CN204633478U - 一种储存和释放电能的系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种储存和释放电能的系统，该系统包括含碳氧化合物净化系统、造气系统、甲烷化反应系统、蒸汽透平系统、气体分离系统、天然气储罐和燃气发电机。通过该系统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机发电机产生电能，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
本实用新型涉及一种储存和释放电能的系统。
背景技术
随着国家经济建设的快速发展和人民生活水平的不断提高，对清洁能源的开发和环境质量的要求提出了新的要求。为此，国家投入了大量的人力、物力和财力发展清洁能源和治理工业尾气。
不完全统计，我国现目前风电累计装机容量91412.89MW。据报道，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。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，到时弃电问题将更加突出。而同期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，出现造成了丰水期电能大量损失以及设备、线网的损耗。
风能、太阳能和海洋能等可再生能源发电受季节、气象和地域条件的影响，具有明显的不连续、不稳定性。发出的电能波动较大，可调节性差。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。当电网接入的发电容量过多时，电网的稳定性将受到影响。另外，工业尾气引发了日益严重的环境问题、资源的循环利用以及提高能源利用效率问题都促使人们去寻求解决这些问题的方法。如何实现电能的连续、稳定输出以及过剩电能的大规模储存问题，可以解决可再生能源发电直接并网对电网冲击、发电与用电的时 差矛盾等问题，同时也是构建智能电网的关键。
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抽水蓄能，由于它的应用受地质等条件的限制，远不能满足电力发展；压缩空气蓄能的一大缺陷在于效率较低；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；电解水，用氢气储存电能的方式受到氢气储存、运输难度大等缺陷的限制。
为此，人们更多的关注从其他方面进行大规模储能研究。CN102170138专利公开了一种基于电-铝-氢循环系统的大规模储能方法。CN202596893U专利公开了一种基于催化气化的电-合成天然气调峰发电系统。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。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种储存和释放电能的系统，通过该系统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机发电机产生电能，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，本实用新型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、甲烷化反应系统、蒸汽透平系统、气体分离系统、天然气储罐和燃气发电机；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反应系统的反应物入口连通；所述甲烷化反应系统的产品出口与所述气体分离系统的气体入口连通，甲烷化反应系统的蒸汽取热系统的蒸汽出口与 所述蒸汽透平系统的蒸汽入口连通；所述气体分离系统的含碳氧化合物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，天然气出口与天然气储罐的天然气入口连通，冷凝水出口与储水槽连通；所述天然气储罐的第一天然气出口与所述蒸汽透平系统的天然气入口连通，第二天然气出口与所述燃气发电机的天然气入口连通，第三天然气出口为将天然气送入天然气管网的天然气管网出口；所述蒸汽透平系统的天然气出口与液化天然气储罐连通，蒸汽出口与储水槽连通；所述燃气发电机的含碳氧化合物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，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缓冲罐和含碳氧化合物净化器。
优选地，其特征在于，所述含碳氧化合物净化器包括依次串联的水解反应器、精脱硫反应器和脱氧、脱硝反应器。
