[发明专利]利用煤炭和电力作用生产和存储甲烷的方法、及装置

说明书

本申请为以申请日为2013年3月12日、申请号为201380029047.4、名称为“水力发电站”的发明专利为母案进行的分案申请。

在天然能利用过程中，最大的问题是因为自然条件而产生了过剩的风能和太阳能。目前业内已达成共识，仅仅通过电力手段不能找到相应的解决办法。作为出路，多余的电能可以用来电解水来制造氢气。

氢气可以被导入进天然气中，并且与天然气混合在一起共同输送。但是这样又遇到了另一个问题：氢气和天然气的基本物理特征和燃烧特性区别明显。从体积上看，天然气的密度是氢气的八倍，热值是氢气的三倍，而且在燃烧过程中的耗氧量是氢气的四倍。

波动的风能和太阳能在电解作用下，也会产生波动的氢气流，并且当氢气流被引入天然气之后，就会产生波动的混合气流。这种类型的氢气和天然气的混合气体，其存储、运输以及使用方法，在已经公布的专利《DE 10 2010 020 762A1》(可再生能源的运输和稳定)以及专利《DE 10 2010 031 777 A1》(氢气在天然气容器中的存储)。此外，在所述专利中，对于如何稳定可再生能源，也描述了一个通用的方法。这些方法对于所述波动型的混合气体推向市场也是一种障碍。

还有另外一种方法输送氢气，即通过化学方法将氢气和二氧化碳合成为甲烷。甲烷差不多就是天然气的主要成分，因此可以没有障碍地存储在气体管道中。有许多项目都和这个课题有关。这里所说的二氧化碳，可以从火力发电厂的燃烧废气中分离而得到，或者从沼气中分离得到。从沼气中分离二氧化碳的工艺对原材料并没有详细的描述；二氧化碳从燃烧废气中的分离直至存储工艺，由于缺少大众的认可，因此前景如何，还是个未知数。

从经济性角度看，为了运用过剩的可再生能源，可以选用传统的碳化学反应，即煤炭和水(碳元素以及水道德摩尔比为1:1之间的反应，按照化学反应式1)，在高压和高温下，产生一氧化碳和氢气。氢气和一氧化碳以相同摩尔比构成的混合气体，在下文简称为“合成气体”。然后再通过风能和太阳能按照化学反应式3进行电解水，从而制造氢气，并且按照两倍的摩尔比，将电解水而产生的氢气导流进“合成气体”中。接着按照以化学家“萨巴捷”命名的化学反应，制造甲烷和水，两者的摩尔比为1:1(参见化学反应式2)。

化学反应式1.)C+H2O＝CO+H2

化学反应式2.)(CO+H2)+2H2＝CH4+H2O

化学反应式3.)2H2O＝2H2+O2

上文描述的方法，通过煤炭以及过剩的风能和太阳能生产出不影响气候的甲烷。此类甲烷属于混合型甲烷，其使用的碳元素来自于化石类能源，而氢元素则来自于风能和太阳能。在化学平衡中，供电网释放电能，并且通过添加煤炭产生甲烷，此类甲烷具备了天然气的特征(下文称为“混合甲烷”)，并且被引入输气管道。煤炭则是存储能量的载体。

按照所述化学反应式1至3产生的含有混合甲烷的合成气体，被输送到蓄能发电设施之后，将进行渗透和燃烧(即按照化学反应式4进行燃烧反应)。合成气体和天然气混合后通过燃烧反应(按照化学反应式5)，会产生重要的合成效应。

化学反应式4.)CO+H2+O2＝CO2+H2O

化学反应式5.)CH4+2O2＝CO2+2H2O

下文还将多次提及上面描述过的化学反应式1至5，这五个化学反应式分别被缩写为Rk.l至Rk.5。

除了煤炭之外，其它含有碳元素的化合物(优先选择来自于植物)也可用来生产所述合成气体。这里所说的植物原料，诸如树木，其最大含量的成分的就是碳水化合物，而碳水化合物中的碳和水经过反应后可以产生氢气和一氧化碳。

由于一氧化碳含有毒性，在通过电解水生产含有一氧化碳的合成气体的同时，必须严格按照化学反应式2规定的数量(按照剂量对称的原理)生产。为了保护人员的安全，即使按照化学反应式1和2生产，也必须避免生产或聚积过多量的一氧化碳。

所述发明的主要内容，在于利用碳元素以及来自于供电网络的过剩电能，制造甲烷，并且通过电解水制造氢气，然后将甲烷与氢气混合，最终产生氢气和一氧化碳的混合气体。这类混合气体就是通过转化煤炭或者含碳化合物与水蒸气混合，并按照化学均衡对称的剂量直接生成合成气体，其中的主要成分甲烷将被导入天然气输送管道中。

为了避免一氧化碳被导入气体输送管道，需要注意的是，所有一氧化碳必须彻底转化为混合型甲烷，或者混合型甲烷中分解出的一氧化碳，在被导入输气管道之前，必须被充分燃烧。建议在将混合型甲烷导入输气管道之前，对其中未彻底反应掉的一氧化碳的含量进行检测。