍l(fā)電設(shè)施的煙塵中的冷凝水。如果燃?xì)獍l(fā)電設(shè)施和復(fù)合型蓄能發(fā)電設(shè)施相連通的話，那么就可以在現(xiàn)場就地收集冷凝水，按照對應(yīng)的容量存儲在蓄水池中，為電解備用。如果燃?xì)獍l(fā)電設(shè)施和復(fù)合型蓄能發(fā)電設(shè)施未連通，那么被收集的冷凝水，只能通過蓄水車被輸送到混合型蓄能發(fā)電設(shè)施。在輸送過程中，也可以同時(shí)收集供暖裝置中的冷凝水。如何從天然氣和混合型燃?xì)獾娜紵^程中收集和儲存冷凝水，并因此可以從混合氣體中重新分離出混合型甲烷(參見化學(xué)反應(yīng)式2、3和5)，也是本項(xiàng)發(fā)明的內(nèi)容之一。從天然氣燃燒過程中收集出的冷凝水具有較高的純度，因此，按照本項(xiàng)發(fā)明，用于電解的冷凝水將優(yōu)先選用在由煤炭中提取的合成氣體的燃燒過程中收集的冷凝水。
[0084]關(guān)于合成氣體的制造和使用
[0085]在“費(fèi)-托工藝流程”(Fischer-Tropsch)的第一級中，碳和水蒸氣通過在高溫下按照化學(xué)反應(yīng)式I發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生合成氣體。取決于煤炭或者碳化合物的不同質(zhì)量，所述反應(yīng)之后產(chǎn)生的主要物質(zhì)是一氧化碳以及氫氣，可能也會有一些甲烷。也可以把煤炭在隔絕空氣的條件下，加熱到1000至1300攝氏度，獲得焦炭。這有助于提高碳元素的純度，并有利于轉(zhuǎn)換為合成氣體。I噸煤可以產(chǎn)生大約300立方米的煤氣，其中主要成分為大約50%的氫氣和30%的甲烷，這些氣體會直接被導(dǎo)入輸氣管道，也可以按照化學(xué)反應(yīng)式2繼續(xù)反應(yīng)。煤炭干餾后，會產(chǎn)生其它的副產(chǎn)品，例如“煤焦油”其實(shí)是各種芳香類物質(zhì)的混合物。煤焦油歷來被視為化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)原料。按照本項(xiàng)發(fā)明設(shè)計(jì)的工藝，可以合理利用煤炭能源，改善生態(tài)環(huán)境，并獲得大量的中間類化學(xué)品，而且對石油化工的依賴會逐漸降低。
[0086]在所述兩種生產(chǎn)合成氣體的工藝中，包括在氣體的清洗過程，以及在蓄能發(fā)電設(shè)施的兩個(gè)運(yùn)行階段中，不能持續(xù)不間斷地切換。因此，本項(xiàng)發(fā)明有個(gè)特別的貢獻(xiàn)，就是在兩個(gè)運(yùn)行階段中，在不同的使用情況下，都可以使用合成氣體(在第一運(yùn)行階段中按照化學(xué)反應(yīng)式3使用合成氣體，在第二運(yùn)行階段中按照化學(xué)反應(yīng)式4使用合成氣體)。
[0087]如果在混合型蓄能發(fā)電設(shè)施的旁邊還建造了煤炭發(fā)電設(shè)施(火力發(fā)電設(shè)施)，那么在第二運(yùn)行階段中，合成氣體也可以被吹入火力發(fā)電設(shè)施的燃燒室中并且在那里釋放。當(dāng)對能量的需求達(dá)到峰值時(shí)，可以額外添加別的氣態(tài)燃料，可以快速達(dá)到較大功率。因此，煤炭發(fā)電設(shè)施擁有了較大的自主靈活性。
