CN109305889B - 合成气制造中热能介入的方法、甲醇合成方法及甲醇合成系统 - Google Patents

合成气制造中热能介入的方法、甲醇合成方法及甲醇合成系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及能源再生利用领域，具体涉及合成气制造中热能介入的方法、甲醇合成方法及甲醇合成系统。所述合成气制造中热能介入的方法包括在电能转换成热能后，将所得热能用于合成气制造过程中；所述合成气主要包括氢气和一氧化碳；所述合成气制造的反应原料的输入量根据所得热能介入合成气制造后所获得的反应环境温度进行相应调控。本发明提供的合成气制造中热能介入的方法、甲醇合成方法及甲醇合成系统，其可以有效地利用废弃的电能资源，并有效降低废弃电能资源的波动性和不规律性对合成气制造的影响。

Description

合成气制造中热能介入的方法、甲醇合成方法及甲醇合成 系统
技术领域
本发明涉及能源再生利用领域，具体涉及合成气制造中热能介入的方法、甲醇合成方法及甲醇合成系统。
背景技术
甲醇合成工艺通常包括合成气制造、甲醇合成等步骤，合成气主要包括氢气和一氧化碳，合成气制造方式可以是甲烷与水蒸气混合反应，还可以是甲烷在纯氧环境中进行反应。无论何种方式，合成气制造需要消耗较多的热能，并且前述第二种制造方式中获得纯氧通常依靠从深冷空气分离纯氧的方式，该方式同样需要消耗较多的热能。
热能的提供可以有多种方式，例如利用燃烧的方式直接提供热源，或者是利用其它能源转换成热能并予以利用。从目前的甲醇合成工艺中，通常不考虑直接将电能转换得到热能并直接供与合成气制造过程的方式，大多数采用的是其他热能提供方式或将电能进行整合后再转换成热能，或电能转换成热能后将所得热能进行整合后再供与合成气制造过程的方式；主要原因在于合成气制造过程中，无论何种方式，热能能量的波动对于合成气的制造通常是不利因素，可能对所得合成气制造反应的转换率、转换效率产生影响，但对热能能量影响最直接的可能是提供电能的波动性和不规律性等因素，例如电压波动和闪变等特性。
由于电能本身通常存在波动性和不规律性等特点，对于将其转换成热能的稳定性有一定的影响，尤其是风力发电和光伏发电所产生的电能。另外，现有能源生产或利用过程中，总会产生较多的废电或弃电，而这些废电或弃电的形成方式通常是多种来源的电能之间首尾接入，并非是将电能进行整合，因此相比于正常供电而言，其电压波动和闪变的特性更为频繁，并且将废电或弃电的电能进行整合形成同一稳定电压的电能，该操作本身会消耗一部分电能，对其本身的利用则效果降低；但如果利用此部分电能直接转换成的热能并将所得热能直接用来介入合成气制造中，其对合成气反应的转换率的影响将更大。
发明内容
本发明提供一种合成气制造中热能介入的方法、甲醇合成方法及甲醇合成系统，其可以有效地利用废弃的电能资源，并有效降低废弃电能资源的波动性和不规律性对合成气制造的影响。
为解决以上技术问题，本发明提供第一方面的技术方案，即一种合成气制造中热能介入的方法，包括在电能转换成热能后，将所得热能用于合成气制造过程中；所述合成气由氢气和一氧化碳组成；所述合成气制造的反应原料的输入量根据所得热能介入合成气制造后所获得的反应环境温度进行相应调控。
优选的，反应环境温度升高，增加反应原料的输入量；反应环境温度降低，减少反应原料的输入量。
优选的，反应环境温度升高10-20℃，反应原料的输入量增加至升温前输入量的体积比的2-5%。
优选的，反应环境温度降低15-30℃，反应原料的输入量降低至降温前输入量的体积比的2-5%。
优选的，反应环境温度控制为[750，950]℃范围内。
优选的，反应原料包括甲烷和水蒸气。
优选的，电能包括废弃电能，废弃电能以首尾连接的方式直接转换成热能。
优选的，废弃电能的电压波动范围Ut在±20%范围内，闪变的频率f在0~1000Hz范围内。
