利用煤炭和電力作用生產和存儲甲烷的方法、及裝置制造方法及圖紙

在引入可再生能源的過程中，最大的困擾問題是風電能和太陽能不可避免會產生過?，F象，以及交替出現供電缺口，而發電設備的電能儲存能力有限。本發明專利技術描述了電能的生產和存儲的詳細過程，在此過程中，包括氣體的滲透階段和電能的存儲階段，發電廠內的合成氣體在滲透階段內通過燃燒而產生電能，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生甲烷。由此產生的甲烷會被導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，則通過電解水產生。所述合成氣體應當優先通過干餾焦炭或者原煤產生。所述制造甲烷的過程，無論是從煤炭還是過剩的風能或者太陽能，都不會對氣候造成破壞。所產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能和太陽能。電能將被輸電系統吸收，由煤炭額外產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，并且被輸送到燃氣發電廠。

Method and device for producing and storing methane by utilizing coal and electricity

In the process of introducing renewable energy sources, the biggest problem is that wind power and solar energy will inevitably lead to excess phenomena, as well as alternating power supply gap, while the energy storage capacity of power generation equipment is limited. The invention describes in detail the process of production and storage of electric energy, in this process, including gas infiltration and electric energy storage phase, synthesis gas power plant to generate electricity by burning and penetration in the stage, in the storage stage, electricity, gas and synthetic extra added hydrogen. Methane production. The resulting methane will be introduced and stored in natural gas pipelines, and hydrogen necessary for the production of methane from the syngas will be produced by electrolysis of water. The synthetic gas shall be produced preferentially through dry distillation of coke or raw coal. The process of making methane, whether from coal or excess wind or solar energy, does not cause damage to the climate. The methane produced belongs to mixed methane, in which the carbon comes from fossil fuels, while hydrogen comes from wind and solar energy. The electric energy will be absorbed by the transmission system, and the additional methane produced by the coal will have the characteristics of natural gas and will be stored in the gas pipeline. Methane stored in the storage phase, or natural gas with the same calorific value, may be absorbed again by the gas pipeline in subsequent infiltration stages and transported to the gas power plant.

