CN104837794A - 灵活运用电力的集成系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及集成工厂，其包括电热生产乙炔的工厂，和分离装置，所述分离装置用于从电热生产乙炔的反应混合物中分离乙炔，同时获得至少一种含有氢和/或烃类的气流，所述集成工厂具有将气体引入天然气管网的装置，通过至少一个导管向所述装置供入来自所述分离装置的含有氢和/或烃类的气流。所述集成工厂通过如下方法提供了电力的灵活使用：含有氢和/或烃类的气流从所述分离装置送入天然气管网，并且送入所述天然气管网的气流的量和组成根据电力供应而改变。

Description

灵活运用电力的集成系统和方法
技术领域
本发明涉及灵活运用电力的集成工厂和方法。
背景技术
利用可再生能源，如风能、太阳能和水力发电，对于发电的重要性日益增加。典型地，电能通过长距离的、跨区域和跨国联接的电力供应网络(简称为电力网络)提供给众多用户。由于电能不能在电力网络本身内或在没有额外装置的情况下大量存储，因此必须使供给到电力网络的电能与用户方的电力需求(已知为负荷)相匹配。如大家所知，负荷随时间，特别是根据一天中的时间、一周中的日期以及一年中的时间而波动。传统地，该负荷变化被分为三个范围：基本负荷、中等负荷和峰值负荷，发电机根据其类型适当地在这三个负荷范围内使用。发电量和电力消耗的连续平衡对稳定可靠的电力供应是必要的。可能发生的短期偏差由所谓的正向或反向能量控制或功率控制来平衡。在可再生发电装置的情况下，会产生这样的困难：在诸如风能和太阳能的某些类型的情况下，发电能力并不是在所有时间都具备，也不能以特定的方式控制，而是受到例如当日时间和天气相关的波动的影响，并只在某些情况下可预测，并且一般不与在该特定时刻的能量需求相一致。
在给定时间，波动的可再生能源的发电量和消耗量之间的差异通常必须由其他发电工厂来消除，例如燃气发电厂、燃煤发电厂和核电厂。随着波动的可再生能源正日益扩大并且占据电力供应的比重越来越大，特定时间其输出和消耗量之间的越来越大的波动必须被平衡掉。因此，即使在今天，不仅是燃气发电厂，而且越来越多的烟煤发电厂也在部分负荷下运转或被关闭，以便平衡这些波动。由于发电厂的这类可变操作涉及相当多的额外费用，开发替代措施的研究已经进行了一段时间。作为改变发电厂输出的替代或附加手段，一种方法是适应一位或多位用户所需的功率(例如需求侧管理，智能电网)。另一种方法是在可再生能源发电的高电量输出时存贮部分的能量输出并在低电量输出或高消耗时取回。为此目的，即使在今天，例如抽水蓄能电站也还在使用中。另外，通过水的电解分裂以氢的形式储存电能的概念也正在开发中。
此处所描述的这些措施全部涉及大量的额外成本和效率相关的能量损失。在此背景下，进行越来越多的尝试，寻找平衡由于使用可再生能源(尤其是风能和太阳能)而出现的电力供应和电力消耗之间差异的更佳的可能方式。
从在电弧反应器中制备乙炔的工厂可知，通过电弧的打开或关闭，其可以非常好地适应高度波动的电力供应。然而，这里存在的问题是，在这种情况下，这些工厂只有相对较低水平的利用率，因此，如果该工厂仅在有电力过剩时运转，则相对于该工厂制备的乙炔的年平均量，其投资成本非常高。
基于最大可能的连续使用，至多20％的预计运行时间导致不可接受的漫长的回报时间，从而这些工厂只有在国家干预或采用不寻常的商业模式时才能有收益。这一预计是基于该工厂仅在有来自可再生能源的过剩能量时才运行的假设。
此外，应当说明的是，对于可再生能源在相对长时间内供应低的情况下，必须提供能够确保满足基本需求的发电厂。所必需的发电厂容量的提供作为商业模式必须在经济上可行，或可能由国家提供资助，因为在这种情况下，同样一方面有比较高的固定成本，另一方面有相对较短的运行时间。
传统的发电厂，即基于化石能或生物能载体或核能的发电厂，可以在长时间内有计划地提供电能。然而，出于政治原因，特别是可持续发展和环境保护的原因，使用基于化石能载体或核能的工厂越来越多地被减少，而偏向于基于可再生能源的发电机。但是，这些发电机必须相对于要求进行安装，并且从其自身来讲应该在经济上可操作。从基于可再生能源的装机容量的一定程度的角度，在经济上是更可取的是安装存储容量，而不是进一步增加可再生能源的容量，因此，在存在来自可再生能源的过量电力的时候，可以适当地使用和储存，当电力短缺时，电力可以由能量存储或常规发电厂来提供。如果能耗可方便地变得更加灵活，可以在此推测，显著的电力过剩或短缺的时间将变得更少。对于这些短的时期，尽管必须不顾一切地保障电力供应，但同时尽可能经济地实现这一点。
发明内容
因此，考虑到现有技术，本发明的目的是提供不受常规方法缺点影响的改进的工厂。
尤其是，本发明的目的是发现与现有技术相比可以提高关于电能存储和利用的灵活性的方法。
此外，该工厂应允许灵活操作，以便它能够特别灵活地应对在电力供应和/或需求中的任何改变，以便例如实现经济优势。与此同时，工厂应该可以用于即使在高或低电力供应的相对长的期间内存储或者提供电能。
此外，本发明应该对供应的安全性加以改进。
该工厂与该方法还应该具有尽可能高的效率。此外，根据本发明的方法应该允许采用传统的、仍然可用的基础设施来实现。
此外，该方法应该允许以尽可能少的方法步骤来实现，但它们应该是简单和可重复的。
