CN102003698B - 一种利用镁能氢能发电的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于新能源发电技术领域的一种利用镁能氢能发电的系统。该系统是镁与水反应产生热能，同时燃烧反应所产生的氢气，共同加热工质水，产生蒸汽推动汽轮机做功进行发电。镁能氢能蒸汽发生装置主要分为制氢腔和燃烧腔。在制氢腔中镁与蒸汽反应产生氢气，同时发出热量加热换热器内的工质水；在燃烧腔中，利用制氢腔制成的氢气，与空气混合燃烧，进一步加热换热器内的工质水，从而产生蒸汽推动汽轮机转动，带动发电机发电。该系统避免了有害气体排放，减少环境污染，实施方便，控制简单，容易进行市场推广。
Description
技术领域
本发明属于新能源发电技术领域，特别涉及一种利用镁能氢能发电的系统，具体说是利用金属镁与水反应产生热能，同时燃烧反应所产生的氢气，共同加热工质水，使蒸汽推动汽轮机做功，进行发电的系统。将镁能氢能用作产生热能并转换成电能。是一种有发展前途和值得进一步研究和探索的新能源。
背景技术
镁属于第二主族元素，是银白色活泼金属，与钠同周期，但金属性比钠弱，与水反应生成物跟钠与水反应生成物相似，条件比钠要求高。镁遇湿易燃，遇水或潮气猛烈反应放出氢气，大量放热，引起燃烧或者可能引起爆炸。即：镁与热水(冷水)反应强烈(缓慢)，生成氢氧化镁沉淀物并置换出氢气，氢氧化镁在200℃时分解成氧化镁和水。由此看出，镁与水反应，不仅放出较多的热能，而且还能产生氢能。关键是设计一个可控的方式，以达到从化学反应中获得能量。英国不列颠哥伦比亚省白石镇MagPower的工程师已经开发出一种金属空气电池，该电池通过使用水、空气与作为阳极电源的镁金属进行反应来产生电能。美国帕萨迪纳加州理工学院的Andrew Kindler正在开发一种通过镁与蒸汽反应，从而为行驶在路上的燃料汽车提供氢的方法，这一反应能产生适合燃料电池的氢，而此过程中同时产生的氧化镁则是一种相对不错的副产品。虽然国外做了上述工作，但还很不成熟，而且还没有设计出大规模利用镁能氢能的工业发电系统。充分利用镁能热量及反应产物，设计出同时利用镁反应热能和所产生氢能的新型系统十分必要，是实现新能源开发的迫切要求。也是中国形成独立自主知识产权的重要任务，由此可以为我国在镁能发电领域处于领先地位奠定一定基础。
发明内容
本发明的目的是针对现在还没有利用镁能氢能发电的技术而提出的一种利用镁能氢能发电的系统，其特征在于，所述镁能氢能发电系统是利用镁金属与蒸汽反应产生热能并利用生成的氢能继续产生热能来发电。基本原理是在制氢腔中镁粒与蒸汽反应，生成氢气并产生热量。氢气与空气的混合气体被引出，到燃烧腔继续燃烧其中氢气，产生更多的热量，加热蒸汽产生过热蒸汽，过热蒸汽去推动汽轮机做功发电。
镁能氢能发电系统的具体工作流程为给水通过低压加热器22、除氧器23、给水泵24、高压加热器25，进入镁能氢能蒸汽发生装置18，在蒸汽发生装置18中吸收热量变为过热蒸汽，然后进入汽轮机19做功，汽轮机19带动发电机20发电，做过功的蒸汽通入凝汽器21变成冷凝水，之后再通过低压加热器22进行循环。
镁能氢能蒸汽发生装置18主要分为两个腔室：制氢腔和燃烧腔。在制氢腔下部装置有水冷式布风板3，布风板下部装有一次风风箱1，一次风风箱1旁边有底渣收集器2；在制氢腔壁面上装有给镁机4和二次风喷嘴5，其中给镁机4装于二次风喷嘴5下方；制氢腔四周装有制氢腔水冷壁6，制氢腔顶部安装第一换热器7；制氢腔中水冷式布风板3、制氢腔水冷壁6、制氢腔顶部的第一换热器7通过第一联箱26(水冷式布风板3和制氢腔水冷壁6之间)以及第二联箱27(制氢腔水冷壁6和第一换热器7之间)连接，使制氢腔构成通路，其中制氢腔水冷壁6给水来自汽包14。