[0088]合成氣體按照化學(xué)反應(yīng)式2轉(zhuǎn)換為復(fù)合型甲烷，其過程屬于按照化學(xué)家薩巴蒂爾(Sabatier)命名的化學(xué)反應(yīng)之一。在此類反應(yīng)中，在氮催化劑或者鐵催化劑的作用下，一氧化碳被氫氣氫化，產(chǎn)生甲烷。此類化學(xué)反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，按照本項(xiàng)發(fā)明設(shè)計(jì)的其它工藝中，如果需要吸熱，可以利用此反應(yīng)釋放的熱量，因此合成氣體釋放時(shí)的能量利用效率可以得到進(jìn)一步提升。
[0089]按照化學(xué)反應(yīng)式3進(jìn)行的反應(yīng)中，如果適當(dāng)改進(jìn)，還能夠獲得大分子碳水化合物，可以作為汽車的燃料。
[0090]合成氣體/ 二氧化碳的釋放和存儲
[0091]釋放合成氣體，意味著直接或間接的利用其熱值，以獲得電能。
[0092]在合成氣體被釋放的階段所產(chǎn)生的二氧化碳，也可以被存儲或者篩分。例如，氫氣燃燒后產(chǎn)生的水被冷凝之后，可以通過高壓液化，從煙塵中分離出二氧化碳。電解水產(chǎn)生的氧氣，如果取代空氣被用于助燃，因此不需要吹入空氣，那么在水蒸氣被冷凝之后，二氧化碳成為唯一的氣體，直接被存儲。
[0093]在釋放合成氣體的過程中，合成氣體除了直接燃燒之外，其中的一氧化碳還可以和水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳和氫氣。由此產(chǎn)生的二氧化碳將被存儲，在此之后，只有氫氣被燃燒。就像通過電解水獲得氫氣一樣，可以讓二氧化碳換為甲烷，即讓氫氣和存儲的二氧化碳按照化學(xué)反應(yīng)式6進(jìn)行反應(yīng)，也可以讓氫氣與合成氣體或者一氧化碳按照化學(xué)反應(yīng)式2進(jìn)行反應(yīng)。合成氣體也可以被分成兩部分，其中一部分用來制造氫氣和二氧化碳，另一部分合成氣體與氫氣按照化學(xué)反應(yīng)式2發(fā)生反應(yīng)用于制造甲烷。在合成氣體的釋放過程中，也會產(chǎn)生甲烷，這些甲烷既可以直接燃燒或者釋放，也可以存儲起來。
[0094]歸納而言，合成氣體可以和純氫氣或者純甲烷一樣，被釋放或燃燒。在總共三種類型的合成氣體中，其中的二氧化碳都可以被分離出，并且存儲。
[0095]在此建議:最好在復(fù)合型蓄能發(fā)電設(shè)施不需要消耗電能、并且不會產(chǎn)生排放的時(shí)候，將合成氣體轉(zhuǎn)換為甲烷。
[0096]按照本項(xiàng)發(fā)明設(shè)計(jì)的工藝中，如果合成氣體來自于生物型能源(例如樹木)，那么在釋放合成氣體的階段，可以把二氧化碳存儲在地下(因?yàn)槎趸既菀妆恢参镂?。在存儲過剩電能的同時(shí)，制造出生物型甲烷。
[0097]在二氧化碳和甲烷的混合氣體中，關(guān)于其生物型來源的證明
[0098]二氧化碳和甲烷屬于最終產(chǎn)品，其來源(生物或者化石)需要在技術(shù)文件或者財(cái)務(wù)報(bào)告中說明，例如“生物型甲烷”。如果用樹木按照本項(xiàng)發(fā)明設(shè)計(jì)的工藝制造所述氣體(甲烷和二氧化碳)，則應(yīng)當(dāng)將其描述為“生物型XX (氣體名稱)”。
