CN106160240A - 一种储存和释放电能的系统和工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于甲烷化反应的储存和释放电能的系统和工艺，该系统以及工艺所采用的系统均包括含碳氧化合物净化系统、造气系统、甲烷化系统、甲烷化系统的蒸汽取热系统、产品分离系统、产品储存系统和燃气发电系统。与现有技术相比，通过本发明的系统和工艺可以实现将过剩电能先以替代天然气的形式储存起来，当用电高峰来临时，将替代天然气通过燃气发电系统产生电能，达到现有电网的调峰和提高电能利用效率的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种储存和释放电能的系统和工艺。
背景技术
当前，70％以上的碳排放来自煤炭的燃烧，然后由多到少依次来自石油、天然气、水泥等行业，这不仅带来了全球的温室效应和极端天气频发问题，而且还浪费了大量的资源。另外，由于上网的瓶颈，我国风能、太阳能严重制约着风电、太阳能行业的发展，同时水力发电项目在丰水期发电量充足，但由于耗电总量在一定时期内较为固定，造成了丰水期电能大量损失以及设备、线网的损耗。碳排放引起的日益严重的环境、资源的循环利用以及提高能源利用效率等问题都促使人们去寻求解决这些问题的方法。
不完全统计，我国目前风电累计装机容量达91412.89MW，2013年我国弃风电量超过150亿千瓦时，经济损失大约为75亿元。我国优质风电资源集中区的所在地电力消纳能力不足，而且远离用电负荷中心。电网规划和建设与新能源发展衔接不够已成为制约风电发展的瓶颈。
在太阳能发电方面，2013年我国太阳能光伏发电装机容量1600万kW，全年发电量达80亿千瓦时，而同期国内太阳能实际需求量约45-60亿千瓦时；到2015年，中国太阳能光伏安装容量将达到3500万kW，到时太阳能发电无法并网所产生的弃电问题将更加突出。
在水力发电方面，我国水电总装机超过2.8亿kW，2013年水电新增装机近3000万kW。在丰水期发电量充足，由于消纳量在一定时期内较为固定，造成了丰水期电能大量损失以及设备、线网的损耗。
目前储能技术可分为物理储能、化学储能、电磁储能及相变储能4大类。最成熟、最普遍的储能方式是物理储能中的抽水蓄能，但是它的应用受地质等条件的限制，远不能满足电力发展；而物理储能中的压缩空气蓄能的一大缺陷在于效率较低。化学储能中的蓄电池储电能力小、寿命短，能量密度低，致使其实现大型电站储能受到限制，而电解水、氢气储存电能的方式受到氢气储存和运输难度大等缺陷的限制。
为此，人们更多地从其它方面关注大规模储能。中国专利CN102170138公开了一种基于电-铝-氢循环系统的大规模储能方法。中国专利CN104371780A公开了一种风、光弃电和工业有机废水用于煤制天然气的系统和方法。
如何实现过剩电能的大规模储存以及电能的连续、稳定输出，同时解决工业尾气的治理、循环利用问题，一直是本领域技术人员试图解决的难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种储存和释放电能的系统和工艺，通过该系统和工艺可以实现将过剩电能先以替代天然气的形式储存起来，当用电高峰来临时，将替代天然气通过燃气发电系统产生电能，达到现有电网的调峰和提高电能利用效率的目的。
