CN101764533B

CN101764533B - 基于碱金属热电转换的发电与制氢联合循环系统

Info

Publication number: CN101764533B
Application number: CN2010100420476A
Authority: CN
Inventors: 吴双应; 肖兰; 李友荣
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2010-01-13
Filing date: 2010-01-13
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2030-01-13
Also published as: CN101764533A

Abstract

一种基于碱金属热电转换的发电与制氢联合循环系统，属能源动力工程领域。该联合循环系统包括将热能直接转化为电能的碱金属热电转换子系统和将余热转化为化学能的甲醇水蒸气重整制氢子系统。碱金属热电转换子系统主要由蒸发器、高压钠蒸汽管道、碱金属热电转换器、低压钠蒸汽管道、冷凝器组成；甲醇水蒸气重整制氢子系统主要由反应器、预热器、冷凝吸收器、汽化过热器、导热油泵、甲醇泵、脱盐水泵、变压吸附分离装置组成。与常规能源系统相比，本系统为一个多能源(热能和甲醇)输入、多产品(电力和氢)输出的多功能能源系统，既可实现热能的热电直接转换，又可实现余热的热化学利用。

Description

基于碱金属热电转换的发电与制氢联合循环系统

技术领域：

本发明的名称是基于碱金属热电转换的发电与制氢联合循环系统，属能源动力工程领域。

背景技术：

电能是最理想的二次能源，用以供应国民经济各部门与人民生活之需。电能的生产过程可分为动态发电和静态发电。传统的发电，一般属于动态发电，指的是利用发电动力装置将水能、化石燃料(如煤、油、天然气等)的热能、核能以及太阳能、风能、地热能、海洋能等转换为电能的生产过程。目前的电能生产主要是动态发电，即先将热能转换为机械能再转换为电能。而静态发电则是将热能直接转换为电能。一般来说，在整个生态环境的能量流动中，随着转换环节的增加，转换链条的拉长，能量的损失将呈几何级增加，并同时大大增加整个系统的运作成本和不稳定性。从这一点来看，静态发电较之动态发电有可能提供更好的经济性和稳定性。另一方面，由于动态发电带有运动部件，因此磨损，噪音，维护等问题接踵而来。况且，目前传统的动态发电为了获得更好的经济效益，装机容量比较大，因此投资成本较高，不适合作为地面的分布式能源。于是，有学者提出利用无运动部件、无声且无需维护的热电直接转换器来进行发电，即静态发电。碱金属热电转换器作为热电直接转换器的一种，是以β″氧化铝固体电解质为离子选择性渗透膜，以液态或气态碱金属为循环工质的高效面积型热电直接转换装置。碱金属热电转换器除了无运动部件、无声、无需维护、工作可靠和高效洁净等优点，它还是一种低电压面积型器件，功率密度高；能量转换效率与装置容量无关，且热电转换效率理论上可达30～40％，因而颇受人们的关注。碱金属热电转换器适用于太阳能、核能、化石能等多种形式的热源。不论在地面还是空间，都有很好的应用前景，特别是碱金属热电转换器的发电功率较小，一般为5～50kW，因此它使用灵活，既可以作分布式系统单独分散发电，也可以靠模块组合构成更大规模的发电装置。

另一方面，由于碱金属热电转换器的冷凝器余热温度较高，为400～700K，因此，如果能将冷凝器的余热加以利用，一方面可以提高整个能量转换过程的热效率，实现热能的高效转换与利用；另一方面，可以避免或减少冷凝器余热对环境造成的热污染，有利于环境保护。目前有学者提出了利用某些可逆的化学反应来实现一些常规燃料的脱碳和制氢，以及一些化合物如水的分解制氢和利用金属氧化物与水蒸气的反应制氢、甲烷和水蒸气重整反应制氢等。甲醇作为煤或生物质等可再生能源植物的产物对减少常规能源的消耗具有很大的潜力。已有研究表明，甲醇水蒸气重整制氢由于具有原料来源方便、能耗低、重整温度低、贮存和运输容易、投资和生产成本低、转换效率高和CO含量低等特点而成为燃料电池氢燃料和其它工业用氢的重要来源，是近20年来新兴的制氢技术。根据碱金属热电转换原理，其冷凝器的余热温度为400～700K，而甲醇水蒸气重整的吸热反应温度为493～553K，也就是说通过适当的设计，碱金属热电转换器的冷凝器的余热完全可以作为甲醇水蒸气重整反应的热源。

基于以上现状和思想，提出把基于碱金属热电转换的热发电和甲醇水蒸气重整制氢联合起来的循环系统，即基于碱金属热电转换的发电与制氢联合循环系统。

发明内容：

本发明提供一种基于碱金属热电转换的发电与制氢联合循环系统。本联合循环系统包括将热能直接转化为电能的碱金属热电转换子系统和将余热转化为化学能的甲醇水蒸气重整制氢子系统。本系统一方面可以解决碱金属热电转换过程产生的余热问题，实现多种能量的综合梯级利用；另一方面可以解决单纯的热能-化学能转换利用投资较大的问题，起到节能、节资的效果。

