CN104577164A - 基于铝水反应的单透平热电联产系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及新型清洁能源高效利用领域，旨在提供一种基于铝水反应的单透平热电联产系统及方法。该系统中，循环泵、铝水反应器、氢气-蒸汽透平、热交换器依次连接；热交换器的出口分为两路，其中一路接至燃料电池的入口，另一路接至所述循环泵的入口；燃料电池的排放口接至循环泵的入口。本发明同时利用了氢气和反应热，具有较高的系统效率。系统的能量利用效率可达到70％，其中发电效率可大于28％。在供电的同时提供热能，适合野外作业、偏远地区小型建筑等中小型分布式供能。本发明为闭式系统，用完的含铝金属可以回收再利用，没有污染物和废弃物排放，清洁环保。

Description

基于铝水反应的单透平热电联产系统及方法
技术领域
本发明公开了一种基于铝水反应的热电联产系统及方法，属于新型清洁能源高效利用领域。
背景技术
铝是地壳中大量含有的一种金属，因为铝和铝的化合物呈现出不同的热力学特性、导电特性和机械特性，所以铝制品被广泛的应用于各个不同领域。铝的能量密度达到29MJ/kg，可以作为能源材料使用。从20世纪50年代，铝燃烧就被研究和应用。近年来，利用铝作为储存能量的材料获得了快速发展。
因为铝在氧气，空气，二氧化碳和水中都能发生反应，因此有人提出利用铝与水反应来制取氢气。铝水反应生成氢气被认为是一种环境友好型的能源利用方式。当今煤的气化技术和天然气重整技术生产了大约95％的氢气，然而这些技术因消耗化石燃料不能可持续发展。利用可再生能源生产铝并利用铝水反应生成氢气将会是一种很可持续的清洁能源利用方式。
铝水反应除放出大量氢气外，也释放大量的热，放出的热量和生成氢气的热值相当。目前基于铝水反应的能源利用，多是利用其热量或是利用产物氢气。如作为水下发动机推进剂燃料主要成分，主要利用的是反应热，而对于氢气则直接做废气排入水中；而基于铝水反应的制氢研究，则主要关注反应产氢性能。由于致密氧化铝膜阻碍了铝水的进一步反应，人们提出了各种促进铝水反应的方法：加入盐如NaCl、AlCl3、NaOH、Ga和In等金属进行球磨等等。这些方法都是基于室温下的含铝金属粉浸渍在水溶液中的，对于反应热则不关注，也不利用。这两种铝能源利用系统，均浪费大量的能量资源，其系统能源效率均低于50％。欲提高铝的能源利用效率，氢气和铝水反应热同时利用是很重要的。这里提出了一套以铝为燃料、利用铝水反应的氢气和热量的能源利用系统构型，实现了铝的能源高效利用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于铝水反应的单透平热电联产系统及方法。该系统充分利用铝水反应中生成的氢气和反应热，并将之都转化为可以利用的能量，实现铝水反应系统能量利用效率的提高。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种基于铝水反应的单透平热电联产系统，包括与发电机相接的透平；所述透平是氢气-蒸汽透平；循环泵通过输送水的管路连接至铝水反应器入口，铝水反应器的出口通过输送氢气-过热蒸汽混合物的管路连接至氢气-蒸汽透平的入口，氢气-蒸汽透平的出口接至热交换器；热交换器的出口分为两路，其中一路通过输送氢气的管路连接至燃料电池的入口，另一路通过输送水的管路直接连接至所述循环泵的入口；燃料电池与用电装置相接，燃料电池的排放口通过输送水的管路接至所述循环泵的入口。
本发明中，所述铝水反应器中预装有占铝水反应器体积为50％～70％的水反应金属；水反应金属装填在铝水反应器的中下部，铝水反应器出口布置于水反应金属上部的空腔位置，铝水反应器入口布置于水反应金属的中下部位置，铝水反应器的外侧套设保温隔热材料。
本发明进一步提供了基于前述系统的基于铝水反应的单透平热电联产方法，具体包括：
(1)过量的水通过循环泵进入铝水反应器内，与高铝含量的水反应金属发生反应，生产氢气并产生热量；过量部分的未反应的水被加热成为过热蒸汽，与氢气一起流出反应器，进入氢气-蒸汽透平做功，带动发电机发电；
