[发明专利]利用过剩电能将烟气中的二氧化碳转化成天然气的工艺及设备

说明书

技术领域

本发明涉及利用太阳能、水能、风能等可再生能源发电产生的过剩电能对工业烟气进行能源转化处理的技术，具体地指一种利用过剩电能将烟气中的二氧化碳转化成天然气的工艺及设备。

背景技术

目前，全球每年160多亿吨标煤的能源消费总量中，90％以上为煤炭、石油、天然气等化石能源，我国也不例外，由此带来了极其巨量的二氧化碳排放。进入二十一世纪以来，人类所面临的最大挑战之一就是二氧化碳大量排放所造成的温室效应，由此引起全球变暖、气候变化、以及对生态、经济、社会等方面产生综合影响的全球性环境问题。2010年全球二氧化碳排放量已升至306亿吨以上，我国已成为二氧化碳排放第一大国，而且排放量还在不断增加。全球性的能源短缺和二氧化碳所引起的日益严重的环境问题迫使人们去寻找解决这些问题的途径。

为了解决上述问题，可再生能源的利用得到了空前扩展。据不完全统计，当前我国水电、核电、风电、太阳能等非化石能源占一次能源消费总量的比重在逐年扩大，在十二五期间其比重将由当前的8.3％提高到11.4％，到2020年非化石能源占一次能源消费总量的比重将达到15％。为实现这一目标，发展可再生能源势在必行。

然而，2011年国家电监会发布的《风电、光伏发电情况监管报告》显示，过去的半年内，我国风能发电但无法被人们所用的弃用风电电量就达27.76亿度。国家电监会称，由于缺乏具体的风电送出和风电消纳方案，大规模风电送出消纳的矛盾日益突出，上网障碍已成为制约风电发展的关键问题。

在水力发电方面，我国建成超过50万kW以上水电站的数量已经达到28个，其总装机容量达到5098万千瓦。在2010年，我国十二大水电基地规划(包括已建)装机总容量达到20523.2万千瓦，年发电量达到9458.8亿kW·h。在水力发电项目的丰水期，发电量充足，但在丰水期许多电量无法送出，导致上网电价非常低廉，造成电能的损失或者设备的停车损耗。

在太阳能发电方面，我国2010年光伏发电市场装机量达到400兆瓦，在全球总装机量中占3％。按照国家能源局的规划，到2015年，我国太阳能装机容量将达到1000万千瓦以上；到2020年，太阳能装机容量将达4000万千瓦以上。但是其中一些电能必然会存在并网瓶颈问题。

如何充分利用上述可再生能源发电产生的过剩电能，进而有效实现节能减排、降低温室效应的目的，一直是本领域技术人员试图解决的难题。

发明内容

本发明的目的旨在解决可再生能源发电存在上网障碍或短时间过剩难以储存的缺陷、以及化石能源发电存在温室气体污染环境的问题，提供一种利用过剩电能将烟气中的二氧化碳转化成天然气的工艺及设备。

为实现上述目的，本发明所设计利用过剩电能将烟气中的二氧化碳转化成天然气的工艺，其核心思路是先利用过剩电能电解水产生氢气，然后将氢气与工业烟气中捕集下来的二氧化碳发生甲烷化反应，从而合成得到可以方便储存或输送的天然气，同时可使工业烟气中排放的二氧化碳得到合理化应用。该工艺包括如下步骤：

1)将可再生能源发电产生的难以储存或并网障碍的过剩电能变压及整流之后，通入到电解质溶液中，将其中的水电解分离成H₂和O₂，并将H₂中的水份处理干净；

2)对工业排放的烟气进行净化处理，使其中所含的CO₂分离出来，并对捕获的CO₂进行纯化处理；

3)将步骤1)产生的H₂与步骤2)捕获的CO₂输送到由至少由两级固定床反应器组成的合成设备中，使H₂与CO₂在催化剂的作用下完成甲烷化强放热反应，生成主要组份为CH₄和水蒸汽的高温混合气体；

4)用步骤3)生成的高温混合气体对工艺用水进行间接换热处理，使工艺用水最终转化为过热水蒸汽；

5)将步骤4)产生的过热水蒸汽输入到汽轮发电机中做功，所产生的电能返回到步骤1)中进行变压及整流处理，继续用来电解水；

6)对步骤4)中经过换热降温后的混合气体进行冷凝干燥处理，直至获得CH₄含量符合标准的天然气。这些天然气(SNG)可以加压输送到现有天然气管网中，或增压成液化天然气(LNG)进行运输。