优选地，其特征在于，所述造气系统为固体氧化物电解池高温电解水制氢系统或电解锰盐溶液-锰金属-锰稀酸反应制氢系统。
优选地，其特征在于，所述固体氧化物电解池高温电解水制氢系统包括变压及整流装置和固体氧化物电解池；所述变压及整流装置设置有电流输入端和电流输出端，所述电流输出端与所述固体氧化物电解池的电流输入端电力连接；所述固体氧化物电解池的氢气出口与氢气缓冲罐的氢气入口连通，氧气出口与氧气储罐连通，入水口与所述气体分离系统的冷凝水出口连通；所述氢气缓冲罐的第一氢气出口为所述造气系统的氢气出口，第二氢气出口与氢气储罐连通。
优选地，其特征在于，所述电解锰盐溶液-锰金属-锰稀酸反应制氢系统包括变压及整流装置、锰盐溶液电解槽和锰稀酸反应装置；所述变压及整流装置设置有电流输入端和电流输出端，所述电流输出端与所述锰盐溶液电解槽的电流输入端电力连接；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，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，入水口与所述气体分离系统的冷凝水出口连通；所述锰稀酸反应装置的氢气出口与氢气缓冲罐的氢气入口连通；所述氢气缓冲罐的第一氢气出口为所述造气系统的氢气出口，第二氢气出口与氢气储罐连通。
优选地，其特征在于，所述甲烷化反应系统包括串联和/或并联的2-4台甲烷化反应器。
优选地，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。
与现有技术相比，本实用新型的系统具有如下优点：
第一，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-电循环系统的联合生产，以替代天然气、液化天然气为储能载体，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。
第二，环境友好，实现资源的循环利用。含碳原料来源于工业尾气，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。另外，甲烷化反应中会有大量的水生成，工艺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。
第三，产品多样性。该系统同时具有储能、发电的功能。电解过程可以获得纯度较高的氧气(金属锰)和氢气。另外，含碳氧化合物与氢气的甲烷化反应是一个强放热反应，该系统还产生大量的蒸汽。
本实用新型的其他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实用新型的进一步理解，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实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
图1是本实用新型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；
图2是本实用新型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。
附图标记说明
1 变压及整流装置 2 固体氧化物电解池 3 氢气缓冲罐
4 甲烷化反应系统 5 含碳氧化合物净化器 6 含碳氧化合物缓冲罐
7 气体分离系统 8 燃气发电机 9 天然气储罐 10 蒸汽管网
11 氧气储罐 12 天然气管网 13 氢气储罐 14 储水槽 15 蒸汽透平系统
16 液化天然气储罐 17 锰盐溶液电解槽 18 锰稀酸反应装置
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型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实用新型，并不用于限制本实用新型。
本实用新型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、甲烷化反应系统4、蒸汽透平系统15、气体分离系统7、天然气储罐9和燃气发电机8；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反应系统4的反应物入口连通；所述甲烷化反应系统4的产品出口与所述气体分 离系统7的气体入口连通，甲烷化反应系统4的蒸汽取热系统的蒸汽出口与所述蒸汽透平系统15的蒸汽入口连通；所述气体分离系统7的含碳氧化合物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，天然气出口与天然气储罐9的天然气入口连通，冷凝水出口与储水槽14连通；所述天然气储罐9的第一天然气出口与所述蒸汽透平系统15的天然气入口连通，第二天然气出口与所述燃气发电机8的天然气入口连通，第三天然气出口为将天然气送入天然气管网的天然气管网出口；所述蒸汽透平系统15的天然气出口与液化天然气储罐16连通，蒸汽出口与储水槽14连通；所述燃气发电机8的含碳氧化合物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。