(2)从氢气-蒸汽透平中排出的乏汽进入热交换器进行换热，乏汽被冷却所释放的热量供热用户使用，乏汽中的水蒸汽被冷却后凝结为液态的水并与氢气分离，液态的水送至循环泵入口重新进入循环；氢气被引入燃料电池发生电化学反应，将氢气中的化学能转变为电能供用电装置使用，电化学反应生成的水也送至循环泵入口重新进入循环。
本发明中，所述高铝含量的水反应金属能与水反应产生氢气放出热量，是最大尺寸为5～10mm的块状的铝合金，该铝合金的组分为：铝80～90％、锂5～15％、镁5～10％。
本发明中，所述铝水反应器能耐受高温和高压，铝水反应器内部的反应温度在350～800℃之间，压力在0.5MPa～5Mpa。所有的水都和水反应金属接触，未反应的水受热成为过热水蒸汽和氢气以混合气形成流出反应器。
本发明中，所述铝水反应器出口的氢气-过热蒸汽混合物的温度在300～600℃之间，压力在1～10MPa。
本发明中，所述氢气-蒸汽透平出口处水蒸汽干度大于70％。
过量的水通过循环泵进入铝水反应器内，与高铝含量的水反应金属发生反应：
2Al+3H2O＝Al2O3+3H2+Q
该反应生成H2和Al2O3同时发出热量Q。反应热加热未反应的水使之蒸发，反应器内压力升高，最终未反应水转变成过热蒸汽。从反应器流出的过热蒸汽与氢气是高温高压的，它们一起进入氢气-蒸汽透平做功，所做的功通过发电机转化为电能供用户使用。从透平机中出来的乏汽经过热交换器，乏汽被冷却，放出的热量供热用户使用。水蒸汽被冷却凝结，从而实现水蒸汽与氢气分离，液体水进入循环泵。氢气进入燃料电池，发生电化学反应，将氢气中的化学能转变为电能。反应生成的水也进入循环泵中，经过增压后进入反应器中再次参与反应。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明为基于铝水反应的一体化热电联产系统，同时利用了氢气和反应热，具有较高的系统效率。系统的能量利用效率可达到70％，其中发电效率可大于28％。
2.本发明在供电的同时提供热能，适合野外作业、偏远地区小型建筑等中小型分布式供能。
3.本发明为闭式系统，用完的含铝金属可以回收再利用，没有污染物和废弃物排放，清洁环保。
附图说明
图1铝水反应单透平热电联产系统示意图
图中附图标记：1循环泵、2铝水反应器、3蒸汽氢气透平、4发电机、5换热器、6用电装置、7燃料电池；虚线部分为气体和液体流动管道，箭头代表流动方向。.
具体实施方式：
下面结合附图，对本发明的实现方式进行详细阐述。
基于铝水反应的单透平热电联产系统，包括与发电机4相接的氢气-蒸汽透平3；循环泵1通过输送水的管路连接至铝水反应器2入口，铝水反应器2的出口通过输送氢气-过热蒸汽混合物的管路连接至氢气-蒸汽透平3的入口，氢气-蒸汽透平3的出口接至热交换器5；热交换器5的出口分为两路，其中一路通过输送氢气的管路连接至燃料电池7的入口，另一路通过输送水的管路直接连接至所述循环泵1的入口；燃料电池7与用电装置6相接，燃料电池6的排放口通过输送水的管路接至所述循环泵1的入口。
铝水反应器2中预装有占铝水反应器2体积为50～70％的高铝含量的水反应金属；高铝含量的水反应金属装填在铝水反应器2的中下部，铝水反应器2的出口布置于水反应金属上部的空腔位置，铝水反应器2入口布置于水反应金属的中下部位置，铝水反应器2的外侧套设(如石英棉纤维)以减少散热损失。所述高铝含量的水反应金属能与水反应产生氢气放出热量，是最大尺寸为5～10mm的块状的铝合金，该铝合金的组分为：铝80～90％、锂5～15％、镁5～10％。
基于铝水反应的单透平热电联产方法，具体包括：
(1)过量的水通过循环泵1进入铝水反应器2内，与高铝含量的水反应金属发生反应，生产氢气并产生热量；过量部分的未反应的水被加热成为过热蒸汽，与氢气一起流出铝水反应器2，进入氢气-蒸汽透平3做功，带动发电机4发电；
(2)从氢气-蒸汽透平3中排出的乏汽进入热交换器5进行换热，乏汽被冷却所释放的热量供热用户使用，乏汽中的水蒸汽被冷却后凝结为液态的水并与氢气分离，液态的水送至循环泵1入口重新进入循环；氢气被引入燃料电池7发生电化学反应，将氢气中的化学能转变为电能供用电装置6使用，电化学反应生成的水也送至循环泵1入口重新进入循环。