为了实现上述目的，本发明提供一种储存和释放电能的系统，其特征在于，该系统包括含碳氧化合物净化系统、造气系统、甲烷化系统、甲烷化系统的蒸汽取热系统、产品分离系统、产品储存系统和燃气发电系统；所述含碳氧化合物净化系统的含碳氧化合物出口以及所述造气系统的氢气出口均与所述甲烷化系统的反应物入口连通；所述甲烷化系统的产品出口与所述产品分离系统的产品入口连通；所述蒸汽取热系统的蒸汽出口与蒸汽轮发电机的蒸汽入口连通，所述蒸汽轮发电机与所述造气系统、所述含碳氧化合物净化系统之间电力连接；所述产品分离系统的工艺冷凝液出口与所述造气系统的净水装置入口连通，且与所述蒸汽取热系统的蒸汽入口连通；所述产品分离系统的产品出口与所述产品储存系统的产品入口连通，所述产品储存系统的产品出口与所述燃气发电系统的燃气入口连通；所述产品储存系统设置有将产品送入天然气管网的天然气管网出口；所述燃气发电系统的废气出口与所述含碳氧化合物净化系统的含碳氧化合物入口连通。
优选地，根据本发明的系统，其特征在于，所述含碳氧化合物净化系统包括依次串联的含碳氧化合物气体压缩机、水解反应器、精脱硫反应器和脱氧、脱硝反应器。
优选地，根据本发明的系统，其特征在于，所述造气系统还包括交直流整流装置、锰盐溶液电解槽、锰稀酸反应装置、氢气储罐以及氢气压缩机；所述锰盐溶液电解槽的金属锰出口与所述锰稀酸反应装置的金属锰入口连通，所述锰盐溶液电解槽的锰盐溶液入口与所述锰稀酸反应装置的锰盐溶液出口连通；所述锰稀酸反应装置的氢气出口与氢气储罐氢气入口连通；所述氢气储罐的氢气出口与所述氢气压缩机的氢气入口连通；所述氢气压缩机的氢气出口为所述造气系统的氢气出口；所述交直流整流装置设置有电流入口和电流出口，所述电流出口与所述锰盐溶液电解槽的电流输入端连通；所述净水装置的出口与所述锰盐溶液电解槽的入水口连通。
优选地，根据本发明的系统，其特征在于，所述甲烷化系统包括串联和/或并联的2-4台甲烷化反应器。
优选地，根据本发明的系统，其特征在于，所述甲烷化系统包括串并联连接的1#甲烷化反应器和2#甲烷化反应器。
优选地，根据本发明的系统，其特征在于，所述甲烷化反应器为具有高传热性能的热管固定床反应器和/或具有导流锥移热的径向床反应器。
优选地，根据本发明的系统，其特征在于，所述甲烷化系统的蒸汽取热系统包括汽包、中压废锅和蒸汽过热器。
本发明还提供一种储存和释放电能的工艺，该工艺包括：a、将所需储存的电能送入造气系统进行电解锰盐溶液-锰金属-锰稀酸的造气过程，得到氢气；将含有含碳氧化合物的工业尾气送入含碳氧化合物净化系统进行净化处理，得到含有含碳氧化合物的净化气；b、将步骤a中所得的氢气和净化气一起送入甲烷化系统进行甲烷化反应，得到产品和热量；c、将步骤b中所得产品送入产品分离系统进行分离，得到替代天然气和工艺冷凝液；将步骤b中所得的热量用甲烷化系统的蒸汽取热系统取走，蒸汽取热系统所产生的蒸汽送入蒸汽轮发电机发电；d、将步骤c中所得的替代天然气送入产品储存系统；将步骤c中所得的工艺冷凝液分别送入造气系统的净水装置和蒸汽取热系统；将步骤c中蒸汽轮发电机所发的电送入造气系统获取氢气，剩余所发的电送入含碳氧化合物气体压缩机压缩气体；e、用电低谷时，将步骤d所述产品储存系统中的替代天然气送入天然气管网；用电高峰时，将替代天然气送入燃气发电系统发电，得到电力和废气；f、将步骤e中所得废气送入含碳氧化合物净化系统进行净化处理。
优选地，根据本发明的工艺，其中，所述所需储存的电能为选自风能发电、太阳能发电、火电、水电、核电和潮汐发电中的至少一种。
优选地，根据本发明的工艺，其中，所述含碳氧化合物为M值为2.8-3.2的一氧化碳和/或二氧化碳；所述M值为造气系统所得氢气的体积与含碳氧化合物中二氧化碳的体积之差同含碳氧化合物体积的比值。
优选地，根据本发明的工艺，其中，所述净化处理依次包括水解、脱硫、脱氧和脱硝处理。
优选地，根据本发明的工艺，其中，所述含碳氧化合物的净化气中硫含量为15-200ppb，氮含量为20-1000ppm，氧含量为200-1500ppm。
