CN104617318A - 基于铝水反应的双透平热电联产系统及方法 - Google Patents

基于铝水反应的双透平热电联产系统及方法 Download PDF

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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双透平热电联产系统及方法。该系统中包括各自连接发电机的氢气透平和蒸汽透平；铝水反应器由反应器腔体和换热部件组成，增压泵分别连接其入口；反应器腔体接至氢气透平，氢气透平、燃料电池、增压泵依次连接，换热部件接至蒸汽透平，蒸汽透平、换热器、增压泵依次连接。本发明同时利用了氢气和反应热，并利用透平将反应热转化为电能，具有较高系统效率。系统的能量利用效率达到70％以上，其中发电效率大于27％。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，用完的铝合金可回收再利用，没有污染物和废弃物排放，清洁环保。

Description

基于铝水反应的双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
由于人类社会的快速发展和人口的迅速增长以及对石化资源的大量利用，造成温室效应、大气污染和酸雨等环境恶化。这迫使人们在选择能源时，会优先于资源丰富，有环境友好的能源。铝是地壳中含量最多的金属元素，具有来源广、能量密度较高、无毒性、存放稳定等优点。铝的能量密度达到29MJ/kg，它作为一种能源材料，自20世纪40年代起受到人们的关注，在多个领域有所利用。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，其理论能量利用效率不超过50％。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，而产生的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％。
对于提高铝的能源利用效率，除利用氢气外，利用铝水反应热也是很重要的，两种同时利用可大大提高系统效率。这里提出了一套以铝为燃料、利用铝水反应的氢气和热量新型能源利用系统构型，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双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双透平热电联产系统，包括各自连接发电机的两个透平；其特征在于，所述透平分别是氢气透平和蒸汽透平；
该系统还包括一个铝水反应器，由反应器腔体和换热部件组成；反应器腔体和换热部件分别设出口和入口，增压泵通过输送水的管路分别连接至反应器腔体和换热部件的入口；
所述反应器腔体的出口通过输送氢气的管路连接至氢气透平的入口，氢气透平的出口接至燃料电池的入口，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增压泵的入口；
所述换热部件的出口通过输送过热蒸汽的管路连接至蒸汽透平的入口，蒸汽透平的出口连接至换热器，然后通过输送水的管路接至所述增压泵的入口。
本发明中，所述反应器腔体中装有占反应器腔体体积为50～70％的水反应金属；水反应金属装填在反应器腔体的中下部，反应器腔体出口布置于水反应金属上部的空腔位置，反应器腔体入口布置于水反应金属的中下部位置。
本发明中，所述铝水反应器的换热部件是下述任意一种形式：换热部件的主体以螺旋管型布置在反应器腔体的外侧，或者是换热部件的主体以蛇形管型布置在反应器腔体的内部。
本发明中，所述燃料电池中设换热装置。
本发明进一步提供了基于前述系统的基于铝水反应的双透平热电联产方法，具体包括：
(1)增压泵出口的水分两路进入铝水反应器：一路进入反应器腔体内，与高铝含量的水反应金属发生反应，产生氢气并释放热量；另一路进入换热部件中，用于吸收反应器腔体传递的反应热量，使液态水蒸发变成过热蒸汽；
(2)从反应器腔体内产生的氢气(以高温高压状态)送入氢气透平做功，带动发电机发电；氢气从氢气透平排出后进入燃料电池发生电化学反应，氢气中的化学能转变为电能提供给用电装置使用；电化学反应生成的水送至增压泵入口重新进入循环；
(3)从换热部件流出的过热蒸汽进入蒸汽透平做功，带动发电机发电；蒸汽透平排出的乏汽被送入热交换器，乏汽冷却所释放的热量供热用户使用，其中的水蒸气被冷却凝结为液体水，然后送至增压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，所述反应器腔体内部的反应温度在350～800℃之间，压力在0.5～10MPa。
本发明中，所述铝水反应器排出的过热蒸汽与氢气的温度均在300～600℃之间，压力均在1～10MPa。
本发明中，通过调节反应器腔体和换热部件的水量，实现控制铝水反应器排出的过热蒸汽和氢气的温度与压力。
本发明实现原理的描述：
通过增压泵给水，分两路进入铝水反应器内，一路水进入反应器腔体，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。
另一路水进入换热部件，吸收反应热、蒸发、转变成高温高压的过热蒸汽。
从过热蒸汽进入蒸汽透平做功，所做的功通过发电机转化为电能供用户使用。从蒸汽透平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。同时水蒸气被冷却凝结，液体水进入增压泵中循环。反应产生的氢气以高温高压状态进入氢气透平做功，所做的功通过发电机转化为电能供用户使用。然后进入燃料电池，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增压泵中循环。
燃料电池内装有换热装置，将电化学反应放出的热传递给热工质供用户利用。这一设计不仅提高了供热量，同时降低了燃料电池工作温度，有利用于提高燃料电池效率。
