负荷跟随反应器系统、相关设备及其操作方法技术方案

本申请公开了一种负荷跟随反应器系统(150)和相关设备，用于在变化负荷下反应器的改进控制。负荷跟随反应器(152)可以是用于甲醇合成的管冷式反应器。反应物可由至少一个阀元件(160、162)控制，使得一部分反应物通过反应器管(190)提供到反应器(152)，并且一部分反应物在热交换器(156)内加热后提供到反应器(152)。反应物的加热部分可在管(190)之后提供到反应器(152)。阀元件(160、162)可根据反应器(152)的温度和/或反应物的进料流量来控制以使反应器(152)的温度适应变化的反应物流量。使反应器(152)的温度适应变化的反应物流量。使反应器(152)的温度适应变化的反应物流量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】负荷跟随反应器系统、相关设备及其操作方法


[0001]本公开涉及负荷跟随反应器、相关部件以及用于实施或操作其的方法。负荷跟随反应器和相关部件可以配置为进行化学反应并响应反应物的流量的变化，这在转化成源自可再生能源的反应物时很常见。负荷跟随反应器可布置有相关部件，其可响应于一种或多种反应物的变化或工艺条件的变化而促进热传递和/或热集成，以适应负荷跟随反应器的工艺条件(例如温度)。

技术介绍

[0002]在全球范围内努力提供清洁和可再生能源的一个紧迫困境是风能、太阳能、地热、水力、潮汐和其他可再生能源的固有可变性，以及无法在生产高峰期储存来自可再生能源的能量以便后续在高需求时使用。可再生能源(尤其是风能和太阳能)的生产高峰时期经常与高需求时期不匹配，即使可再生能源正在产生能量，一个地区的电网容纳可再生能源的能力也可能受到现有发电厂的缓慢周转或适应性的限制。
[0003]众所周知，例如在炎热的夏季月份期间，因人们在各自的家中和办公室运行空调设备而使得能源需求高峰出现在下午，但风力发电高峰通常出现在之后的傍晚或早上。太阳能只能在白天和有利的天气条件下收集。另外，可再生能源的来源通常远离消费者和输电线路，这使得现有电网内的能源的输送和有效消耗变得复杂。自2005年以来，风能和太阳能的能源生产量增加了10倍以上，成功容纳和利用可再生能源的挑战已变得十分突出，并将在可预见的未来继续增长。
[0004]正是由于生产时能源存储和需求时能源利用的困难，例如煤炭、石油和天然气的化石燃料长期以来已经是全球能源结构的主要组成部分，因为这些物质是以碳氢化合物的形式存储为可再生能源，特别是太阳能。到2050年，全球能源消耗预计增长50％——每年比当前消耗增加近300万亿英热单位——迫切需要用于生产、储存和利用可持续能源的新模式。
[0005]在高需求时期，如果没有一种有效的方法来适应来自电网中的可再生能源的能量，并且没有可行的存储选择，这种可再生能源通常会被削减、浪费或接地。通常，不可能简单地降低基准能量来源或诸如煤或核电厂等基本负荷发电厂的输出，因为此类发电厂的输出的快速降低然后快速增加在操作上可能不可行。
[0006]实际上，此类发电厂通常针对特定的生产水平进行了非常精细地校准，以至于生产水平的变化，例如适应风能的突变和大幅增加，可能会导致灾难性或昂贵的设备关闭或事故，这可能花费数天时间才能恢复正常。但是为了避免停电，电网中的可用电量必须始终等于需求量。因此，电网稳定性是广泛采用固有可变的可再生能源的障碍。
[0007]为了解决这个问题，电网运营商经常采用灵活的发电厂，称为峰值负荷发电厂或“调峰器”。这些设备的运行时间经常低于基本负荷发电厂，有些每年少到250小时，并且旨在尽快将负荷迅速提升到100％，以适应需求或生产的波动。调峰器通常在高需求或需求峰值期间(例如在夏季月份)部署，并且最近被用于平衡来自可再生能源的生产。与基本负荷
和峰值负荷发电厂相比，负荷跟随发电厂是直接响应于不断变化的电力供应需求而运行。
[0008]负荷跟随发电厂可用作可再生能源的平衡资产，并配置为在较低负荷下运行，以平衡每分钟都在变化的可再生能源的变化。此类发电厂通常使用燃气轮机或水力发电机组，因为它们具有能快速提升或降低的能力，但以效率以及更高的资本和运营成本为代价。简而言之，将可再生能源整合到现有电网的主要方法是提供和使用负荷跟随型或其他灵活的发电厂(其通常成本高且效率低)，以在可再生能源生产高峰时降低电力生产，并在可再生能源生产减弱时增加电力生产。
[0009]提供负荷跟随发电厂的一种替代方式是在生产高峰期间存储能量以供后续使用，但现有的可再生能源的存储方式往往过于昂贵，难以扩大规模，或两者兼而有之。例如，可以在生产高峰期压缩地下洞穴(如废弃矿井)中的气体，然后在后续的需求高峰期通过发电涡轮来释放压缩气体。这也可以通过泵送水来完成，即在生产高峰期将能量作为较高海拔的水的势能来存储，并在需求高峰期以水流回时的动能的形式重新获得能量。虽然这种水力存储选项显然受到位置、成本和可扩展性的限制，但迄今为止全球能源存储容量的绝大多数都是抽水蓄能水力发电。
[0010]例如，太阳能发电厂可以使用热能存储来使用例如熔盐的材料以热的形式积聚能量，并在当天晚些时候释放能量。或者，可以使用泵送式热电存储系统，将热量从冷库泵送到热库，通过热泵反转以提取所存储的能量。与水力存储选项一样，热能存储选项受到位置、成本、维护问题和可扩展性的限制。热能存储可能最适合增量和特定地点的改进，例如减少办公楼的效率低下的能量，而不是为能源存储作大规模的选项。
[0011]锂离子电池能够储存来自可再生能源的能量，但成本在每千瓦
