CN107605559B - 热机-氢反应床联合循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热机‑氢反应床联合循环系统，包括热机、氢气压缩单元、中间再热器和膨胀机。氢气压缩单元设有至少一组氢反应床，每组至少两台氢反应床，氢反应床之间相互连通。膨胀机为多级膨胀机，热机的热介质出口通过氢反应床和中间再热器连接到尾气排放口。氢气压缩单元的氢反应床连接到膨胀机入口，膨胀机的一级出口和/或二级出口与中间再热器或氢气压缩单元连接，中间再热器或氢气压缩单元的出口与膨胀机的下一级进口连接，膨胀机出口连接到氢气压缩单元的氢反应床。本发明通过热机与氢气压缩单元的氢反应床联合，充分利用热机做功后的尾气余热加热金属氢化物，产生高压氢气推动膨胀机做功，有利于提高热效率。

Description

热机-氢反应床联合循环系统

技术领域

本发明属于氢能源动力设备技术领域，涉及一种氢气动力循环利用设备，具体涉及一种热机-氢反应床联合循环系统。

背景技术

进入二十一世纪，汽车发动机工业得到了迅速地发展，然而目前汽油机和柴油机依然是车用发动机的主要机种。汽油和柴油都是不可再生资源，为了减缓石油资源的匮乏所带来的一系列负面影响，以及减少大气污染和汽车发动机尾气排放，需要寻找发动机的代用燃料，而氢能源是目前最理想的清洁燃料。取代化石能源经济的新能源经济，或者说后石油时代的新能源经济将是“氢能源经济”、“低碳经济”及其核能、太阳能、风能、水能、生物质能、地热等多元化能源现代化利用相辅相成的新能源经济。氢能源是众多替代能源中的一种可再生资源，热值高，并且燃烧后大部分生成物是水蒸气，是一种理想的绿色燃料。作为代用燃料的氢能源可以解决二大难题：一是石油燃料储量有限，二是使用石油燃料带来的环境污染。

氢能源是未来的能源主体，氢能源汽车、氢燃料电池日渐进入人们的生活当中。氢能源在内燃机车、火箭、汽车、船舶、交通工具以及以氢为动力的燃料电池等方面有着广泛的应用前景。随着氢能源时代即将到来，氢能源汽车逐步推广使用，环保节能的金属氢化物反应床成为近年世界范围的压缩系统研究的热点。现有技术的氢反应床的氢能源利用率低，不能满足氢能源汽车及其它动力设备的需求。

发明内容

本发明的目的是提供热机-氢反应床联合循环系统，通过热机与氢反应床联合，利用换热使氢反应床释放出氢气携带较高的能量，驱动膨胀机做功，提高氢能源设备的热效率和氢反应床的氢能源的利用率。

本发明的技术方案是：一种热机-氢反应床联合循环系统，包括热机和氢气压缩单元，氢气压缩单元设有至少一组氢反应床，每组至少两台氢反应床，氢反应床之间相互连通。其特征是：系统设有中间再热器和膨胀机，膨胀机为三级膨胀机，设有一级叶轮、二级叶轮、三级叶轮、膨胀机入口、一级出口、二级进口、二级出口、三级进口和膨胀机出口。热机的热介质出口通过氢气压缩单元的氢反应床和中间再热器连接到尾气排放口。氢气压缩单元的氢反应床连接到膨胀机入口，膨胀机的一级出口和/或二级出口与中间再热器或氢气压缩单元连接，中间再热器或氢气压缩单元的出口与膨胀机的下一级进口连接，膨胀机出口连接到氢气压缩单元的氢反应床。

热机为烟气轮机、燃气轮机、蒸汽轮机、活塞式发动机和吸氢反应器。热机的燃料为气体燃料或液体燃料，热介质为烟气、热水、蒸汽或循环氢气。热机的动力输出轴与发电机或动力设备连接，膨胀机的动力输出轴与发电机或动力设备连接。氢气压缩单元中氢反应床中金属氢化物为稀土类为主的物质。

系统设有第一金属氢化物更换装置、燃烧室和气缸冷却器，氢气压缩单元设有两组氢反应床，每组两台氢反应床，两组氢反应床并列设置，两组氢反应床交替进行放氢/吸氢操作和更换金属氢化物操作。4台氢反应床分别与第一金属氢化物更换装置连接，连接管路设有阀门。氢反应床设有加注口，第一金属氢化物更换装置的加注枪与更换金属氢化物的氢反应床加注口连接。热机为活塞式发动机，活塞式发动机与气缸冷却器循环连接。膨胀机的一级出口通过中间再热器和气缸冷却器连接到二级进口，膨胀机的二级出口通过一组氢反应床连接到三级进口。活塞式发动机通过燃烧室、一组氢反应床、中间再热器连接到废气排放口。同组的两台氢反应床交替工作保证持续的放氢或吸氢操作，它们吸氢和放氢的时间可以相同，也可以不同。放氢操作一组中一台的氢反应床与吸氢操作一组的一台氢反应床进行放氢和吸氢工作时，同组的剩余氢反应床进行放氢和吸氢的准备，从第一金属氢化物更换装置将吸过氢的金属氢化物加入放氢操作一组中的另一台已经完成放氢成为吸氢物质，并被抽出后已腾空的氢反应床，将完成放氢的吸氢物质加入吸氢操作一组的另一台已经吸收氢气成为饱和金属氢化物，并被抽出后已腾空的氢反应床。

第一金属氢化物更换装置包括第一分离罐、余氢吸收单元、乏金属氢化物降温仓、饱和金属氢化物升温仓、真空罐、氢气压缩机、供料器、高压保护气罐、加注枪驱动机构和加注枪，加注枪与加注枪驱动机构连接。加注枪驱动机构设有外管、内管、密封圈、过滤网和锁紧法兰。外管与保护气进出管路连接，内管与添加-抽料共用管路连接。加注口装有电磁阀，加注枪与加注口通过锁紧法兰密封连接。加注枪设有保护气进出口和金属氢化物添加/抽出口，加注枪可以自由伸缩进出氢气反应床实现饱和金属氢化物的添加和放过氢的乏金属氢化物的抽出。加注枪通过添加-抽料共用管路连接到第一分离罐，第一分离罐的气体出口通过余氢吸收单元连接到真空罐，第一分离罐的固体出口分别连接到乏金属氢化物降温仓和饱和金属氢化物升温仓。乏金属氢化物降温仓和饱和金属氢化物升温仓分别通过供料器和添加-抽料共用管路连接到加注枪。乏金属氢化物降温仓与饱和金属氢化物升温仓之间设有通风循环管路，循环管路设有粉末冶金滤网和风机。真空罐通过氢气压缩机连接到高压保护气罐，真空罐与高压保护气罐之间设有旁路。高压保护气罐出口分为三路，一路连接到第一分离罐以及乏金属氢化物降温仓和饱和金属氢化物升温仓的入口，一路连接到乏金属氢化物降温仓和饱和金属氢化物升温仓的供料器，一路连接到加注枪的保护气进出口。高压保护气罐为两台，一用一备。输送气和保护气为氮气或二氧化碳。允许采用加压运行，不排除使用上述气体的超临界状态。

联合循环系统设有吸收式制冷设备、发电厂乏汽管路和冷凝回水管路。发电厂乏汽管路经过氢气压缩单元和吸收式制冷设备连接到冷凝回水管路。氢气压缩单元的氢气出口通过膨胀机连接到氢气压缩单元，吸收式制冷设备的冷却介质管路与氢气压缩单元连接。

系统设有第二金属氢化物更换装置、乏金属氢化物集装箱、饱和金属氢化物集装箱。热机为至少两台吸氢反应器，吸氢反应器装有以金属镁为主要成分的吸氢物质。吸氢反应器通过氢气压缩单元、中间再热器和1号氢循环泵循环连接到吸氢反应器。两台吸氢反应器与第二金属氢化物更换装置连接，第二金属氢化物更换装置分别与乏金属氢化物集装箱、饱和金属氢化物集装箱连接。乏金属氢化物集装箱、饱和金属氢化物集装箱分别设有输送气入口、金属氢化物入口、输送气出口和金属氢化物出口，各个出口或入口均设置有密封装置。输送气入口设置粉尘过滤装置，粉尘过滤装置装有分子筛，用于过滤粉尘、吸收氧气和水分。输送气和保护气为氮气或二氧化碳。允许采用加压运行，不排除使用上述气体的超临界状态。

