一种利用合成甲醇废气制取甲醇的储能系统及方法与流程

1.本发明属于储能技术领域和废气利用领域，特别涉及一种利用合成甲醇废气制取甲醇的储能系统及方法。


背景技术：

2.风能具有清洁、取之不尽用之不竭等特点，但是存在时间分布不均问题，风能在利用时一般都需要使用储能等技术。在我国西北地区和东部沿海，风能资源丰富，但是为了稳定的利用风能，需要对火电机组等进行调峰或者进行电池储能。现有技术中机械类储能和电磁储能的能量密度较低，具有一定的自放电损耗，不能长期储存，且投资成本高，应用场合具有一定的局限性。传统的化学储能
3.因此，如果能够开发出一种化学储能，可以将风能转化为化学能储存在储能物质中，会对风能的利用带来巨大变化。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种利用合成甲醇废气制取甲醇的储能系统及方法，将风能和合成甲醇的废气等转化为甲醇，通过这一化学储能的方式对能量进行存储，能量密度高，能长期储存且用途广泛。
5.本发明是通过以下技术方案来实现：
6.一种利用合成甲醇废气制取甲醇的储能系统，包括电解槽2、甲醇反应器a6、脱碳塔7、甲醇反应器b8、分离装置9、废热锅炉11、透平12；
7.所述电解槽2的氢气出口与甲醇反应器a6的反应端入口相连通，电解槽2的氧气出口与废热锅炉11的炉侧入口相连通；
8.所述脱碳塔7的输入端接入合成甲醇废气，二氧化碳输出端连接甲醇反应器a6的反应端入口，脱碳混合气出口依次连接甲醇反应器b8和分离装置9；所述分离装置9的分离气出口与甲醇反应器b8的入口连接，甲醇出口输出甲醇；所述在分离装置9的分离气出口与甲醇反应器b8的入口的管路上设有驰放气的输送管道，用于连接废热锅炉11的炉侧入口；
9.所述甲醇反应器a6的吸热端出口与废热锅炉11的锅侧入口相连通，废热锅炉11的锅侧出口经透平12做功后连接甲醇反应器a6的吸热端入口，形成循环储能回路。
10.优选的，电解槽2的氢气出口设有氢气储罐3，电解槽2的氧气出口设有氧气储罐10，所述氧气储罐10的出口与废热锅炉11的炉侧入口相连通，所述氢气储罐3的出口与甲醇反应器a6的反应端入口相连通混合器4是入口相连通。
11.优选的，氢气储罐3和甲醇反应器a6间依次还设有混合器4和压缩机5，所述脱碳塔7的二氧化碳输出端经混合器4和压缩机5连接甲醇反应器a6的反应端入口。
12.优选的，透平12与压缩机5的动力输出端通过联轴器联动。
13.优选的，电解槽的供电端连接风能发电装置1的电能输出端。
14.优选的，甲醇反应器a6为管壳式结构，壳程为吸热端，管程为反应端。
15.优选的，透平12和甲醇反应器a6的吸热端入口之间依次连接设置回热器13的热侧、预冷器14、二氧化碳压缩机15、回热器13的冷侧；所述透平12的动力端与二氧化碳压缩机15的动力端通过联轴器联动。
16.一种利用合成甲醇废气制取甲醇的储能方法，包括以下步骤；
17.电能供电解槽2中的水电解生成的氢气和氧气，水电解后生成的氢气与脱碳塔7中分离出的二氧化碳混合，进入甲醇反应器a6的反应端，在催化剂的作用下合成甲醇；水电解后生成的氧气与驰放气混合后在废热锅炉11中燃烧，加热废热锅炉11中的二氧化碳工质；
18.合成甲醇废气在脱碳塔7分离出二氧化碳后的脱碳混合气，进入甲醇反应器b8，反应后生成的产物在分离装置9中分离得到甲醇，分离后的分离气体返回甲醇反应器b8中，其中一部分分离气作为驰放气送入废热锅炉11中燃烧；
19.二氧化碳工质在透平12中做功后再进入甲醇反应器a6的壳程吸热，继续进入废热锅炉11中进一步吸热，二氧化碳工质完成储能循环。
20.优选的，二氧化碳工质在透平12中做功后，在回热器13热侧与冷测的低温二氧化碳工质发生热交换后，进入预冷器14中与循环水继续进行热交换降温，再通过二氧化碳压缩机15加压后进入回热器13冷测中与高温的二氧化碳工质进行热交换后，再进入甲醇反应器a6的壳程吸热，继续进入废热锅炉11中进一步吸热，二氧化碳工质完成储能循环。
21.优选的，当风能充足时，风能发电装置1持续发电，电解槽2电解产生氢气能力大于甲醇反应器a6的处理氢气的能力，部分过剩的氢气储存在氢气储罐3中；