[0099]可以通過放射學(xué)中已有的“碳同位素放射法”(C14方法)來測定:所使用的生物型原材料以及由此制造的生物型甲烷，通過同位素測定在C14同位素部分方面具有相同的起始值。而化石類碳元素中不包含C14同位素。對于二氧化碳的來源，所述方法也同樣適用?？梢园凑毡环Q為“洛比法(Lobby) ”的放射性計(jì)數(shù)管法則”對氣體進(jìn)行測量。
[0100]在利用煤炭和(過剩的)電能生產(chǎn)混合型甲烷時(shí)的電化學(xué)模擬計(jì)算
[0101]按照化學(xué)反應(yīng)式3(電解水)開始生產(chǎn)。假定電解時(shí)的能量效率為80%，那么每生產(chǎn)一立方米的氫氣需要4.2千瓦的電能。按照化學(xué)反應(yīng)式2，合成氣體中還需要2摩爾的氫氣，用于與一氧化碳反應(yīng)來制造混合型甲烷。因此，從合成氣體中每生產(chǎn)I立方米的混合型甲烷，總共需要大約8.4千瓦的電能。
[0102]在此假定，混合型甲烷中的碳元素，全部來自煤炭。甲烷中的碳元素質(zhì)量比例為75% (甲烷的分子量為16，其中的碳元素的原子量為12)。甲烷的氣態(tài)密度為718克/立方米。因此，通過計(jì)算得知，I立方米的甲烷，其中含有539克的碳元素。通常使用的原煤，其中碳元素度含量為65%至90% (取決于原煤的質(zhì)量)。所以，每立方米的混合甲烷需要580至830克的原煤。
[0103]綜上所述，通過8.4千瓦(過剩的)電能以及580克至830克的(脫水的)原煤，可以生產(chǎn)I立方米的混合型甲烷?；旌闲图淄榈娜紵蹬c天然氣相似。每立方米的混合型甲烷被釋放后，可以提供7.5千瓦的電能(每立方米混合型甲烷的內(nèi)能為11.5千瓦，燃?xì)獍l(fā)電廠的能量使用效率假定為65%.如果原煤的使用量為標(biāo)記在括號中的580克，則混合型甲烷釋放后的能量使用效率為87%。
[0104]合成氣體的釋放/ 一氧化碳?xì)浠磻?yīng)的穩(wěn)定化
[0105]在氣體釋放階段，合成氣體通過在發(fā)電設(shè)施內(nèi)的燃燒被轉(zhuǎn)化為熱能。合成氣體的釋放可以在煤炭發(fā)電設(shè)施或者燃?xì)獍l(fā)電設(shè)施內(nèi)進(jìn)行。根據(jù)對能量的需求量，在燃?xì)獍l(fā)電設(shè)施內(nèi)，在釋放合成氣體的同時(shí)，還可以同時(shí)釋放天然氣。
[0106]氣體釋放階段，能量的存儲過程暫時(shí)停止。按照本項(xiàng)發(fā)明設(shè)計(jì)的工藝中的能量存儲過程和煤炭干餾過程一樣，都屬于一個(gè)化學(xué)流程，其中需要一氧化碳的參與。如果此時(shí)對功率的需求較低，那么最好把一氧化碳?xì)浠M(jìn)而生成甲烷的過程也設(shè)置在這個(gè)階段。
[0107]即使沒有電解水產(chǎn)生的氫氣參與，也能進(jìn)行氣體釋放進(jìn)程。在此過程中，合成氣體中的氫氣會被分離。然后按照化學(xué)反應(yīng)式2，2摩爾被分離出的氫氣，和另外I摩爾的氫氣以及合成氣體中I摩爾的一氧化碳結(jié)合轉(zhuǎn)換為甲烷。在氣體釋放階段，甲烷的制造過程在較低功率下就可進(jìn)行。殘余的一氧化碳或者含有一氧化碳的合成氣體，則應(yīng)當(dāng)按照本項(xiàng)發(fā)明設(shè)計(jì)的工藝釋放到發(fā)電設(shè)施內(nèi)。