优选的，废弃电能包括废弃风电电能或废弃水电电能。
本申请还提供另一种技术方案，即甲醇合成方法，包括用甲烷通过合成气制造、甲醇合成步骤制备甲醇；所述合成气制造包括前述任一所述的合成气制造中热能介入的方法。
本申请还提供另一种技术方案，即甲醇合成系统，包括电能转热能系统、甲醇合成系统；所述电能转热能系统包括能量转换器、温度传感器、气体流量控制器，所述温度传感器的探头设置在能量转换器内，所述能量转换器将电能转换成热能，反应原料通过气体流量控制器输入至能量转换器内进行合成气制造，气体流量控制器的气体输入量根据温度传感器反馈的能量转换器内的反应环境温度进行相应调控。
优选的，所述甲醇合成系统还包括固体氧化物燃料电池系统。
本申请提供的合成气制造中热能介入的方法，利用合成气制造的反应原料的输入量根据所得热能介入合成气制造后所获得的反应环境温度进行相应调控的方式，该方式可以有效地降低电能本身的波动性和不规律性对合成气制造的影响，尤其适用于电压波动和闪变较大的废弃电能资源。
附图说明
图1是本申请实施方式甲醇合成系统的示意图；
图2是本申请另一种实施方式甲醇合成系统的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互任意组合。
利用本申请实施方式的热能介入的方法制造合成气。
实施方式一：甲烷与水蒸气反应制造合成气
蓄水箱中的水经水泵控制后定量进入混合器，甲烷经气体流量控制器调节后定量进入混合器，水和甲烷在混合器中充分混合蒸发，再进入换热器进行预热升温，然后进入能量转换器中发生重整反应，即下述反应（1）。能量转换器内的反应环境温度在T/℃的范围内，并且在催化剂存在下，例如镍基催化剂，获得合成气，主要由氢气和一氧化碳组成，所得合成气用于后续步骤。
能量转换器内的热电阻将传输过来的电能转换成热能，维持能量转换器内的反应环境温度，为反应（1）提供所需的温度；能量转换器内的温度传感器监控能量转换器内的反应环境温度以调节甲烷和水蒸气的输入量。采用温度负反馈的方法调整甲烷和水蒸气的输入量：当电能不足或发生电压波动、闪变时，热电阻产热量减少，温度传感器测得温度下降T1/℃，此时减少甲烷和水蒸气的输入量，其输入量降低至降温前输入量的体积比的d1/%范围内，以减少热能消耗；当电能充足或发生电压波动、闪变时，热电阻产热量增加，温度传感器测得温度上升T2/℃，此时增加甲烷和水蒸气的输入量，其输入量增加至升温前输入量的体积比的d2/%范围内，以增加热量消耗。通过上述的温度的负反馈控制，稳定一定量的甲烷和水蒸气反应制造合成气所需的热能，减少热能波动对合成气制造反应带来的不利影响。
CH4 + H2O → 3H2 + CO ΔH = 206 kJ/mol 反应（1）
上述反应过程中，采用的电能可以是正常用电电能，也可以是废弃的电能，例如废弃的风电电能或水电电能，更可以是不同废弃电能通过先后顺序接入电能转热能的回路中，无论何种方式，上述反应过程均可以将对反应的影响明显降低。
上述反应过程中，甲烷的来源可以是工业制造后所得的较为纯净的甲烷气体，还可以是主要成分由甲烷组成的混合气体，例如天然气或沼气等；水和甲烷的混合蒸发，可以是同上的先混合，再蒸发，还可以是先蒸发水，再混合的方式；另外，上述方式中优选采用了将甲烷和水蒸气的混合气先进行预热升温后再进入能量转换器内的方式，该方式对于本申请实施方式来讲，其对维持能量转换器内的反应环境温度具有更有利的效果。
本申请上述实施方式中，电能是通过能量转换器内的热电阻直接转换成热能，并且反应（1）也是在能量转换器内直接进行反应，意味着所得热能是直接为能量转换器的反应提供温度。与现有的方式不同，本申请所采用电能转热能的方式，可以不需要将各种电能来源整合成同一稳定电压的电能后再进行热能转换，本申请可以是利用将不同电能通过先后顺序接入电能转热能的回路中的方式，尤其适用于各种废弃的电能资源，例如废弃风电电能或废弃水电电能等；另外，本申请所采用的热能提供方式，可以不需要将热能先进行整合后再提供反应所需的温度，本申请可以是在同一个重整反应容器中，利用不同的电能转换后获得的不同热能来提供反应所需的温度。
