CN102610844B - 一种利用低温废热进行发电的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用低温废热进行发电的方法及其专用装置。该装置由反向电渗析(RED)模块、蒸馏柱和热交换器组成，工作液为碳酸氢铵溶液。浓碳酸氢铵溶液和稀碳酸氢铵溶液分别流入RED模块的浓水室及淡水室，阴、阳离子在浓度差的推动下进行迁移而实现产电。稀碳酸氢铵溶液的出水进入蒸馏柱，增加的碳酸氢铵以氨气与二氧化碳的形式被分离并导入浓碳酸氢铵溶液的出水中，完成溶液的再生。再生的稀碳酸氢铵溶液冷却后，随再生的浓碳酸氢铵溶液回流至RED模块，从而完成一个产电循环。本发明的方法能量效率不受热源温度的限制，特别适用于低温废热的回收利用；同时，其耗水量小，应用地区广；另外，其产电成本低，工艺简单，易操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用低温废热进行发电的方法及其装置。
背景技术
近年来，随着工业社会的快速发展，全球范围内的环境污染与能源危机问题日益严重。因此，可再生能源逐渐引起了人类的关注。低温废热是一种潜在的可再生能源，其总量巨大。据统计，低温废热约为人类工业生产所释放热能的50％。目前常用的废热发电技术均基于几大传统的热力学循环，如有机物朗肯循环、卡琳娜循环等。这些工艺的能量效率均受到热源温度的限制，因而低于100℃的废热并不适宜利用这些技术进行回收利用。
反向电渗析(Reverse electrodialysis，简称RED)是近年诞生的一种新发电技术，其基本原理与电渗析脱盐相反，即：利用浓盐溶液与稀盐溶液的混合来进行产电。其主体装置是由阳极、交替排列的阴、阳离子交换膜和阴极堆叠而成的RED模块。交替排列的阴、阳离子交换膜由隔板来分隔，形成独立的浓水室与淡水室。当浓盐溶液与稀盐溶液进入该模块并在各自腔室中流动时，浓盐溶液中的阴、阳离子在浓度差的推动下分别通过阴、阳离子交换膜迁移进入淡水室，从而形成内电流。通过阴阳极的氧化还原反应即可将内电流转化为外电路电流。但是该技术存在以下两个主要问题：(1)耗水量大，应用地区有限。由于离子的迁移将导致浓度梯度减小，为了保证稳定的产电，新鲜的浓、淡水需要连续不断的补充至模块中。因此，该技术只适用于浓、淡水水量充足的地区，如河水的入海口处。(2)另外，在实际应用中，河水、海水的输送会使发电成本大大增加。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供了一种利用低温废热进行发电的方法及其专用装置。
本发明所提供的利用低温废热进行发电的装置，包括反向电渗析模块，所述反向电渗析模块为常用的电渗析器，由阴极室、阴极、交替排列的阴阳离子交换膜、隔板、阳极室和阳极组成，所述隔板分别放置在交替排列的阴阳离子交换膜之间形成浓水室和淡水室；其改进在于：所述装置还包括蒸馏柱和热交换器；所述蒸馏柱的进液口与所述淡水室的出液口通过管路连接；所述蒸馏柱的出液口与所述淡水室的进液口通过管路连接，所述热交换器设于连接所述蒸馏柱的出液口与所述淡水室的进液口的管路上。
其中，所述浓水室的出液口与进液口可通过管路连接形成一个回路，所述蒸馏柱的蒸汽出口可通过管路与形成所述回路的管路相连通，以使蒸馏柱产生的气体与浓水室出水混合后回流至浓水室。
此外，上述装置还可包括蠕动泵，所述蠕动泵可分别设在连接所述蒸馏柱的出液口与所述淡水室的进液口的管路上，以及连接所述浓水室出液口与进液口的管路上，以便在蠕动泵的作用下使再生后的工作液回流至反向电渗析模块的浓水室和淡水室中。
在上述装置中，所述蒸馏柱是利用废热进行加热的，所述废热可为钢铁、水泥等工业生产过程中的余热。
在上述装置中，所述阴离子交换膜和阳离子交换膜均为透过率不小于90％的电渗析用离子交换膜，厚度可为0.1～0.5mm，爆破强度不小于0.3MPa。
所述阴极和阳极为工业用电渗析电极，该电极可由表面涂钌涂铱的钛、二氧化钌等材料制成，形状为板状或网状。
所述热交换器包括工业常用的套管式换热器、板式换热器、列管式换热器等。
所述蒸馏柱包括刺形蒸馏柱等常用蒸馏柱。
本发明所提供的发电方法，是采用反向电渗析法进行发电的，所述反向电渗析法中的工作液为碳酸氢氨溶液。