[0108].在一氧化碳的氫化過程中，如果未反應(yīng)徹底的一氧化碳?xì)埩粼诩淄橹?，那么這類反應(yīng)混合物應(yīng)該臨時(shí)性地在發(fā)電設(shè)施內(nèi)燃燒掉。在此需要避免一氧化碳被混入到輸氣管道中(作為安全防范措施，可以檢查終極產(chǎn)品甲烷中的一氧化碳含量)。因?yàn)橐谎趸嫉臍浠^程與合成氣體的釋放階段是同時(shí)進(jìn)行的，所以如果產(chǎn)生額外的可燃?xì)?，那么反而是有利的現(xiàn)象。發(fā)電設(shè)施與一氧化碳?xì)浠O(shè)施聯(lián)合在一起，也是一種新的合成工藝。
[0109]電化學(xué)模擬計(jì)算/氣體的回流
[0110]如何按照化學(xué)定律，計(jì)算反應(yīng)物和生成物的質(zhì)量、能量、體積之間的相互關(guān)系，將在下文作詳細(xì)描述。在計(jì)算時(shí)，約定合成氣體是氫氣和二氧化碳的混合物，但是二氧化碳和氫氣的混合比例可以靈活變化，主要取決于原材料的性質(zhì)(例如生物型原料或者煤炭等化石型原料)及其干餾氣化方法。此外，在合成氣體中，允許滲入提前形成的甲烷。
[0111]存儲階段:能量/質(zhì)量/體積
[0112]可存儲電能的基準(zhǔn)容量:1百萬千瓦
[0113]如果要通過電解水制造I立方米的氫氣,大約需要0.8升的純凈水和4.2KW的能量(利用率為80%。)
[0114]按照化學(xué)反應(yīng)式2以及3，將產(chǎn)生2份氫氣(含有合成氣體)以及I份甲烷。
[0115]這就意味著，I立方米的甲烷，需要8.4千瓦/I百萬千瓦，并且需要600-800克的煤炭。
[0116]因此，制造12萬立方米的甲烷，則需要大約85噸的煤炭。
[0117]儲存設(shè)施
[0118]只有從煙塵中分離出的冷凝水，才需要進(jìn)行存儲(在第二運(yùn)行階段存儲)。這就意味著，
[0119]當(dāng)天然氣燃燒時(shí)，會產(chǎn)生0.8x2x120000 = 192000升的純凈水，SP
[0120]192立方米純凈水
[0121]當(dāng)合成氣體燃燒時(shí)，會產(chǎn)生0,8x1x120000 = 96000升的純凈水，SP
[0122]96立方米純凈水
[0123]為輸氣管道配備的第二儲存器，是為所有可以預(yù)見的狀況而準(zhǔn)備的，以確保有足夠的容量。
[0124]氣體的回流
[0125]在燃?xì)獍l(fā)電設(shè)施，12萬立方米的甲烷，當(dāng)能量利用率為65%時(shí)，可以產(chǎn)生大約85萬千瓦的能量。
[0126](假定不使用原煤制造出的I百萬千瓦的能量，能量利用率為)85%
[0127]結(jié)束語
[0128]■煤炭和過剩的能量可用于制造甲烷，這些甲烷可以存儲在輸氣管道中，并且被運(yùn)輸，然后以85%的利用率(氣流和電流的比值)被釋放。
[0129]■在不同的運(yùn)行狀況下，電能將由混合型蓄能發(fā)電廠交替地吸收和存儲或者被排放。
[0130]■混合型甲烷與H-等級的天然氣的質(zhì)量相當(dāng)。
[0131]■ I立方米的混合型甲烷，需要大約700克煤炭以及8千瓦的的過剩電能來生產(chǎn)。
[0132]■已存儲的能量，其回放時(shí)的利用率(每兆瓦電能回放時(shí)還需要提供大約60至80千克的煤炭)大約為85% (該數(shù)值在75%至90%之間浮動，取決于發(fā)電設(shè)施在氣體回流時(shí)的能量利用率)
[0133]■通過添加煤炭，水的電解速度可以提高2倍以上。
[0134]■在使用生物型原材料時(shí)，所有被使用的生物型碳原料，其可被存儲的電能將被轉(zhuǎn)化為生物型甲烷(在生物型燃?xì)庠O(shè)施中，碳元素不僅生成甲烷，還有30%至50%的二氧化碳)。
