一种甲烷化反应系统、发电厂调峰系统及发电厂的制作方法

本发明涉及电力能源技术领域，更具体地说，涉及一种甲烷化反应系统，此外还包括一种包括上述甲烷化反应系统的发电厂调峰系统及发电厂。

背景技术：

近年来，在中国三北地区电力市场容量富裕，燃机、抽水蓄能等可调峰电源稀缺，电网调峰与火电机组灵活性之间矛盾突出，电网消纳风电、光电、水电及核电等新能源的能力不足，因此，弃风、弃光、弃水和弃核现象严重。

现有技术中，热电联产机组“以热定电”方式运行，调峰能力仅为10％左右。调峰困难已经成为电网运行中最为突出的问题。目前国内火电灵活性调峰改造均针对冬季供热机组，而如何调整夏季调峰是摆在众多火电厂面前的一个难题，为了满足电网调峰需求，以及电厂在激烈竞争中的生存需要，深度调峰势在必行。

综上所述，如何避免发电厂调峰能源的浪费，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种甲烷化反应系统，该系统能够利用发电厂的调峰结余电量，显著提升环保节能效应。

此外，本发明的另一目的是提供一种包括上述甲烷化反应系统的发电厂调峰系统和发电厂，由于设置了上述甲烷化反应系统，能够合理消耗电能或排放的二氧化碳，实现能源的整合。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种甲烷化反应系统，包括：

电解制氢装置，其连接到发电厂供电装置，用于接收发电厂供电装置输出的调峰结余电量以制备氢；

二氧化碳提供源，用于提供二氧化碳；

甲烷化反应设备，其连接到所述电解制氢装置和所述二氧化碳提供源，用于以氢和二氧化碳为原料制备甲烷。

优选地，所述电解制氢装置通过氢收集净化装置连接到所述甲烷化反应设备；和/或，所述电解制氢装置的氢输出管路连接到氢贮存装置。

优选地，所述电解制氢装置的氢输出管路与氢贮存装置的连接管路上设有收集控制阀，用于连通和关闭该连接管路。

优选地，所述电解制氢装置的氧排出口连接到发电厂的锅炉，以向所述锅炉提供纯氧。

优选地，所述二氧化碳提供源包括：

发电厂的二氧化碳捕捉系统，所述二氧化碳捕捉系统用于连接发电厂的锅炉的烟气排出管路，以收集所述锅炉排出烟气中的二氧化碳；

和/或液体二氧化碳源、和/或固体二氧化碳源。

优选地，所述电解制氢装置包括碱性水溶液电解制氢装置和/或固体聚合物电解制氢装置。

优选地，所述电解制氢装置的水源管路连接水处理车间的纯净水制备装置；和/或，所述电解制氢装置的冷却水供应管路连接所述锅炉的汽轮机凝结水管路；和/或，所述电解制氢装置的冷却水排出管路连接电厂除氧器。