未明确提及的其他目的可以由下文的描述和权利要求书的总体内容看出。
未明确提及的以及在本文开始部分所讨论的情形下出现的这些和其他目的通过集成工厂来实现，其中，电热生产乙炔的工厂、用于从电热生产乙炔的反应混合物中分离乙炔的分离装置以及用于将气体引入天然气管网的装置被连接，使得含有氢和/或烃类的气流可以从分离装置引入天然气管网中。
相应地，本发明的主题是集成工厂，其包括电热生产乙炔的工厂和用于从电热生产乙炔的反应混合物中分离乙炔并获得至少一种含有氢和/或烃类的气流的分离装置，该集成工厂具有将气体引入天然气管网的装置，含有氢和/或烃类的气流从所述分离装置通过至少一个导管被供入该装置。
本发明的主题也是用于在根据本发明的集成工厂中灵活运用电力的方法，其中含有氢和/或烃类的气流被送入天然气管网，并且送入天然气管网的气流的量和组成根据电力供应而改变。
根据本发明的集成工厂和根据本发明的方法具有特别良好的特性范围，而常规工厂和方法的缺点可以显著地减少。
特别是，已出乎意料地发现，借此可以高利用度地运行电热生产乙炔的工厂，并且在存在电能过剩的时候可经济地使用可再生能源。此外，该工厂允许来自可再生能源(包括风能或太阳能光电)的电力的过剩部分转换成可存储的形式。
此外，在可再生能源的低供应量存在相对较长时期的时候，电能也能够以特别低成本的方式提供。
电热生产乙炔的工厂可以高度动态地运行，并且因此可以可变地适应于电力供应。与此同时，集成工厂甚至可用于在高或低电力供应量相对长的时期内存储或者提供电能。同时，可以实现集成工厂的所有部件出乎意料的长时间运行，使得其可以非常经济地运行。
也可以提供该电热生产乙炔的工厂的可控设计，根据电力供应来执行该控制。
在根据本发明的方法的优选实施方案中，来自可再生能源的电力被用于电热生产乙炔。
此外，该方法可以用相对较少的方法步骤来进行，这些步骤是简单且可重复的。
来自可再生能源的电力使用使本发明的集成工厂能够提供化学衍生物而很少释放二氧化碳，因为得到的乙炔能够以极高转化率转化成许多重要的化学衍生物，并且，与替代原料相比，需要较少的额外能量供给或释放较多的热量。
根据本发明的集成工厂用于电能的方便灵活的利用，“电能”在本文中同义地称为电力。该集成工厂在电力供应高时可以存储电能，特别是在电力供应较低时将电能回供入电力网络。术语“存储”在本文中是指在电力供应高时工厂将电力转化成可存储形式，在本申请中为化学能的能力，而在电力供应较低时，此化学能可以转化为电能。在这种情况下，存储能够以共产物氢气的形式发生，氢气在由甲烷或高级烃类的电热法生产乙炔时不可避免地产生。存储也能够以电热生产乙炔中所得产物的形式发生，形成乙炔时并行地发生吸热转换，例如，两分子甲烷转化成乙烷和氢。在这方面，应当注意：两摩尔甲烷(CH4)具有的能量含量低于例如一摩尔乙烷(C2H6)和一摩尔氢，因此通过甲烷转化为氢和具有两个或以上碳原子的烃能够存储能量。
在用于生产乙炔的传统工厂中，相对大量的能量被消耗于处理产生的二次产物气体，以便可选地以其纯的形式出售。在本工厂中，通过使用副产物气体的能量，这种纯化的进行可以变得容易得多。
根据本发明的集成工厂包括电热生产乙炔的工厂。术语“电热”在本申请中指这样的方法：其中乙炔通过吸热反应以烃类或煤为原料制得，进行反应所需的热量由电力产生。优选地，使用气态的或汽化的烃类，特别优选脂族烃。特别合适的是甲烷、乙烷、丙烷和丁烷，特别是甲烷。在脂族烃电热生产乙炔的过程中，得到作为副产物的氢。
用于电热生产乙炔的合适的工厂是现有技术中已知的，例如Ullmann’sEncyclopaedia of Industrial Chemistry,Volume 1,2012Wiley-VCH VerlagGmbH&Co.KGaA,Weinheim,DOI:10.1002/14356007.a01_097.pub4,pages296-303、DE 1 900 644 A1以及EP 0 133 982 A2。
优选地，该电热生产乙炔的工厂包括电弧反应器。在这种情况下，乙炔的电热生产可以以一步法进行，其中至少一种烃与气流通过电弧。可替代地，电热生产乙炔可以以两步法进行，其中氢穿过电弧，并且在电弧的下游，至少一种烃送入电弧中所产生的氢等离子体。
该电弧反应器优选在0.5-10kWh/Nm3的能量密度下工作，特别地1-5kWh/Nm3，特别是2-3.5kWh/Nm3，能量密度与通过电弧的气体体积相关。
在电弧反应器的反应区中的温度在气流的基础上变化，其中在电弧中心可以高达20,000℃，在外围温度达到大约600℃。在电弧的端部，气体的平均温度优选在1300-3000℃的范围内，特别优选在1500-2600℃的范围内。
在电弧反应器的反应区中原料的停留时间优选在0.01ms到20ms的范围内，特别优选在0.1ms至10ms范围内，尤其优选在1至5ms的范围内。在此之后，淬灭从反应区产生的气体混合物，即非常快速地冷却到低于250℃的温度，以避免热力学不稳定的中间产物乙炔的分解。直接淬灭工艺，例如供给烃类和/或水，或间接的淬灭工艺，例如在可产生蒸汽的热交换器中快速冷却，可以用于淬灭。直接淬灭和间接淬灭也可以彼此组合。
在第一实施方案中，从反应区产生的气体混合物仅用水淬灭。该实施方案的特点是相对较低的投资成本。然而，不利的是：在这种方式中，含在产物气体中的能量的相当大部分没有得到利用，或仅以低效能值利用。