上述方式在不同的反应环境温度等因素下所获得的合成气制造反应的转换率L/%如下表所示，并且所采用的电能的电压波动范围Ut/%和闪变的频率f/Hz，电能种类m的选择均不同。其中，电压波动范围Ut是指电压的最大值和最小值分别与标称电压值的差值比例；闪变的频率是指电能在1s内发生电压闪变的次数。本申请所述各项参数均可采用现有常规的测量方式获得。
表1，电能种类m选择常规工业用电能，电压波动范围Ut在±5%范围内，闪变的频率f在0~20Hz范围内。
实施例 T/℃ T1/℃ d1/% T2/℃ d2/% L/%
1 750-800 15-30 2-5 10-20 2-5 74
2 800-850 15-30 2-5 10-20 2-5 73
3 850-900 15-30 2-5 10-20 2-5 73
4 900-950 15-30 2-5 10-20 2-5 72
5 750-800 20-25 2-5 12-15 2-5 74
6 800-850 20-25 2-5 12-15 2-5 74
7 850-900 20-25 2-5 12-15 2-5 75
8 900-950 20-25 2-5 12-15 2-5 73
9 750-800 31-40 2-5 21-30 2-5 65
10 800-850 31-40 2-5 21-30 2-5 66
11 850-900 31-40 2-5 21-30 2-5 64
12 900-950 31-40 2-5 21-30 2-5 62
13 750-800 5-9 2-5 8-14 2-5 65
14 800-850 5-9 2-5 8-14 2-5 61
15 850-900 5-9 2-5 8-14 2-5 63
16 900-950 5-9 2-5 8-14 2-5 64
表1中实施例1-16所得的反应转换率与空白对照组1即现有普通的合成气制造所得反应转换率75%的差异较小，空白对照组1的其他条件与上述实施例1-16相同，仅其采用的热能由稳定的燃烧热能提供。
表2，电能种类m选择废弃合用电能，电压波动范围Ut在±10%范围内，闪变的频率f在0~100Hz范围内。
实施例 T/℃ T1/℃ d1/% T2/℃ d2/% L/%
17 750-800 15-30 2-5 10-20 2-5 73
18 800-850 15-30 2-5 10-20 2-5 74
19 850-900 15-30 2-5 10-20 2-5 72
20 900-950 15-30 2-5 10-20 2-5 74
21 750-800 20-25 2-5 12-15 2-5 74
22 800-850 20-25 2-5 12-15 2-5 72
23 850-900 20-25 2-5 12-15 2-5 73
24 900-950 20-25 2-5 12-15 2-5 73
25 750-800 31-40 2-5 21-30 2-5 61
26 800-850 31-40 2-5 21-30 2-5 62
27 850-900 31-40 2-5 21-30 2-5 65
28 900-950 31-40 2-5 21-30 2-5 64
29 750-800 5-9 2-5 8-14 2-5 62
30 800-850 5-9 2-5 8-14 2-5 64
31 850-900 5-9 2-5 8-14 2-5 61
32 900-950 5-9 2-5 8-14 2-5 65
表2中实施例17-32所得的反应转换率与空白对照组1即现有普通的合成气制造所得反应转换率75%的差异较小，空白对照组1的其他条件与上述实施例17-32相同，仅其采用的热能由稳定的燃烧热能提供。