优选地，根据本发明的工艺，其中，步骤a中所述造气过程包括：将所需储存的电能，经交直流整流装置整流，送入含锰盐溶液电解槽进行电解，得到金属锰；将所述金属锰送入锰稀酸反应装置与稀酸进行反应，得到氢气和锰盐溶液；将锰盐溶液返回到锰盐溶液电解槽。
优选地，根据本发明的工艺，其中，步骤b中所述甲烷化反应包括：将步骤a中所得的部分氢气和净化气送入1#甲烷化反应器进行甲烷化反应，得到的产品气与另一部分氢气和净化气一起送入2#甲烷化反应器进行甲烷化反应。
优选地，根据本发明的工艺，其中，所述甲烷化系统的甲烷化反应器的进口温度为220-320℃，出口温度为450-710℃，反应压力为0.8-6.5兆帕。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
第一，将难以储存和并网困难的风、太阳能所产生的电能以及其它过剩电能通过电解锰盐溶液以及锰与稀酸反应得到氢气；获得的氢气与净化后含碳氧化合物工业尾气进行甲烷化反应，得到满足管输或者加压制LNG的替代天然气；不仅解决了过剩电能的大规模储存问题，还解决工业企业尾气的处理和资源的综合、循环利用问题；
第二，产品多样性，该系统同时具有储能、发电的功能；由于含碳氧化合物与氢气的甲烷化反应是一个强放热反应，蒸汽经过蒸汽过热器后进一步提高了蒸汽的温度，可以驱动汽轮机发电，获得的电能供电解锰盐溶液、氢气压缩机以及含碳氧化物压缩机使用，做功后废汽经凝汽器、循环水泵等送回锅炉循环使用，提高了储能效率；
第三，利用电解锰盐溶液-锰金属-锰稀酸反应的方法转化电能，用水量较少，可根据市场需求调整锰的配比。在锰金属供应充足的情况下，将锰全部参与稀酸反应制氢气；在锰金属供应不足的情况下，获得的金属锰除了用于与稀酸反应生产氢气外，高纯度的锰金属，还可以广泛应用于电子工业、冶金工业和航空航天工业，在一定程度上缓解电解锰的供求关系；
第四，甲烷化反应中会有大量的水生成，工艺冷凝水部分返回工艺管线，从而大幅度减少了外界供水量，提高了资源循环利用效率；
第五，运行稳定，具有良好的调峰效果；将风、太阳能产生的不稳定、不连续电能以及其他过剩电能通过电-替代天然气-燃气发电系统的联合生产，以替代天然气为储能载体，可以实现灵活调整产品结构；当夜晚或是冬天用电低谷期间，可以将过剩电能转化为替代天气；当白天或者是夏天用电高峰时，可以将存储的替代天然气用于发电，从而实现电网调峰发电的目的；
第六，环境友好，实现资源的循环利用；含碳原料来源于工业尾气和燃气发电系统排出的尾气，不但解决了工业尾气污染排放问题，还实现了资源的综合、循环利用问题。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1包括本发明储存和释放电能系统的一种具体实施方式所提供的储存和释放电能系统的示意图，同时也包括本发明储存和释放电能工艺的一种具体实施方式所提供的储存和释放电能工艺的示意图；
图2包括本发明储存和释放电能系统的另一种具体实施方式所提供的储存和释放电能系统的示意图，同时也包括本发明储存和释放电能工艺的另一种具体实施方式所提供的储存和释放电能工艺的示意图。
附图标记说明
20 1#原料加热器 21 锰盐溶液电解槽 22 冷却器
23 锅炉给水加热器 24 2#原料加热器 25 1#中压废锅
26 蒸汽过热器 27 汽包 28 1#甲烷化反应器 29 2#甲烷化反应器
30 脱氧、脱硝反应器 31 精脱硫反应器 32 水解反应器
33 产品分离器 34 氢气压缩机 35 蒸汽轮发电机
36 含碳氧化合物气体压缩机 37 2#中压废锅 38 3#甲烷化反应器