根据本实用新型，所述蒸汽透平系统是本领域技术人员所熟知的，是指一种将蒸汽的热能直接转换成转动的机械能，从而能够压缩天然气成为液化天然气的系统。
根据本实用新型，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缓冲罐6和含碳氧化合物净化器5；所述含碳氧化合物净化器5可以包括依次串联的水解反应器、精脱硫反应器和脱氧、脱硝反应器，也可以包括其它净化装置，本实用新型并没有限制。
根据本实用新型，所述造气系统是本领域技术人员所熟知的，例如，可以为固体氧化物电解池高温电解水制氢系统或电解锰盐溶液-锰金属-锰稀酸反应制氢系统。
根据本实用新型的一种具体实施方式，所述固体氧化物电解池高温电解水制氢可系统以包括变压及整流装置1和固体氧化物电解池2；所述变压及整流装置1可以设置有电流输入端和电流输出端，所述电流输出端与所述固体氧化物电解池2的电流输入端可以电力连接；所述固体氧化物电解池2的 氢气出口可以与氢气缓冲罐3的氢气入口连通，氧气出口可以与氧气储罐11连通，入水口可以与所述气体分离系统7的冷凝水出口连通；所述氢气缓冲罐3的第一氢气出口可以为所述造气系统的氢气出口，第二氢气出口可以与氢气储罐13连通。
根据本实用新型的另一种具体实施方式，所述电解锰盐溶液-锰金属-锰稀酸反应制氢系统可以包括变压及整流装置1、锰盐溶液电解槽17和锰稀酸反应装置18；所述变压及整流装置1可以设置有电流输入端和电流输出端，所述电流输出端可以与所述锰盐溶液电解槽17的电流输入端电力连接；所述锰盐溶液电解槽17的金属锰出口可以与所述锰稀酸反应装置18的金属锰入口连通，锰盐溶液入口可以与所述锰稀酸反应装置18的锰盐溶液出口连通，入水口可以与所述气体分离系统7的冷凝水出口连通；所述锰稀酸反应装置18的氢气出口可以与氢气缓冲罐3的氢气入口连通；所述氢气缓冲罐3的第一氢气出口可以为所述造气系统的氢气出口，第二氢气出口可以与氢气储罐13连通。
根据本实用新型，所述甲烷化反应系统可以包括串联和/或并联的2-4台甲烷化反应器；所述甲烷化反应器是本领域技术人员所熟知的，可以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。
下面将通过实施例来进一步说明本实用新型，但是本实用新型并不因此而受到任何限制。
实施例1
如图1所示的储存和释放电能系统，具体操作如下：
(一)电-替代天然气过程
将风电、太阳能产生的电能以及其他过剩电能中的一种或者是几种组合，通过变压及整流装置1，引入固体氧化物电解池2，固体氧化物电解池2 的阴阳电极上分别产生氢气和氧气，氧气通过干燥、净化、压缩后进入氧气储罐11。氢气进氢气缓冲罐3，多余部分进氢气储罐13，待与净化后的含碳氧化物混合、预热后进入甲烷化反应系统4进行化学反应。
将含CO2、CO工业尾气，先进入含碳氧化合物缓冲罐6，随后进入含碳氧化合物净化器5，脱除原料气中的硫、氮等杂质。
将净化后的含碳原料气与氢气体积按照M＝3.1进入甲烷化反应系统4，其中M＝(V(H2)-V(CO2))/V(CO+CO2)。从甲烷化反应系统4产生的高温蒸汽进蒸汽透平系统15，蒸汽透平系统15将来自天然气储槽9中的部分天然气进行液化处理，得到液化天然气，蒸汽透平系统15产生的冷凝液进储水槽14，其余蒸汽部分进蒸汽管网10。产物进气体分离系统7，得到替代天然气、未反应的含碳氧化合物和工艺冷凝液。替代天然气分两股，一股进天然气储罐9、一股进蒸汽透平系统15以获得液化天然气16，天然气储罐9与天然气管网12相连；分离出来的未反应含碳氧化合物进含碳原料气缓冲罐6；工艺冷凝液一部分用于补充固体氧化物电解池2，剩余部分进入储水槽14，储水槽14中储存的水主要用于甲烷化反应系统4锅炉用水以及燃气发电机8冷却介质。
(二)替代天然气-电过程
当出现用电高峰时，打开天然气储罐及天然气管网的阀门，将产生的替代天然气供给燃气发电机8发电，增加电能供给，实现调峰发电。燃气发电机8产生的尾气进入含碳氧化合物缓冲罐6，进一步减少二氧化碳的排放，提高资源的循环利用效率。
实施例2
如图2所示的储存和释放电能系统，具体操作如下：
本实施例所采用的系统与实施例1中的系统相比，不同之处在于用电解 锰盐溶液-锰金属-锰稀酸反应制氢系统替换固体氧化物制氢系统。