[0135]被存儲的二氧化碳，可以與氫氣發(fā)生反應(yīng)，生成甲烷。與合成氣體相比，在用二氧化碳制造甲烷時(shí)，需要使用2倍的氫氣。
[0136]下班三個(gè)化學(xué)反應(yīng)式，描述了從煙塵中再生甲烷的機(jī)理:
[0137]A.)甲烷的燃燒 CH4+2 02>C02+2 H20
[0138]B.)水的電解 4 H20>4 H2+2 02
[0139]C.)甲烷的再生 C02+4H2>CH4+2H20
[0140]從化學(xué)反應(yīng)式C)中可以看到，在用二氧化碳再生甲烷的過程中，需要投入4摩爾的氫氣，但是用合成氣體制造甲烷只需要2摩爾的氫氣。相應(yīng)地，上文描述的生產(chǎn)技術(shù)中，其效率(能量利用率)被稱為“電能轉(zhuǎn)換為燃?xì)獾男省?。整體能量利用率大約在35至40%之間(電流轉(zhuǎn)換為氣流)。
[0141]化學(xué)反應(yīng)式A/B/C描述了化工型的蓄能發(fā)電設(shè)施的特征。在其中一個(gè)運(yùn)行階段中，甲烷被釋放和燃燒，從而產(chǎn)生能量(化學(xué)反應(yīng)式A)，然后二氧化碳從煙塵中被分離出，得到存儲。在另一個(gè)運(yùn)行階段，被存儲的過剩電能被用來電解水，從而產(chǎn)生了氫氣(化學(xué)反應(yīng)式B)，然后這些氫氣對被存儲的二氧化碳進(jìn)行氫化反應(yīng)，產(chǎn)生甲烷(化學(xué)反應(yīng)式C)。在化學(xué)反應(yīng)式A和C中生成的水，通過冷凝被分離，然后被用于電解反應(yīng)(化學(xué)反應(yīng)式B)。在電解水(化學(xué)反應(yīng)式B)的過程中，除了氫氣之外，還產(chǎn)生了氧氣，氧氣被存儲后可用于甲烷的燃燒(化學(xué)反應(yīng)式A)，因此不必再吹入空氣。因此，煙塵由二氧化碳和水蒸氣組成，而水蒸氣被冷凝并且分離之后，氣態(tài)二氧化碳可以直接被存儲。當(dāng)然，二氧化碳和水蒸氣也可以作為混合氣體，存儲在一起。
[0142]另外一種蓄能型發(fā)電設(shè)施，其實(shí)就體現(xiàn)在化學(xué)反應(yīng)式B中。按照這一化學(xué)反應(yīng)式，在一個(gè)運(yùn)行階段中，化學(xué)反應(yīng)可以按照化學(xué)反應(yīng)式B從右向左進(jìn)行，即釋放和燃燒氫氣。氫氣燃燒后生成的水，在冷凝之后被收集和存儲。在另一個(gè)運(yùn)行階段中，存儲的冷凝水，用存儲的電能進(jìn)行電解，被分解為氫氣和氧氣，即重新按照從左向右的順序按照化學(xué)反應(yīng)式B進(jìn)行反應(yīng)。此時(shí)產(chǎn)生的氫氣將被存儲，到另一個(gè)運(yùn)行階段中將被釋放和燃燒。此時(shí)產(chǎn)生的氧氣也可以被存儲，可以提供給可燃?xì)獾娜紵?，以取代原先需要吹入的空氣。用純氧燃燒的?yōu)點(diǎn)是，沒有氮?dú)獾母蓴_，不會產(chǎn)生有害的氮氧化物。