39 4#甲烷化反应器 40 净水装置 41 交直流整流装置 42 锰稀酸反应装置
43 燃气发电机 44 调节阀 45 天然气储罐 46 氢气储罐
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供一种储存和释放电能的系统，其特征在于，该系统包括含碳氧化合物净化系统、造气系统、甲烷化系统、甲烷化系统的蒸汽取热系统、产品分离系统、产品储存系统和燃气发电系统；所述含碳氧化合物净化系统的含碳氧化合物出口以及所述造气系统的氢气出口均与所述甲烷化系统的反应物入口连通；所述甲烷化系统的产品出口与所述产品分离系统的产品入口连通；所述蒸汽取热系统的蒸汽出口与蒸汽轮发电机35的蒸汽入口连通，所述蒸汽轮发电机35与所述造气系统、所述含碳氧化合物净化系统之间电力连接；所述产品分离系统的工艺冷凝液出口与所述造气系统的净水装置40入口连通，且与所述蒸汽取热系统的蒸汽入口连通；所述产品分离系统的产品出口与所述产品储存系统的产品入口连通，所述产品储存系统的产品出口与所述燃气发电系统的燃气入口连通；所述产品储存系统设置有将产品送入天然气管网的天然气管网出口；所述燃气发电系统的废气出口与所述含碳氧化合物净化系统的含碳氧化合物入口连通。
根据本发明的系统，所述含碳氧化合物净化系统是本领域技术人员所熟知的，例如，可以包括依次串联的含碳氧化合物气体压缩机36、水解反应器32、精脱硫反应器31和脱氧、脱硝反应器30，也可以包括其它净化装置，本发明并没有限制。
根据本发明的系统，所述造气系统是指可以产生氢气的系统，例如，还可以包括交直流整流装置41、锰盐溶液电解槽21、锰稀酸反应装置42、氢气储罐46以及氢气压缩机34；所述锰盐溶液电解槽21的金属锰出口可以与所述锰稀酸反应装置42的金属锰入口连通，所述锰盐溶液电解槽21的锰盐溶液入口可以与所述锰稀酸反应装置42的锰盐溶液出口连通；所述锰稀酸反应装置42的氢气出口可以与氢气储罐46氢气入口连通；所述氢气储罐46的氢气出口可以与所述氢气压缩机34的氢气入口连通；所述氢气压缩机34的氢气出口可以为所述造气系统的氢气出口；所述交直流整流装置41可以设置有电流入口和电流出口，所述电流出口可以与所述锰盐溶液电解槽21的电流输入端连通；所述净水装置40的出口可以与所述锰盐溶液电解槽21的入水口连通。
根据本发明的系统，所述甲烷化反应器是本领域技术人员所熟知的，是指可以将含碳氧化合物与氢气进行反应生成甲烷的反应器。所述甲烷化系统可以包括串联和/或并联的2-4台甲烷化反应器，优选包括串并联连接的1#甲烷化反应器28和2#甲烷化反应器29，所述串并联是指均将反应气体送入1#甲烷化反应器和2#甲烷化反应器中，并且也将1#甲烷化反应器的产物送入2#甲烷化反应器中。由于甲烷化反应是强放热反应，因此所述甲烷化反应器进一步优选为具有高传热性能的热管固定床反应器和/或具有导流锥移热的径向床反应器。
根据本发明的系统，所述甲烷化系统的蒸汽取热系统是本领域技术人员所熟知的，可以包括汽包27、中压废锅和蒸汽过热器26。所述中压废锅可以用于吸收温度较低的甲烷化反应器所产生的热量；所述蒸汽过热器可以用于吸收温度较高的甲烷化反应器所产生的热量，即1#和/或2#甲烷化反应器所产生的热量。