【技術實現步驟摘要】
利用煤炭和電力作用生產和存儲甲烷的方法、及裝置本申請為以申請日為2013年3月12日、申請號為201380029047.4、名稱為“水力發電站”的專利技術專利為母案進行的分案申請。在天然能利用過程中，最大的問題是因為自然條件而產生了過剩的風能和太陽能。目前業內已達成共識，僅僅通過電力手段不能找到相應的解決辦法。作為出路，多余的電能可以用來電解水來制造氫氣。氫氣可以被導入進天然氣中，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問題：氫氣和天然氣的基本物理特征和燃燒特性區別明顯。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。波動的風能和太陽能在電解作用下，也會產生波動的氫氣流，并且當氫氣流被引入天然氣之后，就會產生波動的混合氣流。這種類型的氫氣和天然氣的混合氣體，其存儲、運輸以及使用方法，在已經公布的專利《DE102010020762A1》(可再生能源的運輸和穩定)以及專利《DE102010031777A1》(氫氣在天然氣容器中的存儲)。此外，在所述專利中，對于如何穩定可再生能源，也描述了一個通用的方法。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。還有另外一種方法輸送氫氣，即通過化學方法將氫氣和二氧化碳合成為甲烷。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。有許多項目都和這個課題有關。這里所說的二氧化碳，可以從火力發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，由于缺少大眾的認可，因此前景如何，還是個未知數。從經濟性角度看，為了運用過剩的可再生能源，可以選用傳統的碳化學反應，即煤炭和水(碳元素以及水道德摩爾比為1:1之間的反應，按照化學反應式1)，在高壓和高溫下，產生一氧化碳和氫氣。氫氣和一氧化碳以相同摩爾比構成的混合氣體，在下文簡稱為“合成氣體”。然后再通過風能和太陽能按照化學反應式3進行電解水，從而制造氫氣，并且按照兩倍的摩爾比，將電解水而產生的氫氣導流進“合成氣體”中。接著按照以化學家“薩巴捷”命名的化學反應，制造甲烷和水，兩者的摩爾比為1:1(參見化學反應式2)?；瘜W反應式1.)C+H2O＝CO+H2化學反應式2.)(CO+H2)+2H2＝CH4+H2O化學反應式3.)2H2O＝2H2+O2上文描述的方法，通過煤炭以及過剩的風能和太陽能生產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能和太陽能。在化學平衡中，供電網釋放電能，并且通過添加煤炭產生甲烷，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。按照所述化學反應式1至3產生的含有混合甲烷的合成氣體，被輸送到蓄能發電設施之后，將進行滲透和燃燒(即按照化學反應式4進行燃燒反應)。合成氣體和天然氣混合后通過燃燒反應(按照化學反應式5)，會產生重要的合成效應?；瘜W反應式4.)CO+H2+O2＝CO2+H2O化學反應式5.)CH4+2O2＝CO2+2H2O下文還將多次提及上面描述過的化學反應式1至5，這五個化學反應式分別被縮寫為Rk.l至Rk.5。除了煤炭之外，其它含有碳元素的化合物(優先選擇來自于植物)也可用來生產所述合成氣體。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過反應后可以產生氫氣和一氧化碳。由于一氧化碳含有毒性，在通過電解水生產含有一氧化碳的合成氣體的同時，必須嚴格按照化學反應式2規定的數量(按照劑量對稱的原理)生產。為了保護人員的安全，即使按照化學反應式1和2生產，也必須避免生產或聚積過多量的一氧化碳。所述專利技術的主要內容，在于利用碳元素以及來自于供電網絡的過剩電能，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，最終產生氫氣和一氧化碳的混合氣體。這類混合氣體就是通過轉化煤炭或者含碳化合物與水蒸氣混合，并按照化學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入天然氣輸送管道中。為了避免一氧化碳被導入氣體輸送管道，需要注意的是，所有一氧化碳必須徹底轉化為混合型甲烷，或者混合型甲烷中分解出的一氧化碳，在被導入輸氣管道之前，必須被充分燃燒。建議在將混合型甲烷導入輸氣管道之前，對其中未徹底反應掉的一氧化碳的含量進行檢測。一氧化碳徹底地轉化為混合型甲烷，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。按照現行標準，被導入天然氣輸氣管的甲烷，其中的氫氣含量最大允許比例5％(今后計劃許可至10％).因此，所述專利技術還包含一項內容，即被導入進輸氣管道的混合型甲烷，可以含有最高10％的氫氣。按照本項專利技術設計的工藝，供電網絡中過剩的風能或者太陽能，可以得到較大程度的吸收，并且在添加煤炭之后，可以轉化為甲烷，并導入進供電網絡中。本項專利技術的前提是，不僅要求設備具有較高的容量，而且要求與供電和輸氣管道相連。對于設備，已經考慮到了必要的容量。此外，在電路系統中，設備應當與高電壓網絡相連，在氣路系統中，設備必須與高氣壓網絡(遠程供氣網絡)相連。為了滿足這一要求，除了相關的輸送管道之外，還需要額外投資變壓器以及氣體壓縮機。但是，在按照本相專利技術設計的工藝中，如果設備和燃氣發電機相連，那么所述額外的投資就可以節省。在燃氣發電設施內，設備可以連接到高壓輸電網絡上，也可以和天然氣輸氣網絡相連。渦流中的電能在轉換為高壓之后，會被導入進高壓輸電網絡中。此外，電能也可以從高壓網絡中降為低壓，以供電解反應需要。本項專利“蓄能發電設施將煤炭(碳)元素轉換為甲烷”，包含以下諸項設備，在各項設備中，則發生了后面各自括號內標注的化學反應。1.發電設施/燃氣發電設施(可選化學反應式4以及/或者5)2.煤炭干餾設備，以及合成氣體的生產設備。(化學反應式1)3.電解設備，用于將電能轉換為氫氣(化學反應式3)4.氫化設備，用于氫化一氧化碳，使其轉化為氫化甲烷(化學反應式2)5.高壓輸電網的接口，并且配有變壓器。6.天然氣輸氣網絡的接口。在使用所述設備時，在不同的、交替出現的運行階段，會遇到能量運用方面兩個最大的挑戰：如何充分利用過剩的能量，以及在供電電能不穩定的情況下，如何讓供電網絡的電流保持穩定。●在一種運行階段(在專利中稱為第一階段)，使用燃氣發電設施(1)，從而當風能和太陽能等自然原因導致供電缺口時，可以彌補這一缺口，或者可以讓供電網絡穩定?；旌闲图淄榛蛘吲c其熱值等效的天然氣或者合成氣體，從輸氣網絡(6)中被送出或者溢出，電能通過變壓器被輸進供電網絡(5)中。設備中的部件2至4，不處于運行狀態?！裨诹硪环N運行階段(在專利中成為第二階段)，供電網絡5中釋放出(過剩的)電能，并且在3中被轉化為氫氣。按照本項專利技術，在2中從煤炭等原材料生產的合成氣體，與氫氣在4中共同反應形成氫化甲烷。電流從供電網絡(5)中被釋放出，氫化甲烷被導入進天然氣管道(6)中。設備1(發電設施)此時不處于運行狀態。通過本階段，混合型甲烷可以將過剩的電能結合煤炭的燃燒值，以天然氣或者同等燃燒值氣體的形式，存儲在輸氣管道中，在需要時釋放到發電設施。這樣就可以定義出蓄能型發本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種利用煤炭和電力作用生產和存儲甲烷的方法，其特征在于，煤碳被氣化生成合成氣體，合成氣體包括一氧化碳，所述一氧化碳與附加的氫反應生成甲烷，所述附加的氫為通過供電網絡獲取的電能對水進行電解產生的氫；生成的甲烷被送入并存儲于天然氣輸氣管道中，并在天然氣輸氣管道中傳輸。

