包括發(fā)電裝置煙氣的co2甲烷化的發(fā)電裝置和甲烷化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及甲烷化工藝，該工藝包括在甲烷化裝置中將源自、尤其是轉(zhuǎn)移自或獲得自發(fā)電裝置(power stat1n)的發(fā)電裝置煙氣的C02(尤其是CO2氣體)轉(zhuǎn)化為甲烷(CH4)，發(fā)電裝置燃燒含碳燃料、尤其是含碳?xì)怏w，并具有附連的水/蒸汽回路。
[0002]本發(fā)明進一步涉及這類甲烷化工藝的用途。
[0003]最后，本發(fā)明還涉及具有附連的水/蒸汽回路的發(fā)電裝置或燃燒裝置，該發(fā)電裝置或燃燒裝置包含蒸汽發(fā)生器的燃燒室，該燃燒室燃燒含碳燃料、尤其是含碳?xì)怏w，并且特別是將該發(fā)電裝置或燃燒裝置設(shè)計為工業(yè)裝置(industrial plants)、尤其是冶煉設(shè)施(works)或化工設(shè)施的構(gòu)成整體所必需的組成部分，其中，發(fā)電裝置或燃燒裝置的蒸汽發(fā)生器的燃燒室的煙氣管線與甲烷化裝置或甲烷轉(zhuǎn)化器通過管線連接，該管線連接運載煙氣(尤其是發(fā)電裝置煙氣)和/或由其所獲得的C02(尤其是CO2氣體)，甲烷化裝置或甲烷轉(zhuǎn)化器使所述氣體反應(yīng)以形成甲烷(CH4)。
【背景技術(shù)】
[0004]已知⑶2是溫室氣體之一，而溫室氣體被認(rèn)為是地球氣候變暖的原因之一。因此，存在眾多的環(huán)境政策和技術(shù)努力以減少CO2的排放。這些途徑中的一種關(guān)注通過將CO2轉(zhuǎn)化為甲燒氣體而儲存C〇2，例如，在論文“New technologies for separat1n,fixat1n andconvers1n of carbon d1xide to mitigate global warming”(Hitachi，Vol.42(1993),N0.6,第255-260頁)中進行了描述。在這一情況下，將化石燃料燃燒期間產(chǎn)生的CO2從煙氣中分離并進行甲烷化，其中，形成合成的天然氣(甲烷)。甲烷化是將一氧化碳(CO)或二氧化碳(CO2)轉(zhuǎn)化成甲烷(CH4)的化學(xué)反應(yīng)。二氧化碳形成甲烷的反應(yīng)也被稱為Sabatier工藝，該工藝由Paul Sabatier和J.B.Sendersens在1902年發(fā)現(xiàn)。在該反應(yīng)過程中，一氧化碳或二氧化碳在300°C_700°C的溫度下與氫氣反應(yīng)形成甲烷和水。該反應(yīng)是放熱的，但需要通過催化劑促進。
[0005]此外，關(guān)于依靠風(fēng)力或太陽能的可再生能源發(fā)電，會出現(xiàn)頻繁地將超過當(dāng)時所需的過多電力輸送至電網(wǎng)的問題。這將導(dǎo)致大量的所謂“過剩電力”，必須將其消耗或儲存以確保電網(wǎng)的穩(wěn)定。另外，獨立于將由可再生能源產(chǎn)生的電力輸送至電網(wǎng)，所出現(xiàn)的基本問題為如何能夠?qū)λa(chǎn)生的電力進行存儲，以便在適當(dāng)?shù)那闆r下能夠在任何期望的時間點使用該能量。
[0006]在本文上下文中已證明有利的一種途徑被稱為“電能轉(zhuǎn)氣”，由此，以甲烷化的方式對能量進行化學(xué)轉(zhuǎn)化并儲存為甲烷(CH4)。在這一情況下，尤其是以電解的方式產(chǎn)生形成甲烷所需的氫氣，其從可再生能源(例如風(fēng)力渦輪機或太陽能電池)獲得所需的電力。0)2或CO的適當(dāng)來源包括來自發(fā)電裝置或工業(yè)裝置的經(jīng)處理的煙氣流，其中，含碳燃料或含碳原料被轉(zhuǎn)化成含CO2或含CO的氣氛?！半娔苻D(zhuǎn)氣”途徑代表了用于相對長期地儲存能量并避免CO2直接排放到大氣中的切合實際的方法，這是因為在甲烷化中產(chǎn)生的甲烷(CH4)產(chǎn)品能夠作為以合成方法生成的天然氣被長期(數(shù)月)儲存在現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施(管道、天然氣倉儲)中?？赏ㄟ^電解制備氫氣?；蛘?，氫氣可源自其它可選的來源。CO2可源自從富CO2流中的分離，富CO2流的實例為發(fā)電裝置的煙氣流。在甲烷化裝置或甲烷轉(zhuǎn)化器中，通過合成將在這些途徑中獲得的H2和CO2組分轉(zhuǎn)化為H2O和CH4。