本发明通过以下技术方案实现：

主要由蒸发器1、高压钠蒸汽管道2、碱金属热电转换器3、低压钠蒸汽管道4、冷凝器5、反应器6、预热器7、冷凝吸收器8、汽化过热器9、导热油泵10、甲醇泵11、脱盐水泵12、变压吸附分离装置13和连接管道组成的基于碱金属热电转换的发电与制氢联合循环系统，其特征在于：碱金属热电转换子系统以钠为工质，经碱金属热电转换器3将热能直接转化为电能；甲醇水蒸气重整制氢子系统以碱金属热电转换子系统中的冷凝器5的余热为热源，经甲醇水蒸气重整反应将冷凝器5的余热转化为化学能储存在氢气中；甲醇水蒸气重整制氢子系统经导热油回路与碱金属热电转换子系统的冷凝器5相连，冷凝器5的余热温度为400～700K。

本发明的碱金属热电转换子系统中的蒸发器1采用基于毛细泵回路原理的圆柱式蒸发器，其工作温度为900～1300K；蒸发器1的外壳18的外侧吸收外部输入热能；外壳18的内侧均匀设有与外壳18成一体的纵向直肋片19；液态工质在沿蒸发器中心轴线方向的圆形钠液体通道22内流动；在纵向直肋片19的顶部与钠液体通道22之间的环形通道内设有高毛细力、低流动阻力的高性能多孔毛细芯21；由蒸发器外壳18的内侧、纵向直肋片19的肋面和多孔毛细芯21的外侧组成的各扇形通道为钠蒸汽通道20。

本发明的甲醇水蒸气重整制氢子系统中的反应器6采用固定管式反应床层结构，床层内填充Cu/ZnO/Al₂O₃催化剂。以甲醇和水蒸气的混合物为反应物，在催化剂的作用下，吸收碱金属热电转换子系统中冷凝器5的冷凝余热，温度达到493～553K后进行重整反应，反应产物气体主要为H₂、CO₂、少量的CO和未反应的CH₃OH和H₂O。

本发明与现有能源利用系统相比具有以下特点：(1)本联合循环系统包括将热能直接转化为电能的碱金属热电转换子系统和将余热转化为化学能的甲醇水蒸气重整制氢子系统，具有热能-电能-化学能联产的功能，实现了不同用能系统集成和多种能量的综合梯级利用。(2)本联合循环系统适用于多种能源形式，如化石燃料(煤、油、天然气等)的热能、核能以及太阳能等，因而具有广泛的适用性。(3)本联合循环系统由于采用碱金属热电转换器代替传统的热动力发电装置，具有热电转换效率高、功率密度高、无运动部件、无声、无需维护、可靠性高、高效洁净以及可模块化组合等优点。(4)本联合循环系统采用基于毛细泵回路原理的圆柱式蒸发器，以具有高毛细力、低流动阻力的高性能多孔毛细芯提供循环动力，从而具有结构灵活、控温和传热能力强等特点。(5)本联合循环系统采用甲醇水蒸气重整制氢反应合理利用碱金属热电转换子系统中冷凝器的余热，一方面可以提高整个系统的热利用率，以达到更好的经济性；另一方面，可以避免或减少冷凝器余热对环境造成的热污染，有利于环境保护。

附图说明：

图1为本发明实施示意图；

图2为图1中蒸发器1的A-A剖面视图。

其中：1-蒸发器；2-高压钠蒸汽管道；3-碱金属热电转换器；4-低压钠蒸汽管道；5-冷凝器；6-反应器；7-预热器；8-冷凝吸收器；9-汽化过热器；10-导热油泵；11-甲醇泵；12-脱盐水泵；13-变压吸附分离装置；14-负载；15-多孔薄膜阳极；16-β″氧化铝固体电解质；17-多孔薄膜阴极；18-外壳；19-纵向直肋片；20-钠蒸汽通道；21-多孔毛细芯；22-钠液体通道。

具体实施方式：

以下结合说明书附图中的图1、图2对本发明具体实施进行详细说明。

本发明主要由蒸发器1、高压钠蒸汽管道2、碱金属热电转换器3、低压钠蒸汽管道4、冷凝器5、反应器6、预热器7、冷凝吸收器8、汽化过热器9、导热油泵10、甲醇泵11、脱盐水泵12、变压吸附分离装置13和连接管道组成。其中，蒸发器1是由外壳18、纵向直肋片19、钠蒸汽通道20、多孔毛细芯21和钠液体通道22组成；碱金属热电转换器3由负载14、多孔薄膜阳极15、β″氧化铝固体电解质16和多孔薄膜阴极17组成。