优选地，所述电解制氢装置包括高温固体氧化物电解水制氢装置。

优选地，所述高温固体氧化物电解水制氢装置的水蒸汽进入口通过电过热器连接所述锅炉的主蒸汽排出口。

优选地，所述甲烷化反应设备包括：

用于甲烷化反应的第一高压反应罐，所述第一高压反应罐设有原料输入管路，所述第一高压反应罐的输出管路通过用于加压的高压废锅连接第二高压反应罐；

用于甲烷化反应的第二高压反应罐，所述第二高压反应罐通过另一高压废锅连接第三高压反应罐；

第三高压反应罐，设有甲烷输出管路。

优选地，还包括：

第一过热器，设置在所述第一高压反应罐的输出管路上，将所述第一高压反应罐的排出气体的热能进行交换回收；

锅炉水预热器，设置在所述第三高压反应罐的出口或与所述出口连接的高压废锅的气体出口，用于将第三高压反应罐的输出的过热气体、水蒸气与锅炉给水进行换热。

优选地，所述第一过热器连接发电厂的锅炉的汽轮机，以便为所述汽轮机提供热能；和/或

所述锅炉水预热器的液体输入端连接锅炉给水，液体输出端锅炉汽包连接所述第一过热器。

优选地，所述第三高压反应罐通过锅炉水预热器后的气体管路连接气液分离器，气液分离器上设有天然气收集管路和/或冷凝水收集管路。

优选地，所述冷凝水收集管路连接电解制氢装置的水源管路，用于为所述电解制氢装置提供冷凝水。

优选地，所述甲烷化反应设备的甲烷输出管路连接天然气管网、天然气储存设备、和/或所述发电厂的锅炉的燃烧器。

一种发电厂调峰系统，包括发电厂供电装置，还包括上述任意一项所述的甲烷化反应系统，所述甲烷化反应系统的所述电解制氢装置与所述发电厂供电装置连接，以获得调峰结余电量。

优选地，所述发电厂供电装置包括发电机输出电网和连接所述发电机输出电网的逆变器，所述逆变器连接所述电解制氢装置。

优选地，还包括：

电厂集控中心，用于控制调峰结余电量，所述电厂集控中心与所述发电厂供电装置、电网调度中心连接；

电网调度中心，用于根据区域内实时发电和调峰负荷需求情况向所述电厂集控中心发送调峰负荷指令，所述电厂集控中心根据所述调峰负荷指令控制调整所述调峰结余电量。

一种发电厂，包括上述任意一项所述的甲烷化反应系统和/或上述任意一项所述的发电厂调峰系统。

本发明提供的甲烷化反应系统可直接消耗发电厂的调峰结余电量，间接利用了弃风弃光弃水弃核电力，缓解了电网平衡和峰谷差问题，延长了发电厂设备的使用寿命。由于将调峰结余电量进行制氢操作，并最终制成甲烷，实现了电能的变相储存。

本发明将电解制氢、氢与二氧化碳反应制取甲烷相结合，实现了利用电厂调峰结余电量，从节能的源头和能源的利用方便，为实现环保节能的工业生产提供了强大的支撑。

在本发明一个优选的实施方式中，通过利用锅炉排烟中的二氧化碳作为甲烷化的重要原料，实现了电厂排放二氧化碳的回收，不但可以减排二氧化碳，而且可以生成甲烷或其他燃料，以便实现自用或通入天然气管网，实现电厂对废气二氧化碳的循环应用，整体减少了电厂的碳排放强度。

本发明还提供了一种包括上述甲烷化反应系统的发电厂调峰系统以及一种包括上述甲烷化反应系统的发电厂。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的甲烷化反应系统的结构示意图；

图2为本发明所提供的甲烷化反应设备的结构示意图。

图1-2中：

1为电解制氢装置、101为碱性水溶液电解制氢装置、102为固体聚合物电解制氢装置、103为高温固体氧化物电解水制氢装置；

2为二氧化碳捕捉系统、3为锅炉、4为甲烷化反应设备、5为氢收集净化装置、6为发电厂供电装置、7为纯净水制备装置、8为除氧器、9为高温加热器、10为汽轮机、11为低温加热器、12为电网及电厂调峰控制平台、13为发电机；

401为第一高压反应罐、402为第二高压反应罐、403为第三高压反应罐、411为第一过热器、404为锅炉汽包、405为锅炉水预热器；

601为逆变器、602为电过热器；

121为电网调度中心、122为电厂集控中心。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种甲烷化反应系统，该系统能够利用发电厂的调峰结余电量，显著提升环保节能效应。

