TW201433631A - 用於實施耗熱程序的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種用於實施耗熱程序的方法，其中該耗熱程序一年平均所需之總能量源自至少兩種不同能源，其中該等能源中之一者為功率在所需總功率之0至100%範圍內變化的電能源，且三種不同能量模式可個別提供該耗熱程序所需之總功率：(i)僅電能，(ii)電能與至少一種其他非電能源之混合模式或(iii)僅非電能，其中完成自一種能量模式變成另一能量模式之轉換時間不超過30分鐘。

Description

用於實施耗熱程序的方法
本發明係關於一種用於實施耗熱程序的方法，其中有效利用具有時間依賴型輸出之電能。
由於化石能源載體之成本提高且市場調節措施使基於可再生能源之發電的技術在經濟上具有吸引力，故可再生能源在整個發電中之比例(2011年在德國已為20%)將在隨後幾年內顯著增加，且此狀況將保持。與進一步技術發展相關之特定資金成本的降低亦將對此有促進作用。問題在於太陽、風及水之可用性隨時間推移不恆定，另外，其可用性難以預測。
自二十世紀八十年代以來，儲存且從而利用可再生能源之問題即成為討論之主題。儘管使用可再生能源，但為能夠為能量使用者(例如化學工業)提供恆定電壓之電功率，能量供應者尤其考慮以下內容：US 4,776,171描述一種能量產生及管理系統，其由複數個可再生能源及複數個能量儲存源以及複數個控制站及配電站組成以滿足工業需求。在US 4,776,171中，未使用習知能源且因此未描述電能源與非電能源之組合。
同樣，US 2011/0081586描述一種可再生能源與電化學或電解電池之組合，其中該電化學或電解電池可補償可再生能源之波動，從而使後者可持續使用。因此未揭示電能源與非電能源之組合。
儘管US 2008/0303348揭示僅基於可再生能源之發電站，但 其使需求依賴型控制成為可能。US 2008/0303348描述風能、太陽能及源自生質燃燒之能源的組合。據說明，該發電站可在三種能源之間平穩且自然地變化以在任何時間廉價覆蓋各別需求。然而，問題在於僅可再生能源是否可覆蓋例如全年化學高溫程序之需求。
亦考慮在化學程序中直接利用太陽能而不預先在發電站中 使太陽能波動變平穩。US 4,668,494描述一種利用太陽能製備氨之程序，其藉由使烴蒸汽重組或使含碳燃料氣化且使產物與氨合成氣體反應以及將氨合成氣體轉化成氨來進行。使烴蒸汽重組或使含碳燃料氣化所要之熱由熱傳送流體提供；當太陽能可用時，首先由太陽能加熱熱傳送流體，隨後隨太陽能之功率變化藉由燃燒氨之一部分來提供所要熱之總量。據說明，在太陽能輸入達最大之一天中間時段，氨燃燒器在最低可能燃燒率下操作。 此外，據說明，儘管太陽能理論上可覆蓋氨合成之全部能量需求，但停機及重啟氨燃燒器完全不可行。
與先前技術相比，US 4,668,494中所述程序之優點為節省用 於均衡太陽能波動之發電站。此外，將反應室與熱源去耦為有利的。此外，靈活使用各種熱源及整個程序之簡單可調節性為有利的。除上述不可在可接受時間內使氨燃燒器停止運轉及再啟動外，缺點在於使用熱傳送流體時與其相關之昂貴處理及尤其在高溫範圍內產生之熱輸送阻力所造成之損耗。此外，US 4,668,494中所述之程序具有以下缺點：在無太陽輻射時，必須燃燒目標產物氨以保持整個程序運轉。舉例而言，在曼海姆(Mannheim)(德國第八大陽光充足城市)，US 4,668,494之程序的重組器經太陽能加熱至約18%之程度；此對應於需要燃燒約35%所產生之氨。
在不久之將來，因向電力網引入愈來愈高比例之來自太陽、 風及水之可再生能源所產生的功率尖峰將甚至更頻繁地出現，且僅可被功 率消費者不完全接受，因此在功率市場上作為過剩功率以遠低於發電成本或以能量含量計以低於具有相同焦耳(joule)值之化石燃料的價格或零價格(亦即不考慮)或甚至以負價格提供。