本发明的工作过程如下：

对于碱金属热电转换子系统，外部输入热能经蒸发器1的外壳18和纵向直肋片19导入到达多孔毛细芯21，钠液体通道22内的液体工质钠在毛细抽力的作用下进入多孔毛细芯21；在多孔毛细芯结构内，温度为400～700K的液态钠被加热成900～1300K的气态钠；高温气态钠由钠蒸汽通道20经高压钠蒸汽管道2到达多孔薄膜阳极15与β″氧化铝固体电解质16的界面处，并发生电离：Na→e+Na⁺；由于β″氧化铝固体电解质16具有阳离子电导率很高而电子电导率很低的特点，因此，由β″氧化铝固体电解质16两侧钠蒸气压力差决定的化学势梯度驱使Na⁺穿过β″氧化铝固体电解质16，向β″氧化铝固体电解质16与多孔薄膜阴极17界面迁移，而电子则在多孔薄膜阳极15与β″氧化铝固体电解质16的界面处积聚。当外电路接通时，电子经负载14到达多孔薄膜阴极17，在β″氧化铝固体电解质16和多孔薄膜阴极17界面处与钠离子复合成中性钠原子：Na⁺+e→Na。钠原子吸收气化热而蒸发，经低压钠蒸汽管道4到达冷凝器5，释放出凝结热。凝结的液态钠进入蒸发器1的钠液体通道22以循环使用。这样，碱金属热电转换子系统通过碱金属热电转换器3把热能直接转换为电能。

另一方面，对甲醇水蒸气重整制氢子系统，导热油回路中的导热油在导热油泵10的驱动下，进入碱金属热电转换子系统中的冷凝器5，以强制对流的方式吸收冷凝器5的余热后，进入反应器6；在反应器6内，甲醇和水蒸气的混合物吸收来自导热油的热量，温度达到493～553K后，在反应床层中经Cu/ZnO/Al₂O₃催化剂的作用进行甲醇水蒸气重整制氢反应，得到的混合气体产物流经预热器7，把热量传给甲醇和脱盐水的混合物，冷却后的混合气体产物再流经冷凝吸收器8，在冷凝吸收器8中，混合气体产物进一步被冷却，同时未反应完的甲醇和水蒸气被脱盐水所吸收，最后从冷凝吸收器8流出的被冷却和净化后的混合气体产物进入变压吸附分离装置13，分离出纯度较高的氢气和解析气。与此同时，脱盐水经脱盐水泵11进入冷凝吸收器8，经混合气体产物加热并吸收未反应完的甲醇和水蒸气后，再按一定比例与由甲醇泵12输入的甲醇混合，进入预热器7被混合气体产物预热，再经汽化过热器9与导热油回路中从反应器6出来的导热油换热，汽化生成甲醇和水蒸气的混合物，最后进入反应器6，吸收导热油回路中进入反应器6的导热油热量，进行甲醇水蒸气重整制氢反应。如此循环，甲醇水蒸气重整制氢子系统就把碱金属热电转换子系统中冷凝器5的余热转化为化学能储存在制得的氢气中。

Claims

1.一种基于碱金属热电转换的发电与制氢联合循环系统，包括碱金属热电转换子系统和甲醇水蒸气重整制氢子系统，该联合循环系统主要由蒸发器(1)、高压钠蒸汽管道(2)、碱金属热电转换器(3)、低压钠蒸汽管道(4)、冷凝器(5)、反应器(6)、预热器(7)、冷凝吸收器(8)、汽化过热器(9)、导热油泵(10)、甲醇泵(11)、脱盐水泵(12)、变压吸附分离装置(13)和连接管道组成；其特征在于：碱金属热电转换子系统以钠为工质，经碱金属热电转换器(3)将热能直接转化为电能；甲醇水蒸气重整制氢子系统以碱金属热电转换子系统中的冷凝器(5)的余热为热源，经甲醇水蒸气重整反应将冷凝器(5)的余热转化为化学能储存在氢气中；甲醇水蒸气重整制氢子系统经导热油回路与碱金属热电转换子系统的冷凝器(5)相连，冷凝器(5)的余热温度为400～700K。

2.根据权利要求1所述的一种基于碱金属热电转换的发电与制氢联合循环系统，其特征在于：所述的碱金属热电转换子系统中的蒸发器(1)采用基于毛细泵回路原理的圆柱式蒸发器，其工作温度为900～1300K；蒸发器(1)的外壳(18)外侧吸收外部输入热能；外壳(18)内侧均匀设有与外壳(18)成一体的纵向直肋片(19)；液态工质在沿蒸发器中心轴线方向的圆形钠液体通道(22)内流动；在纵向直肋片(19)顶部与钠液体通道(22)之间的环形通道内设有多孔毛细芯(21)；由蒸发器外壳(18)的内壁面、纵向直肋片(19)的肋面和多孔毛细芯(21)的外侧组成的各扇形通道为钠蒸汽通道(20)。

3.根据权利要求1所述的一种基于碱金属热电转换的发电与制氢联合循环系统，其特征在于：所述的甲醇水蒸气重整制氢子系统中的反应器(6)采用固定管式反应床层结构，床层内填充由Cu、ZnO和Al₂O₃三种成份组成的催化剂。