[0143]所述發(fā)明的另一項(xiàng)內(nèi)容是，通過電化學(xué)反應(yīng)從煙塵中對甲烷的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重組。需要說明的是，在燃?xì)獍l(fā)電設(shè)施中，電解水的反應(yīng)和二氧化碳的氫化反應(yīng)是結(jié)合在第一運(yùn)行階段中的，此時(shí)天然氣和甲烷被持續(xù)從輸氣管道中導(dǎo)入，氣體在發(fā)電設(shè)施中燃燒會產(chǎn)生電能，這些電能會被輸入到電網(wǎng)中；從煙塵中可以分離出二氧化碳，并且收集和存儲。在第二運(yùn)行階段中，從電網(wǎng)中輸出的電能用于水的電解。而且在水電解時(shí)產(chǎn)生的氫氣，與在第一個(gè)運(yùn)行階段被收集和存儲的二氧化碳發(fā)生氫化反應(yīng)而生成甲烷，并被導(dǎo)入輸氣管中。
[0144]此外，從煙塵中分離的水蒸氣，在第一運(yùn)行階段被冷凝及存儲，并在第二運(yùn)行階段電解時(shí)使用。
[0145]除此之外，在第二運(yùn)行階段電解水的過程中，除了產(chǎn)生氫氣之外，還產(chǎn)生適量的氧氣，這些氧氣被存儲之后，在之后的第一運(yùn)行階段中可以取代空氣為可燃?xì)庵肌Ｈ绻谥蟮倪^程中，純氫氣和純氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)，則煙塵就由純水構(gòu)成，這些純水被儲存后可以直接被用來電解。如果純甲烷和純氧氣發(fā)生反應(yīng)，則煙塵就由水蒸氣和二氧化碳組成，應(yīng)當(dāng)將其分離后再存儲，等待再次使用。
[0146]總之，氫氣或者碳?xì)浠衔锶紵?，從煙塵中提取的冷凝水(例如可以在燃燒型取暖設(shè)施中進(jìn)行)，可以作為電解的原料水。
[0147]通過電解水過程收集并且存儲的氧氣，如果合理利用，歸納而言，具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0148]1.甲烷燃燒時(shí)，如果使用純氧取代空氣助燃，那么燃燒后的煙塵中只含有二氧化碳和水蒸氣。將水蒸氣冷凝并且從煙塵中分離后，那么剩余的煙塵就是純二氧化碳，可以存儲能量。因此在后續(xù)的存儲階段，氧氣的含量可以精確計(jì)算，這些氧氣在后續(xù)存儲階段，對于甲烷的燃燒是必需的。
[0149]2.如上文第I點(diǎn)所說，合成氣體燃燒時(shí)如果使用純氧助燃，那么燃燒后產(chǎn)生的煙塵就只由水蒸氣和二氧化碳組成，二氧化碳從中的分離過程(包括存儲和篩分)，就會變得很簡單。在分離出冷凝水之后，二氧化碳會轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)(例如可以通過高壓讓二氧化碳液化)?？扇?xì)怏w中含有的一氧化碳，在接近100攝氏度的溫度下比二氧化碳沸騰滲透得更深，因此更容易保留在氣相中，回流等待燃燒。在此過程中，以氧化碳在燃燒過程中，會處于循環(huán)周轉(zhuǎn)狀態(tài)，不會被引入大氣環(huán)境中。因此在燃燒合成氣體的時(shí)候，可以允許氣體溫度達(dá)到更高，以滿足熱動力學(xué)的要求，不用避免溫度過高產(chǎn)生更多的一氧化碳，因?yàn)橐谎趸疾粫欧胚M(jìn)大氣。
[0150]3.同樣地，在釋放或者燃燒氫氣的過程中，使用純氧助燃也有優(yōu)點(diǎn):氫氣在純氧中燃燒，產(chǎn)生的煙塵中只有水蒸氣，水蒸氣存儲后，在之后整個(gè)工藝的存儲階段直接可以用于電解反應(yīng)。純凈的氫氣以及純凈的氧氣，就和純水電解后生成的純陽和純氫氣一樣。由于氫氣和氧氣的混合氣體具有較高的能量密度，因此可以讓水蒸氣成為氣體燃燒時(shí)監(jiān)控溫度的媒質(zhì)。在此過程中，水蒸氣的渦流可以直接設(shè)定在可燃?xì)怏w的渦流的后面?；旌险魵獾膲簭?qiáng)降低之后，都會回流到氣體燃燒室中，但是其中只有水蒸氣才會被冷凝，之后的電解反應(yīng)正好需要這種冷凝水。