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时380美元到每千瓦
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时900美元之间，电池非常昂贵，尤其是在大规模生产时——仅美国在2018年就消耗了大约100万亿英热单位，或约三千亿千瓦
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时。因此，通过电池为一个国家的大部分能源消耗提供能量存储目前在经济上是不可行的。
[0012]然而，进一步的能量储存方式包括通过使用飞轮或其他机械设备(例如混凝土块)来储存机械能量，这同样受到资本和运营成本的限制。另一种储能方式是化学储能，特别是氢能存储，其中在可再生能源的生产高峰期产生的多余电能用于将水电解成氧气和氢气，氢气随后用于在燃料电池或燃气轮机中产生电能。氢气可以储存在人工容器中，例如储罐(具有由于氢气分子的小尺寸可以通过钢罐逃逸的困难)，或者储存在例如盐丘的地下洞穴中。氢气储存的效率低下且难以扩大规模，这是由于氢气的爆炸性性质，这在大多数发达国家现有的能源和石化基础设备中提出了工程挑战。
[0013]于2019年6月6日公开的美国专利申请公开2019/0168155以及于2012年4月20日提交的美国专利8,506,910描述了使用甲醇来储存可再生能源的能量，这两篇文献通过引用以其整体并入本文。甲醇由合成气生产，该合成气包含通过电解水获得的氢气和从任何合适的来源获得的二氧化碳(CO2)，包括工业点源(如发电厂)。合成气在反应器中通过合适的催化剂(如铜
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锌催化剂)与反应器流出物中的甲醇、水、副产物和未反应的原料的混合物反应，然后可以如美国专利申请公开2019/0168155中所述地将其分离。
[0014]甲醇相对于氢气是有利的，因此“甲醇经济”相对于“氢经济”是有利的，因为甲醇是可再生能源的一种可替代的化学储存部署方式，并且相对于氢气来说天然地是一种更稠、更安全和可通过现有的能源和石化基础设备更容易容纳的液体。甲醇还对进一步的化
学合成工艺具有重要作用(包括甲酸、甲醛、甲基叔丁基醚、乙酸、甲基丙烯酸甲酯、对苯二甲酸二甲酯、碳酸二甲酯(DMC)、甲胺、氯甲烷、甲硫醇、二甲醚和烯烃(例如乙烯和丙烯))，用作运输燃料、燃料电池、废水处理和电力生产。
[0015]如美国专利申请公开No.2019/0168155所描述的那样，从可再生能源中生产甲醇的问题在于，随着可再生能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种负荷跟随反应器系统(150)，包括：至少一个反应器(152)，其构造为进行至少一种化学反应；构造为输送反应物流的反应物管线(109)；第一热交换器(156)，所述反应物流的第一部分构造为经由所述第一热交换器(156)并通过第一进料管线(123)到达所述至少一个反应器(152)；至少一个阀元件(160、162)，其构造为控制所述第一部分到所述第一进料管线(123)的流量；和连接到所述至少一个反应器(152)的至少一个第二进料管线(125)，所述反应物流的剩余部分构造为通过所述第二进料管线(125)。2.根据权利要求1所述的负荷跟随反应器系统(150)，其中，所述第一热交换器(156)构造为加热所述反应物流的第一部分。3.根据权利要求1所述的负荷跟随反应器系统(150)，其中，所述第一热交换器(156)与所述至少一个反应器(152)的流出物管线热集成。4.根据权利要求1所述的负荷跟随反应器系统(150)，其中，所述至少一个阀元件(160、162)包括分别布置在所述第一进料管线(123)和至少一个第二进料管线(125)上的第一阀(160)和第二阀(162)。5.根据权利要求1所述的负荷跟随反应器系统(150)，其中，还包括布置为热集成热交换器的第二热交换器(155)。6.根据权利要求5所述的负荷跟随反应器系统(150)，其中，所述热集成热交换器(155)由流出物管线(127)加热，并将来自所述流出物管线(127)的一部分热量传递到所述反应物管线(109)。7.根据权利要求5所述的负荷跟随反应器系统(150)，其中，所述热集成热交换器(155)布置成由所述第一热交换器(156)下游的所述流出物管线(127)加热。8.根据权利要求1所述的负荷跟随反应器系统(150)，其中，所述反应物流包括新鲜的CO2进料和新鲜的H2进料。9.根据权利要求1所述的负荷跟随反应器系统(150)，其中，所述至少一个反应器(152)包括多个管(190)，所述管(190)构造为与在所述至少一个反应器(152)的主体内的反应物、副产物和产物的流动方向相反地输送反应物流。10.根据权利要求8所述的负荷跟随反应器系统(150)，其中，所述反应物流的所述第一部分被输送到所述多个管(190)的末端部(192)。11.根据权利要求10所述的负荷跟随反应器系统(150)，其中，所述反应物流的所述剩余部分被输送到所述多个管(190)的起始端部(191)。12.根据权利要求1所述的负荷跟随反应器系统(150)，其中，所述至少一个反应器(152)为包含甲醇合成催化剂的甲醇合成反应器。13.一种操作负荷跟随反应器系统的方法(400)，该方法(400)包括以下步骤：提供构造为进行至少一种化学反应的至少一个反应器(152)；构造用...

【专利技术属性】
技术研发人员：E，
申请(专利权)人：碳回收国际公司，
类型：发明
国别省市：