制氢腔连接有气固分离器8，气固分离器8下方装有固体收集器9，气固分离器8出口端通往燃烧腔。燃烧腔下方装有氢气燃烧器10，氢气燃烧器10下方装有三次风风箱11，氢气燃烧器10燃料入口与气固分离器8相连；燃烧腔四周装有燃烧腔水冷壁12，燃烧腔顶部安装第二换热器13；燃烧腔水冷壁12和燃烧腔顶部的第二换热器13之间通过第三联箱28连接；在燃烧腔或制氢腔上部装有汽包14，汽包14的蒸汽大部分通往汽轮机19做功，小部分通往制氢腔一次风风箱1，燃烧腔后装置有尾部通道，尾部通道中从上到下依次布置有给水预热器15、空气预热器16、脱水干燥器17；给水预热器15进口接主给水管路，出口通往汽包14，空气预热器16出口通往一次风风箱1、二次风喷嘴5、三次风风箱11。
所述燃烧腔顶部的第二换热器13可以作为过热器或再热器使用。
所述制氢腔中，由给镁机4给入的镁粒在一次风风箱1、水冷式布风板3和二次风喷嘴5的共同作用下做流化运动，并与一次风中的水蒸气发生反应。生成的氢气连同多余的空气以及部分反应产物氧化镁一起进入气固分离器8中。
所述蒸汽发生装置18产生的蒸汽中的一小部分被引往一次风风箱1，同一次风一起进入制氢腔作为制氢用蒸汽，在制氢腔中镁粒与蒸汽发生反应生成氧化镁和氢气，同时产生热量。
所述气固分离器8中，进入的是氢气、空气以及部分制氢产物氧化镁，通过气固分离器8后，氢气、空气与氧化镁固体分离，氧化镁固体进入气固分离器8下部的固体收集器9中，氢气、空气混合气体通过气固分离器8的出口通道进入燃烧腔中。
所述燃烧腔中，来自气固分离器8的氢气空气混合气在氢气燃烧器10中与来自三次风风箱11的三次风一起喷入燃烧腔进行燃烧，产生热量，加热燃烧腔水冷壁12和燃烧腔顶部的第二换热器13中的工质水。
所述尾部通道中，燃烧腔出来的剩余热量分别在给水预热器15和空气预热器16中对给水和给风进行预热，水分在脱水干燥器17中被脱除，通过尾部通道排入大气的气体不含有害物质。
本发明的突出优点是清洁无污染。通过设备适当的布置，实现了镁粒与蒸气发生反应产生热量和氢气，以及氢气在空气中燃烧产生热量的两个过程，并利用这些热量加热工质水，产生可以推动汽轮机做功发电的蒸汽。在整个蒸汽产生过程中，输入燃料为镁粒，产物仅为氧化镁和水，其中氧化镁可以作为化工原料，水可以通过收集或者干燥除去，避免了环境有害气体的排放。另外，此系统结构简单，便于制造，也可以设计为供热机组或供暖机组，使用范围广，符合当前节能减排政策，容易进行市场推广。
附图说明
图1是镁能氢能发电系统的蒸汽发生装置结构示意图。
图2是镁能氢能发电系统流程示意图。
具体实施方式
本发明的目的是针对现在还没有的镁能氢能发电技术而提出的一种利用镁粒与水反应产生热能，并利用生成的氢能继续燃烧，利用产生的热量加热工质水，推动汽轮机做功，最终产生电能的系统，下面结合附图予以说明。
图1是本发明提供的镁能氢能发电系统的蒸汽发生装置结构示意图。它分别利用了镁能和氢能来加热工质水，产生符合发电要求的蒸汽。具体结构主要分为制氢腔和燃烧腔两个腔室：在制氢腔下部装置有水冷式布风板3，布风板下部装有一次风风箱1，一次风风箱1旁边有底渣收集器2；在制氢腔壁面上装有给镁机4和二次风喷嘴5，其中给镁机4装于二次风喷嘴5下方；制氢腔四周装有制氢腔水冷壁6，制氢腔顶部安装第一换热器7；制氢腔中水冷式布风板3、制氢腔水冷壁6、制氢腔顶部的第一换热器7通过第一联箱26(水冷式布风板3和制氢腔水冷壁6之间)以及第二联箱27(制氢腔水冷壁6和第一换热器7之间)连接，使制氢腔构成通路，其中制氢腔水冷壁6给水来自汽包14。制氢腔连接有气固分离器8，气固分离器8下方装有固体收集器9，气固分离器8出口端通往燃烧腔。燃烧腔下方装有氢气燃烧器10，氢气燃烧器10下方装有三次风风箱11，氢气燃烧器10燃料入口与气固分离器8相连；燃烧腔四周装有燃烧腔水冷壁12，燃烧腔顶部安装第二换热器13；燃烧腔水冷壁12和燃烧腔顶部的第二换热器13之间通过第三联箱28连接；在燃烧腔或制氢腔上部装有汽包14，汽包14的蒸汽大部分通往汽轮机19做功，小部分通往制氢腔一次风风箱1，燃烧腔后装置有尾部通道，尾部通道中从上到下依次布置有给水预热器15、空气预热器16、脱水干燥器17；给水预热器15进口接主给水管路，出口通往汽包14，空气预热器16出口通往一次风风箱1、二次风喷嘴5、三次风风箱11。