[0007]在大型工業(yè)裝置(例如冶煉設(shè)施或化工設(shè)施)中，進一步的因素為:政策上和必然產(chǎn)生的法定邊界條件(resultant statutory boundary condit1ns)使得含⑶2廢氣流和廢氣看起來合理地作為待提供的生產(chǎn)運行一部分而產(chǎn)生，在適當(dāng)?shù)那闆r下同樣在經(jīng)濟上和能量上有利地利用。因此，出于發(fā)電和熱量回收的目的，已知在冶煉設(shè)施中使用副產(chǎn)物氣體發(fā)電裝置，該副產(chǎn)物氣體發(fā)電裝置使用在鋼鐵生產(chǎn)中、在焦化裝置、高爐和/或在鋼鐵設(shè)施中產(chǎn)生的工藝氣體/副產(chǎn)物氣體。
[0008]通用類型的工藝可從論文“Newtechnologies for separat1n,fixat1n andconvers1n of carbon d1xide to mitigate global warming”(Hitachi，Vol.42(1993)，N0.6，第255-260頁)得知。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是提供使得發(fā)電裝置和甲烷化裝置能夠以在能量方面有利的方式彼此聯(lián)接的方案。
[0010]本發(fā)明進一步的方面旨在使得將作為工業(yè)裝置的構(gòu)成整體所必需的組成部分和/或經(jīng)整合的組成部分的發(fā)電裝置(尤其是副產(chǎn)物氣體發(fā)電裝置)能夠在能量方面(更)有利地并入至生產(chǎn)運營或在工業(yè)裝置中進行的運營，并且優(yōu)選使得工業(yè)裝置的能量效率能夠得以總體程度的提高。本發(fā)明潛在的進一步方面是以在能量和材料方面有利的方式，將0)2甲烷化整合入具有至少一個發(fā)電裝置(尤其是副產(chǎn)物氣體發(fā)電裝置)的工業(yè)裝置(尤其是鋼鐵設(shè)施或化工設(shè)施)中。
[0011]通過權(quán)利要求1所述的甲烷化方法、權(quán)利要求16所述的用途以及權(quán)利要求18所述的發(fā)電裝置或燃燒裝置，本發(fā)明實現(xiàn)了上述目的。
[0012]本發(fā)明有利和/或明智的改進是各從屬權(quán)利要求的主題。
[0013]在開始對甲烷化工藝的類型作了詳細(xì)的指定的情況下，依據(jù)本發(fā)明實現(xiàn)了所述目標(biāo)，其中，使在甲烷化裝置中CO2向甲烷(CH4)的轉(zhuǎn)化中作為廢熱產(chǎn)生的熱能至少部分脫離(ausgekoppelt)進入至少一種物質(zhì)流和/或熱能流中，并將該物質(zhì)流和/或熱能流至少部分地供給至在燃燒器側(cè)流入發(fā)電裝置的蒸汽發(fā)生器的燃燒室中的至少一種介質(zhì)、和/或發(fā)電裝置的水/蒸汽回路、和/或就工藝工程而言與甲烷化裝置的上游相連的CO2廢氣處理或CO2加工設(shè)施(尤其是發(fā)電裝置煙氣處理裝置)、和/或附連的工業(yè)裝置的一個多個操作平臺(Prozessstufe(n))。
[0014]通過權(quán)利要求1-15中任一項所述的甲烷化方法的用途，本發(fā)明還實現(xiàn)了上述目的，該甲烷化方法用于以在甲烷化裝置中產(chǎn)生的甲烷(CH4)的形式，存儲通過燃燒含碳燃料的發(fā)電裝置產(chǎn)生和/或存在于公共電網(wǎng)中的電能的過剩電能(尤其是電力和/或過剩電力)，以及用來使用在甲烷化裝置中產(chǎn)生的熱能。
[0015]在開始對發(fā)電裝置或燃燒裝置的類型作了詳細(xì)的指定的情況下，最終，本發(fā)明實現(xiàn)了如下目的，其中，甲烷化裝置或甲烷轉(zhuǎn)化器與如下以至少一種熱能運載管線連接，所述連接與在CO2氣體或發(fā)電裝置煙氣或煙氣的甲烷化中產(chǎn)生的廢熱至少部分脫離:在燃燒器側(cè)流入發(fā)電裝置的蒸汽發(fā)生器的燃燒室的至少一種介質(zhì)、和/或發(fā)電裝置的水/蒸汽回路、和/或就工藝工程而言與甲烷化裝置的上游相連的CO2廢氣處理或CO2加工設(shè)施(尤其是發(fā)電裝置煙氣處理裝置)、和/或工業(yè)裝置的一個或多個生產(chǎn)-工程或工藝-工程單元。
