一種基于非并網風電的二氧化碳循環(huán)利用的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于非并網風電的二氧化碳循環(huán)利用的方法，屬于二氧化碳循環(huán)利用領域。
【背景技術】
[0002]工業(yè)革命以來，由于化石燃料的大規(guī)模利用，導致了大氣中的二氧化碳含量快速上升，造成了地球上碳循環(huán)的破壞。大氣中二氧化碳含量由工業(yè)革命前的約280ppm增加到今天的接近400ppm，隨著全球工業(yè)化的進行，大氣中二氧化碳含量還將會繼續(xù)增加。全球碳計劃組織的年度分析報告顯示，2012年二氧化碳的排放量達到了創(chuàng)記錄的350億噸，比衡量溫室氣體排放水平的基準年1990年高出58%。
[0003]大氣中二氧化碳排放量增加是造成地球氣候變暖的根源，伴隨著氣候變暖，造成冰川融化、氣象災害(厄爾尼諾、干旱、洪澇、高溫天氣等頻發(fā))，進而影響人類、動植物生存環(huán)境。隨著世界對溫室氣體危害認識的增加，《聯(lián)合國氣候變化框架公約》于1992年5月在紐約聯(lián)合國總部通過；1997年，《京都議定書》達成，使溫室氣體減排成為發(fā)達國家的法律義務。
[0004]近些年隨著我國經濟的快速發(fā)展，我國二氧化碳總排放量已經超過美國，成為世界第一大二氧化碳排放國，二氧化碳的減排成為中國經濟發(fā)展面臨的又一難題。
[0005]減少二氧化碳排放量可以通過增加核能、水能、風能、太陽能等新能源在一次能源消費總量中比例，減少化石能源利用量來達到減排二氧化碳的目的。或者通過物理化學方法實現化石燃料排放廢棄中二氧化碳的收集，提純，回收利用或者埋藏的方法來實現二氧化碳減排。
[0006]專利申請?zhí)?201280027538.0 ( 二氧化碳捕集系統(tǒng))給出一種利用氨吸收方法實現煙氣中二氧化碳的收集和提純方法；專利申請?zhí)?201210497862.0(封存二氧化碳的方法)、專利申請?zhí)?201010108130.9( 二氧化碳的深埋儲存方法)通過深井埋藏的方法實現二氧化碳的貯存。采用深井填埋方法處理二氧化碳盡管減少了二氧化碳的排放量，但是運行成本高，給企業(yè)造成巨大經濟壓力；同時若發(fā)生地質災害，二氧化碳是否會再次流出，也給社會造成許多困擾。
[0007]解決二氧化碳更有利的方法是實現碳循環(huán)，二氧化碳是化石燃料燃燒生成物，二氧化碳通過加氫催化又可以制得甲烷、甲醇等燃料；甲烷、甲醇燃燒又生產二氧化碳，捕集后在進行加氫反應，如此循環(huán)往復，實現真正意義的碳循環(huán)。二氧化碳合成甲烷反應如下:
[0008]C02+4H2—CH 4+2Η20 Δ H298k=—252.9kJ/moI
[0009]二氧化碳合成甲醇反應如下:
[0010]co2+3H2— CH 30Η+Η20 Δ H298 = _49.0kJ/mol
[0011]二氧化碳加氫催化的又一個問題是氫氣來源，目前大規(guī)模制氫方法有煤炭氣化制氫、天然氣、石油裂解制氫，這兩種方法制得氫氣后會額外增加二氧化碳排放，并不能實現碳循環(huán)。而利用可再生能源發(fā)電制氫，如核能、風能、太陽能等方法制氫過程中沒有二氧化碳排放，可以實現真正意義上的碳循環(huán)。
[0012]在沒有足夠的調峰機組情況下，風場的不穩(wěn)定性使得風電在電網的貢獻率不可能超過10%，并且由于風電并網需要將風電調整到與電網一致的電壓、周率、波形、相序，還要調整有功和無功功率，達到電網最基本的并網需求，復雜控制系統(tǒng)使得風電機組成本增加。而風電電解水對風電質量要求低很多，相比較并網風電設備，非并網風電機組成本大大降低，風電利用率也得到極大提高。
[0013]本發(fā)明提出一種非并網風電與二氧化碳制甲烷的方法，利用非并網風電電解水，制得氫氣和氧氣，氫氣與二氧化碳進入催化反應器反應制得甲烷；副產氧氣可作為富氧燃燒、煤氣化等氧化劑；甲烷化反應放熱量通過熱交換制得蒸汽用于發(fā)電或者壓縮機做功。同時為了提高系統(tǒng)經濟性，系統(tǒng)夜間結合谷電進行電解水。

【發(fā)明內容】

[0014]為了實現二氧化碳循環(huán)利用(二氧化碳減排)，本發(fā)明提出利用非穩(wěn)定風能來電解水制得氫氣，利用氫氣和二氧化碳的催化反應制取甲烷或者甲醇的一種方法，實現低品位能源向高品位能源的轉化。