本发明还提供一种储存和释放电能的工艺，该工艺包括：a、将所需储存的电能送入造气系统进行电解锰盐溶液-锰金属-锰稀酸的造气过程，得到氢气；将含有含碳氧化合物的工业尾气送入含碳氧化合物净化系统进行净化处理，得到含有含碳氧化合物的净化气；b、将步骤a中所得的氢气和净化气一起送入甲烷化系统进行甲烷化反应，得到产品和热量；c、将步骤b中所得产品送入产品分离系统进行分离，得到替代天然气和工艺冷凝液；将步骤b中所得的热量用甲烷化系统的蒸汽取热系统取走，蒸汽取热系统所产生的蒸汽送入蒸汽轮发电机发电；d、将步骤c中所得的替代天然气送入产品储存系统；将步骤c中所得的工艺冷凝液分别送入造气系统的净水装置和蒸汽取热系统；将步骤c中蒸汽轮发电机所发的电送入造气系统获取氢气，剩余所发的电送入含碳氧化合物气体压缩机压缩气体；e、用电低谷时，将步骤d所述产品储存系统中的替代天然气送入天然气管网；用电高峰时，将替代天然气送入燃气发电系统发电，得到电力和废气；f、将步骤e中所得废气送入含碳氧化合物净化系统进行净化处理。
根据本发明的工艺，所述所需储存的电能可以为选自风能发电、太阳能发电、火电、水电、核电和潮汐发电中的至少一种，其中所述的火电、水电、核电和潮汐发电可以为本领域技术人员所熟知的过剩电能。
根据本发明的工艺，所述含碳氧化合物是本领域技术人员所熟知的，是指含有一氧化碳和/或二氧化碳的气体，一般来自工业尾气，优选为M值为2.8-3.2的一氧化碳和/或二氧化碳；所述M值可以为造气系统所得氢气的体积与含碳氧化合物中二氧化碳的体积之差同含碳氧化合物体积的比值，即M＝(V(H2)-V(CO2))/(V(CO+CO2))，因为如果甲烷化反应进行完全，V(H2)：V(CO2)＝4:1，V(H2)：V(CO)＝3:1，而M值为3左右，意味着含碳氧化合物与氢气差不多刚好反应完全。
根据本发明的工艺，所述净化处理是本领域技术人员所熟知的，可以依次包括水解、脱硫、脱氧和脱硝处理，也可以包括其它常规处理，本发明并没有限制。
根据本发明的工艺，为了甲烷化反应的稳定进行，所述含碳氧化合物的净化气中硫含量优选为15-200ppb，氮含量优选为20-1000ppm，氧含量优选为200-1500ppm。
根据本发明的工艺，步骤a中所述造气过程可以包括：将所需储存的电能，经交直流整流装置整流，送入含锰盐溶液电解槽进行电解，得到金属锰；将所述金属锰送入锰稀酸反应装置与稀酸进行反应，得到氢气和锰盐溶液；将锰盐溶液返回到锰盐溶液电解槽。其中，所述稀酸可以为选自稀盐酸、稀硫酸和稀硝酸中的至少一种。
根据本发明的工艺，步骤b中所述甲烷化反应可以包括：将步骤a中所得的部分氢气和净化气送入1#甲烷化反应器进行甲烷化反应，得到的产品气与另一部分氢气和净化气一起送入2#甲烷化反应器进行甲烷化反应。
根据本发明的工艺，所述甲烷化系统的甲烷化反应器的进口温度可以为220-320℃，出口温度可以为450-710℃，反应压力可以为2.8-4.5兆帕。
下面将通过实施例对本发明进行一步地说明，但是本发明并不因此而受到任何限制。
实施例1
如图1所示，将M＝3.0的含CO2、CO工业尾气经过除尘净化处理后，通过含碳氧化合物气体压缩机36加压送入1#原料加热器20，预热后的净化气经过水解反应器32、精脱硫反应器31、脱氧、脱硝反应器30后，得到的净化气硫含量为65ppb，氮含量为150ppm，氧含量270ppm。
将难以储存和并网困难的风电经交直流整流装置41整流后，引入锰盐溶液电解槽21。锰盐溶液电解槽21获得金属锰，析出的金属锰与稀硫酸在锰稀酸反应装置42反应生成大量氢气和锰盐溶液，锰盐溶液返回到电解槽21供电解循环使用，氢气送入氢气储罐46；氢气储罐46中的氢气经过氢气压缩机34后，压力达到3.05MPa。
将含有净化气与氢气的原料气送入设置三台高效传热的径向热管固定床反应器的两级串并联、一台串联甲烷化反应器的甲烷化系统，反应器中装填活性组分为35wt％Ni基催化剂。进入反应器前的原料气与来自3#甲烷化反应器出口的产品气在2#原料加热器24中进行预热，使原料气预热到285℃，压力为3.05MPa。