在优选的实施方案中，从反应区产生的气体混合物与含烃气体或含烃液体混合，至少一些烃类被吸热裂化。取决于如何进行处理，由此制备或大或小范围的产物，例如不仅有乙炔和氢，还有乙烷、丙烷、乙烯和其它低级烃类的馏分。这允许产生的热量被传递以供进一步的更大程度的使用，例如烃类的吸热裂化。
例如，降低温度到150-300℃后，分离固体成分，特别是碳颗粒；依照原料而定，可能不仅包含乙炔和氢，还包含其他物质(例如乙烯、乙烷、高级烃、一氧化碳和挥发性硫化合物(如H2S和CS2)的气体混合物被传递以供进一步处理来获得乙炔。
生产乙炔的电热工厂的能耗取决于生产乙炔的计划能力(plannedcapacity)。在大多数其他化学品生产技术的情况下，具体的投资成本(与安装生产能力相关的投资成本)随着工厂规模的扩大而降低。生产乙炔的传统工厂规模在年产乙炔几万吨至几十万吨(基于充分利用)的范围。根据文献批露，用于生产乙炔的反应部分中特定的能量需求的范围为每吨乙炔大约9-12MWh电，这取决于所用的原料。包括对于处理的电能的要求，这给出乙炔工厂的绝对能量需求。理想的生产能力通常由多个电弧反应器并联排列来实现，其可以一起或单独控制。
根据本发明的集成工厂还包括分离装置，其用于从电热生产乙炔的反应混合物中分离乙炔，同时得到至少一种含有氢和/或烃类的气流，以及用于将气体引入天然气管网的装置，通过至少一个导管将至少一种含有氢和/或烃类的气流从分离装置引入到该装置。
在分离装置中，乙炔与氢和其它烃类分离。在这种情况下，乙炔可从气体混合物中通过选择性吸收到溶剂中而分离。合适的溶剂是：例如水、甲醇、N-甲基吡咯烷酮或它们的混合物。从该气体混合物中分离乙炔的合适方法是现有技术中已知的，例如Ullmann’s Encyclopaedia of IndustrialChemistry,Volume 1,2012Wiley-VCH Verlag GmbH&Co.KGaA,Weinheim,DOI:10.1002/14356007.a01_097.pub4,pages 291-293,299和300、DE 31 50340 A1和WO 2007/096271 A1。
与乙炔分离的含有氢和烃类的混合物可以直接供给到用于将气体引入天然气管网的装置。可替代地，氢可以从和乙炔已分离的混合物中分离，并且氢或由此得到的含烃气体被送入用于将气体引入天然气管网的装置。类似地，氢和含烃气体也可以通过单独的导管从用于从电热生产乙炔的反应混合物中分离乙炔的分离装置送到用于将气体引入天然气管网的装置。在这种情况下，氢和烃类的分离也可以不完全地发生，不完全分离对于工厂的操作没有不利影响，因此，与例如根据现有技术的电热生产乙炔的工厂所进行的完全分离相比，用于分离的设备和耗能支出可以减少。
用于将气体引入天然气管网的装置不受任何特别的限制。所有能够用于将氢、烷烃和烯烃以气态形式单独或混合地引入天然气管网的装置都适用。
在优选的实施方案中，用于将气体引入天然气管网的装置包括至少一个氢的储罐。储罐的类型并不关键，所以加压罐、液化气储罐、具有可吸附气体的固体的储罐或化学储罐可用于此目的，在化学储罐中氢通过可逆的化学反应储存。优选储罐的容量尺寸为容纳由电热生产乙炔的工厂在2小时内满负荷产生的氢气量，特别优选在12小时内所产生的量，最特别优选在48小时内所产生的量。使用相对较大的氢储罐允许氢气在延长的时间周期内送入天然气管网，允许维持管网运营商规定的天然气管网中的最大氢含量。连接到天然气管网的多个终端装置只能在比较窄的范围(所谓的Wobbe指数)内进行安全操作，而扩大这个范围则需要对终端装置进行复杂的附加安装。Wobbe指数描述天然气的燃烧特性。氢气供入天然气通常导致Wobbe指数的降低。DVGW的工作表G260中的技术规范规定了Wobbe指数的下限。取决于天然气的组成，即使仅有几个体积百分比的氢被送入天然气管网时就可以达到这些限制。
用于将气体引入天然气管网的装置优选包括至少一个含烃气体的储罐。加压罐、液化气储罐、其中烃被吸收在溶剂中的储罐或其中烃被吸附在固体中的储罐可被用作储罐。优选储罐的容量尺寸为容纳由电热生产乙炔的工厂在2小时内满负荷产生的气态烃量，特别优选在12小时内所产生的量，最特别优选在48小时内所产生的量。
用于将气体引入天然气管网的装置优选包括用于将气体混合的装置。优选地，用于将气体混合的装置配置成使得被引入到天然气管网的气体的Wobbe指数、热值或者密度或这些气体特性的组合可以设定。特别优选地，用于将气体混合的装置包括用于确定混合气体的Wobbe指数、热值或密度的测量装置，通过该装置，气体混合物可以被控制。特别优选，用于混合气体的该装置连接到氢的储罐，在另一个优选实施方案中，另外还连接到含烃气体的储罐。
在优选的实施方案中，用于将气体引入天然气管网的装置包括甲烷化反应器，用于使氢与二氧化碳或一氧化碳反应得到甲烷。在另一个优选的实施方案中，用于将气体引入天然气管网的装置包括费-托反应器(Fischer-Tropsch reactor)，用于使氢和一氧化碳进行反应得到烃。在类似的优选实施方案中，用于将气体引入天然气管网的装置包括氢化反应器，用于使氢与不饱和烃反应得到饱和烃。合适的甲烷化反应器、费-托反应器和氢化反应器是本领域技术人员从现有技术已知的。所有这三个实施方案提供了氢向密度、单位体积热值和Wobbe指数比氢更高的产物的转化。如果产生具有至少2个碳原子的烃，其密度、单位体积热值和Wobbe指数甚至高于天然气的。与这样的烃类一起，氢能够以相对大的比例被供给到天然气管网而不超过实践准则所规定的密度、热值和Wobbe指数下限。