在工作时，所述碳酸氢氨溶液分为浓碳酸氢氨溶液和稀碳酸氢氨溶液；在反向电渗析法发电的过程中，浓碳酸氢铵溶液中的阴、阳离子在浓度差的推动下迁移进入稀碳酸氢铵溶液而实现产电，产电后的稀碳酸氢铵溶液通过加热将其中由于离子迁移而增加的碳酸氢铵以氨气与二氧化碳的形式被分离并导入产电后的浓碳酸氢铵溶液中，实现浓碳酸氢铵溶液的再生，加热剩余的碳酸氢铵溶液即为再生的稀碳酸氢铵溶液；再生后的浓碳酸氢铵溶液和稀碳酸氢氨溶液作为工作液循环使用。
所述浓碳酸氢氨溶液的浓度为1mol/L-1.5mol/L左右，使输出功率最大。所述稀碳酸氢氨溶液的浓度为0.015-0.05mol/L。
所述利用低温废热进行发电的方法可在本发明提供的装置中进行，具体步骤如下：
1)将浓碳酸氢铵溶液和稀碳酸氢铵溶液分别引入浓水室和淡水室，浓碳酸氢铵溶液中的阴、阳离子在浓度差的推动下分别通过阴离子交换膜、阳离子交换膜迁移进入淡水室，从而形成内电流；同时，电极液在阴极室与阳极室之间不断循环；电极液中的电子供体在阳极室中发生氧化反应，释放出电子传递至阳极，电子再经外电路传递到阴极与电极液中的电子受体结合，从而形成外电流，外电流方向为由阴极指向阳极；
2)淡水室出水通过管路进入蒸馏柱，其中由于离子迁移而增加的碳酸氢铵以氨气与二氧化碳的形式被分离并导入浓水室出水中，从而完成浓碳酸氢铵溶液的再生；蒸馏柱内剩余的溶液则为再生的稀碳酸氢铵溶液；
3)将再生的稀碳酸氢铵溶液经热交换器冷却至常温后，随再生的浓碳酸氢铵溶液分别在蠕动泵的作用下回流至反向电渗析模块，完成一个产电循环。
所述电极液包括两类：含有氧化还原电对的混合溶液，如铁氰化钾(铁氰化铵)和亚铁氰化钾(亚铁氰化铵)的混合溶液；电渗析行业常用作电极液的盐溶液，如氯化钠等。
本发明以反向电渗析(RED)技术为基础，以热稳定性较差的碳酸氢铵溶液(60℃即可分解)作为RED的浓、淡水，并采用利用废热的蒸馏柱将淡水中增加的溶质以氨气与二氧化碳的形式从淡水出水中分离，同时将分离的气体导入浓水出水中，使浓、淡水得到再生，最后将再生的浓、淡水回流至RED模块，从而形成一套利用废热进行产电的闭路循环RED系统。
本发明的有益效果为：所述工艺能量效率不受热源温度的限制，特别适用于低温废热的回收利用；耗水量小，应用地区广；产电成本低，工艺简单，易操作。
附图说明
图1为本发明利用低温废热进行发电的装置结构示意图及工作原理；图中各标记如下：1-RED模块；2-蒸馏柱；3-热交换器；4-阳离子交换膜；5-阴离子交换膜；6-阴极；7-阳极；8-浓碳酸氢铵溶液；9-稀碳酸氢铵溶液；10-浓碳酸氢铵溶液的出水；11-稀碳酸氢铵溶液的出水；12-蠕动泵；A-阴极室；B-浓水室；C-淡水室；D-阳极室。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明，但本发明并不局限于此。
下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
下述实施例所用的电极：阴极和阳极均为表面涂钌涂铱的钛板，购于山东天维膜技术有限公司；隔板：聚丙烯，购于山东天维膜技术有限公司；膜：阴膜名称为AMV，阳膜名称为CMV，日本旭硝子公司；泵：型号WT600-4F，保定兰格恒流泵有限公司。
实施例1、利用低温废热进行发电的方法及装置
图1为本发明利用低温废热进行发电工艺的原理及装置结构示意图。该装置主要由RED模块1、蒸馏柱2和热交换器3组成。其中，RED模块1主要由阴极6、阳极7、阳离子交换膜4和阴离子交换膜5构成，模块中设有阴极室A、浓水室B、淡水室C和阳极室D。阴极6、阳极7均为表面涂钌涂铱的钛板。浓碳酸氢铵溶液8和稀碳酸氢铵溶液9分别流经浓水室B和淡水室C，溶液由蠕动泵12输送。
其工作过程为：
产电：浓碳酸氢铵溶液8和稀碳酸氢铵溶液9分别进入RED模块1的浓水室B和淡水室C，浓碳酸氢铵溶液中的阴、阳离子在浓度差的推动下将分别通过阴离子交换膜5、阳离子交换膜4迁移进入淡水室，从而在模块中形成内电流。内电流方向为从阳极7流向阴极6。与此同时，电极液在阴极室A与阳极室D之间不断循环。电极液中的电子供体在阳极室D中发生氧化反应，释放出电子传递至阳极7，电子再经外电路传递到阴极6与电子受体结合，从而形成外电流，外电流方向为由阴极6指向阳极7。
