利用富余电力与沼气联合制生物天然气的电力储能系统的制作方法

本实用新型属于能源综合利用回收利用领域，涉及一种利用富余电力与沼气联合制生物天然气的电力储能系统及方法。

背景技术：

峰谷电价也称“分时电价”。按高峰用电和低谷用电分别计算电费的一种电价制度。高峰用电，一般指用电单位较集中，供电紧张时的用电，如在白天，收费标准较高低谷用电，一般指用电单位较少、供电较充足时的用电，如在夜间，收费标准较低。实行峰谷电价有利于促使用电单位错开用电时间，充分利用设备和能源。

然而，在低谷用电时，有大量富余电力没有得到使用，也不能形成储能。

沼气的主要成分是甲烷。沼气由50％-80％甲烷ch4、20％-40％二氧化碳co2、0％-5％氮气n2、小于1％的氢气h2、小于0.4％的氧气o2与0.1％-3％硫化氢h2s等气体组成。由于沼气含有少量硫化氢，所以略带臭味，其特性与天然气相似。沼气的主要成分甲烷是一种理想的气体燃料，它无色无味，与适量空气混合后即会燃烧，每立方米纯甲烷的发热量为34000千焦，每立方米沼气的发热量约为20800－23600千焦。即1立方米沼气完全燃烧后，能产生相当于0.7千克无烟煤提供的热量。与其它燃气相比，其抗爆性能较好，是一种很好的清洁燃料。

但由于沼气中含有20％-40％的二氧化碳，使其燃烧值降低，另一方面，二氧化碳的存在，使沼气不易储存也不易运输。

如何将沼气进行处理，生产便于运输及使用的天然气，并将低谷电进行充分利用储能，实现削峰填谷，是当前亟需解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对上述问题，提供一种利用富余电力与沼气联合制生物天然气的电力储能系统。

为达到上述目的，本实用新型采用了下列技术方案：

一种利用富余电力与沼气联合制生物天然气的电力储能系统，包括可再生能源发电装置，所述的可再生能源发电装置连接电解水装置，所述的电解水装置连接储氢罐，所述的储氢罐连接燃料电池装置，所述的燃料电池装置连接市政电网，还包括沼气供应装置，所述的沼气供应装置连接沼气净化装置，沼气净化装置连接甲烷化装置，甲烷化装置连接生物天然气储罐，生物天然气储罐分别连接燃料电池装置和天然气管道，储氢罐还连接甲烷化装置。

在上述的用富余电力与沼气联合制生物天然气的电力储能系统中，所述的沼气供应装置包括沼气池，以及连接沼气池的储气柜，所述的储气柜连接沼气净化装置，所述的沼气净化装置通过气体混合器连接甲烷化装置。

在上述的用富余电力与沼气联合制生物天然气的电力储能系统中，所述的沼气净化装置包括连接储气柜的风机，风机连接过滤器，过滤器连接脱硫塔，脱硫塔连接干燥塔，干燥塔连接气体混合器，甲烷化装置通过第一换热器连接气液分离器，气液分离器连接生物天然气储罐和水箱，水箱通过第一换热器连接沼气池，电解水装置连接气体混合器。

在上述的用富余电力与沼气联合制生物天然气的电力储能系统中，所述的第一换热器通过分流器连接沼气池和控温器，所述的控温器连接电解水装置。

在上述的用富余电力与沼气联合制生物天然气的电力储能系统中，所述的沼气净化装置包括连接储气柜的风机，风机连接过滤器，过滤器连接干燥塔，干燥塔连接脱硫塔，脱硫塔连接气体混合器，气体混合器连接甲烷化装置，电解水装置连接气体混合器。

在上述的用富余电力与沼气联合制生物天然气的电力储能系统中，所述的甲烷化装置包括第一甲烷化器和第二甲烷化器，所述的气体混合器连接第一甲烷化器，第一甲烷化器通过第二换热器连接第二甲烷化器，第二甲烷化器连接第一换热器。

在上述的用富余电力与沼气联合制生物天然气的电力储能系统中，所述的第二换热器连接控温器，控温器连接电解水装置。

在上述的用富余电力与沼气联合制生物天然气的电力储能系统中，所述的可再生能源发电装置为水力发电站、风力发电站或太阳能发电站。

与现有的技术相比，本实用新型的优点在于：

1、富余电力通过电解水制氢，沼气加氢甲烷化制备天然气，制取的氢气和一部分天然气通过燃料电池发电，制备的另一部分天然气可以用作其他用途，实现削峰填谷及沼气的综合利用。