根据本发明的集成工厂优选另外包括用于发电的工厂，通过导管将至少一种含有氢和/或烃类的气流从分离装置向其送入。适合在本文中用作发电厂的是所有可用于从该气流中产生电能的工厂。优选地，使用具有高效率的发电厂。
在优选的实施方案中，该发电厂包括燃料电池。在本实施方案中，优选向发电厂送入基本上由氢组成的气流。
在进一步优选的实施方案中，发电厂包括具有涡轮机的发电厂。特别优选该工厂包含能够用氢和/或含烃气体来操作的燃气涡轮机。最优选使用的是可以用组成改变的氢和含烃气体的混合物来操作的燃气涡轮机。
优选地，具有涡轮机的发电厂是燃气-蒸汽涡轮发电厂，也被称为联合循环燃气-蒸汽发电厂。在这些发电厂中，燃气涡轮机发电厂和蒸汽发电厂的原理相结合。在本文中，燃气涡轮机等通常作为下游废热锅炉的热源，其反过来又充当蒸汽涡轮机的蒸汽发生器。
除了从分离装置送入的气流之外，其他物质也可以供应给该发电厂，例如用于燃料电池操作的额外的氢，或者用于涡轮机操作或蒸汽发生器加热的其它燃料。
发电厂的功率输出可根据电热生产乙炔的工厂的生产能力来选择。优选地，选择发电厂的输出使得满负荷电热生产乙炔的工厂的功率要求可完全由该发电厂满足。在这种情况下，电功率输出与乙炔生产能力的比值优选的范围为每吨/小时乙炔2-20MW电，特别优选每吨/小时乙炔5-15MW电。在这种情况下，功率可以由单个装置或多个装置的组合来实现，其中组合的组(池)可以通过共同的控制系统来实现。电热生产乙炔的工厂的电能也可以取自电力网络。同样地，发电厂的规模设定使得在电热生产乙炔的工厂之外，还可以给其他电力用户供电，或者对于电热生产乙炔工厂的要求来说过剩的电能被供入到电力网络。
在根据本发明的集成工厂的特别优选的实施方案中，电热生产乙炔的工厂包括蒸汽发生器，其用电热过程的废热产生蒸汽；发电厂包括由蒸汽发电的装置；并且该集成工厂包括蒸汽导管，用其将在蒸汽发生器中产生的蒸汽供给到蒸汽发电的装置。优选地，在电弧反应器中得到的反应气体的间接淬灭用作蒸汽发生器。由蒸汽发电的装置优选是蒸汽涡轮机或蒸汽马达，特别优选蒸汽涡轮机。最优选蒸汽涡轮机是燃气-蒸汽涡轮机发电厂的一部分。本实施方案中，制备乙炔的工厂产生的废热可用于发电，则操作由蒸汽发电的装置的燃料需求可以减小。
在优选的实施方案中，根据本发明的集成工厂还包括乙炔储罐。该储罐使得即使在电热生产乙炔的工厂只有少量或根本没有乙炔产生的低电力供应时，也能够继续进行将乙炔连续地转化成其他产物的下游反应。优选通过将其溶解在溶剂中来储存乙炔，特别优选在将乙炔从电热生产乙炔的反应混合物中分离时用于吸收乙炔的溶剂。
在另外的优选实施方案中，根据本发明的集成工厂被连接到天气预报单元。与天气预报单元的连接使得能够调整工厂的操作，从而一方面在电力供应低且因此电力价格高的时候能够使用廉价的过剩电力，并且可能从发电厂提供电力；另一方面，总是能够为下游消耗乙炔的工厂的连续运行提供足够的乙炔。因此，取决于天气预报的结果，例如，有可能乙炔的储罐达到高或低的填充水平。此外，可以准备进一步处理乙炔的工厂并设置经修改的操作模式。例如，当电力相对长期地短缺时，该系统的这些部分可设置为低减的生产能力，从而能够避免由于缺乏乙炔造成的操作中断。
另外，该集成工厂可以连接到用于产生消费预测的单元，其中优选该单元具有数据存储器，其包括历史消费的数据。历史消费的数据可以包括例如日变化、周变化、年变化以及电力需求和/或发电方面的其他变化。对消费预测的数据也可考虑特别的变化，例如主要用户的获得或损失。另外或作为替代，该数据存储器还可以包含电价变化的历史数据。
根据本发明的用于灵活用电的方法是在根据本发明的集成工厂中进行的，含有氢和/或烃类的气流从将气体引入天然气管网的装置送入天然气管网。在这种情况下，操作集成工厂，使得送入天然气管网的气流的量和/或组成依电力供给而改变。如此，通过生成或改变送入天然气管网的气体，人们可以调整以化学能的形式存储在天然气管网中电能的量。
电力供应可以表现为电力过剩和电力短缺这两种形式。如果在某个时刻，来自可再生能源的电力供应比此时的电力总消费量还多，则获得电力过剩。如果波动的可再生能源提供大量的电能也获得电力的过剩，而发电厂缩减或关闭导致成本较高。如果来自可再生能源的可用电力相对少，出现电力缺口，不得不运行低效发电厂或者涉及成本高的发电厂。本文描述的电力过剩和电力短缺的情况可能以各种方式变得明显。例如，电力交易中的价格可能是各种情况的指标，电力过剩导致电价降低，电力短缺导致更高的电价。但是，电力过剩或电力短缺也可能在对电价没有任何直接的影响下存在。例如，如果风电场的经营者产生的电力比其预测和出售的更多，电力过剩也可以存在。类推地，如果经营者产生的电力比预测的少，则存在电力短缺。根据本发明，电力过剩和电力短缺的术语涵盖所有这些情况。
在根据本发明的灵活运用电力的方法的第一实施方案中，在根据本发明的集成工厂中，电热生产乙炔的工厂依赖电力供应进行操作，至少一种含有氢和/或烃类的气流从分离装置供送到将气体引入天然气管网的装置，含有氢和/或烃类的气流从将气体引入天然气管网的装置送入天然气管网。