[0151]4.在上文描述的三種應(yīng)用情況中，純氧氣取代了空氣作為助燃?xì)怏w，和用空氣作為助燃?xì)怏w時(shí)相比，因?yàn)闆]有了氮?dú)獾膮⑴c，所以反應(yīng)之后就不會產(chǎn)生有害的氮氧化物。
[0152]5.為了制造合成氣體，需要進(jìn)行所謂的Oxy干餾(即焦炭或者含碳化合物在輸入氧氣的情況下進(jìn)行的干餾氣化)，此時(shí)，可以使用電解水產(chǎn)生的純氧氣。因?yàn)樵诖诉^程中可以就地取材地制造和使用氧氣，因此在氣體釋放階段，不必再另外存儲氧氣。
[0153]如果合成氣體是從生物型原料提煉，則按照本項(xiàng)發(fā)明設(shè)計(jì)的工藝具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0154]1.當(dāng)從生物型原料中提煉的合成氣體釋放和燃燒時(shí)，構(gòu)成生物型原料的植物，會從大氣中吸收燃燒產(chǎn)生的二氧化碳。這就意味著，在按照本項(xiàng)發(fā)明的設(shè)計(jì)的工藝中，若使用生物型原料，則可以降低二氧化碳在大氣中的含量。
[0155]2.在存儲階段，合成氣體中所有的生物型碳元素將全部會被轉(zhuǎn)換為生物型甲烷。和生物型可燃?xì)庋b置相比，合成氣體產(chǎn)生的甲烷的數(shù)量是其兩倍。
[0156]3.如果生物型原材料和煤炭混合在一起干餾，但是混合比例隨著不同的季節(jié)而變化，那么可以按照已知的“碳同位素放射法”來確定生物型碳元素分別轉(zhuǎn)化為二氧化碳和甲烷的比例。
【權(quán)利要求】
1.一種用于生產(chǎn)和存儲電能的工藝方法，在此工藝流程中，在其中的氣體釋放階段，在一個(gè)發(fā)電設(shè)施中的合成氣體會燃燒，以生成電能；然后在存儲階段，合成氣體以及附加的氫氣反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為甲烷；由此產(chǎn)生的甲烷，會被導(dǎo)入天然氣輸氣管道中，并且存儲在天然氣輸氣管道中；在所述用合成氣體生產(chǎn)甲烷的過程中，必需額外添加的氫氣，可以通過電解水來獲得。
2.如權(quán)利要求1描述的工藝流程，其特征在于:在生產(chǎn)合成氣體的過程中，氣體需要持續(xù)地流通，并且不斷地在氣體釋放階段和存儲階段之間切換。
3.如權(quán)利要求1或2描述的工藝流程，其特征在于:在氣體釋放階段會持續(xù)制造甲烷；為制造甲烷而必需而外添加的氫氣會從合成氣體中分離；被分離出的氫氣與合成氣體中的剩余部分共同反應(yīng)將轉(zhuǎn)換為甲烷；生成的甲烷會被導(dǎo)入天然氣輸氣管道；合成氣體中本身已有的氫氣，會在發(fā)電設(shè)施中燃燒，用于生成電能。
4.如權(quán)利要求1至3描述的工藝流程，其特征在于:在天然氣輸氣管道中存儲的甲烷或者同等熱值的天然氣，會被分離并且在發(fā)電設(shè)施中被再次釋放。
5.如權(quán)利要求1至4描述的工藝流程，其特征在于:可以通過煤炭或者焦炭的干餾和氣化來制造合成氣體。
6.如權(quán)利要求1至5描述的工藝流程，其特征在于:可以通過將生物型原材料進(jìn)行干餾和氣化來制造合成氣體，并且在存儲階段，所有生物型碳元素可以全部轉(zhuǎn)化為甲烷。