溶液再生：稀碳酸氢铵溶液的出水11进入利用废热的蒸馏柱2，其中由于离子迁移而增加的碳酸氢铵以氨气与二氧化碳的形式被分离并导入浓碳酸氢铵溶液的出水10中，从而完成溶液的再生。
回流：再生的稀碳酸氢铵溶液经过热交换器3被冷却至常温后，随再生的浓碳酸氢铵溶液一起在蠕动泵12的作用下回流至RED模块1，从而完成一个产电循环。
目前，当浓碳酸氢铵溶液为1.5mol/L，稀碳酸氢铵溶液为0.02mol/L，RED模块的进水流量为800ml/min，电极液为0.1mol/L铁氰化钾与0.1mol/L亚铁氰化钾混合溶液(体积比为1∶1)，膜对数量为20时，RED模块的输出功率密度为0.33W/m2。
Claims (4)
1.一种发电的方法，是采用反向电渗析法进行发电的，其特征在于：
所述发电是在一种利用低温废热进行发电的装置中进行的；所述装置包括反向电渗析模块，所述反向电渗析模块由阴极室、阴极、交替排列的阴、阳离子交换膜堆、隔板、阳极室和阳极组成，交替排列的阴、阳离子交换膜由隔板来分隔，形成独立的浓水室和淡水室；所述装置还包括蒸馏柱和热交换器；所述蒸馏柱的进液口与所述淡水室的出液口通过管路连接；所述蒸馏柱的出液口与所述淡水室的进液口通过管路连接，所述热交换器设于连接所述蒸馏柱的出液口与所述淡水室的进液口的管路上；
所述浓水室出液口与进液口通过管路连接形成一个回路，所述蒸馏柱的蒸汽出口通过管路与形成所述回路的管路相连通，以使蒸馏柱产生的气体与浓水室出水混合后回流至浓水室；
所述装置还包括蠕动泵，所述蠕动泵分别设在连接所述蒸馏柱的出液口与所述淡水室的进液口的管路上，以及连接所述浓水室出液口与进液口的管路上；
所述反向电渗析法中的工作液为碳酸氢铵溶液；
所述碳酸氢铵溶液分为浓碳酸氢铵溶液和稀碳酸氢铵溶液；在反向电渗析法发电的过程中，浓碳酸氢铵溶液中的阴、阳离子在浓度差的推动下迁移入稀碳酸氢铵溶液而实现产电，产电后的稀碳酸氢铵溶液通过加热将由于离子迁移而增加的碳酸氢铵以氨气与二氧化碳的形式被分离并导入产电后的浓碳酸氢铵溶液中，实现浓碳酸氢铵溶液的再生，加热剩余的碳酸氢铵溶液即为再生的稀碳酸氢铵溶液；再生后的浓碳酸氢铵溶液和稀碳酸氢铵溶液作为工作液循环使用；所述浓碳酸氢铵溶液的浓度为1mol/L-1.5mol/L；所述稀碳酸氢铵溶液的浓度为0.015-0.05mol/L。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述发电的方法，具体步骤如下：
1）将浓碳酸氢铵溶液和稀碳酸氢铵溶液分别引入浓水室和淡水室，浓碳酸氢铵溶液中的阴、阳离子在浓度差的推动下分别通过阴离子交换膜、阳离子交换膜迁移进入淡水室，从而形成内电流；同时，电极液在阴极室与阳极室之间不断循环；电极液中的电子供体在阳极室中发生氧化反应，释放出电子传递至阳极，电子再经外电路传递到阴极与电极液中的电子受体结合，从而形成外电流，外电流方向为由阴极指向阳极；
2）淡水室出水通过管路进入蒸馏柱，其中由于离子迁移而增加的碳酸氢铵以氨气与二氧化碳的形式被分离并导入浓水室出水中，从而完成浓碳酸氢铵溶液的再生；蒸馏柱内剩余的溶液则为再生的稀碳酸氢铵溶液；
3）将再生的稀碳酸氢铵溶液经热交换器冷却至常温后，随再生的浓碳酸氢铵溶液分别在蠕动泵的作用下回流至反向电渗析模块，完成一个产电循环。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述电极液为：铁氰化钾和亚铁氰化钾的混合溶液、铁氰化铵和亚铁氰化铵的混合溶液或者氯化钠溶液。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述蒸馏柱利用废热加热，所述废热具体为工业生产过程中的余热；
阴离子交换膜和阳离子交换膜为透过率不小于90%的电渗析用离子交换膜，厚度为0.1～0.5mm，爆破强度不小于0.3MPa；
所述阴极和阳极为电渗析用电极，形状为板状或网状；
所述热交换器包括工业常用的套管式换热器、板式换热器、列管式换热器；
所述蒸馏柱包括刺形蒸馏柱。
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