第二金属氢化物更换装置包括第一分离罐、余氢吸收单元、乏金属氢化物升温仓、饱和金属氢化物降温仓、真空罐、氢气压缩机、供料器、高压保护气罐和加注枪。吸氢反应器设有加注口，加注枪与加注口通过锁紧法兰密封连接。加注枪设有保护气进出口和金属氢化物添加/抽出口，加注枪可以自由伸缩进出吸氢反应器实现放过氢的乏金属氢化物的添加和饱和金属氢化物的抽出。加注枪通过添加-抽料共用管路连接到第一分离罐，第一分离罐的气体出口通过余氢吸收单元连接到真空罐。第一分离罐的固体出口连接到饱和金属氢化物降温仓，饱和金属氢化物降温仓通过供料器、第二分离罐连接到饱和金属氢化物集装箱。乏金属氢化物集装箱通过供料器、第三分离罐连接到乏金属氢化物升温仓，乏金属氢化物升温仓通过供料器和添加-抽料共用管路连接到加注枪。乏金属氢化物升温仓和饱和金属氢化物降温仓之间设有通风循环管路，循环管路设有粉末冶金滤网和风机。第二分离罐、第三分离罐的气体出口通过第二金属氢化物更换装置的余氢吸收单元连接真空罐。真空罐通过氢气压缩机连接到高压保护气罐，真空罐与高压保护气罐之间设有旁路。高压保护气罐出口分为四路，一路连接到第一分离罐、第二分离罐、第三分离罐的输送气体入口，一路连接到乏金属氢化物升温仓、饱和金属氢化物降温仓、乏金属氢化物集装箱和饱和金属氢化物集装箱的输送气入口，一路连接到乏金属氢化物升温仓、饱和金属氢化物降温仓、乏金属氢化物集装箱的供料器，一路连接到加注枪的保护气进出口。高压保护气罐为两台，一用一备。输送气和保护气为氮气或二氧化碳。允许采用加压运行，不排除使用上述气体的超临界状态。吸氢反应器中装入的是已经完成放氢反应的以金属镁为主的吸氢物质。装入饱和金属氢化物集装箱的饱和金属氢化物是指在吸氢反应器所在现场中吸过氢的饱和金属氢化物通过第二金属氢化物更换装置进入饱和金属氢化物集装箱后，被运至需要氢能源的场所。饱和金属氢化物使用过之后变成乏金属氢化物，利用乏金属氢化物集装箱运至吸氢反应器所在现场通过第二金属氢化物更换装置进入吸氢反应器进行吸氢，使其变成饱和金属氢化物，再加入到饱和金属氢化物集装箱，允许采用同一集装箱作为饱和金属氢化物集装箱或乏金属氢化物集装箱。

中间再热器为管壳式换热器，管壳式换热器设有换热管、氢气入口、氢气出口、烟气入口和烟气出口。氢反应床为多管式结构或套管式结构，多管式结构设有反应管、折流板、热介质入口和热介质出口，反应管设有氢气进出口。套管式结构氢反应床包括氢气流通空间、金属氢化物和加热介质通道。

氢气压缩单元设有6台氢反应床，氢反应床分别设有反应床入口、反应床出口、高温介质进口管路、高温介质出口管路、换热进口、换热出口、高压氢气出口、1号冷却介质进口管路、1号冷却介质出口管路、2号冷却介质进口管路、2号冷却介质出口管路和低压氢气进口。换热进口通过四通阀分别与高温介质进口管路、1号冷却介质进口管路和2号冷却介质进口管路连接，换热出口通过四通阀分别与高温介质出口管路、1号冷却介质出口管路和2号冷却介质出口管路连接。反应床入口通过三通阀分别连接到低压氢气进口和内循环换热管路，反应床出口通过三通阀分别与高压氢气出口和内循环换热管路连接。高压氢气出口与膨胀机入口连接，低压氢气进口与膨胀机出口连接。1号冷却介质出口管路与楼宇供能系统连接，楼宇供能系统通过1号冷却介质进口管路连接到氢气压缩单元的的氢反应床，2号冷却介质出口管路经中间再热器和2号冷却介质进口管路返回氢反应床，楼宇供能系统可以为交通工具的制冷或制热。

氢气压缩单元设有内循环换热入口、内循环换热出口、内循环换热冷却管路、氢气循环泵和内循环换热加热管路。内循环换热入口通过三通阀的切换，分别连接到内循环换热冷却管路和内循环换热加热管路。内循环换热出口通过三通阀的切换，分别连接到内循环换热冷却管路和内循环换热加热管路。内循环换热冷却管路上设有氢气循环泵，氢反应床内设有氢反应床加热线圈。

系统设有氢泄露保护单元，系统的氢气管路设有氢管路保护套，氢气压缩单元、中间再热器和膨胀机外部包覆氢泄露保护罩。氢泄露保护单元连接到氢管路保护套和各设备的氢泄露保护罩。氢泄露保护单元的保护介质为氮气或二氧化碳，氢管路保护套和氢泄露保护罩严格密封，其外部设有绝热保温层。膨胀机、氢气压缩单元和中间再热器在内的所有散热设备及散热管道外部均设有绝热保温层。

活塞式发动机为氢活塞式发动机，当氢活塞式发动机采用浓燃工况，燃空比大于1，燃烧过程生成较少的氮氧化物。采用浓燃工况的氢活塞式发动机，排气将进行二次燃烧使余氢和其他物质充分燃烧，二次燃烧采用空燃比等于1的当量燃烧或空燃比大于1的稀燃低温燃烧，在二次燃烧的过程中同样只产生较少的氮氧化物。允许氢活塞式发动机采用氧含量＞21%的富氧或纯氧进行助燃，富氧来自于富氧发生器或水电解制氢装置的副产，同样允许二次燃烧采用空气或者氧含量＞21%的富氧或纯氧进行助燃，二次燃烧时允许进行多段分层燃烧，使最后排气中的氮氧化物、碳氢、粉尘、一氧化碳等污染物最少，最后排气进入氢气压缩单元的氢反应床，加热氢反应床释放出高压氢气，高压氢气进入膨胀机，经过中间再热器或氢气压缩单元与膨胀机抽气换热进行多级做功，做功后的低压氢气返回氢气压缩单元。发动机不采用空冷散热，冷却系统余热通过气缸冷却器传递给氢气使其回到膨胀机中继续做功。热机同样适用于燃气轮机、电厂锅炉等热力设备、可以用于固定式发电装置、移动式发电装置或交通动力装置。在氢反应床与尾气排放口之间的合适位置，加入适当的备用粉尘脱除装置、必要的催化装置或零级净化器，在满足动力性能良好的情况下，污染物排放量更少。

热机为活塞式发动机，燃料为含炭燃料，在动力平稳时采用空气助燃，燃料供给量超过理论燃空比形成浓燃模式，燃空比大于1，增强发动机的动力性能，同时降低氮氧化物排放。在需要增加动力输出时，采用富氧空气或纯氧助燃，燃料依然采取浓燃模式。发动机做功后尾气温度约为600～1600℃进入燃烧室进行二次燃烧，二次燃烧采用空燃比等于1的当量燃烧或空燃比大于1的稀燃低温燃烧，当采用空燃比大于1的稀燃低温燃烧，即空气量过剩，空气超过当量空燃比形成稀燃模式，过量的助燃空气或富氧或纯氧进入燃烧室与尾气混合，尾气中的剩余氢气、焦化的炭粉、一氧化碳、碳氢物质在燃烧室内完全燃烧，有效的降低了粉尘、氮氧化物和碳氢物质的排放。二次燃烧后温度约为300～1000℃进入氢气压缩单元的氢反应床，使高压氢气进入膨胀机进行做功。发动机不采用空冷散热，冷却系统余热通过气缸冷却器传递给氢气使其回到膨胀机中继续做功。热机同样适用于燃气轮机、电厂锅炉等热力设备、可以用于固定式发电装置或动力装置、移动式发电装置或动力装置、或交通动力装置。在氢反应床与尾气排放口之间的合适位置，加入适当的备用粉尘脱除装置、必要的催化装置或零级净化器，在满足动力性能良好的情况下，污染物排放量更少。当富氧来自于水电解制氢装置的副产时，允许水电解制氢装置产生的氢气进入活塞式发动机作为燃料燃烧或者进行二次燃烧，二次燃烧时允许进行多段分层燃烧，使燃烧效率高、排放少。空气或者氧含量＞21%的富氧或纯氧进行助燃之前，利用发动机的散热或利用排气管的余热进行预热，使燃烧效果更好、排放更清洁。富氧来自于富氧发生器或水电解制氢装置的副产，当其来自于水电解制氢装置的副产时，允许水电解制氢装置产生的氢气进入活塞式发动机作为燃料单独燃烧做功或者与含炭燃料进行掺烧做功，也允许其在进行二次燃烧时，与尾气混合燃烧，使尾气燃烧的更加顺利合理，二次燃烧时允许进行多段分层燃烧，使燃烧效率高、排放少。空气或者氧含量＞21%的富氧或纯氧进行助燃之前，利用发动机的散热或利用排气管的余热进行预热，使燃烧效果更好、排放更清洁。