為防止產生電壓及頻率波動或甚至電力網故障，必須使饋送 至電力網之功率量始終對應於電流消耗，因為否則連接於電力網之電負載可被破壞。目前，短期功率波動藉助於作為電力網操作者之系統服務之一部分的尖峰負載發電站補償。
適合尖峰負載發電站例如為抽水或壓縮空氣儲能發電站。此 等發電站可在發電與功率消耗之間迅速調節且可在數分鐘內變化以將可用過剩電能轉化成另一形式之能量。在抽水儲能發電站之情況下，自較低位準抽水至較高位準以用於此目的，而在壓縮空氣儲能之情況下，藉助於壓縮機提高所蓄空氣之壓力。此能量減去轉化損耗可在功率需求超過來自基本負載及中間負載之當前功率產生時再次用於功率產生。壓縮空氣儲能具有以下優點：其可在延長時段吸收功率且可在極短時間內向電力網再次釋放多份其所吸收之功率。舉例而言，可在週末夜間吸收功率，且此能量可在週間晚高峰1至2小時內以多份所吸收功率之形式釋放。然而，由於僅在少數位置必要地理及地質先決條件以及官方批准為適當的，故僅可獲得有限數目及有限容量之此類發電站。此外，壓縮空氣儲能發電站具有約40%至50%之相對低效率。
在德國，可再生能源法保證可再生能源生產者優先輸入電力 網。因此，例如，當所有快速可用功率儲存可能性已滿載且中等負載發電站之負載降低過於遲滯時，短暫高發之風可過度供給功率。在此情況下，在功率市場上，過剩功率以極低、有時甚至負價格提供。此意謂有時賣方支付給獲得該功率之買方。2012年，在歐洲能源交易所(European Energy Exchange)EEX之單日市場上，最低價格為約200€/MWh。相比之下，例 如當大型發電站關閉時，亦可出現極高價格。因此，2012年，在EEX現貨市場上，最高價格為約550€/MWh。
儘管已採取所有電力網最佳化及電力網擴展措施，但仍存在 不可避免地下調可再生發電廠之情況，因為超容量或缺乏輸送容量且此必須由電力網中存在下調原因之電力網業者來支付。2010年，127GWh受此等輸入管理措施影響，且必須支付約10,000,000€作為補償(聯邦電力網管理局(federal grid agency)2011年監測報導)。
將具有不同速度之調節電路用於電網中之頻率調節：一級調 節具有小於30s之反應時間，二級調節具有小於7.5分鐘之反應時間，且最後三級調節允許更長反應時間。一級及二級調節自動觸發且直接作用於運轉發電站之操作狀態。三級調節(或分鐘備用)：一般由組織措施來啟動。 分鐘反應可為正(在功率需求增加之情況下)或負(在功率需求降低之情況下)的。正分鐘備用通常藉由開啟備用發電站來啟動。負分鐘備用需要能量消費者。根據目前先進技術，抽水儲能發電站以及大型發電站中之容量變化及耦合電熱廠以及最終消費者(例如電弧爐或冷凍庫)係用於此目的。然而，其容量在不同區域分配不均(參見IDOS報導)。另外，可設想由於可再生能源之擴展，負分鐘備用之需求將增加。2010年，由四位德國電力網業者號召之負分鐘備用總計為約850GWh(參見IDOS報導，圖1)。 此大約對應於具有200 000居民之城市的平均年功耗。
上述問題可藉由充分利用可迅速充電及放電之能量儲存器來克服。然而，目前所審查之儲存技術(例如電池、飛輪、電容器、高溫儲存器)迄今為止尚未在市場上確立，因為首先，特定資金成本過高，且其次，尚未解決諸如自發性放電或不令人滿意之低容量的技術問題。
目前廣受討論之用於利用及/或儲存過剩功率之另一技術基於電解水以產生氫氣，該氫氣隨後可儲存且在不同時間轉化回功率或由化 學路徑進一步處理。舉例而言，目前正集中研究使藉由電解獲得之氫氣與二氧化碳反應以產生合成天然氣。然而，上述過剩功率可用性之波動迫使產生短暫模式之電解操作，從而引起相應強烈波動之產物流。