图2是本发明提供的镁能氢能发电系统流程示意图。具体结构为低压加热器22、除氧器23、给水泵24、高压加热器25、镁能氢能蒸汽发生装置18、汽轮机19和凝汽器21组成串联回路。给水在蒸汽发生装置18中吸收热量变为过热蒸汽，然后进入汽轮机19做功，汽轮机19带动发电机20发电，做过功的蒸汽通入凝汽器21变成冷凝水，之后再通过低压加热器22进行循环。
蒸汽发生装置具体实施过程如下：
工质水流程：由给水泵24来的给水首先进入给水预热器15进行预热，之后进入汽包14，汽包14中的水首先进入第一联箱26，之后分配给制氢腔水冷壁6和水冷式布风板3，然后工质水在制氢腔水冷壁6上方的第二联箱27汇集，并进入制氢腔顶部的第一换热器7，工质水在制氢腔水冷壁6、水冷式布风板3、制氢腔顶部的第一换热器7中接收热量，从制氢腔顶部的第一换热器7出来的工质水接着分配进入燃烧腔水冷壁12中，再于燃烧腔水冷壁12上方的第三联箱28汇集后，进入燃烧腔顶部的第二换热器13中，经过多次加热，工质水已经变成饱和蒸汽，然后进入汽包14中，燃烧腔顶部的第二换热器13可以根据需要设计出过热器部分或再热器部分，汽包14中出来的饱和蒸汽再通过燃烧腔顶部的第二换热器13的过热器部分得到过热蒸汽，之后就可以通往汽轮机19进行做功发电，另外有一小部分蒸汽被引往一次风风箱1，同一次风一起进入制氢腔作为制氢用蒸汽。根据需要，汽轮机高压缸的排汽可以返回燃烧腔顶部的第二换热器13的再热器部分进行再热后通入中低压缸，从而提高热效率。蒸汽通过汽轮机19后在凝汽器21中冷凝，冷凝水再通过低压加热器22、除氧器23、高压加热器25等后，变成给水供给蒸汽发生装置18。
燃料流程：燃料镁粒通过制氢腔壁面上的给镁机4进入制氢腔，在一次风1和二次风5的共同作用下在制氢腔中做流化运动，并与一次风1中的蒸汽发生化学反应，生成氧化镁和氢气，同时放出热量，重量较大的氧化镁将掉落，通过水冷式布风板3的通道，进入底渣收集器2中，重量较小的氧化镁将连同一二次风以及生成的氢气进入制氢腔外的气固分离器8中，在气固分离器8中，固体氧化镁进入固体收集器9中，制成的氢气连同剩余空气进入燃烧腔的氢气燃烧器10中，与适量的三次风11一同喷入燃烧腔进行燃烧，产生大量热量，加热工质水，被加热的剩余空气通入尾部通道，在尾部通道中加热给水预热器15和空气预热器16，最后在脱水干燥器17中进行干燥处理，最终的尾气干燥洁净，可以直接排放大气。
空气流程：由风机来的空气通过空气预热器16进行预热后分别供给一次风风箱1、二次风喷嘴5、三次风风箱11使用。在一次风风箱1中，热空气与蒸汽管道引来的蒸汽混合，一起进入制氢腔。在氢气燃烧器10中，来自气固分离器8的氢气空气混合气同适量来自三次风风箱11的三次风一起喷入燃烧腔进行燃烧。最终制氢腔和燃烧腔中多余的热空气通过尾部通道中的加热给水预热器15、空气预热器16和脱水干燥器17后排往大气。
Claims (7)
1.一种利用镁能氢能发电的系统，其特征在于，所述利用镁能氢能发电的系统是利用镁能与水反应产生热量，并且反应产生的氢能可以点燃继续产生热量的特性来加热工质水，得到蒸汽来推动汽轮机做功发电，具体结构是低压加热器(22)、除氧器(23)、给水泵(24)、高压加热器(25)、镁能氢能蒸汽发生装置(18)、汽轮机(19)和凝汽器(21)组成串联回路，给水在镁能氢能蒸汽发生装置(18)中吸收热量变为过热蒸汽，然后进入汽轮机(19)做功，汽轮机(19)带动发电机(20)发电，做过功的蒸汽通入凝汽器(21)变成冷凝水，之后再通过低压加热器(22)进行循环。