在第一实施方案中，电热生产乙炔的工厂优选包括多个并联布置的电弧反应器，并且根据电力供应，所有、只有一些或者没有电弧反应器被操作。优选地，为此目的，电弧反应器在恒定、优化的反应条件下操作，仅仅通过关闭或启动电弧反应器来进行工厂操作对电力供应的适配。在替代的优选实施方案中，个别电弧反应器或所有电弧反应器的操作都具有可变的生产量，以及相应可变的电力消耗。
在根据本发明的灵活用电方法的第二实施方案中，根据本发明的集成工厂包括发电厂，含有氢和/或烃类的气流通过导管从分离装置输送到该发电厂，从分离装置输送到将气体引入天然气管网的装置的气体量与从分离装置输送到发电厂的气体量的比率根据电力供应而改变，并且含有氢和/或烃类的气流从将气体引入天然气管网的装置引入天然气管网。
优选地，在本实施方案中，改变这些量的比率，使得在电力供应量高的时候，更大比例的气体被送入天然气管网。特别优选地，当电力供应适度时，来自分离装置的气体完全或大部分(特别是80％以上)被供送到发电厂，并且当电力供应量高的时候，发电厂停产，来自分离装置的气体全部或大部分(特别是80％以上)供给到天然气管网中。
根据本发明的本方法的第二实施方案使得电热生产乙炔的工厂在电力供应量高和电力供应适度的时候都可能一致地操作，使得该工厂具有高利用水平。在电力供应量高的时候，集成工厂中发电量的减少以及将气体引入天然气管网使得额外利用电能，并以化学能的形式有效地储存在天然气管网中。
在根据本发明的灵活用电方法的第三实施方案中，在根据本发明的集成工厂中，电热生产乙炔的工厂包括电弧反应器，从电弧反应器中产生的气体混合物与含烃气体或含烃液体混合以便冷却，该气体和/或该液体的类型和/或量依电力供应而改变，至少一种含有氢和/或烃类的气流从在分离装置中的由此得到的反应混合物中分离出来，并供给到将气体引入天然气管网的装置，含有氢和/或烃类的气流从将气体引入天然气管网的装置送入天然气管网。
优选地，在此实施方案中，当电力供应较高时，从电弧反应器产生的气体混合物与更大量的含烃气体或液体混合，或者气体和/或液体的类型被改变，使得从电弧反应器产生的气体混合物中更大部分的热能用于气体和/或液体的组分的吸热裂化。例如，从Ullmann’s Encyclopaedia of IndustrialChemistry,Volume 1,2012Wiley-VCH Verlag GmbH&Co.KGaA,Weinheim,DOI:10.1002/14356007.a01_097.pub4,pages 296to 303中，本领域技术人员已知用于吸热裂化的热能比例是如何受到含烃气体或液体的组成的改变的影响。
由吸热裂化得到的烃可以被完全供给到将气体引入天然气管网的装置。可替代地，只有一部分可以被供送到将气体引入天然气管网的装置，其余的作为生产乙炔的原料供给到电热生产乙炔的工厂。
上文描述的根据本发明的方法的第一和第二实施方案的特征也可以彼此组合使用。然后，优选地，当电力供应低时，电热生产乙炔的工厂依赖电力供应来操作，当电力供应高时，从分离装置供给到将气体引入天然气管网的装置的气体量与从分离装置输送到发电厂的气体量的比率被改变。特别优选地，根据本发明的方法包括如下步骤：
(a)设置供电的第一阈值和第二阈值，
(b)确定电力供应，
(c)如果电力供应超过第一阈值，根据电力供应改变从分离装置输送到发电厂的气体比例和发电厂的电功率输出，如果电力供应低于第二阈值，根据电力供应改变电热生产乙炔的工厂的输出，以及
(d)重复步骤(b)和(c)。
优选地，阈值的设定取决于乙炔储罐在特定时间的填充水平，或者取决于对消耗量发展和后面数小时乙炔生成的预测。例如，如果乙炔储罐的填充水平下降到较低的值，电热生产乙炔的工厂输出要减少到阈值之下的这个阈值被设定为更低的值。
电力供应可以通过电力生产者和/或电力用户的协议直接确定，或者通过交易平台和/或OTC方法和相关联的电力价格间接确定。在优选实施方案中，电力供应是通过风能和/或太阳能的电力生产者的协议确定的。在进一步优选的实施方案中，电力供应是通过交易平台的电价确定的。
如果电力供应是通过风能和/或太阳能的电力生产者的协议确定的，优选地，当超过第一阈值时，发电厂的电功率输出根据电力的剩余改变；当未达到第二阈值时，电热生产乙炔的工厂的输出根据电力的短缺而改变。
如果电力供应是通过交易平台的电价确定的，优选地，当超过第一阈值时，发电厂的电功率输出改变到预设的更低值；当未达到第二阈值时，电热生产乙炔的工厂的输出改变到预设的更低值。
当电力供应适度时，电热生产乙炔的工厂和发电厂的联合操作出乎意料地允许两个工厂实现长操作时间，从而实现工厂的高盈利能力。
类似地，第二和第三实施方案的特征也可以彼此组合。用于此目的特别有利的是集成工厂，其中电热生产乙炔的工厂包括蒸汽发生器，通过蒸汽发生器从电热过程的废热产生蒸汽，并且发电厂包括被该蒸汽驱动的蒸汽涡轮机。通过改变用于冷却从电弧反应器产生的气体混合物的气体和/或液体的种类和/或含量，可以调整哪部分源自电热生产乙炔的热量直接用于蒸汽涡轮机发电，以及哪部分热量以吸热裂化产物的化学能的形式存储在天然气管网中。
最后，也可以组合使用第一和第三实施方案的特征或所有三个实施方案的特征。