電功率為目前主要用於在必須在極高溫度水準下引入大熱 流量時不經催化之氣體/固體反應及固態反應的較佳能源。典型應用為冶金爐[Ullmann：Metallurgical Furnaces]。作為唯一相應氣相程序，用於自甲烷製造乙炔之電漿程序[Baumann,Angewandte Chemie,B版，第20卷(1948)，第257頁-第259頁，1948]及鋼鐵工業中用於製造還原氣體之程序已在工業上確立。儘管該文獻含有在氣相程序中使用電能源之另外指示，但至今尚不能自該等電能源開發出可以工業規模經濟使用之應用。
已描述使用電加熱之程序自烷烴、尤其自甲烷及氨製備氫氰 酸(HCN)。專利說明書US 2,958,584揭示在由碳粒子構成之電加熱流體化床中自丙烷及氨製備HCN，而US 6,096,173描述使用電暈放電使甲烷與氨進行氣相反應來製備氫氰酸。
專利申請案DE 1 266 273揭示烴分解成氫氣及焦炭，其中該 焦炭具有高純度及高強度。反應區加熱藉由使用描述為移動床或流體化床之碳床作為電阻進行電阻加熱實現。此外，描述藉由以逆流輸送固體流及氣流之熱整合。
此外，已研究使用電漿產生器製備合成氣體(37 L.Kerker,R. Müller：「Das Plasmareforming-Verfahren zur Erzeugung von Reductionsgasen」Stahl Eisen 104,(1984)第22號，1137)，且已描述使用電程序或電磁程序分解烴(Häussinger,P.,Lohmüller,R.及Watson,A.M.2000.Hydrogen,2.Production.Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry)。因此，可藉助於電功率進行感應(DE 2 420 579)或電阻產熱，且將熱傳送至烴(DE 1 266 273)。諸如專利申請案WO 93/12030中所揭示之電漿程序為尤其有效，其中氣體在電弧中 藉由使其原子或分子遊離而轉化成電漿。藉由電子及離子重組所產生之熱提供烴分解所必須之能量。
一些重要耗熱程序為高溫程序，亦即在500℃至2500℃範圍 之溫度下實施之程序。作為此等能量極密集型程序之代表，可提及蒸汽重組及乾燥重組；去氫，例如使一級醇去氫形成醛，使二級醇去氫形成酮，使烷烴去氫形成烯烴且環烷烴去氫形成環烯烴；由甲烷及氨製備氫氰酸；製備一氧化氮，使烴裂解或高溫分解及使水熱解。蒸汽重組及乾燥重組為用於由含碳之能源載體(諸如天然氣、石油、甲醇、生物沼氣或生質以及水或二氧化碳)製備合成氣體(即一氧化碳與氫氣之混合物)之程序。
在工業規模上，此等程序連續進行且因此需要不斷供應熱。 此等程序之過程熱需求估計為500TWh至600TWh。目前，上述高溫程序僅使用由氧化程序(自熱及/或異熱)供應之能源實施。此等氧化程序之缺點已充分知曉，亦即首先原材料依賴性及原材料之有限可用性，及其次與氧化程序有關之CO2排放(2010年在德國，CO2排放為約九億六千萬公噸CO2等效物，其中化學工業促成約5%)。
儘管達成高溫程序中之高溫的費用為該等程序之經濟核算 中的關鍵因素，但先前技術未提及使用廉價之過剩功率，尤其電能源與非電能源之組合。此外，未指出可在高溫程序之過程期間在電能源與非電能源之間進行變化。
因此本發明之一目的為提供一種方法，藉助於該方法可利用 僅可獲得具有隨時間有效波動之輸出(亦即具有高程度之效率)的電功率作為能源。本發明之另一目的為在負分鐘備用用於調節電網中之頻率的情況下提供化學程序作為能量使用者。本發明之另一目的為提供具有低CO2足跡且因此能節約化石燃料或CO2證明之化學高溫程序。
根據本發明，此等所述目的藉由連續實施耗熱程序之方法達 成，該耗熱程序藉由該耗熱程序一年平均所需之總能量實施，該總能量源自至少兩種不同能源，其中該等能源中之一者為功率在所需總功率之0至100%範圍內變化的電能源，且三種不同能量模式可個別提供耗熱程序所需之總功率：(i)僅電能，(ii)電能與至少一種其他非電能源之混合模式或(iii)僅非電能，其中完成自一種能量模式變成另一能量模式之轉換時間不超過30分鐘。