请参考图1至图2，图1为本发明所提供的甲烷化反应系统的结构示意图；图2为本发明所提供的甲烷化反应设备的结构示意图。

本发明所提供的一种甲烷化反应系统，该系统主要包括：电解制氢装置1、用于提供二氧化碳的二氧化碳提供源和甲烷化反应设备4。

其中，电解制氢装置1是以发电厂的调峰结余电量为电源制取氢的装置，可选的，电解制氢装置1可以与发电厂供电装置6连接，用以通过获取发电厂供电装置6在调峰过程中的调峰结余电量进行电解制氢操作，从而获得氢。需要说明的是，发电厂可以为火电厂等类型的发电厂。

甲烷化反应设备4是以氢和二氧化碳为原料制备甲烷的设备，甲烷化反应设备4，其连接到电解制氢装置1和二氧化碳提供源，用于以氢和二氧化碳为原料制备甲烷。可选的一种连接方式中，甲烷化反应设备4的原料输入管路连接电解制氢装置1的氢输出管路、二氧化碳提供源的二氧化碳输出管路，甲烷化反应设备4的甲烷输出管路连接天然气管网、和/或天然气储存设备、和/或发电厂的锅炉3燃料室。

需要说明的是，氢气是气体氢和液态氢的统称，本申请中提到的氢、二氧化碳均可以为气态、液态、气液混合态或者其他形态，并不限定二者的物理形态，本申请统称为氢气和二氧化碳，本申请中提到的电解制氢装置1的作用是生成氢，可以气态氢气，也可以为液态氢，或者为其他形式的氢能源。相适应的，用于输送氢的管路可以用于输送气体或液体，或者其他输送结构。二氧化碳提供源的作用是提供二氧化碳，可以为其他二氧化碳气体，也可以为液态或其他形态的二氧化碳。相适应的，用于输送二氧化碳的管路可以用于输送气体或液体，或者其他输送结构。

以现有技术为基础，甲烷化反应设备4可以通过二氧化碳和氢、以催化剂和高温高压为条件，反应制得甲烷或以甲烷为主的可燃性气体，本发明以电解制氢装置1制得的氢和二氧化碳为反应原料，进行甲烷化操作，因而能够得到大量的甲烷天然气产品，甲烷天然气产品可以直接用于锅炉燃烧供能，或者可以方便的进行储存，相比起电能而言，甲烷具有易储存性。

本发明提供的发电厂调峰系统可直接消耗电厂的调峰结余电量，间接利用了弃风弃光弃水弃核电力，缓解了电网平衡和峰谷差问题，延长了电厂设备的使用寿命。由于将调峰结余电量进行制氢操作，并最终制成甲烷，实现了电能的变相储存，实现了能源的稳定储存和有效利用。本发明将电解制氢技术、氢与二氧化碳反应制取甲烷等可燃气体技术相结合，实现了利用电厂调峰结余电量，间接利用弃风弃光电力，生产氢气和甲烷等气体燃料，为实现环保节能的工业生产提供了强大的支撑。

可选的，上述发电厂供电装置6的供电作用可以通过电网及电厂调峰控制平台12控制，根据电网区域内弃风弃光情况，结合电网对发电厂的调峰负荷要求，在低谷电时段大量给电解制氢装置1供电。

在上述实施例的基础之上，电解制氢装置1的氢输出管路通过氢收集净化装置5连接甲烷化反应设备4的原料输送管路；和/或，电解制氢装置1的氢输出管路连接用于储备能源的氢贮存装置。

可选的，电解制氢装置1制得液态或其他形态氢时，上述氢气输出管路、氢收集净化装置5等对应进行其他形态的氢的输送和收集。

可选的，氢输出管路与氢贮存装置的连接管路上设有收集控制阀，用于连通和关闭该连接管路。

可选的，电解制氢装置1设有用于连接锅炉3以提供纯氧的氧气排出口，也就是说，电解制氢装置1的氧排出口连接到发电厂的锅炉3，以向锅炉3提供纯氧。可选的，上述氧排出口可以排出可以输出氧气或液态氧。