[0016]因此，依據(jù)本發(fā)明，甲烷化裝置或甲烷轉(zhuǎn)化器與發(fā)電裝置以在能量方面有利的方式彼此聯(lián)接，其中，將由于甲烷化裝置或甲烷轉(zhuǎn)化器中的放熱的甲烷化反應(yīng)而產(chǎn)生的廢熱或熱作為熱能使用，并脫離進入物質(zhì)流和/或熱能流中，被供給至附連有水/蒸汽回路的發(fā)電裝置的一個或多個單元。該供給通常還包括熱能的脫離。尤其是，將脫離的熱能至少部分地供給至在燃燒器側(cè)流入發(fā)電裝置的蒸汽發(fā)生器的燃燒室中的介質(zhì)(例如所述介質(zhì)為燃燒氧氣或空氣)、和/或發(fā)電裝置的水/蒸汽回路、和/或就工藝工程而言與甲烷化裝置或甲烷轉(zhuǎn)化器的上游相連的CO2廢氣處理或CO2加工設(shè)施(尤其是發(fā)電裝置煙氣處理裝置)。
[0017]在將發(fā)電裝置附連至工業(yè)裝置、或?qū)l(fā)電裝置作為此類工業(yè)裝置的構(gòu)成整體所必需的組成部分的情況下，可將運輸脫離的熱能的物質(zhì)流和/或熱能流供給于附連的工業(yè)裝置的一個或多個操作平臺。
[0018]在這種情況下，由于此時發(fā)電裝置的物質(zhì)流和能量流被優(yōu)選整合入工業(yè)裝置中，如下是可能的:使至少一種在能量方面可用的燃料(作為工業(yè)裝置中的副產(chǎn)物或廢產(chǎn)物而產(chǎn)生)在發(fā)電裝置中燃燒以形成含CO2煙氣，然后煙氣被至少部分地轉(zhuǎn)化成甲烷(CH4)，并將在甲烷化的放熱反應(yīng)中產(chǎn)生的廢熱至少部分地再次供給至發(fā)電裝置或工業(yè)裝置。這不僅促進了發(fā)電裝置的能量平衡，而且促進了工業(yè)裝置的能量平衡。由于發(fā)電裝置的物質(zhì)流和能量流被整合入工業(yè)裝置中，可再次將在CO2的分離/積累和甲烷化中以廢熱形式出現(xiàn)的過剩能量、以及在放熱的化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的過剩能量再次直接供給至發(fā)電裝置和/或工業(yè)裝置，并因此能夠有助于提高發(fā)電裝置及由此提高工業(yè)裝置的總體能量平衡。
[0019]因此，就改進而言，本發(fā)明的卓越之處在于，優(yōu)選以氣體混合物的形式，向發(fā)電裝置(尤其是蒸汽發(fā)生器的燃燒室)供給包含工業(yè)裝置(尤其是化工設(shè)施或冶煉設(shè)施)的一種或多種氣態(tài)副產(chǎn)物或廢產(chǎn)物的副產(chǎn)物氣體、尤其是包含高爐氣和/或焦化裝置氣體的副產(chǎn)物氣體，作為含碳物質(zhì)流和燃料。
[0020]此外，就改進而言，因此，本發(fā)明的卓越之處在于，將發(fā)電裝置設(shè)計為附連的工業(yè)裝置的構(gòu)成整體所必需的組成部分，并整合入工業(yè)裝置的至少部分物質(zhì)流和/或能量流中，并將在工業(yè)裝置的生產(chǎn)操作過程中獲得的、作為副產(chǎn)物或廢產(chǎn)物獲得的含碳物質(zhì)或物質(zhì)流的至少一種的至少部分(尤其是氣態(tài)部分)作為含碳燃料供給至發(fā)電裝置的蒸汽發(fā)生器的燃燒室。
[0021]在這種情況下，如本發(fā)明所預(yù)期的，優(yōu)選在發(fā)電裝置煙氣的CO2廢氣處理或CO2加工之后(尤其是在發(fā)電裝置煙氣處理裝置中)，當(dāng)將在發(fā)電裝置的蒸汽發(fā)生器的燃燒室中的含碳燃料(尤其是含碳物質(zhì)或物質(zhì)流)的燃燒產(chǎn)生的至少部分發(fā)電裝置煙氣或存在于發(fā)電裝置煙氣中的CO2氣體供給至甲烷化裝置時，是特別合適的。
[0022]任選出于獲得富含CO2物質(zhì)流的目的所預(yù)期的，由于CO2廢氣處理或CO2加工設(shè)施(尤其是發(fā)電裝置煙氣處理裝置)通常需要熱能的供給，根據(jù)本發(fā)明的進一步改進，有利的是CO2分離或CO2加工所需的熱需求的至少部分以獲取自甲烷化裝置的廢熱的物質(zhì)流和/或熱能流的形式被供給至CO2分離或CO2廢氣加工設(shè)施、尤其是發(fā)電裝置煙氣處理裝置。
[0023]通過燃燒后捕獲操作或燃燒后碳捕獲(Post-Combust 1n (Carbon) Capture)操作示出了CO2廢氣處理的一個特別有利的實施方式。