膨胀机可以采用多级，其中的每级设多组叶片。膨胀机也可以被其他类似的动力装置替代，以满足具体工况。中间再热器为其它结构换热器。氢反应床、吸氢反应器、乏金属氢化物集装箱和饱和金属氢化物集装箱中放过氢的乏金属氢化物的抽取和吸氢后饱和金属氢化物的添加可用其它任何形式进行，可以是机械方式、液压方式、气力输送或液力输送等所有方式的任何结构的金属氢化物更换设备和系统，以提供一种对氢反应床、吸氢反应器、乏金属氢化物集装箱和饱和金属氢化物集装箱等类似装置，从而实现放过氢的乏金属氢化物的抽取/添加、和吸氢后饱和金属氢化物的添加/抽取，实现其从一个金属氢化物的装置进入到另一个金属氢化物的装置进行吸氢或放氢，在从一个金属氢化物的装置进入到另一个金属氢化物的装置时，允许其进入到各自的下一个金属氢化物的装置之前彼此进行中间换热。乏金属氢化物集装箱和饱和金属氢化物集装箱的结构为圆形、方形或其它任何形状，可以是金属材料、化学材料、耐压容器、耐高温的容器，集装箱为一层或多层。乏金属氢化物集装箱和饱和金属氢化物集装箱设有密封结构和保温外层，并设置安全阀。氢反应床的工作模式也可以是其他能够达到氢气连续升压做功目的的任何模式及各种数量的氢反应床的组合。氢反应床的个体结构也可以为其他形式。燃气轮机或其他热机也可以设置像气缸冷却器那样的系统和装置，以利于热机-氢反应床联合循环系统吸收热机内部通过介质冷却向外散发的热量。热机和膨胀机可以对同一动力装置做功也可对不同的动力装置做功，当对同一动力装置做功时，可以采用同轴做功也可以采用不同轴做功。

本发明通过热机与氢气压缩单元的氢反应床联合，并且设置中间再热器，充分利用热机做功后的尾气余热加热氢反应床中金属氢化物，使之释放出氢气，驱动膨胀机做功，通过中间再热器换热，提高循环氢气的温度，使氢气进入膨胀机之前携带更多的能量，有利于提高膨胀机的效率，充分利用氢能源做功，提高了氢能源设备的热效率和氢反应床的氢能源的利用率。热机包括燃气轮机或活塞式发动机等，可以用于固定式发电装置或动力装置、移动式发电装置或动力装置、或交通动力装置，采用氢燃料进行浓燃，尾气中含有较少的氮氧化物，尾气进行二次稀燃燃烧后进入氢反应床，驱动膨胀机做功，使氢燃料的尾气排放更清洁，同时做功效率更高。这种方法同样适用于含炭燃料在热机的使用，使在热机中有害气体的排放大幅度降低。本发明还列出一种适合大规模储氢的集装箱系统和其在加氢时的热机-氢反应床联合做功系统，使在加氢时放出的热量，用于发电、制冷、制热，储氢的集装箱适合长途运输至需要氢能源的场所。这套系统同样适用于大规模风电、太阳能等发电用于水电解制氢的储存和运输，具有储氢量大、安全性能高的优点。本发明还列出一种采用热力发电的电厂，利用其凝汽器中的低温乏汽用于热机-氢反应床联合做功系统。对于工业和自然界的余热，同样可以使用本发明热机-氢反应床联合做功系统对外做功、制冷、制热，具有显著地节能环保作用。

附图说明

图1为本发明热机-氢反应床联合循环系统的流程示意图；

图2本发明另一种实施方案的流程示意图；

图3为本发明第三种实施方案的流程示意图；

图4为本发明第四种实施方案的流程示意图；

图5为换热器的结构示意图；

图6为多级膨胀机的结构示意图；

图7为多管式氢反应床的结构示意图；

图8为套管式氢反应床的结构示意图；

图9为氢气压缩单元的示意图；

图10为氢气压缩单元氢气换热循环示意图；

图11为金属氢化物更换装置的流程示意图；

图12本发明第五种实施方案的流程示意图；

图13为氢反应床的金属氢化物添加及抽料示意图；

图14为氢反应床与加注枪连接处的局部放大图；

图15本发明第六种实施方案的流程示意图；

图16是图4中两台吸氢反应器与第二金属氢化物更换装置连接图；

图17是本发明的乏/饱和金属氢化物集装箱的结构示意图。

其中：1—热机、3—燃烧室、4—中间再热器、5—氢气压缩单元、5a —1号氢反应床、5b—2号氢反应床、5c—3号氢反应床、5d—4号氢反应床、5e—5号氢反应床、5f—6号氢反应床、6—第一金属氢化物更换装置、7—膨胀机、8—二级进口、9—三级进口、10—一级叶轮、11—二级叶轮、12—三级叶轮、13—氢气入口、14—烟气出口、15—换热管、16—氢气出口、17—烟气入口、18—膨胀机入口、19—膨胀机出口、20—尾气排放口、21—折流板、22—热介质入口、23—热介质出口、24—反应管、25—氢气进出口、26—保护气进出管路、27—加注枪、28—第一分离罐、29—余氢吸收单元、30—乏金属氢化物降温仓、31—添加-抽料共用管路、32—真空罐、33—保护气压缩机、34—供料器、35—高压保护气罐、36—饱和金属氢化物升温仓、37—内循环换热冷却管路、38—氢气循环泵、39—内循环换热入口、40—内循环换热出口、41—内循环换热加热管路、42—反应床加热线圈、43—三通阀、44—换热进口、45—换热出口、46—高温介质进口管路、47—高温介质出口管路、48—高压氢气出口、49—低压氢气进口、50—氢气流通空间、51—金属氢化物、52—加热介质通道、53—循环管路、54—阀门、55—气缸冷却器、56—吸氢反应器、57—1号氢循环泵、59—吸收式制冷设备、60—二级出口、61—1号冷却介质进口管路、63—1号冷却介质出口管路、64—2号冷却介质进口管路、65—四通阀、66—2号冷却介质出口管路、67—反应床入口、68—反应床出口、70—抽出管路、71—风机、72—粉末冶金滤网、73—高温放氢反应床组、74—低温吸氢反应床组、75—加注枪驱动机构、76—外管，77—内管、78—密封圈、79-过滤网、80—锁紧法兰、81—电磁阀、82-乏金属氢化物集装箱、83-饱和金属氢化物集装箱、84-输送气入口、85-金属氢化物入口、86-输送气出口、87-金属氢化物出口、88-粉尘过滤装置、89-分子筛、90-第二金属氢化物更换装置、91-乏金属氢化物升温仓、92-饱和金属氢化物降温仓，93-第二分离罐,94-第三分离罐，95-安全阀。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明热机-氢反应床联合循环系统如图1所示，包括热机1、氢气压缩单元5、楼宇供能系统62、中间再热器4和膨胀机7，热机为燃气轮机。氢气压缩单元包括6台氢反应床，6台氢反应床设置内部换热管路，交替进行放氢和吸氢，6台氢反应床与楼宇供能系统连通。如图5所示，中间再热器为管壳式换热器，分别设有换热管15、氢气入口13、氢气出口16、烟气入口17和烟气出口14，烟气走壳程，氢气走管程。如图6所示，膨胀机为三级膨胀机，设有一级叶轮10、二级叶轮11、三级叶轮12、膨胀机入口18、一级出口、二级进口8、二级出口60、三级进口9和膨胀机出口19。如图7所示，氢反应床为多管式结构，设有反应管24、折流板21、热介质入口22和热介质出口23，反应管设有氢气进出口25。燃气轮机的燃料为气体燃料，燃气轮机的动力输出轴与发电机连接，膨胀机的动力输出轴与动力设备连接。燃气轮机的烟气出口通过氢气压缩单元的氢反应床和中间再热器连接到尾气排放口20。氢气压缩单元处于放氢过程的1号氢反应床5a的氢气进出口连接到膨胀机入口18，膨胀机的一级出口通过中间再热器的管程连接到膨胀机的二级进口8，膨胀机的二级出口60通过另一台中间再热器连接到膨胀机的三级入口9，膨胀机出口19连接到处于吸氢过程的6号氢反应床5f。氢气压缩单元中氢反应床中金属氢化物为稀土类为主的物质。分别连接在膨胀机一级出口和二级出口的中间再热器可以并联、串联或者独立设置。