需要说明的是，本实施例中采用收集和利用并行的方式有效地处理氢，使制得的氢具有两种用途，一方面通过净化处理进入甲烷化反应设备4，参与进行甲烷化操作；另一方面，通过氢贮存装置实现氢气或液态氢的贮存，由于氢气或液态氢相比于电能而言，具有较好的储存能力，储存更加稳定、不易流失。

本发明利用电解制氢工艺，实现了电能的变相储存，氢能作为未来能源，不但存储方便，而且其燃烧后无污染和任何碳排放，电能制氢并储存能保障电厂能量的保存。

在上述任意一个实施例的基础之上，二氧化碳提供源包括二氧化碳捕捉系统2，二氧化碳捕捉系统2用于连接发电厂锅炉3，收集锅炉3排出烟气中二氧化碳，二氧化碳捕捉系统2设有用于与锅炉3的烟气排出管路连通的接口。当然，二氧化碳提供源还可以包括液体二氧化碳源和/或固体二氧化碳源。

二氧化碳捕捉系统2用于收集锅炉3排出烟气中的二氧化碳，二氧化碳捕捉系统2与锅炉3的烟气排出管路连通；锅炉3的烟气排出管路通常产生废气二氧化碳等，其排放量是锅炉厂需要控制的环保排放指标之一。

更重要的是，本发明通过利用锅炉排烟中的二氧化碳作为甲烷化的重要原料，实现了电厂排放二氧化碳的回收，不但可以减排二氧化碳，而且可以生成甲烷或其他燃料，以便实现自用或通入天然气管网。

在上述任意一个实施例的基础之上，二氧化碳捕捉系统2的二氧化碳输出管路上设有二氧化碳提纯系统。通过二氧化碳的提纯处理能够保证甲烷化设备的充分反应以及甲烷制取的纯度。

可选的，本申请中的电解制氢装置1可以为碱性水溶液电解制氢装置101，或者可以为现有技术中其他进行制氢的装置，例如固体聚合物电解制氢装置102或高温固体氧化物电解水制氢装置103等。

在上述任意一个实施例的基础之上，电解制氢装置1包括碱性水溶液电解制氢装置101和/或固体聚合物电解制氢装置102。需要说明的是，请参考图1，其中，碱性水溶液电解制氢装置101和固体聚合物电解制氢装置102均可以通过发电厂供电装置6或发电厂供电装置6的逆变器601进行供电。可以同时存在碱性水溶液电解制氢装置101和固体聚合物电解制氢装置102，或仅包括其中一种，具体设置可以根据实际情况进行调整，制得氢后提供给氢收集净化装置5后可用于收集或提供给甲烷化反应装置4。

在上述任意一个实施例的基础之上，电解制氢装置1的水源管路通过补水泵连接水处理车间的纯净水制备装置7；和/或，电解制氢装置1的冷却水供应管路连接锅炉3的汽轮机凝结水管路，利用汽轮机凝结水管路中的凝结水作为电解制氢装置1的冷却水，电解制氢装置1的冷却水排出管路连接电厂除氧器，利用电解制氢装置1中升温后的冷却水给锅炉循环利用；和/或，电解制氢装置1的氧排出口可以直接连接锅炉3，为锅炉3提供纯氧。

需要说明的是，本实施例中共包括三个实施方式，电解制氢装置1可以利用电厂化学水处理车间中通过纯净水制备装置形成的水源，电解制氢装置1可以以锅炉3的汽轮机10的凝结水作为冷却水供应源，并循环利用。

另外，电解制氢装置1的产品除了氢还包括氧气，制得的氧气还可以对锅炉进行供氧，可实现电厂的碳中和运行以及保证充分的富氧燃烧。当然，需要将氧气中可能存在的水蒸气进行去除。本实施例共提供了三种实施方式，这三种方式可以相互组合，可以同时设置，也可以仅包括其中一种或两种。可选的，电解制氢装置1的水源供应也可以通过水箱或其他设备提供。