在根据本发明的方法的优选实施方案中，将气体引入天然气管网的装置包括氢储罐，氢从该储罐引入到天然气管道，引入的氢量根据天然气管道中的气流来设定，使得天然气管道中气体的Wobbe指数、热值或密度或这些气体特性的组合保持在预定的限度之内。氢的引入可通过引入将要引入到天然气管网的气体后测量在天然气管道中的这些气体特性来控制。
类似地，将气体引入天然气管网的装置还可包括储存氢和含烃气体的气体混合物的储罐，气体混合物可从该储罐引入天然气管道，引入的气体混合物的量根据天然气管道中的气流来设定，使得天然气管道中的气体的Wobbe指数、热值或密度或这些气体特性的组合保持在预定的限度之内。
在根据本发明的方法的进一步优选的实施方案中，将气体引入天然气管网的装置包括分别的氢和含烃气体储罐，以及连接到这些储罐并用于混合气体的装置。在用于将气体混合的装置中，氢和含烃气体混合，气体量的比率的设定使得所得的气体混合物的Wobbe指数、热值或密度或这些气体特性的组合保持在预定的限度之内。优选地，已经从用于从电热生产乙炔的反应混合物中分离乙炔的分离装置中分离出的具有两个以上碳原子的烃，特别是乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷和/或丁烯，用作含烃气体。然后，设定气体特性后的气体混合物送入天然气管网。优选地，所得的气体混合物的Wobbe指数被设置为使得供给到天然气管网的气体的Wobbe指数与天然气管网中的气体的Wobbe指数的比率是在从0.9:1至1:0.9的范围，特别是在从0.95:1至1:0.95的范围。
另外的气体，如氧气、氮气和优选空气，也可以在实践可适用规范所设定的范围内额外地进行混合，用于降低Wobbe指数或设置其他的特征变量到气体管道操作者所规定的值。
在根据本发明的方法的另一个优选实施方案中，将气体引入天然气管网的装置包括甲烷化反应器，用于使氢与二氧化碳或一氧化碳反应得到甲烷，其中含有氢的气流从分离装置送入甲烷化反应器，在甲烷化反应器中产生的甲烷被送入天然气管网。氢转化成甲烷能够避免对于将氢送入天然气管网的限制，并且还允许在天然气管道低气流量点把该气体供入天然气管网。
在根据本发明的方法的额外的优选实施方案中，用于将气体引入天然气管网的装置包括费-托反应器，用于使氢和一氧化碳反应得到烃，其中含有氢的气流从分离装置送入费-托反应器，费-托反应器中产生的气态烃类送入天然气管网。本实施方案可以特别有利地用于从煤电热生产乙炔和随后气化焦炭为合成气，其在EP 0133982 A2中描述。这样获得的合成气可以与电热生产乙炔中形成的氢气一起作为原料供至费-托反应器。
在根据本发明的方法的另一个优选实施方案中，将气体引入天然气管网的装置包括氢化反应器，其中含不饱和烃类的气流从分离装置送入该氢化反应器，在氢化反应器中产生的饱和烃送入天然气管网。在电弧反应器中进行电热生产乙炔时，本实施方案可特别有利地使用，从电弧反应器产生的气体混合物与含烃气体或含烃液体混合以便冷却，通过裂化形成不饱和的烃，含有氢与不饱和烃类的气流从所得气体混合物中分离，这种气流被送入氢化反应器。通过氢化该气流中的不饱和烃类，气流的氢含量可以减小而不会显著损失能量，可以得到更适合于送入天然气管网的气体混合物。
优选地，在根据本发明的方法的情况下，电热生产乙炔的工厂从燃气发电厂获得电力，燃气发电厂根据电力供应而用来自天然气管网的气体操作。在本实施方案中，根据本发明的方法优选包括如下步骤：
(a)设置电力供应的第一阈值和第二阈值，
(b)确定电力供应，
(c)如果电力供应超过第一阈值，根据电力供应改变燃气发电厂的电功率输出，如果电力供应低于第二阈值，根据电力供应改变电热生产乙炔的工厂的输出，以及
(d)重复步骤(b)和(c)。
优选地，阈值的设定取决于乙炔储罐的当前填充水平，或者取决于对其后数小时消耗量发展和乙炔制备的预测。例如，如果乙炔储罐的填充水平下降到较低的值，电热生产乙炔的工厂输出减少到低于阈值的这个阈值被设定为较低的值。
电力供应可以通过电力生产者和/或电力用户的协议直接确定，或者通过交易平台和/或OTC方法和相关联的电力价格间接确定。在优选的实施方案中，电力供应是通过风能和/或太阳能的电力生产者的协议确定的。在进一步优选的实施方案中，电力供应是通过交易平台上的电价确定的。
对于本发明方法的该实施方案，从其开始发生发电厂的输出减少的第一阈值的绝对水平并不重要，而且可以在经济标准的基础上进行设置。这同样适用于第二预定值，低于第二预定值时发生电热生产乙炔工厂的输出的降低。优选地，选择第一阈值和第二阈值是相同的。
优选地，当电力供应高时，用于生产乙炔的电能至少部分地源自可再生能源，特别优选来自风能和/或太阳能。但是，应该指出的是，根据德国的当前立法，即使没有特定时间的任何需求，已经从可再生能源获得的电力可以被供送到电力网络，并且必须为其支付。因此，传统方法产生的电力有时可能构成“过剩”，因为将电厂降到低输出比以低于成本的价格出售电力时电厂生产者的利润更少。本发明的方法可以经济地使用从常规工厂的继续操作中获得的这种过剩电能，特别是存储起来。
优选地，使用天气预报的数据预先计算电力供应。随后在预先计算出的电力供应的基础上，适宜地选择电力供应的上述阈值，使得在预测期内可以生产计划数量的乙炔。
根据本发明的方法的其他优选的实施方案可以从上文对根据本发明的集成工厂的描述中看出。
本发明的集成工厂和方法适用于以非常经济的、节约资源的方式生产乙炔。乙炔可以转化成许多有价值的中间产物，同时以这种方式有可能出乎意料地实现二氧化碳排放量的减少。