可用於耗熱程序之總功率宜偏離耗熱程序給定之規定值小 於10%、較佳小於5%且尤其較佳小於3%。可用功率較佳偏離規定值0至5%、尤其0至3%。
規定值與容許偏差在例如耗熱程序僅以部分負載操作或操 作亦過載之時間時可隨時間變化，或規定值與容許偏差可保持恆定。可操作用於實施耗熱程序之裝置的標稱功率較佳選為規定值，且在正常操作該等裝置期間保持恆定。
至少一種非電能源較佳由諸如天然氣燃燒之氧化程序供 應。然而，亦可設想使用地熱或太陽能供應能源。此外，高溫程序可藉由將其廢熱引入耗熱程序中而充當非電能源。
因此，本發明使得耗熱程序始終可在最佳操作條件下宜以過 剩功率形式操作而與瞬時可用電功率無關。詳言之，可將過剩功率用於耗熱程序而無中間儲存，亦即近似無損耗，其中效率宜大於90%，較佳大於95%，尤其大於98%，亦即宜在95%至100%、較佳98%至100%範圍內，從而利用其成本優點而無大量限制。因此，具有來自可再生能源之波動功率的能量可直接(亦即無需在發電站中進行預先平穩/補償)用於化學程序中。
過剩功率定義為功率市場上顯著低於生產成本或以能量含量計以低於具有相同焦耳值之化石燃料的價格或零價格(亦即不考慮)或 甚至以負價格提供之功率。
根據本發明，耗熱程序宜為吸熱性高溫程序，較佳為在反應 區中之能量消耗大於0.5MW/m3、尤其較佳大於1MW/m3、尤其大於2MW/m3的程序。舉例而言，反應區中之能量消耗可在0.5MW/m3至10MW/m3範圍內。
出於本發明之目的，術語反應區(reaction zone)指反應器 中內溫性(亦即反應之熱需求)宜超過10kW/m3、較佳100kW/m3、尤其500kW/m3之區域。此區域近似對應於反應器中具有高於500℃之溫度之區域。
反應區中之最大溫度宜大於500℃，較佳大於800℃。舉例 而言，反應區中之溫度在500℃至2500℃範圍內，較佳為700℃至1800℃，例如在去氫反應之情況下為500℃至800℃，例如在重組反應之情況下為700℃至1000℃，例如在蒸汽裂解反應之情況下為800℃至1100℃，例如在熱解反應之情況下為800℃至1500℃，例如在碳氣化反應之情況下為800℃至1200℃。
吸熱性高溫程序之能量消耗的實例展示於表1中。
實施本發明方法之可用能損耗較佳小於所引入電能之60%，更佳小於50%，尤其較佳小於40%，尤其小於25%。可用能為系統中 可轉化成機械能而熵不增加之內能的比例。電能實際上均為可用能。
本發明方法尤其較佳用於製備合成氣體、氫氣、苯乙烯、丙烯、丁烯及/或苯、乙炔、一氧化碳、氫氰酸、一氧化氮及用於煅燒氫氧化鋁。較佳為如下程序：蒸汽重組及乾燥重組、水熱解、乙苯去氫形成苯乙烯、丙烷去氫形成丙烯、丁烷去氫形成丁烯及/或環己烷去氫形成苯、在固定床或流體化床程序中使烴熱解及裂解(尤其甲烷、乙烷、丙烷及/或丁烷熱解)及熱解製備乙炔、由甲烷製備苯、二氧化碳還原成一氧化碳及由甲烷及氨製備氫氰酸以及由氮氣及氧氣製備一氧化氮。
本發明之高溫程序宜在組合位點進行能量整合；與分別操作之高溫程序相比，能量整合使所用熱效率可有利地提高絕對2%，較佳提高絕對3%，極尤其較佳提高絕對5%，尤其提高絕對10%。
本發明方法宜連續或偽連續實施。
平均一年，較佳所用電能之至少50%、尤其較佳至少75%、甚至更佳至少90%且尤其至少95%由過剩功率及/或夜間功率(其中夜間功率被定義為在夜間供應之電能，例如在22時至6時，且具有低費率)提供，較佳由過剩功率提供。
平均一年，較佳所用電能之50%至100%、尤其較佳75%至100%、甚至更佳90%至100%且尤其95%至100%由過剩功率提供。然而，尤其較佳經由電引入程序中之所有能量均由過剩功率及/或夜間功率提供，較佳由過剩功率提供。
平均一年，耗熱程序所需之總能量的至少10%較佳自具有波動功率之電能源獲得，尤其較佳至少15%，極尤其較佳至少20%且尤其至少25%自具有波動功率之電能源獲得。