【技術特征摘要】
2012.04.10 DE 1020120071361;2012.04.24 DE 102012001.一種利用煤炭和電力作用生產和存儲甲烷的方法，其特征在于，煤碳被氣化生成合成氣體，合成氣體包括一氧化碳，所述一氧化碳與附加的氫反應生成甲烷，所述附加的氫為通過供電網絡獲取的電能對水進行電解產生的氫；生成的甲烷被送入并存儲于天然氣輸氣管道中，并在天然氣輸氣管道中傳輸。2.根據權利要求1所述的利用煤炭和電力作用生產和存儲甲烷的方法，其特征在于，被存儲的甲烷或同等熱值的天然氣從天然氣輸氣管道中被提取出來，并在甲烷合成之處重新轉換為電能，基于電解利用的電能來說，所述甲烷重新轉換為電能的利用率為75-90％。3.根據權利要求1所述的利用煤炭和電力作用生產和存儲甲烷的方法，其特征在于，二氧化碳從天然氣燃燒產生的煙塵中分離并存儲，存儲的二氧化碳與電解產生的氫重新反應形成甲烷，形成的甲烷被送回到天然氣輸氣管道中。4.根據權利要求1所述的利用煤炭和電力作用生產和存儲甲烷的方法，其特征在于，煤炭在隔離空氣的條件下被焦化形成焦炭，焦炭隨后被氣化形成合成氣體，氫從煤炭焦化得到的焦炭爐氣體中分離，分離的氫被加入形成的合成氣體中，然后合成氣體再與電解產生的額外的氫反應，生成甲烷。5.根據權利要求1所述的利用煤炭和電力作用生產和存儲甲烷的方法，其特征在于，生成的甲烷被分配到儲能電站和燃氣發電站，從煤炭中產生的合成氣體既用于與被存儲的電能生產甲烷，也用于在電廠燃燒室燃燒以產生電能。6.根據權利要求1所述的利用煤炭和電力作用生產和存儲甲烷的方...

【專利技術屬性】
技術研發人員：卡爾·維爾納·迪特里希，
申請(專利權)人：卡爾·維爾納·迪特里希，
類型：發明
國別省市：德國,DE