预热后的原料气分两股，一股进入1#甲烷化反应器28，经反应后从底部离开反应器，产品气经过蒸汽过热器26释放部分热量后，与另一股原料气混合进入2#甲烷化反应器29继续进行甲烷化反应，两个甲烷化反应器的进出口温度分别为285℃、615℃和320℃、580℃，操作压力为3.0MPa。2#甲烷化反应器29出口产品气经过1#中压废锅25后进入3#甲烷化反应器38，3#甲烷化反应器的进口温度为325℃，出口温度为350℃，压力为2.9MPa。
径向热管的甲烷化反应器，由上部换热区和下部甲烷化反应区两个区域构成，两个区域中设置有连通的热管，由于热管具有高效的传热性能，能及时移除甲烷化反应所产生的热量，避免床层飞温使催化剂失活。
锅炉给水经过锅炉给水加热器23预热后，分三股，一股进入1#中压废锅25和2#中压废锅37，产生中压蒸汽后进入汽包27，第二股直接进入汽包，第三股经过净水装置40后进入锰盐溶液电解槽21，补充锰盐溶液电解槽21中的水量。三台甲烷化反应器共用一个汽包27，副产10MPa、350℃左右的高温蒸汽。
获得的蒸汽经过蒸汽过热器26进一步提高蒸汽的温度，驱动蒸汽轮发电机35发电，获得的电能供锰盐溶液电解槽21、氢气压缩机34以及含碳氧化合物气体压缩机36使用，做功后废汽经凝汽器、循环水泵等送回锅炉循环使用。
3#甲烷化反应器38出口产物经过2#中压废锅37后，顺次通过2#原料加热器24、1#原料加热器20、锅炉给水加热器23、冷却器22，最后通过产品分离器33，分离后得到替代天然气，送入天然气储罐45储存或进一步送入天然气管网。
产品分离器33分离出来的工艺冷凝液，一部分经过净化后补充锰盐溶液电解槽21用水，一部分送入工艺管线，多余工艺冷凝液排出供其它工艺用。
当出现用电高峰时，打开天然气储罐的调节阀44，将产生的替代天然气供给燃气发电机43发电，增加电能供给，实现调峰发电，从而实现了过剩电能-替代天然气-燃气发电的循环。另外，燃气发电机排出的尾气主要是CO2，经过相关的净化处理，可以作为甲烷化反应的原料，这样就可以实现温室气体CO2近零排放。
实施例2
如图2所示，实施例2与实施例1基本相同，不同之处在于：1)使用四台具有导流锥移热的径向床反应器代替热管反应器；2)1#甲烷化反应器出口设置蒸汽过热器26；3)2#和3#甲烷化反应器出口分别设置中压废锅25、中压废锅37；4)3#和4#甲烷化反应器采用串联的方式连接。具体过程如下：
将难以储存和并网困难的风电、太阳能产生的电能，经交直流整流装置41整流后，引入锰盐溶液电解槽21。锰盐溶液电解槽21获得金属锰，析出的金属锰与稀硫酸在锰稀酸反应装置42反应生成大量氢气和锰盐溶液，锰盐溶液返回到锰盐溶液电解槽21供电解循环使用；氢气同样经过净化、压缩后其压力达到3.35MPa。
将主要含有CO2工业尾气经过除尘净化处理后，通过含碳氧化合物气体压缩机36加压送入1#原料加热器，预热后的净化气经过脱硫、脱硝、脱氧工序后，得到的净化气中硫含量为110ppb，氮含量为85ppm，氧含量310ppm。
将净化后的CO2气体与氢气按V(CO2):V(H2)＝1:4.0进入四级串并联固定床反应器，反应器中装填活性组分为30wt％Ni基催化剂。进入反应器前的原料气与来自4#甲烷化反应器出口的产品气在2#原料加热器中进行换热，使原料气预热到290℃，压力为3.35MPa。