當實施耗熱程序時，宜進行能源/能量模式變化。出於本發明之目的，能源/能量模式之變化為能源中之一者的開啟或關閉，亦即模式 (i)、(ii)及(iii)之間能源混合模式之變化。
能源變化宜對實施耗熱程序幾乎無不利影響。
在轉換時間期間，供應至程序之熱流量宜減少或波動不超過10%，較佳不超過5%且尤其不超過1%。
出於本發明之目的，轉換時間為完成能源/能量模式之變化(自一種能量模式變成另一種能量模式)的時間。轉換時間可例如藉助於所有能源之功率總和或藉助於反應區中之溫度量度；在轉換時間外(且視情況在程序之運轉或停止運轉外)，例如在以連續模式操作耗熱程序之情況下，反應區中之溫度較佳為恆定的，或例如在以週期性模式操作耗熱程序之情況下，具有週期性溫度水準。
在轉換時間期間，反應區中之溫度宜變化不超過20K，較佳不超過10K，尤其較佳不超過5K，尤其不超過1K。典型化學高溫程序之溫度變化具有1K/s之動態。
在轉換時間期間，耗熱程序之轉化宜變化不超過2%，較佳不超過1%，尤其較佳不超過0.5%，尤其不超過0.2%。
轉換時間宜短於電力網中分鐘備用所需之反應時間，較佳短於二級調節所需之反應時間(<7.5分鐘)且尤其較佳短於一級調節所需之反應時間(<30秒)。
轉換時間宜短於15分鐘，較佳短於7.5分鐘，尤其較佳短於5分鐘，更尤其較佳短於60秒，尤其短於30秒。轉換時間宜在0秒至15分鐘範圍內，較佳為0.2秒至7.5分鐘，尤其較佳為0.5秒至5分鐘，更尤其較佳為1秒至60秒，尤其為1秒至30秒。
舉例而言，先前技術中常用之燃燒器的功率可在數秒內在視情況「關閉(off)」至達到例如2000℃之溫度的廣泛範圍內變化(參見例如Selas-Linde之產品範圍)。
在能量模式變化期間，高溫程序之副產物選擇性宜僅極小變 化；副產物選擇性較佳增加不超過1%，較佳不超過0.5%，尤其不超過0.2%(絕對)。
反應器中尤其反應區中之溫度分佈宜為恆定的而與上述三 種能量模式無關。在能量模式變化期間，熱通量變化較佳小於10%，較佳小於5%，尤其小於2%。
起始物質組成物宜為恆定的而與上述三種能量模式無關。在 能量模式變化期間，起始物質之體積流量變化較佳小於20%，較佳小於10%，尤其較佳小於5%，尤其小於2%。
為經由電功率提供用於耗熱程序之熱能，可遵循多種路徑。 此處可提及之實例為感應或電阻法、電漿程序、藉由導電加熱元件/接觸區或藉助於微波加熱。
向程序流中引入熱能可例如在反應器外部在實施耗熱程序 步驟之部分中實施，例如進料預加熱，及/或在反應器內部，在反應區外部與內部實施。
舉例而言，可藉助於用於處理程序流之一或多個導電加熱元 件中之電流產生熱，亦即使傳熱介質(其中傳熱介質亦可為產物流之一部分)或進料流直接接觸從而進行加熱。若傳熱介質或進料流藉由與電加熱式加熱元件直接接觸加熱，則其隨後可藉由直接接觸及/或經由熱交換器向另一程序流傳熱。
傳熱介質宜能與產物及起始物質完全分離。對於各別耗熱程序，相較於自先前技術已知之程序流，傳熱介質宜不為另一材料。較佳為包含以下之程序流：烴，尤其甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、環己烷及/或乙苯、水、氫氣、二氧化碳、一氧化碳、氨及/或氧氣及/或諸如氮氣之惰性氣體。尤其較佳為包含甲烷、乙烯及/或氫氣之程序流。詳言之，氫氣較佳作為程 序流。
為產生熱，宜使電功率穿過組態為加熱導體之加熱元件，其中熱以電阻法產生。若電流為交變電流，則宜可藉助於此產生交變磁場，為此目的使電流穿過感應線圈。與感應線圈電絕緣之導電加熱元件宜經排列以使得其中可藉由交變磁場感應產生渦電流且由於歐姆損耗而對加熱元件加熱。