所述电解锰盐溶液-锰金属-锰稀酸反应制氢系统还包括锰盐溶液电解槽17、锰稀酸反应装置18以及变压及直流整流装置1。具体而言，过剩电能经变压及整流装置1整流，送入锰盐溶液电解槽17进行电解，得到金属锰；将所述金属锰送入锰稀酸反应装置18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17。从而实现过剩电能通过电解锰盐水溶液-金属锰-金属锰与稀酸反应制氢这一工艺过程，得到大量的高纯度的氢气，为后续甲烷化反应提供稳定的氢气来源。
综上所述，基于甲烷化反应的电-替代天然气-电循环的储存和释放电能系统，可以根据气候、季节的变化，以替代天然气、液化天然气为能源载体可以灵活的调整产品结构，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 (8)
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、甲烷化反应系统(4)、蒸汽透平系统(15)、气体分离系统(7)、天然气储罐(9)和燃气发电机(8)；
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反应系统(4)的反应物入口连通；
所述甲烷化反应系统(4)的产品出口与所述气体分离系统(7)的气体入口连通，甲烷化反应系统(4)的蒸汽取热系统的蒸汽出口与所述蒸汽透平系统(15)的蒸汽入口连通；
所述气体分离系统(7)的含碳氧化合物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，天然气出口与天然气储罐(9)的天然气入口连通，冷凝水出口与储水槽(14)连通；
所述天然气储罐(9)的第一天然气出口与所述蒸汽透平系统(15)的天然气入口连通，第二天然气出口与所述燃气发电机(8)的天然气入口连通，第三天然气出口为将天然气送入天然气管网的天然气管网出口；
所述蒸汽透平系统(15)的天然气出口与液化天然气储罐(16)连通，蒸汽出口与储水槽(14)连通；
所述燃气发电机(8)的含碳氧化合物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的储存和释放电能的系统，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缓冲罐(6)和含碳氧化合物净化器(5)。
3.根据权利要求2的储存和释放电能的系统，其特征在于，所述含碳氧化合物净化器(5)包括依次串联的水解反应器、精脱硫反应器和脱氧、 脱硝反应器。
4.根据权利要求1的储存和释放电能的系统，其特征在于，所述造气系统为固体氧化物电解池高温电解水制氢系统或电解锰盐溶液-锰金属-锰稀酸反应制氢系统。
5.根据权利要求4的储存和释放电能的系统，其特征在于，所述固体氧化物电解池高温电解水制氢系统包括变压及整流装置(1)和固体氧化物电解池(2)；所述变压及整流装置(1)设置有电流输入端和电流输出端，所述电流输出端与所述固体氧化物电解池(2)的电流输入端电力连接；所述固体氧化物电解池(2)的氢气出口与氢气缓冲罐(3)的氢气入口连通，氧气出口与氧气储罐(11)连通，入水口与所述气体分离系统(7)的冷凝水出口连通；所述氢气缓冲罐(3)的第一氢气出口为所述造气系统的氢气出口，第二氢气出口与氢气储罐(13)连通。
6.根据权利要求4的储存和释放电能的系统，其特征在于，所述电解锰盐溶液-锰金属-锰稀酸反应制氢系统包括变压及整流装置(1)、锰盐溶液电解槽(17)和锰稀酸反应装置(18)；所述变压及整流装置(1)设置有电流输入端和电流输出端，所述电流输出端与所述锰盐溶液电解槽(17)的电流输入端电力连接；所述锰盐溶液电解槽(17)的金属锰出口与所述锰稀酸反应装置(18)的金属锰入口连通，锰盐溶液入口与所述锰稀酸反应装置(18)的锰盐溶液出口连通，入水口与所述气体分离系统(7)的冷凝水出口连通；所述锰稀酸反应装置(18)的氢气出口与氢气缓冲罐(3)的氢气入口连通；所述氢气缓冲罐(3)的第一氢气出口为所述造气系统的氢气出口，第二氢气出口与氢气储罐(13)连通。
7.根据权利要求1的储存和释放电能的系统，其特征在于，所述甲烷化反应系统包括串联和/或并联的2-4台甲烷化反应器。
8.根据权利要求7的储存和释放电能的系统，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。
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| Date | Code | Title | Description |
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| GR01 | Patent grant |