表3，电能种类m选择废弃合用电能，电压波动范围Ut在±20%范围内，闪变的频率f在0~1000Hz范围内。
实施例 T/℃ T1/℃ d1/% T2/℃ d2/% L/%
33 750-800 15-30 2-5 10-20 2-5 72
34 800-850 15-30 2-5 10-20 2-5 73
35 850-900 15-30 2-5 10-20 2-5 71
36 900-950 15-30 2-5 10-20 2-5 72
37 750-800 20-25 2-5 12-15 2-5 74
38 800-850 20-25 2-5 12-15 2-5 73
39 850-900 20-25 2-5 12-15 2-5 75
40 900-950 20-25 2-5 12-15 2-5 73
41 750-800 31-40 2-5 21-30 2-5 52
42 800-850 31-40 2-5 21-30 2-5 54
43 850-900 31-40 2-5 21-30 2-5 51
44 900-950 31-40 2-5 21-30 2-5 53
45 750-800 5-9 2-5 8-14 2-5 51
46 800-850 5-9 2-5 8-14 2-5 52
47 850-900 5-9 2-5 8-14 2-5 52
48 900-950 5-9 2-5 8-14 2-5 54
表3中实施例33-48所得的反应转换率与空白对照组1即现有普通的合成气制造所得反应转换率75%的差异较小，空白对照组1的其他条件与上述实施例33-48相同，仅其采用的热能由稳定的燃烧热能提供。
实施方式二：甲烷在纯氧环境中反应制造合成气
纯氧经流量控制器调节后定量进入混合器，甲烷经气体流量控制器调节后定量进入混合器，纯氧和甲烷在混合器中充分混合，再进入换热器进行预热升温，然后进入能量转换器中发生重整反应，即下述反应（2）。能量转换器内的反应环境温度在T′/℃的范围内，并且在催化剂存在下，例如镍基催化剂，获得合成气（氢气和一氧化碳），所得合成气用于后续步骤。
能量转换器内的热电阻将传输过来的电能转换成热能，维持能量转换器内的反应环境温度，为反应（2）提供所需的温度；能量转换器内的温度传感器监控能量转换器内的反应环境温度以调节甲烷和纯氧的输入量。采用温度负反馈的方法调整甲烷和纯氧的输入量：当电能不足或发生电压波动、闪变时，热电阻产热量减少，温度传感器温度下降T1′/℃，此时减少甲烷和纯氧的输入量，其输入量降低至降温前输入量的体积比的d1′/%范围内，以减少热能消耗；当电能充足或发生电压波动、闪变时，热电阻产热量增加，温度传感器温度上升T2′/℃，此时增加甲烷和纯氧的输入量，其输入量增加至升温前输入量的体积比的d2′/%范围内，以增加热量消耗。通过上述的温度的负反馈控制，稳定一定量的甲烷和纯氧反应制造合成气所需的热能，减少热能波动对合成气制造反应带来的不利影响。
2CH4 + O2→ 4H2 + 2CO ΔH = 206 kJ/mol 反应（2）
上述反应过程中，采用的电能可以是正常用电电能，也可以是废弃的电能，例如废弃的风电电能或水电电能，更可以是不同废弃电能通过先后顺序接入电能转热能的回路中，无论何种方式，上述反应过程均可以将对反应的影响明显降低。
上述反应过程中，甲烷的来源可以是工业制造后所得的较为纯净的甲烷气体，还可以是主要成分由甲烷组成的混合气体，例如天然气或沼气等；纯氧可以来源于液态空气分离或其他现有获得方式；另外，上述方式中优选采用了将甲烷和纯氧的混合气先进行预热升温后再进入能量转换器内的方式，该方式对于本申请实施方式来讲，其对维持能量转换器内的反应环境温度具有更有利的效果。