7.如權(quán)利要求6描述的工藝流程，其特征在于:如果用生物型原料和化石型碳元素的混合物生產(chǎn)合成氣體。在存儲階段生產(chǎn)出的甲烷中，以及/或者在氣體釋放階段的制造出的二氧化碳中，生物型原料產(chǎn)生的碳元素在碳元素總量的所占比例，可以按照碳同位素方設(shè)法來測定。
8.如權(quán)利要求1至7描述的工藝流程中，其特征在于:在氫氣或者甲烷燃燒后產(chǎn)生的水蒸氣，可以通過冷凝，從反應(yīng)后的煙塵中被分離，分離出的冷凝水可以在之后的電解反應(yīng)中作為原材料。
9.如權(quán)利要求1至8描述的工藝流程中，其特征在于:在氣體釋放階段通過燃燒甲烷或者合成氣體而產(chǎn)生的二氧化碳，會從煙塵中分離，并被存儲。
10.如權(quán)利要求1至9描述的工藝流程，其特征在于:在氣體存儲階段的電解水反應(yīng)中，除了氫氣之外還將產(chǎn)生的氧氣并將被收集和存儲。在之后氣體釋放階段中，可以取代空氣作為助燃?xì)怏w。
11.如權(quán)利要求10描述的工藝流程，其特征在于:只由水蒸氣和二氧化碳組成的煙塵，可共同存儲，或者先把其中的水蒸氣通過冷凝分離，然后存儲余下的二氧化碳。
12.如權(quán)利要求1至11中描述的工藝流程，其特征在于:一氧化碳會出現(xiàn)在煙塵中被燃燒，并在二氧化碳和冷凝水與煙塵分離后，氣態(tài)的一氧化碳會再次回流進(jìn)煙塵中，等待燃Jyti ο
13.一種用于制造和存儲電能的工藝流程，在第一運(yùn)行階段內(nèi)，合成氣體與額外添加的、通過電解水并且利用存儲的電能獲得的氫氣共同反應(yīng)，轉(zhuǎn)換為甲烷；由此產(chǎn)生的甲烷，會被導(dǎo)入并存儲在天然氣輸送管道中；在第二運(yùn)行階段中，被存儲的甲烷或者同等熱值的天然氣，會從天然氣輸氣管道中分離，被回流進(jìn)燃?xì)獍l(fā)電設(shè)施中。
14.如權(quán)利要求13中描述的工藝方法中，其特征在于:第一運(yùn)行階段和第二運(yùn)行階段是指分別處于不同的時(shí)間或者不同的地點(diǎn)單獨(dú)運(yùn)行的兩個(gè)階段。
15.蓄能性發(fā)電廠包括以下設(shè)施: 1)煤炭干餾氣化裝置； 2)發(fā)電設(shè)施； 3)水電解設(shè)施以及均衡調(diào)節(jié)器； 4)一氧化碳的氫化反應(yīng)設(shè)施； 5)與高壓電網(wǎng)相連的變壓器； 6)與天然氣輸氣管道相連的接口
16.如權(quán)利要求15中描述的蓄能型發(fā)電廠，其特征在于:水電解設(shè)施所需的電壓與發(fā)電廠變壓器的輸出電壓一致；變壓器用于高壓電網(wǎng)和水電解設(shè)施以及發(fā)電廠之間的連接；為了達(dá)到水電解所需電壓，全部電解單元被分成若干個(gè)電解模塊，所有模塊串聯(lián)排列具有相同的電壓；并且還有一個(gè)備用的電解模塊，一旦有一個(gè)電解模塊出現(xiàn)故障，備用模塊可以臨時(shí)接通，故障模塊會被切斷電源，立即停止使用。
【文檔編號】C10L3/08GK104334695SQ201380029047
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2013年3月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月10日
【發(fā)明者】卡爾·維爾納·迪特里希 申請人:卡爾·維爾納·迪特里希