铝水反应器2内部的反应温度在350～800℃，压力在0.5～10MPa。出口的氢气-过热蒸汽混合物的温度在300～600℃之间，压力在1～10MPa。氢气-蒸汽透平3出口处水蒸汽干度大于70％。
具体实施例子：
铝水反应器2内预装一定量的毫米级(5～10mm)块状的水反应金属(铝合金的组成为铝83％、锂7％、镁10％)。首先对铝水反应器2进行预热，待达到600℃后启动循环泵1，向铝水反应器2内通水。水反应金属与水发生反应，生成三氧化二铝和氢气，并且放出大量的热。未反应的水吸收了部分热量，变为过热蒸汽。待铝水反应器2内气体温度和压力达到预定值(300～600℃，1～10MPa)，出口阀门打开。过热蒸汽和氢气一起流出反应器进入氢气-蒸汽透平3。混合气体做功后排出氢气-蒸汽透平3，出口处蒸汽干度为85％左右。氢气-蒸汽透平3带动发动机转子转动并由发电机4输出电能。混合气体从氢气-蒸汽透平3出口进入换热器5被冷却，放出的热量由热工质带走被利用。混合气体温度降低，过热蒸汽全部凝结成水进入循环泵1中。分离出来的氢气进入燃料电池7发生电化学反应，放出电能生成水。从燃料电池7排出的水进入循环泵1，与换热器5出口的水一起被输送到铝水反应器2，形成循环。这一热电联合循环系统的能量利用效率可达到70％，其中发电效率可大于28％。

Claims (7)

1.基于铝水反应的单透平热电联产系统，包括与发电机相接的透平；其特征在于，所述透平是氢气-蒸汽透平；循环泵通过输送水的管路连接至铝水反应器入口，铝水反应器的出口通过输送氢气-过热蒸汽混合物的管路连接至氢气-蒸汽透平的入口，氢气-蒸汽透平的出口接至热交换器；热交换器的出口分为两路，其中一路通过输送氢气的管路连接至燃料电池的入口，另一路通过输送水的管路直接连接至所述循环泵的入口；燃料电池与用电装置相接，燃料电池的排放口通过输送水的管路接至所述循环泵的入口。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述铝水反应器中装有占铝水反应器体积为50～70％的水反应金属；水反应金属装填在铝水反应器的中下部，铝水反应器出口布置于水反应金属上部的空腔位置，铝水反应器入口布置于水反应金属的中下部位置，铝水反应器的外侧套设保温隔热材料。
3.基于权利要求1所述系统的基于铝水反应的单透平热电联产方法，其特征在于，具体包括：
(1)过量的水通过循环泵进入铝水反应器内，与高铝含量的水反应金属发生反应，生产氢气并产生热量；过量部分的未反应的水被加热成为过热蒸汽，与氢气一起流出铝水反应器，进入氢气-蒸汽透平做功，带动发电机发电；
(2)从氢气-蒸汽透平中排出的乏汽进入热交换器进行换热，乏汽被冷却所释放的热量供热用户使用，乏汽中的水蒸汽被冷却后凝结为液态的水并与氢气分离，液态的水送至循环泵入口重新进入循环；氢气被引入燃料电池发生电化学反应，将氢气中的化学能转变为电能供用电装置使用，电化学反应生成的水也送至循环泵入口重新进入循环。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述高铝含量的水反应金属能与水反应产生氢气放出热量，是最大尺寸为5～10mm的块状的铝合金，该铝合金的组分为：铝80～90％、锂5～15％、镁5～10％。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述铝水反应器内部的反应温度在350～800℃之间，压力在0.5～10MPa。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述铝水反应器出口的氢气-过热蒸汽混合物的温度在300～600℃之间，压力在1～10MPa。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述氢气-蒸汽透平出口处水蒸汽干度大于70％。
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