[0015]為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為:利用非并網風電電解水，產生氫氣和氧氣；氫氣和氧氣分別進入氫氣儲罐和氧氣儲罐；氫氣與二氧化碳進入催化反應器制得甲烷或者甲醇，若制取產物為甲烷，則反應器出口氣體通過除濕獲得以甲烷為主的混合氣，甲烷通過壓縮供給用戶，若制取產物為甲醇，則將甲醇作為工業(yè)原料；催化反應器放熱通過余熱鍋爐進行收集，獲得中壓蒸汽部分用于發(fā)電，部分用于推動壓縮機做功。
[0016]進一步為了提高系統(tǒng)運行負荷，夜間采用谷電進行電解水。
[0017]本發(fā)明實現了風力發(fā)電的高效利用，同時實現了二氧化碳的循環(huán)利用，具有較好的經濟環(huán)境效益。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖
【具體實施方式】
[0019]參照圖1對本發(fā)明的一個實施方式進行說明。
[0020]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖
[0021]參見圖1，以催化反應制取甲烷為例，廠址選在風力資源豐富區(qū)域，風力發(fā)電進入控制器進行簡單調整，為電解水槽提供電能，控制器在谷電時段接通網電，為電解水提供電能，在風電時段切斷與網電連接；電解水產生氫氣和氧氣分別進入氫氣儲罐和氧氣儲罐；氧氣可用作富氧燃燒、煤化工的氧化劑等；氫氣儲罐中氫氣通過流量控制器和來自二氧化碳儲罐的額定流量的二氧化碳進入甲烷反應器進行反應；通過廢熱鍋爐對甲烷化反應熱進行收集，制得中壓過熱蒸汽，蒸汽部分用于發(fā)電，部分用于推動壓縮機做功；若制取產物為甲烷，則反應器出口氣體通過除濕獲得以甲烷為主的混合氣，甲烷通過壓縮供給用戶，若制取產物為甲醇，則將甲醇作為工業(yè)原料提供給用戶使用；。
【主權項】
1.一種基于非并網風電的二氧化碳循環(huán)利用的方法，其特征在于，包括以下步驟: 利用非并網風電與網電互補，通過控制器為電解水提供電源； 電解水制得氧氣(O2)和氫氣(H2)，氧氣(O2)作為富氧燃燒、煤氣化、或者其他工業(yè)用氧源； 氫氣(H2)與二氧化碳(CO2)進入催化反應器進行反應，反應生成甲烷(CH4)或者甲醇(CH3OH)； 通過熱交換器將甲烷化反應放熱進行收集，獲得蒸汽部分用于發(fā)電電解水，部分用于推動壓縮機(壓縮H2、02、CH4)做功； 若催化生成甲烷(CH4),催化反應器出口氣體通過除濕獲得以甲烷(CH4)為主的混合氣體，通過壓縮作為工業(yè)、生活用氣；若催化生成甲醇(CH3OH),可作為工業(yè)原料。
2.根據權利要求1所述一種基于非并網風電的二氧化碳循環(huán)利用的方法，其特征在于:所述控制器在白天峰電時段只采用風電作為電解水電能；而在谷電時段，控制器同時利用風電和谷電為電解水提高電能，提高系統(tǒng)經濟性，同時減小電網調負荷壓力。
3.根據權利要求1所述一種基于非并網風電的二氧化碳循環(huán)利用的方法，其特征在于:電解水制得的HjP O2，分別進入氫氣儲罐和氧氣儲罐，根據甲烷化反應負荷供給氫氣量。
4.根據權利要求1所述一種基于非并網風電的二氧化碳循環(huán)利用的方法，其特征在于:所述二氧化碳(CO2)來源于鍋爐排放煙氣、煤化工分離獲得CO2、富氧燃燒煙氣。
5.根據權利要求1所述一種基于非并網風電的二氧化碳循環(huán)利用的方法，其特征在于:所述電解水裝置也可選用電解氯化鈉溶液，此時電解產物為氫氣、氯氣和氫氧化鈉，產物沒有氧氣。
6.根據權利要求1所述一種基于非并網風電的二氧化碳循環(huán)利用的方法，其特征在于:所述催化反應器裝置根據市場需求既可以是甲烷化反應器，還可以是甲醇合成反應器。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于非并網風電的二氧化碳循環(huán)利用的方法，該方法包括：利用非并網風電與網電互補為電解水提供電源；電解水制得氧氣和氫氣，氧氣作為富氧燃燒、煤氣化、或者其他工業(yè)用氧源；氫氣與CO2進入加氫催化反應器，根據需求反應生成甲烷(CH4)或甲醇(CH3OH)；通過熱交換器將催化反應放熱進行收集，獲得蒸汽部分用于發(fā)電，部分用于推動壓縮機(壓縮H2、O2、CH4)做功；若生產CH4，催化反應器出口氣體通過分離獲得高純度甲烷(CH4)，通過壓縮作為工業(yè)、生活用氣，若催化制產物為甲醇，則甲醇可作為工業(yè)原料。
【IPC分類】C07C29-151, C07C31-04, C07C1-12, C25D1-04, C07C9-04
【公開號】CN104725179
【申請?zhí)枴緾N201510006965
【發(fā)明人】余波, 顧為東
【申請人】江蘇省宏觀經濟研究院
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年1月8日