在本發明之一替代性具體實例中，使用電功率藉由部分游離將氣體程序流之至少一部分轉化成電漿。電子及離子重組時所釋放之能量大部分傳送至氣體原子或分子以便產生經加熱程序流，其自身為經加熱進料流及/或用作傳熱介質，其熱隨後藉由直接接觸及/或經由熱交換器傳送至耗熱程序中之進料流，例如待分解之烴。宜經由電漿產生器輸送氣體程序流之至少一部分，其中向電漿產生器中引入冷氣流且自其輸出經加熱氣流。穿過電漿產生器之子流的大小由待傳送之熱的數量決定。
當以能量模式(ii)實施本發明方法時，使用自功率隨時間波動之電能源獲得之熱能例如產生經加熱程序流，視情況傳熱介質，其具有恆定流速且溫度隨時間隨瞬時可用於加熱之電功率而波動。作為替代方案，可調節程序流(視情況傳熱介質)之流速以使得程序流(視情況傳熱介質)之溫度至少在廣泛範圍內與可用於使其加熱之電功率無關。
當實施本發明方法時，較佳為來自在第一加熱步驟中供應至程序流之電能源的熱能。若電能源之瞬時功率不足，則進一步在至少一個第二加熱步驟之下游藉由引入來自至少一種非電能源之熱能使程序流之溫度增加至所需值。程序流之加熱亦可逆序進行，亦即首先藉助於來自至少一種非電能源之熱能預加熱程序流，隨後藉助於電產生之熱使程序流達所需溫度。
作為兩種或兩種以上能源串聯連接之替代方案，此等能源亦 可並聯連接，其中兩種或兩種以上程序流與熱能同時供應。
當以電能源與氧化程序組合方式使用電漿產生器時，應避免煙道氣污染電漿燃燒器。因此，程序流宜首先藉助於電漿產生器(預)加熱，隨後藉由氧化程序使程序流達所需溫度。作為替代方案，同時操作電漿產生器與氧化程序。
若使用熱能經氧化產生之非電能源實施本發明方法，則此較佳藉由完全或部分燃燒燃料(諸如氫氣、天然氣、煤或另一含烴能源載體)實現。此處所形成之熱煙道氣之熱隨後藉由直接接觸及/或經由熱交換器傳送至起始物質，例如傳送至待分解之烴及/或傳熱介質。
或者，使用包含可氧化組分(諸如氫氣或烴，較佳甲烷)之氣體(例如使用天然氣，其中視天然氣來源而定天然氣之甲烷含量典型地在75mol%至99mol%範圍內)作為程序流以使得可藉由可氧化組分之氧化較佳在電預加熱後增加其熱含量。為此目的，宜將程序流引入燃燒器中且在其中與氧化劑(為空氣或富氧空氣或純氧氣)混合。在數量調節下引入氧化劑，其中在燃燒器下游設定之程序流溫度用作調節變數。因此程序流之溫度可設定成預定值且尤其保持恆定而基本上與瞬時可用於其加熱之電功率無關。
若在加熱元件中藉助於具有功率隨時間波動之電流產生熱，則宜將此等加熱元件安置在作為燃燒器中之煙道氣產生的熱氣體程序流中。
若耗熱程序為烴熱解，則宜將烴加熱至高於其分解溫度以達成熱力平衡，亦即反應區中之滯留時間足夠長以確保達到熱力平衡，以使其分解成氫氣及碳。然而，亦可使高於分解溫度之時間如此短以無法建立熱力平衡。此操作產生不僅包含氫氣及碳而且包含不飽和烴化合物及芳族物以及未反應飽和烴(諸如甲烷及/或乙烷)的產物氣流。
在本發明之一替代性具體實例中，宜在反應區中加熱程序 流。舉例而言，可將電阻桿及加熱散熱管排列在反應區中。散熱管較佳與復熱或再生式燃燒器組合(J.A.Wünning,J.G.Wünning：Regeneratorbrenner für Strahlheizrohre.Deutscher Flammentag,Berlin,2007)。向燃燒器供應燃料宜經由故障參數連接以使得在電能源之功率變化之情況下反應區中之溫度可保持在規定值的方式調節。在此組態中，程序流與氧化燃燒之煙道氣分離。熱經由散熱管壁間接傳送。以此方式，藉由組合電加熱與氧化加熱可有效防止污染程序流。舉例而言，電加熱散熱管及氧化加熱散熱管可交替排列在反應空間內。
以編號DE102011106645.8在德國專利商標局(German Patent and Trade Mark Office)申請之專利申請案(其內容以引用的方式全部併入本專利申請案中)描述一種用於分解烴之程序，其中待分解之烴經由排列在顆粒材料之床中的高溫區域輸送，且熱分解成氫氣及碳。顆粒材料宜由包含金屬、陶瓷、碳及/或焦炭、較佳碳含量在50重量%至100重量%範圍內之碳及/或焦炭之粒子構成。此程序之具體實例提供分解所需之能量，該能量藉助於電功率及/或氧化方法提供。由於此類烴分解似乎尤其適用於根據本發明方法實施，故建議電功率以過剩功率形式供應，且其隨時間之功率波動由熱能補償，該熱能隨時間變化之功率藉由氧化方法產生且可以使可用於烴分解之總功率始終對應於規定值或接近後者的方式用於烴分解。