如图9所示，氢气压缩单元5设有6台氢反应床，氢反应床分别设有反应床入口67、反应床出口68、换热进口44和换热出口45。换热进口44通过四通阀65分别与高温介质进口管路46、1号冷却介质进口管路61和2号冷却介质进口管路64连接，换热出口45通过四通阀65分别与高温介质出口管路47、1号冷却介质出口管路63和2号冷却介质出口管路66连接。反应床入口67通过三通阀43分别与低压氢气进口49和内循环换热管路连接，反应床出口68通过三通阀43分别连接到高压氢气出口48和内循环换热管路。高压氢气出口与膨胀机入口18连接，低压氢气进口与膨胀机出口19连接。1号冷却介质出口管路63与楼宇供能系统62连接，供热或供冷之后由1号冷却介质进口管路61返回氢反应床，2号冷却介质出口管路66通过中间再热器，之后由2号冷却介质进口管路64返回氢反应床。如图10所示，氢气压缩单元5的6台氢反应床均设有内循环换热入口39、内循环换热出口40，氢气压缩单元设置共用的内循环换热冷却管路37、氢气循环泵38和内循环换热加热管路41。每台氢反应床的内循环换热入口39通过三通阀43的切换，分别连接到内循环换热冷却管路37和内循环换热加热管路41。每台氢反应床的内循环换热出口40通过三通阀43的切换，分别连接到内循环换热冷却管路37和内循环换热加热管路41，内循环换热冷却管路上设有氢气循环泵38。氢反应床内设有氢反应床加热线圈42。

本发明热机-氢反应床联合循环系统的运行过程为，气体燃料在燃气轮机中燃烧同时输出机械功，燃气轮机出口510℃的高温烟气先送到氢气压缩单元5，为氢气压缩单元5中氢反应床的外部换热加热过程及放氢反应过程提供热量。从氢气压缩单元出的160℃中温烟气再送入膨胀机7的中间再热器4中加热膨胀机中间段抽出的氢气，最后60℃的低温烟气外排。氢气压缩单元产生的高压氢气（150℃，35MPa）送入膨胀机7中依次进行三级膨胀做功。为提高高压氢气的做功能力，高压氢气先经过一级膨胀做功，从一级出口抽出送入中间再热器加热后再送入膨胀机进行二级膨胀做功。二级膨胀做功后的氢气再从二级出口抽出，送入另一台中间再热器加热后，最后送入膨胀机进行三级膨胀做功。三级膨胀做功后（60℃，2MPa）的氢气再送回氢气压缩单元进行压缩，氢气循环使用。氢气压缩单元在60℃下进行吸氢，吸氢过程中会持续放出反应热，这部分热量由换热介质带出供给楼宇供能系统62使用，在冬季用于供暖，在夏季用于制冷。氢气压缩单元在150℃下进行放氢，完成放氢过程后的氢反应床需降至60℃以便再进行吸氢，所以150℃完成放氢后的氢反应床先经过内部换热循环将温度降到105℃，然后再通过冷却介质与上述一台或另一台中间再热器换热进一步将温度降至60℃，在冷却的同时将这部分显热传递给进入中间再热器的膨胀机抽气。

氢气压缩单元的压缩过程分为六个阶段：

阶段一为外部换热冷却过程（与中间再热器换热，氢反应床由105℃降至60℃），关闭氢反应床的反应床入口67和反应床出口68，打开换热进口和换热出口并通过四通阀65切换连通到2号冷却介质进口管路64和2号冷却介质出口管路66，通过中间再热器与膨胀机的抽气进行换热，将氢反应床冷却到吸氢温度。

阶段二为吸氢过程（同时与楼宇供能系统换热，氢反应床在60℃下持续放热），打开反应床入口67并切换连通到低压氢气进口49，吸收低压氢气，换热进口和换热出口切换连通到1号冷却介质进口管路61和1号冷却介质出口管路63，将吸氢放出的热量供给楼宇供能系统62，在冬季用于生产50℃的热水供大楼采暖使用，在夏季则用于吸收式制冷供给大楼空调或冷库使用。

阶段三为内部换热升温过程（内部换热循环，氢反应床60℃升至105℃），吸氢达到预定时间后，换热进口44和换热出口45关闭，反应床入口67切换连通到内循环换热入口39，并打开反应床出口68切换连通到内循环换热出口40，另一个处于内部换热降温过程的氢反应床的内循环换热出口40通过内循环换热加热管路41与内循环换热入口39连通，内循环换热出口40通过内循环换热冷却管路37和氢气循环泵38与上述另一个处于内部换热降温过程的氢反应床的内循环换热入口39连通，使氢气在两个氢反应床之间循环流动进行换热。

阶段四为外部换热加热过程（与高温烟气换热，氢反应床105℃升至150℃），氢反应床通过内部换热升至一定温度后，反应床入口67和反应床出口68关闭，打开换热进口44和换热出口45并切换连通到高温介质进口管路46和高温介质出口管路47，与高温烟气换热，将氢反应床加热到放氢温度。

阶段五为放氢过程（同时与高温烟气换热，氢反应床在150℃下持续吸热），氢反应床加热到放氢温度后，打开反应床出口并切换连通膨胀机入口，放出高压氢气。放氢过程中所需反应热，高温烟气持续供给。

阶段六为内部换热降温过程（内部换热循环），反应床出口68切换连通到内循环换热出口40，同时打开反应床入口67并切换连通到内循环换热入口39，内循环换热出口40通过内循环换热加热管路41与另一个处于内部换热升温过程的氢反应床的内循环换热入口39连通，上述另一个处于内部换热升温过程的氢反应床的内循环换热出口40通过内循环换热冷却管路37和氢气循环泵38与内循环换热入口39连通，使氢气在两个氢反应床之间循环流动进行换热，充分换热后重新进入到阶段一的工作过程，如此重复。

本发明热机-氢反应床联合循环系统通过采用冷热电三联产，综合热效率达到95.8%以上，综合发电效率达到54.9%以上。

系统设有氢泄露保护单元，系统的氢气管路设有氢管路保护套，氢气压缩单元5、中间再热器4和膨胀机7外部包覆氢泄露保护罩。氢泄露保护单元连接到氢管路保护套和各设备的氢泄露保护罩。氢泄露保护单元的保护介质为氮气。氢管路保护套和氢泄露保护罩都为严格密封，其外部设有绝热保温层。在氢管路保护套内包括膨胀机、氢气压缩单元和中间再热器在内的所有散热设备及散热管道外部均设有绝热保温层。氢泄露保护单元根据防爆等级选择使用。