这种出乎意料的减少基于若干协同作用因子。这些因子包括：来自可再生能源的电力可用于生产乙炔，允许乙炔的生产非常灵活地适应于电力供应。此外，氢能够以非常高的电效率获得，并且可用于产生电能，而不释放二氧化碳。此外，在生产有价值的衍生物时往往释放热量。该废热通常可以用于满足在此过程中的其它部分的热需求(例如，在蒸馏分离处理的情况下)。在另一方面，如果烃类的氧化是产生过程热必需的，二氧化碳的排放量相应降低。在乙炔的情况下，其比焓比替代性地用于合成同样的终产物的其他常规烃，例如乙烯或丙烯的情况下更高。因此，更多的废热通常可以在转化中产生并用于其他应用。
此外，还可以提供的是生成的乙炔用于制备丙酮、丁二醇或分子量为至少30克/摩尔的不饱和化合物。分子量为至少30克/摩尔的不饱和化合物特别包括乙烯基醚，优选甲基乙烯基醚或乙基乙烯基醚；乙烯基卤化物，优选氯乙烯；丙烯腈；不饱和醇，优选烯丙醇、炔丙醇、丁炔二醇和/或丁烯二醇；乙烯基乙炔；丙烯酸和丙烯酸酯；乙烯醇的酯，优选乙酸乙烯酯；丁二烯和丁烯。
所制得的乙炔还可以选择性地氢化成乙烯。
下文在图1的基础上通过举例说明本发明的优选实施方案。
图1示意性示出了根据本发明的集成工厂的结构，其包括电热生产乙炔的工厂1、用于从电热生产乙炔的反应混合物3中分离乙炔的分离装置2和将气体引入天然气管网5的装置4。
在电热生产乙炔的工厂1中，乙炔是从通过导管或输送元件14送入的含烃原料制得的。天然气和低级烃，特别是C2-C4烃，适合作为含烃原料。然而，可替代地，煤也可以用作原料，其挥发性成分被转化成乙炔。经由电力线15从电力网络16获取用于电热生产乙炔的电力。优选在电弧反应器(未示出)中进行乙炔的电热生产。
电热生产乙炔所获得的反应混合物3被送入分离装置2，在其中乙炔从反应混合物中分离，并通过导管17作为产物得到。在乙炔分离中，氢和非乙炔的烃类与诸如炭黑和含硫化合物的其他组分分开。氢和非乙炔的烃可以在分离装置中以含有氢和烃类的气流的形式而获得。然而，优选地，进行氢和烃类的部分或完全分离，富氢气流通过导管6、富烃气流通过导管7分别供给到将气体引入天然气管网的装置4。
含有氢和/或烃类的气体通过连接导管18从将气体引入天然气管网的装置4引入到天然气管网5。在图1所示的优选实施方案中，将气体引入天然气管网的装置4还包括氢的储罐8、含烃气体的储罐9以及用于混合气体的装置10，通过装置10可以混合氢、含烃气体和可能的其他气体，以使具有专门设定的组成的气流可以经由连接导管18引入天然气管网5。
在图1所示的实施方案中，该集成工厂还包括发电厂11，含有氢和/或烃类的气流从分离装置2经由导管12供给到该厂。在发电厂11中，以这些气体为原料发电。这可以通过燃烧方法发生，优选在燃气-蒸汽发电厂中，其中电力由燃气和蒸汽涡轮机产生。然而，可替代地，燃料电池也可用于从氢和/或含烃气体发电。在发电厂11中产生的电力可以经由电力线19和15输送到电热生产乙炔的工厂1并用于电热生产乙炔。然而，在发电厂11产生的电力也可以替代性地供送到电力网络16，特别是在电热生产乙炔的工厂1停产的时候，或者在工厂1消耗的电力比在发电厂11产生的电力少的时候。
作为含有氢和/或烃类的气流从分离装置2经由导管12供给的替代，氢/或烃类也可以由将气体引入天然气管网的装置4的储罐8和/或9供给到发电厂11。发电厂11也可以经由未在图1中示出的装置供给其他燃料。
在图1中所示的实施方案中，集成工厂还包括在电热生产乙炔的工厂1中的蒸汽发生器(未示出)、发电厂11中的蒸汽涡轮机(未示出)以及用于将蒸汽发生器中产生的蒸汽供给到蒸汽涡轮机的蒸汽导管13。
附图标号列表：
1：电热生产乙炔的工厂
2：分离乙炔的分离装置
3：电热生产乙炔的反应混合物
4：将气体引入天然气管网的装置
5：天然气管网
6：含氢气流的导管
7：含烃气流的导管
8：氢的储罐
9：含烃气体的储罐
10：用于混合气体的装置
11：发电厂
12：含有氢和/或烃类气流的导管
13：蒸汽导管
14：含烃原料的导管或输送元件
15：电力线
16：电网
17：乙炔导管
18：进入天然气管网的连接导管
19：电力线

Claims (25)

1.集成工厂，其包括电热生产乙炔的工厂(1)和分离装置(2)，所述分离装置(2)用于从电热生产乙炔的反应混合物(3)中分离乙炔，同时得到至少一种含氢和/或烃类的气流，其特征在于，所述集成工厂具有将气体引入天然气管网(5)的装置(4)，通过至少一个导管(6,7)向所述装置(4)供入来自所述分离装置(2)的含有氢和/或烃类的气流。
2.如权利要求1所述的集成工厂，其特征在于，将气体引入天然气管网的装置(4)包括至少一个氢的储罐(8)。
3.如权利要求1或2所述的集成工厂，其特征在于，将气体引入天然气管网的装置(4)包括至少一个含烃气体的储罐(9)。
4.如前述权利要求中任一项所述的集成工厂，其特征在于，将气体引入天然气管网的装置(4)包括用于将气体混合的装置(10)。
5.如前述权利要求中任一项所述的集成工厂，其特征在于，将气体引入天然气管网的装置(4)包括使氢与二氧化碳或一氧化碳反应以得到甲烷的甲烷化反应器。
6.如前述权利要求中任一项所述的集成工厂，其特征在于，将气体引入天然气管网的装置(4)包括使氢和一氧化碳反应以得到烃类的费-托反应器。