2、在生产过程中，将二氧化碳与氢气反应，使其生成甲烷，从而减少了二氧化碳的排放，更符合环保要求。

本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的沼气供应装置、甲烷化装置和电解水装置的连接示意图。

图3是本实用新型的沼气供应装置、甲烷化装置和电解水装置的另一种连接示意图。

图4是本实用新型的沼气供应装置、甲烷化装置和电解水装置的另一种连接示意图。

图中：可再生能源发电装置1、电解水装置2、储氢罐3、燃料电池装置4、市政电网5、沼气供应装置6、沼气净化装置7、甲烷化装置8、生物天然气储罐9、天然气管道10、沼气池11、储气柜12、气体混合器13、风机14、过滤器15、脱硫塔16、干燥塔17、第一换热器18、气液分离器19、水箱20、分流器21、控温器22、第一甲烷化器23、第二甲烷化器24、第二甲烷化器24、第二换热器25。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行进一步说明。

如图1所示，一种利用富余电力与沼气联合制生物天然气的电力储能系统，包括可再生能源发电装置1，所述的可再生能源发电装置1连接电解水装置2，所述的电解水装置2连接储氢罐3，水源100连接电解水装置2，为电解水装置100提供水源，所述的储氢罐3连接燃料电池装置4，所述的燃料电池装置4连接市政电网5，还包括沼气供应装置6，所述的沼气供应装置6连接沼气净化装置7，沼气净化装置7连接甲烷化装置8，甲烷化装置8连接生物天然气储罐9，生物天然气储罐9分别连接燃料电池装置4和天然气管道10，储氢罐3还连接甲烷化装置8。

优选方案，市政电网5连接电解水装置2。

在谷点时，市政电网5的富余电力给电解水装置2供电，电解水装置2产生的氢气储存在储氢罐3中，沼气供应装置6通过沼气净化装置7净化后进入到甲烷化装置8，在甲烷化装置8中，二氧化碳和氢气进行甲烷化反应，生成甲烷为主的生物天然气，储存在生物天然气储罐9中，输入到天然气管道10中。

在峰点时，可再生能源发电装置1发电，电力输送给电解水装置2，电解水装置2产生的氢气储存在储氢罐3中，储氢罐3中的氢气通过燃料电池装置4发电，电能输入到市政电网5中；储氢罐3多余的氢气输入到甲烷化装置8中，沼气供应装置6通过沼气净化装置7净化后进入到甲烷化装置8，在甲烷化装置8中，二氧化碳和氢气进行甲烷化反应，生成甲烷为主的生物天然气，生物天然气输入到天然气管道中。当然，生物天然气也可以输入到燃料电池装置4中，通过燃料电池装置4发电，电能输入到市政电网5中，实现削峰填谷。

本领域技术人员应当理解，本实施例中的电路结构并无特殊，只要能实现电路连接即可。在本实施例中，可再生能源发电装置1为水力发电站、风力发电站或太阳能发电站。电解水装置2可采用市售产品，如高温电解装置、碱性电解槽或聚合物薄膜电解槽。燃料电池装置4可采用市售产品，如氢能燃料电池和甲烷燃料电池，可选用新源动力股份有限公司的燃料电池系统。

在本实施例中，结合图2所示，沼气供应装置6包括沼气池11，以及连接沼气池11的储气柜12，所述的储气柜12连接沼气净化装置7，所述的沼气净化装置7通过气体混合器13连接甲烷化装置8。气体混合器13和甲烷化装置8均为现有技术，可采用市售产品，如上海华西化工科技有限公司生产的甲烷化装置。

在本实施例中，沼气净化装置7还包括连接储气柜12的风机14，风机14连接过滤器15，过滤器15连接脱硫塔16，脱硫塔16连接干燥塔17，干燥塔17连接气体混合器13，甲烷化装置8通过第一换热器18连接气液分离器19，气液分离器19连接生物天然气储罐9和水箱20，水箱20通过第一换热器18连接沼气池11，电解水装置2连接气体混合器13。过滤器15、脱硫塔16和干燥塔17均为现有技术，第一换热器18可选用板式换热器或列管式换热器。沼气净化后，脱水脱硫化物。水箱20中的水通过第一换热器18加热后进入到沼气池11，为沼气池加热。