本申请上述实施方式中，电能是通过能量转换器内的热电阻直接转换成热能，并且反应（2）也是在能量转换器内直接进行反应，意味着所得热能是直接为能量转换器的反应提供温度。与现有的方式不同，本申请所采用电能转热能的方式，可以不需要将各种电能来源整合成同一稳定电压的电能后再进行热能转换，本申请可以是利用将不同电能通过先后顺序接入电能转热能的回路中的方式，尤其适用于各种废弃的电能资源，例如废弃风电电能或废弃水电电能等；另外，本申请所采用的热能提供方式，可以不需要将热能先进行整合后再提供反应所需的温度，本申请可以是在同一个重整反应容器中，利用不同的电能转换后获得的不同热能来提供反应所需的温度。
上述方式在不同的反应环境温度等因素下所获得的合成气制造反应的转换率L′/%如下表所示，并且所采用的电能的电压波动的范围Vt′/%和闪变的频率f′/Hz，电能种类m′的选择均不同。其中，电压波动范围Ut是指电压的最大值和最小值分别与标称电压值的差值比例；闪变的频率是指电能在1s内发生电压闪变的次数。
表4，电能种类m′选择常规工业用电能，电压波动范围Ut′在±5%范围内，闪变的频率f′在0~20Hz范围内。
实施例 T′/℃ T1′/℃ d1′/% T2′/℃ d2′/% L′/%
49 750-800 15-30 2-5 10-20 2-5 61
50 800-850 15-30 2-5 10-20 2-5 62
51 850-900 15-30 2-5 10-20 2-5 60
52 900-950 15-30 2-5 10-20 2-5 60
53 750-800 20-25 2-5 12-15 2-5 61
54 800-850 20-25 2-5 12-15 2-5 61
55 850-900 20-25 2-5 12-15 2-5 62
56 900-950 20-25 2-5 12-15 2-5 61
57 750-800 31-40 2-5 21-30 2-5 51
58 800-850 31-40 2-5 21-30 2-5 50
59 850-900 31-40 2-5 21-30 2-5 52
60 900-950 31-40 2-5 21-30 2-5 54
61 750-800 5-9 2-5 8-14 2-5 55
62 800-850 5-9 2-5 8-14 2-5 51
63 850-900 5-9 2-5 8-14 2-5 52
64 900-950 5-9 2-5 8-14 2-5 53
表4中实施例49-64所得的反应转换率与空白对照组2即现有普通的合成气制造所得反应转换率62%的差异较小，空白对照组2的其他条件与上述实施例49-64相同，仅其采用的热能由稳定的燃烧热能提供。
表5，电能种类m′选择废弃合用电能，电压波动范围Ut′在±10%范围内，闪变的频率f′在0~100Hz范围内。
实施例 T′/℃ T1′/℃ d1′/% T2′/℃ d2′/% L′/%
65 750-800 15-30 2-5 10-20 2-5 62
66 800-850 15-30 2-5 10-20 2-5 61
67 850-900 15-30 2-5 10-20 2-5 60
68 900-950 15-30 2-5 10-20 2-5 62
69 750-800 20-25 2-5 12-15 2-5 61
70 800-850 20-25 2-5 12-15 2-5 60
71 850-900 20-25 2-5 12-15 2-5 60
72 900-950 20-25 2-5 12-15 2-5 62
73 750-800 31-40 2-5 21-30 2-5 53
74 800-850 31-40 2-5 21-30 2-5 52
75 850-900 31-40 2-5 21-30 2-5 50
76 900-950 31-40 2-5 21-30 2-5 54
77 750-800 5-9 2-5 8-14 2-5 52