实施例2

本发明另一实施方式如图2所示，包括热机1、氢气压缩单元、燃烧室3、中间再热器4、气缸冷却器55、膨胀机7和第一金属氢化物更换装置6。热机为活塞式发动机，气缸冷却器与热机循环连接，冷却气缸的热量加热由膨胀机引出的循环氢气。氢气压缩单元设两组氢反应床，每组两台氢反应床，分别为1号氢反应床5a、2号氢反应床5b、3号氢反应床5c和 4号氢反应床5d，两组氢反应床并列设置。1号氢反应床5a、2号氢反应床5b的烟气进口和出口设有阀门54。每组中两台氢反应床交替进行吸氢/放氢操作和更换金属氢化物。1号氢反应床5a、2号氢反应床5b、3号氢反应床5c和4号氢反应床5d分别与第一金属氢化物更换装置6连接，连接管路设有阀门54。活塞式发动机的尾气通过燃烧室、1号氢反应床5a和2号氢反应床5b、中间再热器连接到尾气排放口20。氢气压缩单元1号氢反应床5a和2号氢反应床5b的氢气进出口通过三通阀连接到膨胀机入口18，膨胀机7的一级出口通过中间再热器和气缸冷却器连接到二级进口8。膨胀机的二级出口通过三通阀连接到氢气压缩单元的3号氢反应床5c和4号氢反应床5d，3号氢反应床5c和4号氢反应床5d通过三通阀连接到膨胀机的三级入口9，膨胀机出口19通过三通阀43连接到3号氢反应床5c和4号氢反应床5d。3号氢反应床5c和4号氢反应床5d分别通过三通阀与楼宇供能系统62循环连接，将吸氢放出的热量供给楼宇供能系统，在冬季用于生产50℃的热水供大楼采暖使用，在夏季则用于吸收式制冷供给大楼空调或冷库使用。氢反应床设有加注口，第一金属氢化物更换装置6的加注枪与更换金属氢化物的氢反应床加注口连接。氢气压缩单元中氢反应床中金属氢化物为稀土类为主的物质。

如图11、图13和图14所示，第一金属氢化物更换装置包括第一分离罐28、余氢吸收单元29、乏金属氢化物降温仓30、饱和金属氢化物升温仓36、真空罐32、保护气压缩机33、供料器34、高压保护气罐35、加注枪驱动机构75和加注枪27，加注枪与加注枪驱动机构连接，加注枪驱动机构设有外管76、内管77、密封圈78、过滤网79和锁紧法兰80。外管与保护气进出管路26连接，内管与添加-抽料共用管路31连接。氢气压缩单元的氢反应床设有加注口，加注口装有电磁阀81，加注枪与加注口通过锁紧法兰密封连接。加注枪设有保护气进出口和金属氢化物添加/抽出口，加注枪可以自由伸缩进出氢反应床实现金属氢化物的添加和抽出。加注枪的金属氢化物口通过添加-抽料共用管路31连接到第一分离罐28，第一分离罐28的气体出口通过余氢吸收单元29连接到真空罐32，第一分离罐的固体出口分别连接到乏金属氢化物降温仓30和饱和金属氢化物升温仓36。乏金属氢化物降温仓和饱和金属氢化物升温仓分别通过供料器34和添加-抽料共用管路31连接到加注枪的金属氢化物口。乏金属氢化物降温仓与饱和金属氢化物升温仓之间设有通风循环管路53，循环管路设有粉末冶金滤网72，循环管路中设有风机71，使乏金属氢化物降温仓与饱和金属氢化物升温仓之间进行换热。真空罐32通过保护气压缩机33连接到高压保护气罐35，真空罐与高压保护气罐之间设有旁路。高压保护气罐出口分为三路，一路连接到第一分离罐，以及乏金属氢化物降温仓与饱和金属氢化物升温仓的入口，一路连接到供料器，一路连接到加注枪的保护气进出口。高压保护气罐为两台，一用一备。以上保护气介质可以使用纯净的氮气或二氧化碳，或其他惰性气体。上述第一金属氢化物更换装置内的所有设备和管路设置外部保温层。

本发明热机-氢反应床联合循环系统的运行过程为，以1号氢反应床5a 与3号氢反应床5c一组为例，两台氢反应床经过第一金属氢化物更换装置6进行热量传递，使两台氢反应床的金属氢化物的温度均为105℃，分别加入到1号氢反应床5a 与3号氢反应床5c，其中，吸氢后的金属氢化物加入到1号氢反应床5a，完成了放氢的金属氢化物加入到3号氢反应床5c。当已经放出氢气的105℃金属氢化物从第一金属氢化物更换装置6加入到3号氢反应床5c的管程后，从膨胀机的二级出口引出的氢气进入3号氢反应床5c的壳程进行冷却，将3号氢反应床5c的已经放出氢气的金属氢化物冷却到60℃以下。气体燃料和助燃气体进入活塞式发动机做功，机械功通过动力输出轴传递到给动力机械。活塞式内燃机的尾气补氧后进入燃烧室再次燃烧，燃烧后的800℃的尾气进入1号氢反应床5a的壳程加热氢反应床中的金属氢化物放出氢气。1号氢反应床5a将金属氢化物从105℃加热到200℃，放出200℃、70MPa的高压氢气。高压氢气进入膨胀机（膨胀机的等熵效率按85%计）进行三级做功，最终膨胀机出口的氢气为60℃、2MPa。膨胀机做的功用于带动发电机发电。做功后的低压氢气进入3号氢反应床5c的管程进行吸氢，此时3号氢反应床5c的金属氢化物保持在60℃以下，通过壳程的氢气介质将吸氢放出的热量与楼宇功能系统换热，该低温余热冬季生产50℃的热水，用于大楼采暖，夏季采用吸收式制冷，用于大楼空调或冷库使用。从氢反应床5a引出的210℃尾气经过中间再热器，中间再热器出口的尾气温度为60℃到尾气排放口排放。膨胀机三级做功过程中，膨胀机一级出口的低温氢气抽出后，与中间再热器的从氢反应床5a引出的210℃尾气、以及气缸冷却器55气缸降温放出热量换热，之后回到二级进口做功。膨胀机二级出口抽出的低温氢气进4号氢反应床5d的壳程换热，同样交替将从第一金属氢化物更换装置6来的完成放氢的金属氢化物从105℃降低到60℃，准备进行吸氢，冷却换热之后的氢气返回膨胀机的三级入口继续做功。三级做功后，膨胀机出口60℃、2MPa的低温氢气进入3号氢反应床5c吸氢。1号氢反应床5a 放氢时，3号氢反应床5c吸氢，这组工作时，另外一组，2号氢反应床5b和4号氢反应床5d进行放氢和吸氢的准备，从第一金属氢化物更换装置6将吸过氢的金属氢化物加入2号氢反应床5b，将完成放氢的金属氢化物加入4号氢反应床5d。1号氢反应床5a 与2号氢反应床5b 交替放氢，3号氢反应床5c和4号氢反应床5d交替吸氢，它们吸氢和放氢的时间可以相同，也可以不同。在第一金属氢化物更换装置6中的乏金属氢化物降温仓30的温度是可以人为设置，以被加热后的已经吸过氢的金属氢化物不放出氢气为原则。1号氢反应床5a 与3号氢反应床5c一组工作完成后，切换到2号氢反应床5b和4号氢反应床5d的另一组重复以上步骤。设置至少两组氢反应床交替工作。本发明采用冷热电三联产，总的热效率达到90%以上，机械功发电的效率达到50%以上。

金属氢化物更换的过程为：金属储氢材料在氢反应床5a、5b中进行放氢反应过程，在氢反应床5c、5d中进行吸氢反应过程。氢反应床5a、5b中完成放氢过程的金属储氢材料，通过加注枪经由添/抽料共用管路和抽料管路进入气、固第一分离罐，在第一分离罐中完成保护气和金属储氢材料的分离，然后送入乏金属氢化物降温仓。同样在氢反应床5c、5d中完成吸氢过程的金属储氢材料，通过加注枪添/抽料共用管路和抽料管路进入另一个气、固分离罐，在第一分离罐中完成保护气和金属储氢材料的分离，分离出的固体金属氢化物送入饱和金属氢化物升温仓。加注枪中部设有保护气进出管路，在抽出和添加金属储氢材料时可分别送入和抽出保护气，同时抽出余氢。气、固分离罐设有余氢吸收管路，将保护气中分离出来的残余氢气在余氢吸收单元回收，保护气通过真空罐、保护气压缩机送入高压气体罐中循环使用。乏金属氢化物降温仓和饱和金属氢化物升温仓中设有相互连通的换热管路，换热管路上设有风机使换热介质在其中循环流转，从而将热量从放氢完成的高温金属储氢材料传递给吸氢完成的低温金属储氢材料。换热完成后，放氢完成的金属储氢材料通过乏金属氢化物降温仓底部的供料器，经由添料管路、添/抽料共用管路、加注枪，被高压保护气罐组的高压保护气以气流输送的方式送入空置的氢反应床5c或5d。吸氢完成的金属氢化物则通过饱和金属氢化物升温仓底部的供料器，经由添料管路、添/抽料共用管路、加注枪，被高压保护气罐组的高压保护气以气流输送的方式送入空置的氢反应床5a或5b。