具体的说，沼气池的沼气，经过风机加压至1-20bar，进入过滤器过滤除尘，经过脱硫塔脱硫，再通入到干燥塔脱水，得到ch4和co2的混合气体，结合图4所示，作为一种优选的方案，第一换热器18通过分流器21连接沼气池11和控温器22，所述的控温器22连接电解水装置2。分流器21为市售产品。

水经过第一换热器加热后进入到沼气池，使沼气池温度维持在25-60℃之间，在气体混合器中，沼气中的二氧化碳与氢气的体积比为4。

另一种方案，结合图3所示，沼气净化装置7包括连接储气柜12的风机14，风机14连接过滤器15，过滤器15连接干燥塔17，干燥塔17连接脱硫塔16，脱硫塔16连接气体混合器13，气体混合器13连接甲烷化装置8，电解水装置2连接气体混合器13。该方法为干法脱硫，图2所示为湿法脱硫。

具体的说，沼气池的沼气，经过风机加压至1-20bar，进入过滤器过滤除尘，通入到干燥塔脱水，再经过脱硫塔脱硫，得到ch4和co2的混合气体，水经过第一换热器加热后进入到沼气池，使沼气池温度维持在25-60℃之间，在气体混合器中，沼气中的二氧化碳与氢气的体积比为4。

甲烷化装置8包括第一甲烷化器23和第二甲烷化器24，所述的气体混合器13连接第一甲烷化器23，第一甲烷化器23通过第二换热器25连接第二甲烷化器24，第二甲烷化器24连接第一换热器18。本实施例通过第一甲烷化器23和第二甲烷化器24实现二级甲烷化，使沼气中的二氧化碳和氢气充分反应，生成甲烷含量大于95％的生物天然气。

第二换热器25连接控温器22，控温器22连接电解水装置2，实现控温。第二换热器25为进入电解水装置2中的水加热，其原理是利用，甲烷化器生成的甲烷气体的余热，甲烷将水加热，自身冷却便于输送或储存。

优选方案，电解水装置2通过二级气液分离器2a连接储氢罐3，储氢罐3连接第二换热器25。此处的二级气液分离器2a也即气液分离器。

设置第一换热器和第二换热器，一方面需要将甲烷化器出来的高温气体温度降到常温，同时甲烷化过程释放的热量将冷却水加热为高温水或者水蒸汽，然后经过控温一部分进入电解水装置制备氢气，一部分进入沼气池维持沼气操作温度。

使用前需要将催化剂活化还原,先通入氮气程序升温到150℃，之后改变气体为氢气，氢气流量为每公斤催化剂0.2标方氢气/h,在150℃环境下保持24h，还原结束。

甲烷化器工作温度为300℃，首先通入氮气将反应器升温到300℃，之后改变气氛，通入沼气与氢气混合气，控制体积比h2/co2为4，通过第一甲烷化器22和第二甲烷化器23的二级甲烷化，可将沼气中绝大多数co2被甲烷化，将反应后的气体脱除水分，从而得到ch4浓度达95％以上的天然气，

本实施例还提供了一种用富余电力与沼气联合制生物天然气的电力储能方法，可再生能源发电装置1发电后将电力输入给电解水装置2，使电解水装置2将水电解后产生氢气，

在电力使用谷点时，沼气供应装置6产生的沼气经过沼气净化装置7净化后进入到甲烷化装置8中，电解水装置2产生的氢气进入到甲烷化装置8中，与沼气中的二氧化碳气体反应生产甲烷气体，甲烷气体储存到生物天然气储罐9中，生物天然气储罐9的甲烷输入到天然气管道10中，

在电力使用峰点时，电解水装置2产生的氢气输入到燃料电池装置4中，使化学能转化为电能，燃料电池装置4的电能输入到市政电网5中，实现电力的削峰填谷。

具体的说，在电力使用峰点时，生物天然气储罐9的甲烷输入到燃料电池装置4中，使化学能转化为电能，燃料电池装置4的电能输入到市政电网5中，燃料电池装置4产生的二氧化碳和水分别输入到甲烷化装置8和电解水装置2中，为甲烷化装置8和电解水装置2提供原料。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了沼气发生机构1、气体混合器2、氢气发生机构3、甲烷化装置4、第一换热器5、第一气液分离器6、第一水箱7、天然气储罐8、沼气池9、沼气储罐10、沼气净化组件11、风机12、过滤器13、脱硫塔14、干燥塔15、控温器16、电解水装置17、分流器18、第二换热器19、第二气液分离器20、第二水箱21、第一甲烷化器22、第二甲烷化器23等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。