78 800-850 5-9 2-5 8-14 2-5 53
79 850-900 5-9 2-5 8-14 2-5 54
80 900-950 5-9 2-5 8-14 2-5 51
表5中实施例65-80所得的反应转换率与空白对照组2即现有普通的合成气制造所得反应转换率62%的差异较小，空白对照组2的其他条件与上述实施例65-80相同，仅其采用的热能由稳定的燃烧热能提供。
表6，电能种类m′选择废弃合用电能，电压波动范围Ut′在±20%范围内，闪变的频率f′在0~1000Hz范围内。
实施例 T′/℃ T1′/℃ d1′/% T2′/℃ d2′/% L′/%
81 750-800 15-30 2-5 10-20 2-5 60
82 800-850 15-30 2-5 10-20 2-5 59
83 850-900 15-30 2-5 10-20 2-5 61
84 900-950 15-30 2-5 10-20 2-5 60
85 750-800 20-25 2-5 12-15 2-5 62
86 800-850 20-25 2-5 12-15 2-5 61
87 850-900 20-25 2-5 12-15 2-5 61
88 900-950 20-25 2-5 12-15 2-5 62
89 750-800 31-40 2-5 21-30 2-5 45
90 800-850 31-40 2-5 21-30 2-5 47
91 850-900 31-40 2-5 21-30 2-5 42
92 900-950 31-40 2-5 21-30 2-5 48
93 750-800 5-9 2-5 8-14 2-5 41
94 800-850 5-9 2-5 8-14 2-5 45
95 850-900 5-9 2-5 8-14 2-5 43
96 900-950 5-9 2-5 8-14 2-5 42
表6中实施例81-96所得的反应转换率与空白对照组2即现有普通的合成气制造所得反应转换率62%的差异较小，空白对照组2的其他条件与上述实施例81-96相同，仅其采用的热能由稳定的燃烧热能提供。
下面详细介绍本申请实施方式的甲醇合成方法
本申请实施方式的甲醇合成反应包括用甲烷通过合成气制造、甲醇合成步骤制备甲醇；所述合成气制造包括前述任一所述的合成气制造中热能介入的方法。具体可采用前述实施方式一或实施方式二所得合成气用于制造甲醇，所得合成气经换热器换热降温后进入储气罐存储。本申请实施方式可以优选将重整反应前的反应原料与重整反应后的合成气在换热器中进行热量交换，例如实施方式一的甲烷与水蒸气和实施方式二的甲烷和纯氧，此方式可以更有效的利用甲醇合成系统中的热能。储气罐中的合成气输送至甲醇合成器并在催化剂，例如铜基催化剂的作用下反应生成甲醇，参见反应（3），反应温度在250~300℃，反应后经分离器冷却进行气液分离获得甲醇。反应（3）是放热反应，自身反应放出的热量可以维持甲醇合成反应的反应温度。分离器获得的甲醇为粗甲醇，可以通过精馏等方式获得更高纯度的甲醇。
2H2 + CO →CH3OH ΔH = -90.7 kJ/mol 反应（3）
下面结合附图1-图2详细介绍本申请实施方式的甲醇合成系统
图1-图2所示甲醇合成系统均是本申请实施方式的甲醇合成系统，如图1所示的甲醇合成系统，包括电能转热能系统、甲醇合成系统；所述电能转热能系统包括能量转换器6、温度传感器8、气体流量控制器1，所述温度传感器8的探头设置在能量转换器6内，所述能量转换器6将电能转换成热能，反应原料通过气体流量控制器1输入至能量转换器6内进行合成气制造，气体流量控制器1的气体输入量根据温度传感器8反馈的能量转换器6内的反应环境温度进行相应调控。当反应原料采用前述实施方式一的甲烷和水蒸气时，具体的可参考如图1所示的甲醇合成系统，反应原料中的甲烷成分即天然气通过气体流量控制器1先进入混合器4内，再进入能量转换器6内，反应原料中的水蒸气从蓄水箱5中的水经水泵3控制后定量进入混合器4，水和甲烷在混合器4中充分混合蒸发，再进入能量转换器6内。当反应原料采用实施方式二的甲烷和纯氧时，两者可以直接混合后通过气体流量控制器1进入能量转换器6内。该实施方式中还可优选反应原料混合或混合蒸发后，先通过预热至一定温度后再进入能量转换器6内的方式，该方式对于本申请实施方式来讲，其对维持能量转换器内的反应环境温度具有更有利的效果。能量转换器内设置有热电阻7。