实施例3

本发明再一实施方式如图3所示，包括氢气压缩单元5、膨胀机7、吸收式制冷设备59、发电厂来的65℃乏汽管路和65℃冷凝回水管路。从电厂来的65℃乏汽管路通过氢气压缩单元和吸收式制冷设备连接到65℃冷凝回水管路返回电厂。氢气压缩单元的氢气出口连接到膨胀机入口，膨胀机出口连接到氢气压缩单元。氢气压缩单元的氢反应床交替进行放氢和吸氢，氢气压缩单元与吸收式制冷设备59循环连接。如图8所示，氢反应床为套管式结构，包括氢气流通空间50、金属氢化物51和加热介质通道52。

利用发电厂来的65℃乏汽凝结成65℃热水时放出的冷凝热，通过间壁式换热将氢气压缩单元加热到60℃，放出60℃、0.5MPa的氢气。60℃、0.5MPa的氢气进入膨胀机（膨胀机的等熵效率按85%计）做功，膨胀机出口氢气为-20℃、0.1MPa。氢气压缩单元放完氢的稀土金属，与膨胀机出口-20℃、0.1MPa的氢气一块进入氢气压缩单元在-20℃的条件下吸氢，吸氢所需冷量由吸收式制冷设备供给。吸收式制冷设备的热源同样为发电厂来65℃乏汽凝结成65℃热水时放出的冷凝热，吸收式制冷设备的能效比为1:1。氢气压缩单元中完成吸氢的稀土金属氢化物再送到氢气压缩单元进行放氢，如此循环使用。本实施例中的氢气压缩单元可以采用实施例1的氢气压缩单元，也可以采用实施例2的氢气压缩单元。

实施例4

本发明第四种实施方式如图4所示，包括氢气压缩单元5、吸氢反应器56、楼宇供能系统62、中间再热器4和膨胀机7。两台吸氢反应器并列设置交替工作，吸氢反应器内填充乏金属氢化物，乏金属氢化物吸收氢气时释放的热量，作为加热热介质的热源。两台吸氢反应器分别通过阀门连接氢气压缩单元5、中间再热器4和1号氢循环泵57之后，再通过阀门循环连接到两台吸氢反应器，循环介质为氢气。吸氢反应器56放出约300℃的氢热介质进入氢气压缩单元，经中间再热器4冷却到70℃后，进入1号氢循环泵57，1号氢循环泵57将循环氢热介质循环回吸氢反应器56。吸氢放热温度为300℃，吸氢过程中放出大量的热进入氢气压缩单元氢反应床中，将金属氢化物加热到200℃，放出200℃、70MPa的高压氢气。200℃、70MPa的高压氢气进入膨胀机（膨胀机的等熵效率按85%计）做功，膨胀机出口的氢气为60℃、2MPa。氢气压缩单元5与楼宇供能系统62循环连接，将吸氢放出的热量供给楼宇供能系统，在冬季用于生产50℃的热水供大楼采暖使用，在夏季则用于吸收式制冷供给大楼空调或冷库使用。

本实施例中吸氢反应器56装有以金属镁为主要成分的吸氢物质。如图16所示，两台吸氢反应器之间连接第二金属氢化物更换装置90，并设置有乏金属氢化物集装箱82、饱和金属氢化物集装箱83。本实施例的第二金属氢化物更换装置90与实施例2第一金属氢化物更换装置6的结构类似，不同点在于：第一分离罐下部的固体出口连接的是乏金属氢化物升温仓91，另设饱和金属氢化物降温仓92，两仓之间同样连接循环管路53，并设置粉末冶金滤网72和风机71。乏金属氢化物集装箱82通过供料器、第三分离罐94连接到乏金属氢化物升温仓91的入口，为吸氢反应器提供乏金属氢化物，做吸氢的准备。饱和金属氢化物降温仓92通过供料器、第二分离罐94连接到饱和金属氢化物集装箱83的入口，完成吸氢的饱和金属氢化物在饱和金属氢化物降温仓92内与乏金属氢化物升温仓91内的乏金属氢化物换热后，被收集到饱和金属氢化物集装箱内。第二分离罐93、第三分离罐94的气体出口通过第二金属氢化物更换装置90的余氢吸收单元连接真空罐32。真空罐通过保护气压缩机连接到高压保护气罐，真空罐与高压保护气罐之间设有旁路。高压保护气罐出口分为四路，一路连接到第一分离罐、第二分离罐93、第三分离罐94的输送气体入口，一路连接到乏金属氢化物升温仓91、饱和金属氢化物降温仓92、乏金属氢化物集装箱和饱和金属氢化物集装箱的输送气入口，一路连接到乏金属氢化物升温仓91、饱和金属氢化物降温仓92、乏金属氢化物集装箱的供料器，一路连接到加注枪的保护气进出口。高压保护气罐为两台，一用一备。

乏金属氢化物集装箱、饱和金属氢化物集装箱的结构相同，如图17所示，为设置在保护框架内的箱体结构，箱体截面为方形或圆形，箱体上部设置输送气入口84、金属氢化物入口85，箱体下部设置输送气出口86、金属氢化物出口87，各个出入口均设置有密封装置。输送气入口设置粉尘过滤装置88以及分子筛89，用于过滤粉尘、吸收氧气和水分。乏金属氢化物集装箱82和饱和金属氢化物集装箱83为密封装置，设置保温外层和安全阀95。输送气和保护气为氮气或二氧化碳。允许采用加压运行，不排除使用上述气体的超临界状态。

两台吸氢反应器交替工作，其中一台吸氢反应器内的乏金属氢化物进行吸氢反应，吸氢过程中释放出的热量由热介质源源不断地带入氢气压缩单元，于此同时，另一台吸氢反应器内已经完成吸氢的饱和金属氢化物，进入第二金属氢化物更换装置的饱和金属氢化物降温仓，与乏金属氢化物升温仓内的从乏金属氢化物集装箱内抽来的乏金属氢化物换热，之后将换热后的乏金属氢化物加入上述另一台吸氢反应器内完成金属氢化物的更换，而换热后的饱和金属氢化物被收集到饱和金属氢化物集装箱内，最后待上述一台吸氢反应器完成吸氢过程后，切换到另一台吸氢反应器重复上述步骤工作，以保证机械功的输出、以及供冷和供热能够连续进行。进入吸氢反应器56的乏金属氢化物指的是已经完成放氢反应的以金属镁为主的吸氢物质。装入饱和金属氢化物集装箱的饱和金属氢化物是指吸过氢的金属氢化物，用饱和金属氢化物集装箱运至需要氢能源的场所。使用过的金属氢化物变成乏金属氢化物，使用乏金属氢化物集装箱运至本实施例运行场所进行吸氢，使其变成饱和金属氢化物，再加入到饱和金属氢化物集装箱。允许采用同一集装箱作为饱和金属氢化物集装箱或乏金属氢化物集装箱。