7.如前述权利要求中任一项所述的集成工厂，其特征在于，将气体引入天然气管网的装置(4)包括使氢与不饱和烃类反应以得到饱和烃类的氢化反应器。
8.如前述权利要求中任一项所述的集成工厂，其特征在于，额外包括发电厂(11)，来自分离装置(2)的至少一种含有氢和/或烃类的气流经由导管(12)供给到所述发电厂(11)。
9.如权利要求8所述的集成工厂，其特征在于，所述电热生产乙炔的工厂(1)包括蒸汽发生器，利用所述蒸汽发生器从电热过程的废热制得蒸汽，发电厂(11)包括用蒸汽发电的装置，并且所述集成工厂包括蒸汽导管(13)，通过蒸汽导管(13)将所述蒸汽发生器制得的蒸汽送入所述用蒸汽发电的装置。
10.如权利要求8或9所述的集成工厂，其特征在于，所述发电厂(11)是燃气-蒸汽涡轮机发电厂。
11.如前述权利要求中任一项所述的集成工厂，其特征在于，将其连接到天气预报单元。
12.如前述权利要求中任一项所述的集成工厂，其特征在于，所述电热生产乙炔的工厂(1)包括电弧反应器。
13.灵活利用电力的方法，其特征在于，在如权利要求1至12中任一项所述的集成工厂中进行乙炔的电热生产，从所述将气体引入天然气管网的装置将含有氢和/或烃类的气流送入天然气管网，并且送入所述天然气管网的气流的量和/或组成依电力供应而改变。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，在如权利要求1至12中任一项所述的集成工厂中，电热生产乙炔的工厂(1)依电力供应而操作，至少一种含有氢和/或烃类的气流从所述分离装置(2)供入至所述将气体引入天然气管网的装置(4)，并且含有氢和/或烃类的气流从所述将气体引入天然气管网的装置(4)被供入至天然气管网(5)中。
15.如权利要求13或14所述的方法，其特征在于，在如权利要求8至12中任一项所述的集成工厂中进行乙炔的电热生产，从所述分离装置(2)输送到所述将气体引入天然气管网的装置(4)的气体量与从所述分离装置(2)输送到所述发电厂(11)的气体量的比率根据电力供应而改变，并且含有氢和/或烃类的气流从所述将气体引入天然气管网的装置(4)被供入至天然气管网(5)。
16.如权利要求13至15中任一项所述的方法，其特征在于，在如权利要求12所述的集成工厂中，乙炔的电热生产在电弧反应器中进行，从所述电弧反应器产生的气体混合物与含烃气体或含烃液体混合以便冷却，所述气体和/或所述液体的类型和/或数量根据电力供应而改变，在所述分离装置(2)中至少一种含有氢和/或烃类的气流从由此得到的反应混合物中分离，并送入所述将气体引入天然气管网的装置(4)，并且含有氢和/或烃类的气流从所述将气体引入天然气管网的装置(4)送入天然气管网(5)。
17.如权利要求13至16中任一项所述的方法，其特征在于，所述将气体引入天然气管网的装置(4)包括氢的储罐(8)，并且氢从所述储罐引入天然气管道，引入的氢量根据天然气管道中的气流来设定，使得所述天然气管道中气体的Wobbe指数、热值或密度或这些气体特性的组合保持在预定的限度之内。
18.如权利要求13至16中任一项所述的方法，其特征在于，所述将气体引入天然气管网的装置(4)包括分别用于氢和含烃气体的储罐(8,9)以及和这些储罐连接的以将气体混合的装置(10)，在用于将气体混合的装置(10)中，混合氢与含烃气体，设定两者含量的比率，使得所得气体混合物的Wobbe指数、热值或密度或这些气体特性的组合保持在预定的限度之内。
19.如权利要求13至16中任一项所述的方法，其特征在于，所述将气体引入天然气管网的装置(4)包括使氢与二氧化碳反应得到甲烷的甲烷化反应器，含氢气流从所述分离装置(2)被供至甲烷化反应器，并且在所述甲烷化反应器中制得的甲烷被供至所述天然气管网(5)。
20.如权利要求13至16中任一项所述的方法，其特征在于，所述将气体引入天然气管网的装置(4)包括使氢和一氧化碳反应得到烃类的费-托反应器，含氢气流从所述分离装置(2)被供至所述费-托反应器，并且在所述费-托反应器中制得的气态烃类被供至所述天然气管网(5)。
21.如权利要求13至20中任一项所述的方法，其特征在于，所述将气体引入天然气管网的装置(4)包括氢化反应器，含不饱和烃类的气流从所述分离装置(2)被供至所述氢化反应器，并且所述氢化反应器中制得的饱和烃类被供至所述天然气管网(5)。
22.如权利要求13至21中任一项所述的方法，其特征在于，根据天气预报数据，提前计算电力供应。
23.如权利要求13至22中任一项所述的方法，其特征在于，电热生产乙炔的工厂(1)从燃气发电厂获取电力，所述燃气发电厂根据电力供应利用来自所述天然气管网(5)的气体来操作。
24.如权利要求23所述的方法，其包括如下步骤：
(a)设置电力供应的第一阈值和第二阈值，
(b)确定电力供应，
(c)如果电力供应超过所述第一阈值，根据电力供应改变燃气发电厂的电力输出，如果电力供应低于所述第二阈值，根据电力供应改变电热生产乙炔的工厂(1)的输出，以及
(d)重复步骤(b)和(c)。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述第一阈值和所述第二阈值是相同的。
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