图2是本申请优选实施方式的甲醇合成系统，如图2所示，包括电能转热能系统、甲醇合成系统和固体氧化物燃料电池系统；电能转热能系统包括气体流量控制器1、蓄水箱2、水泵3、混合器4、能量转换器6、热电阻7、以及温度传感器8，还可优选包括换热器5和储气罐9。气体流量控制器1、混合器4、蓄水箱2、水泵3、能量转换器6及储气罐9经管路连接；热电阻7安装在能量转换器6内部，连接弃电系统；温度传感器8安装在能量转换器6出口位置；能量转换器6外面有隔热外壳。其中，蓄水箱2中的水经水泵3控制后定量进入混合器4，甲烷经气体流量控制器1调节后定量进入混合器4，水和甲烷在混合器4中充分混合蒸发，再进入换热器5进行预热升温，然后进入能量转换器6中发生重整反应，即反应（1），在催化剂存在下，例如镍基催化剂，获得合成气（氢气和一氧化碳），所得合成气用于后续步骤。
甲醇合成系统包括合成器10和分离器11，储气罐9与合成器10、分离器11经管路连接。其中，所得合成气经换热器5换热降温后进入储气罐9存储。本申请实施方式可以优选将重整反应前的反应原料与重整反应后的合成气在换热器5中进行热量交换，例如实施方式一的甲烷与水蒸气和实施方式二的甲烷和纯氧，此方式可以更有效的利用甲醇合成系统中的热能。储气罐5中的合成气输送至合成器10并在催化剂，例如铜基催化剂的作用下反应生成甲醇，参见反应（3），反应温度在250~300℃，反应后经分离器11冷却进行气液分离获得甲醇，多余的氢气和未反应的一氧化碳作为燃料进入固体氧化物燃料电池系统中。反应（3）是放热反应，自身反应放出的热量可以维持甲醇合成反应的反应温度。分离器11获得的甲醇为粗甲醇，可以通过精馏等方式获得更高纯度的甲醇。
固体氧化物燃料电池系统包括空压机13、预热器14、固体氧化物燃料电池12、燃烧器15、空气换热器16、冷凝器17及耗电附件18。分离器11与固体氧化物燃料电池12的阳极经管路连接，空压机13、预热器14、固体氧化物燃料电池12、燃烧器15、空气换热器16、冷凝器17与蓄水箱2经管路连接；固体氧化物燃料电池12与耗电附件18通过电路连接。其中，空气经空压机13、预热器14进入固体氧化物燃料电池12；燃料和空气在固体氧化物燃料电池12中进行电化学反应，输出稳定的电力来驱动甲醇生成系统的附件；固体氧化物燃料电池12的阳极和阴极的电化学反应如反应（4）和反应（5）所示，总反应如反应（6）所示；固体氧化物燃料电池12出口后未反应的燃料和空气在燃烧器15中彻底燃烧，燃烧废气经空气换热器16和冷凝器17后，将水回收，储存在蓄水箱2。空气换热器16把废气中的热量用于对空压机13后的空气进行预热。
固体氧化物燃料电池的阳极反应、阴极反应和总反应分别为：
阳极反应：2H2 + 2O2- - 4e-→ 2H2O 反应（4）
阴极反应：O2 + 4e-→2O2- 反应（5）
总反应：2H2+ O2→ 2H2O 反应（6）
综合以上各个反应（1）~（6），水在甲烷水蒸气重整反应中消耗，在固体氧化物燃料电池的阳极反应中生产。因此本系统的总反应为：
CH4 + ½O2→ CH3OH ΔH= -126 kJ/mol 反应（7）
本申请图2所示实施方式的甲醇合成系统的有益效果还在于：
甲醇合成系统的水可以循环利用，可以有效地减少用水量，适合在缺水的地方使用。
热电阻的产热方式可以在广泛的电压范围实施，电产热量和能量转换器的反应量可以匹配调控，适合作为弃电的消耗途径。