混合后的反应原料气分两股进入1#、2#甲烷化反应器，1#甲烷化反应器温度620℃，反应压力3.25MPa，反应器出口设置蒸汽过热器26，换热后的产品气与进入2#甲烷化反应器的原料气混合后进入2#甲烷化反应器，2#甲烷化反应器温度560℃，反应压力3.25MPa，2#甲烷化反应器设置中压废锅25，回收热量，产生的蒸汽压力230℃、3.5MPa；换热后的产品气进入3#甲烷化反应器，进行甲烷化反应，3#甲烷化反应器温度480℃，反应压力3.0MPa；3#甲烷化反应器出口产品气进4#甲烷化反应器进行进一步精制，尽可能将未反应的CO2转化为CH4。4#甲烷化反应器出口与产品分离器33相连。将富含CH4的产品气经过进一步的冷却、分水、干燥后得到符合管输要求的替代天然气，得到的CH4体积含量98体％以上。
获得的蒸汽经过蒸汽过热器26进一步提高蒸汽的温度，驱动蒸汽轮发电机35发电，获得的电能供锰盐溶液电解槽21、氢气压缩机34以及含碳氧化合物气体压缩机36使用，做功后废汽经凝汽器、循环水泵等送回锅炉循环使用。
锅炉给水先经过锅炉给水加热器23预热后，分三股，第一股进入1#中压废锅25，第二股进入2#中压废锅37，产生中压蒸汽进汽包27，第三股经过净水装置40后进入锰盐溶液电解槽21，补充锰盐溶液电解槽中的水量。2#、3#甲烷化反应器共用一个汽包，副产9.5MPa、340℃的高温蒸汽。
4#甲烷化反应器出口产物顺次通过2#原料加热器24、1#原料加热器20、锅炉给水加热器23、冷却器22，最后通过产品分离器33，分离后得到替代天然气，送入天然气储罐45储存或进一步送入天然气管网。
产品分离器33分离出来的工艺冷凝液，一部分经过净化后补充锰盐溶液电解槽21用水，一部分送入工艺管线，多余工艺冷凝液排出供其它工艺用。
当出现用电高峰时，打开天然气储罐的调节阀44，将产生的替代天然气供给燃气发电机43发电，增加电能供给，实现调峰发电，从而实现了过剩电能-替代天然气-燃气发电的循环。另外，燃气发电机排出的尾气主要是CO2，经过相关的净化处理，可以作为甲烷化反应的原料，这样就可以实现温室气体CO2近零排放。
综上所述，基于甲烷化反应的能量储存和释放系统，可以根据气候、季节的变化，以替代天然气为能源载体灵活地调整产品结构，不但能实现储能和调峰发电等功能，还能解决工业尾气污染排放问题，实现资源的综合、循环利用问题。
Claims (15)
1.一种储存和释放电能的系统，其特征在于，
该系统包括含碳氧化合物净化系统、造气系统、甲烷化系统、甲烷化系统的蒸汽取热系统、产品分离系统、产品储存系统和燃气发电系统；
所述含碳氧化合物净化系统的含碳氧化合物出口以及所述造气系统的氢气出口均与所述甲烷化系统的反应物入口连通；
所述甲烷化系统的产品出口与所述产品分离系统的产品入口连通；
所述蒸汽取热系统的蒸汽出口与蒸汽轮发电机(35)的蒸汽入口连通，所述蒸汽轮发电机(35)与所述造气系统、所述含碳氧化合物净化系统之间电力连接；
所述产品分离系统的工艺冷凝液出口与所述造气系统的净水装置(40)入口连通，且与所述蒸汽取热系统的蒸汽入口连通；
所述产品分离系统的产品出口与所述产品储存系统的产品入口连通，所述产品储存系统的产品出口与所述燃气发电系统的燃气入口连通；
所述产品储存系统设置有将产品送入天然气管网的天然气管网出口；所述燃气发电系统的废气出口与所述含碳氧化合物净化系统的含碳氧化合物入口连通。
2.根据权利要求1的系统，其特征在于，所述含碳氧化合物净化系统包括依次串联的含碳氧化合物气体压缩机(36)、水解反应器(32)、精脱硫反应器(31)和脱氧、脱硝反应器(30)。
3.根据权利要求1的系统，其特征在于，
所述造气系统还包括交直流整流装置(41)、锰盐溶液电解槽(21)、锰稀酸反应装置(42)、氢气储罐(46)以及氢气压缩机(34)；