本实施例中的氢气压缩单元可以采用实施例1的氢气压缩单元，也可以采用实施例2的氢气压缩单元。

实施例5

本发明的第五种实施方式如图12所示，热机1是活塞式发动机，燃料为氢燃料，在动力平稳时采用空气助燃，氢气供氢量超过理论燃空比形成浓燃模式，燃空比为1.1～1.2，增强了发动机的动力性能，同时降低了氮氧化物排放。在需要增加动力输出时，采用富氧空气或纯氧助燃，氢气依然采取浓燃模式。发动机做功后尾气温度约为600～1200℃进入燃烧室3。二次燃烧采用空燃比等于1的当量燃烧或空燃比大于1的稀燃低温燃烧，当进行稀燃低温燃烧时，过量的助燃空气或富氧或纯氧进入燃烧室与尾气混合，空气超过当量空燃比形成稀燃模式，尾气中的剩余氢气、焦化的炭粉、碳氢物质在燃烧室内完全燃烧，有效的降低了粉尘、氮氧化物和碳氢物质排放。二次燃烧后的尾气温度约为400～800℃进入氢气压缩单元的氢反应床，使高压氢气进入膨胀机进行做功。活塞式发动机不采用空冷散热，冷却系统余热通过气缸冷却器55传递给氢气使其回到膨胀机中继续做功。在氢反应床与尾气排放口之间的合适位置，加入适当的备用粉尘脱除装置、必要的催化装置和零级净化器，在满足动力性能良好的情况下，污染物排放量更少。所述富氧来自于富氧发生器或水电解制氢装置的副产，当富氧来自于水电解制氢装置的副产时，允许水电解制氢装置产生的氢气进入活塞式发动机作为燃料燃烧或者进行二次燃烧，二次燃烧时允许进行多段分层燃烧，使燃烧效率高、排放少。空气或者氧含量＞21%的富氧或纯氧进行助燃之前，利用发动机的散热或利用排气管的余热进行预热，使燃烧效果更好、排放更清洁。本实施例中的氢气压缩单元可以采用实施例1的氢气压缩单元，也可以采用实施例2的氢气压缩单元。

本实施例其它流程与实施例2的步骤相同，本实施例中热机同样适用于燃气轮机、电厂锅炉等热力设备。可以用于固定式发电装置或动力装置、移动式发电装置或动力装置、或交通动力装置。热机和膨胀机7可以对同一动力装置做功也可对不同的动力装置做功，当对同一动力装置做功时，可以采用同轴做功也可以采用不同轴做功。

实施例6

本发明的第六种实施方式如图15所示，热机1是活塞式发动机，采用柴油做燃料，在动力平稳时采用空气助燃，柴油量超过理论燃空比形成浓燃模式，燃空比是1.05～1.2，增强了发动机的动力性能，同时降低了氮氧化物排放。在需要增加动力输出时，采用富氧空气或纯氧助燃，柴油依然采取浓燃模式。发动机做功后尾气温度约为600～1600℃进入燃烧室3。二次燃烧采用空燃比等于1的当量燃烧或空燃比大于1的稀燃低温燃烧，当采用空燃比大于1的稀燃低温燃烧，即空气量过剩，空气超过当量空燃比形成稀燃模式，过量的助燃空气或富氧或纯氧进入燃烧室与尾气混合，尾气中的剩余氢气、焦化的炭粉、一氧化碳、碳氢物质在燃烧室内完全燃烧，有效的降低了粉尘、氮氧化物和碳氢物质的排放。二次燃烧后的尾气温度约为300～1000℃进入氢气压缩单元的氢反应床，使高压氢气进入膨胀机进行做功。（可以采用多次分段分层燃烧以降低污染物的排放），经过氢反应床、中间再热器后的尾气为60℃排出，在氢反应床与尾气排放口之间的合适位置，加入适当的脱硫装置、备用粉尘脱除装置和必要的催化装置，在满足动力性能良好的情况下，污染物排放量更少。所述富氧来自于富氧发生器或水电解制氢装置的副产，当其来自于水电解制氢装置的副产时，允许水电解制氢装置产生的氢气进入活塞式发动机作为燃料单独燃烧做功或者与含炭燃料进行掺烧做功，也允许其在进行二次燃烧时，与尾气混合燃烧，使尾气燃烧的更加顺利合理，二次燃烧时允许进行多段分层燃烧，使燃烧效率高、排放少。空气或者氧含量＞21%的富氧或纯氧进行助燃之前，利用发动机的散热或利用排气管的余热进行预热，使燃烧效果更好、排放更清洁。

本实施例中的柴油燃料还可以由汽油、重油、天然气等燃料替代。活塞式发动机不采用空冷散热，冷却系统余热通过气缸冷却器55传递给氢气，使其回到膨胀机中继续做功。本实施例中的氢气压缩单元可以采用实施例1的氢气压缩单元，也可以采用实施例2的氢气压缩单元。

本实施例其它流程与实施例5的步骤相同，本实施例中热机同样适用于燃气轮机、电厂锅炉等热力设备。可以用于固定式发电装置或动力装置、移动式发电装置或动力装置、或交通动力装置。热机和膨胀机7可以对同一动力装置做功也可对不同的动力装置做功，当对同一动力装置做功时，可以采用同轴做功也可以采用不同轴做功。

Claims (11)

1.一种热机-氢反应床联合循环系统，包括热机（1）和氢气压缩单元（5），所述氢气压缩单元设有至少一组氢反应床，每组至少两台氢反应床，氢反应床之间相互连通；其特征是：所述系统设有中间再热器（4）、膨胀机（7）和第一金属氢化物更换装置（6），第一金属氢化物更换装置（6）与氢反应床连接；所述膨胀机（7）为三级膨胀机，设有一级叶轮（10）、二级叶轮（11）、三级叶轮（12）、膨胀机入口（18）、一级出口、二级进口（8）、二级出口（60）、三级进口（9）和膨胀机出口（19）；所述热机的热介质出口通过氢气压缩单元的氢反应床和中间再热器连接到尾气排放口（20）；所述氢气压缩单元的氢反应床连接到膨胀机入口（18），所述膨胀机的一级出口和/或二级出口与中间再热器或氢气压缩单元连接，中间再热器或氢气压缩单元的出口与膨胀机的下一级进口连接，膨胀机出口（19）连接到氢气压缩单元的氢反应床；所述第一金属氢化物更换装置（6）包括第一分离罐（28）、余氢吸收单元（29）、乏金属氢化物降温仓（30）、饱和金属氢化物升温仓（36）、真空罐（32）、保护气压缩机（33）、供料器（34）、高压保护气罐（35）、加注枪驱动机构（75）和加注枪（27），所述加注枪（27）与加注枪驱动机构连接；所述加注枪驱动机构设有外管（76）、内管（77）、密封圈（78）、过滤网（79）和锁紧法兰（80）；外管与保护气进出管路（26）连接，内管与添加-抽料共用管路（31）连接；所述氢反应床设有加注口，所述加注口装有电磁阀（81），加注枪与加注口通过锁紧法兰密封连接；加注枪设有保护气进出口和金属氢化物添加/抽出口，加注枪可以自由伸缩进出氢反应床实现饱和金属氢化物的添加和放过氢的乏金属氢化物的抽出；所述加注枪通过添加-抽料共用管路(31)连接到第一分离罐，第一分离罐的气体出口通过余氢吸收单元连接到真空罐，第一分离罐的固体出口分别连接到乏金属氢化物降温仓和饱和金属氢化物升温仓；乏金属氢化物降温仓和饱和金属氢化物升温仓分别通过供料器和添加-抽料共用管路连接到加注枪；所述乏金属氢化物降温仓与饱和金属氢化物升温仓之间设有通风循环管路（53），循环管路设有粉末冶金滤网（72）和风机（71）；所述真空罐通过保护气压缩机连接到高压保护气罐，真空罐与高压保护气罐之间设有旁路；高压保护气罐出口分为三路，一路连接到第一分离罐以及乏金属氢化物降温仓和饱和金属氢化物升温仓的入口，一路连接到乏金属氢化物降温仓和饱和金属氢化物升温仓的供料器，一路连接到加注枪的保护气进出口；高压保护气罐为两台，一用一备。

2.根据权利要求1所述的热机-氢反应床联合循环系统，其特征是：所述热机为烟气轮机、燃气轮机、蒸汽轮机、活塞式发动机或吸氢反应器（56）；所述热机（1）的燃料为气体燃料或液体燃料，所述热介质为烟气、热水、蒸汽或循环氢气；所述热机的动力输出轴与发电机或动力设备连接，所述膨胀机的动力输出轴与发电机或动力设备连接；所述氢气压缩单元中氢反应床中金属氢化物为稀土类为主的物质。