對於例如100kg氫氣，本發明程序中之CO2排放宜小於6.6kg CO2/kg H2，較佳小於6.4kg CO2/kg H2，尤其小於6.2kg CO2/kg H2。
與使用氧化能源之先前技術的類似程序相比，本發明程序中之CO2排放有利地減少10%至20%。
本發明方法使得高溫程序可用作電網中頻率調節之負分鐘備用。由於本發明方法，此等高溫程序可迅速開啟且亦可帶走500TWh至 600TWh之大量能量。連續操作此等程序，則其可連續用於接受例如夜間功率之過剩功率。
高溫程序尤其極適合於利用電能，因為電能轉化成熱僅產生 少量可用能損耗。轉化成熱使可用能之一部分無效。在本發明之情況下，在吸熱性高溫程序中，此比例隨散熱片之溫度水準升高而降低。由於此等程序基本上在組合位點進行能量整合，故最大技術可能比例之產物蒸汽內能可例如以高壓蒸汽形式再轉化成可用能。
因此，本發明使得高溫程序(例如烴分解)可始終在最佳操 作條件下實施而與特定時間之可用電能無關。詳言之，可使用廉價過剩功率而無需在發電站中使用中間儲存或進行預先平穩/補償，從而利用其成本優點而無大量限制。此外，本發明允許連續操作，其中儘管在兩種或兩種以上不同能源之間變化，但例如(分解)產物仍以隨時間恆定之量及組成產生。
藉由使用本發明方法所提供之優點將藉助於兩個實施例說明：2010年，在德國，由於超容量而有127GWh電能不能由可再生能源產生；此外，由四位德國電力網業者所開發之負分鐘備用總計約850GWh。藉助於此能量藉由甲烷熱解可產生約100 000公噸氫氣(效率約為66%)。在習知加熱程序中，在假定比能成本為8€/GJ時，對於此能量數量將產生約25,000,000€成本。
在氫氣生產速率為20 000標準m3/h之工廠的情況下，甲烷熱分解所使用之功率需求為約15MW。目前，能量之總數量總計為約12GWh的過剩功率每年可用約800小時而基本上無需成本。若藉由甲烷燃燒產生相同數量之能量，在假定8€/GJ時，此情況將產生約350 000€之成本。由於過剩功率之可用性提高，故預期將來節約潛力將顯著提高。
此外，將藉助於圖1中示意性描繪之實施例說明本發明。
圖1展示本發明方法的變型，其中在排列於含碳顆粒材料之 床中的高溫區域中，甲烷分解成氫氣及碳。
在環境溫度、宜0℃至300℃、較佳10℃至150℃、尤其50℃ 至100℃下，經由進料管道1將含碳顆粒材料(例如碎焦炭)自上方引入反應空間R中，接著使其在重力作用下在移動床W中穿過反應空間R向下輸送。同時將含甲烷氣體2(例如天然氣)自下方引入反應空間R中，且逆流穿過移動床W向上輸送。環境溫度、宜0℃至100℃、較佳10℃至50℃下之氣體2在進入反應空間R時在其向上途中藉由與移動床W直接熱交換而加熱。在溫度大體上高於1000℃之高溫區域H中，甲烷分解成氫氣及碳，其中碳主要沈積在移動床W之含碳粒子上。所形成之熱氫氣再次向上流動且藉由與移動床W直接熱交換而冷卻，以使得溫度不顯著高於環境溫度、宜50℃至800℃、較佳100℃至500℃之含氫氣氣體可經由管線3輸出。在分離器件T中，氫氣之一部分4與含氫氣氣體3分離且隨後以恆定流速引入用於引入電能之裝置(例如電漿產生器P)中，在此處對其進行加熱以形成傳熱介質5。使用以隨時間波動之功率供應之過剩功率9操作電漿產生器P。傳熱介質5之溫度隨過剩電功率9之瞬時功率在最小值與最大值之間波動。為將傳熱介質之溫度設定成預定之規定值，在數量調節下經由燃燒器B將氧化劑10(氧氣、空氣或富氧空氣)饋入傳熱介質5中。在燃燒器B下游之傳熱介質11的溫度作為調節變數。