采用甲烷水蒸气的重整反应，所需的能量可以通过弃电产热提供，消耗了不稳定的电力，并减少了甲烷的使用，不需要甲烷和纯氧反应中的深冷空气分离系统。利用电加热方式，避免了甲烷的自热氧化反应，减少了甲烷的使用量。
甲烷水蒸气重整反应可以根据不稳定的弃电资源进行波动重整，重整后的合成气储存在储氢罐中。储气罐的使用对甲醇合成系统中合成气的供应可以有效维持稳定状态。储气罐的使用增加了重整反应和合成反应的灵活性。甲烷水蒸气重整反应可以根据波动的电力资源进行调整，而甲醇合成反应可以根据储气状态持续进行。
固体氧化物燃料电池系统可以更为深入地利用合成气中未反应的氢气和一氧化碳，可调控输出稳定的电力，可满足系统附件稳定电力需求。
燃烧器中内置了氧化燃烧催化剂，使未反应的氢气、一氧化碳以及少量的甲烷和甲醇等在催化剂上氧化燃烧，可以减少污染物的排放。
一直以来，中国持续地将数十亿美元投入清洁能源产业。目前，中国在可再生能源投资方面已处于世界领先地位。2014年，中国还在全球范围内引领了风能和太阳能的装机风潮，其中风能新增装机容量为19.81GW(吉瓦)，太阳能新增装机容量为10.63GW。
然而，由于风力发电和光伏发电的电力存在波动性和不规律性等特点，风电和光电的并网方式一直存在很大的难题，导致大量的可再生能源不能利用。风电、光电的地点多处于中国北部和西北部，电力利用较少，并网困难，储能方式不足。据不完全统计，2015年全年的弃风量大339亿kWh，平均弃风率达到15%。“十二五”期间，中国的弃风造成的电量损失达1015亿kWh，相当于三峡、葛洲坝两座水电站在2015年的全年发电量。中国国家能源局的数据显示，2016年上半年，西北地区弃光电量达到32.8亿千瓦时，弃光率19.7%，其中，新疆、甘肃的弃光率分别为32.4%和32.1%。
采用本申请所述的合成气制造中热能介入的方法、甲醇合成方法及甲醇合成系统可以有效地解决这些废弃电能目前所存在的问题。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.合成气制造中热能介入的方法，其特征在于：包括在电能转换成热能后，将所得热能用于合成气制造过程中；所述合成气由氢气和一氧化碳组成；所述合成气制造的反应原料的输入量根据所得热能介入合成气制造后所获得的反应环境温度进行相应调控；反应环境温度升高，增加反应原料的输入量；反应环境温度降低，减少反应原料的输入量；反应环境温度升高10-20℃，反应原料的输入量增加至升温前输入量的体积比的2-5%；反应环境温度降低15-30℃，反应原料的输入量降低至降温前输入量的体积比的2-5%；
电能包括废弃电能，废弃电能以首尾连接的方式直接转换成热能；
废弃电能的电压波动范围Ut在±20%范围内，闪变的频率f在0~1000Hz范围内。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：反应环境温度控制为750-950℃范围内。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：反应原料包括甲烷和水蒸气。
4.甲醇合成方法，其特征在于：包括用甲烷通过合成气制造、甲醇合成步骤制备甲醇；所述合成气制造包括前述权利要求1-3任一所述的合成气制造中热能介入的方法。
5.甲醇合成装置，其特征在于：包括电能转热能系统；所述电能转热能系统包括能量转换器、温度传感器、气体流量控制器，所述温度传感器的探头设置在能量转换器内，所述能量转换器将电能转换成热能，反应原料通过气体流量控制器输入至能量转换器内进行合成气制造，气体流量控制器的气体输入量根据温度传感器反馈的能量转换器内的反应环境温度进行相应调控。
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