所述锰盐溶液电解槽(21)的金属锰出口与所述锰稀酸反应装置(42)的金属锰入口连通，所述锰盐溶液电解槽(21)的锰盐溶液入口与所述锰稀酸反应装置(42)的锰盐溶液出口连通；所述锰稀酸反应装置(42)的氢气出口与氢气储罐(46)氢气入口连通；所述氢气储罐(46)的氢气出口与所述氢气压缩机(34)的氢气入口连通；
所述氢气压缩机(34)的氢气出口为所述造气系统的氢气出口；
所述交直流整流装置(41)设置有电流入口和电流出口，所述电流出口与所述锰盐溶液电解槽(21)的电流输入端连通；
所述净水装置(40)的出口与所述锰盐溶液电解槽(21)的入水口连通。
4.根据权利要求1的系统，其特征在于，所述甲烷化系统包括串联和/或并联的2-4台甲烷化反应器。
5.根据权利要求1的系统，其特征在于，所述甲烷化系统包括串并联连接的1#甲烷化反应器(28)和2#甲烷化反应器(29)。
6.根据权利要求4或5的系统，其特征在于，所述甲烷化反应器为具有高传热性能的热管固定床反应器和/或具有导流锥移热的径向床反应器。
7.根据权利要求1的系统，其特征在于，所述甲烷化系统的蒸汽取热系统包括汽包(27)、中压废锅和蒸汽过热器(26)。
8.一种储存和释放电能的工艺，该工艺包括：
a、将所需储存的电能送入造气系统进行电解锰盐溶液-锰金属-锰稀酸的造气过程，得到氢气；将含有含碳氧化合物的工业尾气送入含碳氧化合物净化系统进行净化处理，得到含有含碳氧化合物的净化气；
b、将步骤a中所得的氢气和净化气一起送入甲烷化系统进行甲烷化反应，得到产品和热量；
c、将步骤b中所得产品送入产品分离系统进行分离，得到替代天然气和工艺冷凝液；将步骤b中所得的热量用甲烷化系统的蒸汽取热系统取走，蒸汽取热系统所产生的蒸汽送入蒸汽轮发电机发电；
d、将步骤c中所得的替代天然气送入产品储存系统；将步骤c中所得的工艺冷凝液分别送入造气系统的净水装置和蒸汽取热系统；将步骤c中蒸汽轮发电机所发的电送入造气系统获取氢气，剩余所发的电送入含碳氧化合物气体压缩机压缩气体；
e、用电低谷时，将步骤d所述产品储存系统中的替代天然气送入天然气管网；用电高峰时，将替代天然气送入燃气发电系统发电，得到电力和废气；
f、将步骤e中所得废气送入含碳氧化合物净化系统进行净化处理。
9.根据权利要求8的工艺，其中，所述所需储存的电能为选自风能发电、太阳能发电、火电、水电、核电和潮汐发电中的至少一种。
10.根据权利要求8的工艺，其中，所述含碳氧化合物为M值为2.8-3.2的一氧化碳和/或二氧化碳；所述M值为造气系统所得氢气的体积与含碳氧化合物中二氧化碳的体积之差同含碳氧化合物体积的比值。
11.根据权利要求8的工艺，其中，所述净化处理依次包括水解、脱硫、脱氧和脱硝处理。
12.根据权利要求8的工艺，其中，所述含碳氧化合物的净化气中硫含量为15-200ppb，氮含量为20-1000ppm，氧含量为200-1500ppm。
13.根据权利要求8的工艺，其中，步骤a中所述造气过程包括：将所需储存的电能，经交直流整流装置整流，送入含锰盐溶液电解槽进行电解，得到金属锰；将所述金属锰送入锰稀酸反应装置与稀酸进行反应，得到氢气和锰盐溶液；将锰盐溶液返回到锰盐溶液电解槽。
14.根据权利要求8的工艺，其中，步骤b中所述甲烷化反应包括：将步骤a中所得的部分氢气和净化气送入1#甲烷化反应器进行甲烷化反应，得到的产品气与另一部分氢气和净化气一起送入2#甲烷化反应器进行甲烷化反应。
15.根据权利要求8的工艺，其中，所述甲烷化系统的甲烷化反应器的进口温度为220-320℃，出口温度为450-710℃，反应压力为0.8-6.5兆帕。
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