22.当风能不足时，电解槽2电解产生氢气能力小于甲醇反应器a6的处理氢气的能力，利用氢气储罐3中储存的过剩的氢气，维持甲醇反应器a6的正常工作。
23.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
24.本发明所述的利用合成甲醇废气制取甲醇的储能系统在具体工作时，本发明通过在电解槽入口处设置有风能发电装置，通过风能产生的电能提供系统电解水的转化氢气和氧气所需的电能，从而实现将风能进行有效的储存；将风能产生的电能通过电解水转化为氢气和氧气的化学能，从而获得了氢气，利用氢气和合成甲醇废气中的二氧化碳作为能量的载体，并进一步通过合成甲醇反应，将能量储存在甲醇中，通过化学能获得是能量密度高、稳定性强，可以长期储存、用途广泛。同时，本发明还利用了合成甲醇工艺中的驰放气，在废热锅炉中与氧气混合后燃烧，生成是二氧化碳工质在中做功，热交换后，有效的扩充了存储的能量，实现了废气的有效利用。
25.进一步，本发明设置透平与二氧化碳压缩机通过联轴器联动，设置透平与压缩机通过联轴器联动，这种联接方式为二氧化碳工质做功，提供了充足的动力，提高了储能效果。
26.进一步，本发明通过利用脱碳塔中分离出的二氧化碳，在一定程度上实现了二氧化碳的有效利用；
27.进一步，本发明通过设置在电解槽的氢气出口设有氢气储罐，在电解槽的氧气出口设有氧气储罐。可在风能充足时，风能发电装置持续发电，电解槽电解产生氢气能力大于反应器的处理氢气的能力，部分过剩的氢气储存在氢气储罐中。在风能不足时，电解槽电解产生氢气能力小于反应器的处理氢气的能力，可以利用氢气储罐中储存的过剩的氢气，维持反应器的正常工作，有效的解决了风能在时间上分布不均匀的问题，使系统不间歇的持
续储能，存储能量更大，密度更高。
附图说明
28.图1为本发明合成甲醇废气制取甲醇的储能的系统示意图；
29.图中：风能发电装置1，电解槽2，氢气储罐3，混合器4，压缩机5，甲醇反应器a 6，脱碳塔7，甲醇反应器b 8，分离装置9，氧气储罐10，废热锅炉11，透平12，回热器13，预冷器14，二氧化碳压缩机15。
具体实施方式
30.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
31.本发明为一种利用合成甲醇废气制取甲醇的储能系统，如图1所示，包括风能发电装置1，电解槽2，氢气储罐3，混合器4，压缩机5，甲醇反应器a 6，脱碳塔7，甲醇反应器b 8，分离装置9，氧气储罐10，废热锅炉11，透平12，回热器13，预冷器14，二氧化碳压缩机15。
32.如图1所示，电解槽2的氢气出口与甲醇反应器a6的反应端管程入口相连通，电解槽2的氧气出口与废热锅炉11的炉侧入口相连通；
33.所述脱碳塔7的输入端接入合成甲醇废气，二氧化碳输出端连接甲醇反应器a6的反应端管程入口，脱碳混合气出口依次连接甲醇反应器b8和分离装置9；所述分离装置9的分离气出口与甲醇反应器b8的入口连接，甲醇出口输出甲醇；所述在分离装置9的分离气出口与甲醇反应器b8的入口的管路上设有驰放气的输送管道，用于连接废热锅炉11的炉侧入口；
34.所述甲醇反应器a6的吸热端壳程出口与废热锅炉11的锅侧入口相连通，废热锅炉11的锅侧出口经透平12做功后连接甲醇反应器a6的吸热端壳程入口，形成循环储能回路。
35.在电解槽2的氢气出口设有氢气储罐3，在电解槽2的氧气出口设有氧气储罐10，所述氧气储罐10的出口与废热锅炉11的炉侧入口相连通，所述氢气储罐3的出口与甲醇反应器a6的反应端管程入口相连通混合器4是入口相连通。
36.在氢气储罐3和甲醇反应器a6间依次还设有混合器4和压缩机5，所述脱碳塔7的二氧化碳输出端经混合器4和压缩机5连接甲醇反应器a6的反应端管程入口。
37.在电解槽的供电端连接风能发电装置1的电能输出端。
38.甲醇反应器a6为管壳式结构，壳程为吸热端，管程为反应端。
39.透平12和甲醇反应器a6的吸热端壳程入口之间依次连接设置回热器13的热侧、预冷器14、二氧化碳压缩机15、回热器13的冷侧；所述透平12的动力端与二氧化碳压缩机15的动力端通过联轴器联动，为气体的加压提供充足的动力
40.优选的，所述反应器6a管程中装载有合成甲醇催化剂，可促进甲醇的有效合成。