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，并利用透平将反应热转化为电能，具有较高的系统效率。系统的能量利用效率可达到70％以上，其中发电效率可大于27％。
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为铝水反应的双透平热电联产循环(TT)示意图；
图2为铝水反应的双透平热电联产循环(TTE)示意图。
图1中附图标记：1增压泵、2换热部件、3反应器腔体、4氢气透平、5发电机、6蒸汽透平、7发电机、8用电装置、9燃料电池、10换热器；虚线部分为气体和液体流动管道，箭头代表流动方向。
图2中附图标记：11增压泵、12换热部件、13反应器腔体、14换热器、15蒸汽透平、16氢气透平、17发电机、18发电机、19用电装置、20燃料电池、21换热装置；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。
基于铝水反应的双透平热电联产系统(TT)，如图1所示：
系统包括各自连接发电机5、7的两个透平，分别是氢气透平4和蒸汽透平6；
该系统还包括一个铝水反应器，由反应器腔体3和换热部件2组成，换热部件2的主体以螺旋管型布置在反应器腔体3的外侧。反应器腔体3和换热部件2分别设出口和入口，增压泵1通过输送水的管路分别连接至反应器腔体3和换热部件2的入口；
所述反应器腔体3的出口通过输送氢气的管路连接至氢气透平4的入口，氢气透平4的出口接至燃料电池9的入口，燃料电池9与用电装置8相接，燃料电池9的排放口通过输送水的管路接至增压泵1的入口；
所述换热部件2的出口通过输送过热蒸汽的管路连接至蒸汽透平6的入口，蒸汽透平6的出口连接至换热器10，然后通过输送水的管路接至增压泵1的入口。
反应器腔体3中预装有占反应器腔体3体积为50～70％的高铝含量的水反应金属；水反应金属装填在反应器腔体3的中下部，反应器腔体3的出口布置于水反应金属上部的空腔位置，反应器腔体3的入口布置于水反应金属的中下部位置。
基于所述系统的基于铝水反应的双透平热电联产方法，具体包括：
(1)增压泵1出口的水分两路进入铝水反应器：一路进入反应器腔体3内，与高铝含量的水反应金属发生反应，产生氢气并释放热量；另一路进入换热部件2中，用于吸收反应器腔体3传递的反应热量，使液态水蒸发变成过热蒸汽；
反应器腔体内部的反应温度在350～800℃之间，压力在0.5～10MPa；排出的过热蒸汽与氢气的温度均在300～600℃之间，压力均在1～10MPa。通过调节反应器腔体和换热部件的水量，可以实现控制铝水反应器排出的过热蒸汽和氢气的温度与压力；
(2)从反应器腔体3内产生的氢气以高温高压状态送入氢气透平4做功，带动发电机5发电；氢气从氢气透平4排出后进入燃料电池9发生电化学反应，氢气中的化学能转变为电能提供给用电装置8使用；电化学反应生成的水送至增压泵1入口重新进入循环；
(3)从换热部件2流出的过热蒸汽进入蒸汽透平6做功，带动发电机7发电；蒸汽透平6排出的乏汽被送入热交换器10，乏汽冷却所释放的热量供热用户使用，其中的水蒸气被冷却凝结为液体水，然后送至增压泵1入口重新进入循环。
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％。
另一种基于铝水反应的双透平热电联产系统(TTE)，如图2所示：
与前一种系统相比，存在的区别是：换热部件12的主体以蛇形管型布置在反应器腔体13的内部。燃料电池10中设换热装置11。
具体实施例1(图1)
反应器腔体3内一定量的毫米级(5～10mm)块状的水反应金属(铝合金的组成为铝85％、锂7％、镁8％)，首先对反应器腔体3进行预热，待达到700℃后启动增压泵1，向铝水反应器通水。水分两路，一路作为反应水进入反应器腔体3与水反应金属发生反应，生成三氧化二铝和氢气，并且放出大量的热。另一路作为工质水进入换热部件2，吸收了部分反应热量，变为过热蒸汽。待反应器腔体3内气体温度和压力达到预定值，出口阀门打开。氢气(2MPa，600℃)流出反应器腔体3进入氢气透平4，带动发电机5，将热能转化为电能输出给用户。然后后氢气进入燃料电池9发生电化学反应，放出电能生成水。从燃料电池9排出的水进入增压泵1循环。过热蒸汽(10MPa，540℃)流出换热部件2进入蒸汽透平6，带动发电机7，将热能转化为电能输出给用户。低温蒸汽从蒸汽透平6流出进入换热器10被冷却，放出的热量由热工质带走被利用。同时蒸气全部被冷却凝结成水进入增加泵1中循环使用。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30％。
具体实施例2(图2)：
反应器腔体13内一定量的毫米级(5～10mm)块状的水反应金属(铝合金的组成为铝90％、锂5％、镁5％)，首先对反应器腔体13进行预热，待达到670℃后启动增压泵11，向铝水反应器通水。水分两路，一路作为反应水进入反应器腔体13与水反应金属发生反应，生成三氧化二铝和氢气，并且放出大量的热。另一路作为工质水进入换热部件12，吸收了部分反应热量，变为过热蒸汽。待反应器腔体13内气体温度和压力达到预定值，出口阀门打开。氢气(1MPa，500℃)流出反应器腔体13进入氢气透平14，带动发电机15，将热能转化为电能输出给用户。然后后氢气进入燃料电池19发生电化学反应，放出电能生成水。从燃料电池19排出的水进入增压泵1循环。过热蒸汽(6MPa，450℃)流出换热部件12进入蒸汽透平16，带动发电机17，将热能转化为电能输出给用户。低温蒸汽从蒸汽透平16流出进入换热器20被冷却，放出的热量由热工质带走被利用。同时蒸气全部被冷却凝结成水进入增加泵11中循环使用。燃料电池19内装有换热器21，将电化学反应放出的热传递给热工质供用户利用。这一设计不仅提高了供热量，同时降低了燃料电池19工作温度，有利用于提高燃料电池19的效率。从燃料电池19排出的水进入增压泵11循环。这一热电联合循环系统的能量利用效率可达到85％以上，其中发电效率可大于27％。