隨後將傳熱介質11引入高溫區域H中，在此處傳熱介質提供分解甲烷所需之能量。在反應空間R之下端，在實際環境溫度、宜10℃至400℃、較佳20℃至200℃下輸出顆粒材料6；由於碳沈積物，此顆粒材料6可用作為例如鼓風爐焦炭或焦化廠添加物。藉由在分離器件S中篩分及/或分類將顆粒材料6中因為具有過大(<80mm)或不可接受之小直徑(<35mm)或例如具有過低強度(根據ISO/FDIS 18894：2003鼓風爐焦炭之轉鼓強度I40>40%)而不滿足品質要求之組分分離出，且在經可能性粉碎後，經由管線7再循環至反應空間R中。剩餘物8為作為高價值產物傳遞之鼓風爐焦炭。
1‧‧‧進料管道
10‧‧‧氧化劑
11‧‧‧傳熱介質
2‧‧‧含甲烷氣體
3‧‧‧管線/含氫氣氣體
4‧‧‧氫氣之一部分
5‧‧‧傳熱介質
6‧‧‧顆粒材料
7‧‧‧管線
8‧‧‧剩餘物
9‧‧‧過剩功率
B‧‧‧燃燒器
H‧‧‧高溫區域
P‧‧‧電漿產生器
R‧‧‧反應空間
S‧‧‧分離器件
T‧‧‧分離器件
W‧‧‧移動床

Claims (13)

  1. 一種用於實施耗熱程序的方法，其中該耗熱程序一年平均所需之總能量源自至少兩種不同能源，其中該等能源中之一者為功率在該所需總功率之0至100%範圍內變化的電能源，且三種可個別提供該耗熱程序所需之總功率的不同能量模式：(i)僅電能，(ii)電能與至少一種其他非電能源之混合模式或(iii)僅非電能，其中完成自一種能量模式變成另一能量模式之轉換時間不超過30分鐘。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中功率在該所需總功率之0至100%範圍內變化之該電能源的效率大於90%。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之方法，其中該所用電能之至少75%由過剩功率及/或夜間功率提供。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之方法，其中，平均一年，該耗熱程序所需之該總能量的至少10%自具有波動功率輸出之該電能源獲取。
  5. 如申請專利範圍第1項或第4項之方法，其中一或多個程序流藉助於該電功率加熱，該等程序流之熱隨後用於該耗熱程序。
  6. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之方法，其中在該轉換時間期間，供應至該耗熱程序之熱流量波動不超過10%。
  7. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項之方法，其中該轉換時間不超過7.5分鐘。
  8. 如申請專利範圍第1項至第7項中任一項之方法，其中該高溫程序之反應區中的能量消耗大於0.5MW/m3。
  9. 如申請專利範圍第1項至第8項中任一項之方法，其中在該等能源變化期間，該等高溫程序之副產物選擇性最大增加1%。
  10. 如申請專利範圍第1項至第9項中任一項之方法，其中在至少一種 非電能源中熱能經氧化產生。
  11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中電加熱散熱管及氧化加熱散熱管交替排列在該高溫程序之該反應區中。
  12. 如申請專利範圍第1項至第11項中任一項之方法，其中該轉換時間不超過60秒。
  13. 如申請專利範圍第1項至第11項中任一項之方法，其中該耗熱程序為蒸汽重組及乾燥重組、水熱解、乙苯去氫形成苯乙烯、丙烷去氫形成丙烯、丁烷去氫形成丁烯及/或環己烷去氫形成苯、使烴熱解及裂解，熱解製備乙炔、由甲烷製備苯、二氧化碳還原成一氧化碳、由甲烷及氨製備氫氰酸及/或由氮氣及氧氣製備一氧化氮。
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