在上述任意一个实施例的基础之上，电解制氢装置1包括高温固体氧化物电解水制氢装置103，高温固体氧化物电解水制氢装置103的水蒸气进汽口通过电过热器602连接锅炉3的主蒸汽排出口。

需要说明的是，请参考图1，其中高温固体氧化物电解水制氢装置103通过发电厂供电装置6或逆变器601供电，可选的，高温水蒸汽可以由锅炉3的主蒸汽提供，具体地，其水蒸气进汽口通过电过热器602连接锅炉3的主蒸汽排出口，电加热器可用于将锅炉3的主蒸汽进行加热，通常可选择加热到800摄氏度以上形成高温蒸汽，并通入高温固体氧化物电解水制氢装置103中。连接关系中电解制氢装置1的高温水蒸汽管路连接锅炉3的主蒸汽，再经过电过热器602过热到800度以上后，再进入高温固体氧化物电解水制氢槽。

可选的，可以对上述三种电解质氢装置进行组合设置，本发明所提供的实施例中至少包括四种不同的电解制氢装置，其中，高温固体氧化物电解水制氢装置103可与碱性水溶液电解制氢装置101或固体聚合物电解制氢装置102同时设置在电厂系统里，也可以仅包括其中一个或两个。

在上述任意一个实施例的基础之上，甲烷化反应设备4包括：第一高压反应罐401、第二高压反应罐402和第三高压反应罐403。

其中，第一高压反应罐401、第二高压反应罐402和第三高压反应罐403均用于进行甲烷化反应，第一高压反应罐401设有甲烷化反应设备4的原料输入管路，原料输入管路获得氢和二氧化碳后输送到第一高压反应罐401中进行甲烷化反应，第一高压反应罐401的出气管路通过用于加压的高压废锅连接第二高压反应罐402。第二高压反应罐402通过另一个高压废锅连接第三高压反应罐403，第三高压反应罐403设有甲烷输出管路。

需要说明的是，上述三级高压反应罐均为高温高压的反应罐，其中可以设置促使甲烷化反应的催化剂。另外，三级高压反应罐的压力可以按照阶梯等级设置，逐级增大压力、温度。

在上述实施例的基础之上，第一高压反应罐401的输出管路设有第一过热器411，设置在第一高压反应罐401的输出管路上，将第一高压反应罐401的排出气体的热能进行交换回收。

在上述实施例的基础之上，还包括锅炉水预热器405，请参考图2，锅炉水预热器405设置在第三高压反应罐403的出口处或者设置在第三高压反应罐403出口连接的高压废锅的气体出口处，用于将第三高压反应罐403的输出的过热气体、水蒸气与锅炉给水进行换热。

可选的，第一过热器411连接锅炉3的汽轮机10，以便为汽轮机10提供热能。

可选的，锅炉水预热器405的液体输入端连接锅炉给水，锅炉水预热器405的液体输出端通过锅炉汽包404连接第一过热器411。

需要说明的是，第一高压反应罐401为高温高压炉，其排出的甲烷气体或水蒸气具有较高的热能和压力能，这些能量可以被用作锅炉结构上。本实施例在第一高压反应罐401设有第一过热器411，第一过热器411用于将第一高压反应罐401的排出气体的热能进行交换回收。进一步地，该第一过热器411获得的热能以过热蒸汽的形式通往锅炉3的汽轮机10，汽轮机10可通过该过热蒸汽进行做功，上述装置实现了第一高压反应罐401出口处的能源的节约再利用。

可选的，第二高压反应罐402和第三高压反应罐403处也可以设置相应的能源回收装置，以便对反应罐出口的能源加以利用。

在上述实施例的基础之上，第二高压反应罐402的压力大于第一高压反应罐401的压力，且小于第三高压反应罐403的压力。和/或，第二高压反应罐402为至少两个高压反应罐串联连接的高压反应罐组。