41.优选的，所述透平12与压缩机5通过联轴器联动，为气体的加压提供充足的动力
42.优选的，所述脱碳塔7采用低温甲醇洗工艺，可以净化装置去除合成甲醇废气中的杂质酸性气体。
43.一种利用合成甲醇废气制取甲醇的储能方法，包括以下步骤；
44.电能供电解槽2中的水电解生成的氢气和氧气，水电解后生成的氢气与脱碳塔7中
分离出的二氧化碳混合，进入甲醇反应器a6的反应端管程中，在催化剂的作用下合成甲醇；水电解后生成的氧气与驰放气混合后在废热锅炉11中燃烧，加热废热锅炉11中的二氧化碳工质；
45.合成甲醇废气在脱碳塔7分离出二氧化碳后的脱碳混合气，进入甲醇反应器b8，反应后生成的产物在分离装置9中分离得到甲醇，分离后的分离气体返回甲醇反应器b8中，其中一部分分离气作为驰放气送入废热锅炉11中燃烧；
46.二氧化碳工质在透平12中做功后再进入甲醇反应器a6的反应端壳程吸热，继续进入废热锅炉11中进一步吸热，二氧化碳工质完成储能循环。
47.二氧化碳工质在透平12中做功后，在回热器13热侧与冷测的低温二氧化碳工质发生热交换后，进入预冷器14中与循环水继续进行热交换降温，再通过二氧化碳压缩机15加压后进入回热器13冷测中与高温的二氧化碳工质进行热交换后，再进入甲醇反应器a6的反应端壳程吸热，继续进入废热锅炉11中进一步吸热，二氧化碳工质完成储能循环。
48.当风能充足时，风能发电装置1持续发电，电解槽2电解产生氢气能力大于甲醇反应器a6的处理氢气的能力，部分过剩的氢气储存在氢气储罐3中；
49.所述当风能不足时，电解槽2电解产生氢气能力小于甲醇反应器a6的处理氢气的能力，利用氢气储罐3中储存的过剩的氢气，维持甲醇反应器a6的正常工作。
50.优选的一种利用合成甲醇废气制取甲醇的储能方法，具体为包括以下步骤：
51.风能发电装置1发出的电力，进入电解槽2，电解槽2中的水电解后生成的氢气进入氢气储罐3，进行存储，氢气储罐3中的一部分氢气进入混合器4。合成甲醇废气进入脱碳塔7，分离出的二氧化碳进入混合器4，氢气和二氧化碳在混合器4中按3:1的摩尔比混合后，进入压缩机5进行加压，加压后进入反应器6a的管程，在250-300℃、8-10mpa的条件下，在合成甲醇催化剂的作用下生成甲醇。
52.进入脱碳塔7的合成甲醇废气的组分有一氧化碳、氢气和二氧化碳，合成甲醇废气在脱碳塔7中分离出二氧化碳后，进入甲醇反应器b8，反应后生成的产物进入分离装置9，分离出的气体返回甲醇反应器b8入口，为防止副反应生成的杂质气体甲烷等和惰性气体的累计，会有一部分驰放气，驰放气中含有一氧化碳和氢气等可燃组分，这部分驰放气送入废热锅炉11的炉侧。
53.电解槽2中的水电解后生成的氧气进入氧气储罐10，氧气储罐10中的氧气进入废热锅炉11的炉侧，驰放气中的可燃组分与氧气混合后燃烧，加热废热锅炉11锅侧的二氧化碳工质到约600℃进一步，加热后的二氧化碳工质进入透平12中做功，透平12通过联轴器拖动压缩机5、二氧化碳压缩机15转动，为气体的加压提供动力，做功后的二氧化碳入回热器13的热侧，与低温的二氧化碳工质热交换后，进入预冷器14的热侧，再与循环水进行热交换，进一步降温，之后进入二氧化碳压缩机15加压，加压后的二氧化碳进入回热器13的冷侧，与高温的二氧化碳工质热交换后，进入甲醇反应器a6的壳程吸热，吸热后的二氧化碳进入废热锅炉11的锅侧进一步吸热，二氧化碳工质完成循环。
54.进一步，在风能充足时，风能发电装置1持续发电，电解槽2电解产生氢气能力大于甲醇反应器a6的处理氢气的能力，部分过剩的氢气储存在氢气储罐3中。
55.进一步，在风能不足时，电解槽2电解产生氢气能力小于甲醇反应器a6的处理氢气的能力，可以利用氢气储罐3中储存的过剩的氢气，维持甲醇反应器a6的正常工作。
56.化学储能基于化学反应，通过反应物和生成物的化学键的断裂重组实现能量的存储。通过化学反应生成储能物质后，尤其是液态的储能物质，本发明具有能量密度高和能够长期储存的特点，适合将风能转化后进行储存。
57.需要指出的是，上述实施例只为说明本发明的技术构思和特点，具体的实施方法，如甲醇反应器a6的操作条件、脱碳塔7的工艺等等仍可进行修改和改进，但都不会由此而背离权利要求书中所规定的本发明的范围和基本精神。