Claims (9)

1.基于铝水反应的双透平热电联产系统，包括各自连接发电机的两个透平；其特征在于，所述透平分别是氢气透平和蒸汽透平；
该系统还包括一个铝水反应器，由反应器腔体和换热部件组成；反应器腔体和换热部件分别设出口和入口，增压泵通过输送水的管路分别连接至反应器腔体和换热部件的入口；
所述反应器腔体的出口通过输送氢气的管路连接至氢气透平的入口，氢气透平的出口接至燃料电池的入口，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增压泵的入口；
所述换热部件的出口通过输送过热蒸汽的管路连接至蒸汽透平的入口，蒸汽透平的出口连接至换热器，然后通过输送水的管路接至所述增压泵的入口。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反应器腔体中装有占反应器腔体体积为50～70％的水反应金属；水反应金属装填在反应器腔体的中下部，反应器腔体出口布置于水反应金属上部的空腔位置，反应器腔体入口布置于水反应金属的中下部位置。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述铝水反应器的换热部件是下述任意一种形式：换热部件的主体以螺旋管型布置在反应器腔体的外侧，或者是换热部件的主体以蛇形管型布置在反应器腔体的内部。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃料电池中设换热装置。
5.基于权利要求1所述系统的基于铝水反应的双透平热电联产方法，其特征在于，具体包括：
(1)增压泵出口的水分两路进入铝水反应器：一路进入反应器腔体内，与高铝含量的水反应金属发生反应，产生氢气并释放热量；另一路进入换热部件中，用于吸收反应器腔体传递的反应热量，使液态水蒸发变成过热蒸汽；
(2)从反应器腔体内产生的氢气送入氢气透平做功，带动发电机发电；氢气从氢气透平排出后进入燃料电池发生电化学反应，氢气中的化学能转变为电能提供给用电装置使用；电化学反应生成的水送至增压泵入口重新进入循环；
(3)从换热部件流出的过热蒸汽进入蒸汽透平做功，带动发电机发电；蒸汽透平排出的乏汽被送入热交换器，乏汽冷却所释放的热量供热用户使用，其中的水蒸气被冷却凝结为液体水，然后送至增压泵入口重新进入循环。
6.根据权利要求5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％。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述反应器腔体内部的反应温度在350～800℃之间，压力在0.5～10MPa。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述铝水反应器排出的过热蒸汽与氢气的温度均在300～600℃之间，压力均在1～10MPa。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过调节反应器腔体和换热部件的水量，实现控制铝水反应器排出的过热蒸汽和氢气的温度与压力。
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