2.根据权利要求1所述利用镁能氢能发电的系统，其特征在于，所述镁能氢能蒸汽发生装置(18)主要分为制氢腔和燃烧腔；在制氢腔下部装有水冷式布风板(3)，水冷式布风板(3)下部装有一次风风箱(1)，一次风风箱(1)旁边有底渣收集器(2)；在制氢腔壁面上装有给镁机(4)和二次风喷嘴(5)，其中给镁机(4)装于二次风喷嘴(5)下方；制氢腔四周装有制氢腔水冷壁(6)，制氢腔顶部安装第一换热器(7)；水冷式布风板(3)、制氢腔水冷壁(6)、制氢腔顶部的第一换热器(7)通过在水冷式布风板(3)和制氢腔水冷壁(6)之间的第一联箱(26)以及在制氢腔水冷壁(6)和第一换热器(7)之间的第二联箱(27)连接，使制氢腔构成通路，其中制氢腔水冷壁(6)给水来自汽包(14)；制氢腔连接有气固分离器(8)，气固分离器(8)下方装有固体收集器(9)，气固分离器(8)出口端通往燃烧腔；燃烧腔下方装有氢气燃烧器(10)，氢气燃烧器(10)下方装有三次风风箱(11)，氢气燃烧器(10)燃料入口与气固分离器(8)相连；燃烧腔四周装有燃烧腔水冷壁(12)，燃烧腔顶部安装第二换热器(13)；燃烧腔水冷壁(12)和燃烧腔顶部的第二换热器(13)通过第三联箱(28)连通，在燃烧腔或制氢腔上部装有汽包(14)，汽包(14)的蒸汽大部分通往汽轮机(19)做功，小部分通往制氢腔一次风风箱(1)；燃烧腔后部装有尾部通道，尾部通道中从上到下依次布置有给水预热器(15)、空气预热器(16)、脱水干燥器(17)；给水预热器(15)进口接主给水管路，出口通往汽包(14)，空气预热器(16)出口通往一次风风箱(1)、二次风喷嘴(5)及三次风风箱(11)；燃烧腔顶部的第二换热器(13)部分可以作为过热器或再热器。
3.根据权利要求2所述利用镁能氢能发电的系统，其特征在于，所述制氢腔中，由给镁机(4)给入的镁粒在一次风风箱(1)、水冷式布风板(3)和二次风喷嘴(5)的共同作用下做流化运动，并与一次风中的水蒸气发生反应，生成的氢气连同剩余的空气以及反应产物氧化镁一起进入气固分离器(8)中。
4.根据权利要求2所述利用镁能氢能发电的系统，其特征在于，所述镁能氢能蒸汽发生装置(18)产生的蒸汽中的一小部分被引往一次风风箱(1)，同一次风一起进入制氢腔作为制氢用蒸汽，在制氢腔中镁粒与蒸汽发生反应生成氧化镁和氢气，同时产生热量。
5.根据权利要求2所述利用镁能氢能发电的系统，其特征在于，所述气固分离器(8)中，进入的是氢气、空气以及制氢产物氧化镁，通过气固分离器(8)后，氢气、空气与氧化镁固体分离，氧化镁固体进入气固分离器(8)下部的固体收集器(9)中，氢气、空气通过气固分离器(8)的出口通道进入燃烧腔中，收集起来的氧化镁可以作为化工原料进行再利用。
6.根据权利要求2所述利用镁能氢能发电的系统，其特征在于，所述燃烧腔中，来自气固分离器(8)的氢气和空气的混合气在氢气燃烧器(10)中与来自三次风风箱(11)的三次风一起喷入燃烧腔进行燃烧，产生热量，加热燃烧腔水冷壁(12)、燃烧腔顶部的第二换热器(13)中的工质水。
7.根据权利要求2所述利用镁能氢能发电的系统，其特征在于，所述尾部通道中，燃烧腔出来的剩余热量分别在给水预热器(15)和空气预热器(16)中对给水和给风进行预热，水分在脱水干燥器(17)中被脱除，通过尾部通道排入大气的气体不含有害物质。
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