需要说明的是，上述第二高压反应罐402可以与第一高压反应罐401、第三高压反应罐403分别形成阶梯压力，以便通过不断的加压实现对反应原料的充分利用。另外，第二高压反应罐402可以为不止一个反应罐，也就是说，甲烷化反应设备4共包括至少三个反应罐。可选的，上述甲烷化反应设备4的反应罐的设置可以根据具体使用情况进行调整。

在上述任意一个实施例的基础之上，第三高压反应罐403通过锅炉水预热器405后的气体管路连接气液分离器，气液分离器上设有天然气产品收集管路和/或冷凝水收集管路。

可选的，冷凝水收集管路连接电解制氢装置1的水源管路，以便作为水源将冷凝水用于电解制氢装置1中，该设置较大程度的实现了能源的节约利用。

在上述任意一个实施例的基础之上，甲烷化反应设备4的甲烷输出管路连接天然气管网、天然气储存设备、和/或发电厂的锅炉3的燃烧器。

本发明所提供的发电厂调峰系统通过耦合常规发电厂、制氢装置和甲烷化反应设备4，将电厂的凝结水加热，给水加热和主蒸汽的产生与制氢和甲烷生产工艺流程相结合，实现了余热回收和能源梯级利用，极大地提升了发电厂的能源利用，不仅节约了有效的电能，可以通过存储或制甲烷加以利用，并且将锅炉产生的二氧化碳进行有效的利用，降低了发电厂的二氧化碳排放量，具有极大的环保节能的科技意义。

除了上述各个实施例所提供的甲烷化反应系统的主要结构，该甲烷化反应系统的其他各部分的结构请参考现有技术，本文不再赘述。

此外，本发明还提供了一种包括上述甲烷化反应系统的发电厂调峰系统，该系统包括发电厂供电装置6，还包括上述任意一个实施例所提供的甲烷化反应系统，甲烷化反应系统的电解制氢装置1与发电厂供电装置6连接，以获得调峰结余电量。

在一个具体的实施例中，发电厂供电装置6包括发电机输出电网和连接发电机输出电网的逆变器601，逆变器601连接电解制氢装置1。

可选的，请参考图1，发电机输出电网可以具体为发电机13。

锅炉3的汽轮机10连接发电机13，发电机作为发电机厂的主要设备，在调峰过程中是电能的源头。逆变器601可将发电机的电能输送给电解制氢装置1进行电解操作。

在一个具体的实施例中，还包括用于控制调峰结余电量的电厂集控中心122，发电厂供电装置6可以与电厂集控中心连接，电厂集控中心122与电网调度中心121连接，电网调度中心121根据区域内实时发电和调峰负荷需求情况向电厂集控中心122发送调峰负荷指令，电厂集控中心122根据调峰负荷指令控制调整调峰结余电量。

可选的，上述系统中包括电网及电厂调峰控制平台12，该平台包括电网调度中心121和电厂集控中心122，电网调度中心121根据区域内风电光伏的实时发电和调峰负荷需求情况，向电厂集控中心122下达电网调峰指令、调峰负荷，电厂集控中心122通过控制连接于发电机13和逆变器601之间的电开关电路，控制逆变器601将发电机13的直流电转化成交流电，并用做电解制氢装置1的电源。特别是在强风和高弃风弃光时段，向电解制氢装置1供电，间接将不稳定的风电光伏发电转化为可储存的氢能或甲烷气。

此外，发电厂的锅炉3的烟气排出口作为甲烷化反应系统的二氧化碳提供源，为甲烷化反应提供二氧化碳，从而实现锅炉的二氧化碳的回收再利用。

此外，本发明还提供了一种发电厂，该发电厂包括上述各个实施例中所提供的甲烷化反应系统，或者包括上述发电厂调峰系统，上述发电厂的其他结构特征可以参考现有技术，此处不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的甲烷化反应系统、发电厂调峰系统及发电厂进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。