3.据权利要求2所述的热机-氢反应床联合循环系统，其特征是：所述系统设有第一金属氢化物更换装置（6）、燃烧室（3）和气缸冷却器（55），所述氢气压缩单元（5）设有两组氢反应床，每组两台氢反应床，两组氢反应床并列设置，两组氢反应床交替进行放氢/吸氢操作和更换金属氢化物操作；4台氢反应床分别与第一金属氢化物更换装置连接，连接管路设有阀门(54)；第一金属氢化物更换装置（6）的加注枪(27)与更换金属氢化物的氢反应床加注口连接；所述热机为活塞式发动机，活塞式发动机与气缸冷却器循环连接；所述膨胀机（7）的一级出口通过中间再热器和气缸冷却器连接到二级进口（8），所述膨胀机的二级出口通过一组氢反应床连接到三级进口（9）；所述活塞式发动机通过燃烧室、一组氢反应床、中间再热器连接到尾气排放口（20）；同组的两台氢反应床交替工作保证持续的放氢或吸氢操作，它们吸氢和放氢的时间可以相同，也可以不同；放氢操作一组中一台的氢反应床与吸氢操作一组的一台氢反应床进行放氢和吸氢工作时，同组的剩余氢反应床进行放氢和吸氢的准备，从第一金属氢化物更换装置将吸过氢的金属氢化物加入放氢操作一组中的另一台已经完成放氢成为吸氢物质，并被抽出后已腾空的氢反应床，将完成放氢的吸氢物质加入吸氢操作一组的另一台已经吸收氢气成为饱和金属氢化物，并被抽出后已腾空的氢反应床。

4.据权利要求2所述的热机-氢反应床联合循环系统，其特征是：所述联合循环系统设有吸收式制冷设备（59）、发电厂乏汽管路和冷凝回水管路；所述发电厂乏汽管路经过氢气压缩单元（5）和吸收式制冷设备连接到冷凝回水管路；所述氢气压缩单元的氢气出口通过膨胀机（7）连接到氢气压缩单元，所述吸收式制冷设备的冷却介质管路与氢气压缩单元连接。

5.据权利要求2所述的热机-氢反应床联合循环系统，其特征是：所述系统设有第二金属氢化物更换装置（90）、乏金属氢化物集装箱（82）、饱和金属氢化物集装箱（83）；所述热机为至少两台吸氢反应器（56），所述吸氢反应器装有以金属镁为主要成分的吸氢物质；所述吸氢反应器通过氢气压缩单元（5）、中间再热器（4）和1号氢循环泵（57）循环连接到吸氢反应器；所述两台吸氢反应器与第二金属氢化物更换装置连接，所述第二金属氢化物更换装置分别与乏金属氢化物集装箱、饱和金属氢化物集装箱连接；所述乏金属氢化物集装箱、饱和金属氢化物集装箱分别设有输送气入口（84）、金属氢化物入口（85）、输送气出口（86）和金属氢化物出口（87），各个出口或入口均设置有密封装置；所述输送气入口设置粉尘过滤装置（88），所述粉尘过滤装置（88）装有分子筛（89），用于过滤粉尘、吸收氧气和水分；所述输送气和保护气为氮气或二氧化碳；允许采用加压运行，不排除使用上述气体的超临界状态。

6.根据权利要求5所述的热机-氢反应床联合循环系统，其特征是：第二金属氢化物更换装置（90）包括第一分离罐（28）、余氢吸收单元（29）、乏金属氢化物升温仓（91）、饱和金属氢化物降温仓（92）、真空罐（32）、保护气压缩机（33）、供料器（34）、高压保护气罐（35）和加注枪（27）；所述吸氢反应器（56）设有加注口，所述加注枪与加注口通过锁紧法兰密封连接；加注枪设有保护气进出口和金属氢化物添加/抽出口，加注枪可以自由伸缩进出吸氢反应器（56）实现放过氢的乏金属氢化物的添加和饱和金属氢化物的抽出；所述加注枪通过添加-抽料共用管路(31)连接到第一分离罐（28），第一分离罐的气体出口通过余氢吸收单元连接到真空罐；第一分离罐的固体出口连接到饱和金属氢化物降温仓（92），饱和金属氢化物降温仓（92）通过供料器、第二分离罐（93）连接到饱和金属氢化物集装箱（83）；乏金属氢化物集装箱（82）通过供料器、第三分离罐（94）连接到乏金属氢化物升温仓（91），乏金属氢化物升温仓（91）通过供料器和添加-抽料共用管路连接到加注枪（27）；所述乏金属氢化物升温仓和饱和金属氢化物降温仓之间设有通风循环管路（53），循环管路设有粉末冶金滤网（72）和风机（71）；所述第二分离罐（93）、第三分离罐（94）的气体出口通过第二金属氢化物更换装置（90）的余氢吸收单元（29）连接真空罐（32）；所述真空罐通过保护气压缩机连接到高压保护气罐，真空罐与高压保护气罐之间设有旁路；高压保护气罐出口分为四路，一路连接到第一分离罐、第二分离罐（93）、第三分离罐（94）的输送气体入口，一路连接到乏金属氢化物升温仓（91）、饱和金属氢化物降温仓（92）、乏金属氢化物集装箱（82）和饱和金属氢化物集装箱（83）的输送气入口，一路连接到乏金属氢化物升温仓（91）、饱和金属氢化物降温仓（92）、乏金属氢化物集装箱（82）的供料器，一路连接到加注枪的保护气进出口；高压保护气罐为两台，一用一备；所述输送气和保护气为氮气或二氧化碳；允许采用加压运行，不排除使用上述气体的超临界状态；吸氢反应器（56）中装入的是已经完成放氢反应的以金属镁为主的吸氢物质；装入饱和金属氢化物集装箱的饱和金属氢化物是指在吸氢反应器（56）所在现场中吸过氢的饱和金属氢化物通过第二金属氢化物更换装置进入饱和金属氢化物集装箱后，被运至需要氢能源场所的金属氢化物材料；饱和金属氢化物使用过之后变成乏金属氢化物，利用乏金属氢化物集装箱运至吸氢反应器（56）所在现场通过第二金属氢化物更换装置进入吸氢反应器（56）进行吸氢，使其变成饱和金属氢化物，再加入到饱和金属氢化物集装箱，允许采用同一集装箱作为饱和金属氢化物集装箱或乏金属氢化物集装箱。

7.根据权利要求1所述的热机-氢反应床联合循环系统，其特征是：所述中间再热器为管壳式换热器，所述管壳式换热器设有换热管（15）、氢气入口（13）、氢气出口（16）、烟气入口（17）和烟气出口（14）；所述氢反应床为多管式结构或套管式结构，所述多管式结构设有反应管（24）、折流板（21）、热介质入口（22）和热介质出口（23），所述反应管设有氢气进出口（25）；所述套管式结构氢反应床包括氢气流通空间（50）、金属氢化物（51）和加热介质通道（52）。

8.根据权利要求1所述的热机-氢反应床联合循环系统，其特征是：所述氢气压缩单元（5）设有6台氢反应床，所述氢反应床分别设有反应床入口（67）、反应床出口（68）、高温介质进口管路（46）、高温介质出口管路（47）、换热进口（44）、换热出口（45）、高压氢气出口（48）、1号冷却介质进口管路（61）、1号冷却介质出口管路（63）、2号冷却介质进口管路（64）、2号冷却介质出口管路（66）和低压氢气进口（49）；所述换热进口（44）通过四通阀（65）分别与高温介质进口管路（46）、1号冷却介质进口管路（61）和2号冷却介质进口管路（64）连接，所述换热出口（45）通过四通阀分别与高温介质出口管路（47）、1号冷却介质出口管路（63）和2号冷却介质出口管路（66）连接；所述反应床入口（67）通过三通阀（43）分别连接到低压氢气进口（49）和内循环换热管路，所述反应床出口（68）通过三通阀分别与高压氢气出口（48）和内循环换热管路连接；所述高压氢气出口与膨胀机入口（18）连接，所述低压氢气进口与膨胀机出口（19）连接；所述1号冷却介质出口管路（63）与楼宇供能系统（62）连接，楼宇供能系统通过1号冷却介质进口管路（61）连接到氢气压缩单元的的氢反应床，所述2号冷却介质出口管路（66）经中间再热器（4）和2号冷却介质进口管路（64）返回氢反应床，楼宇供能系统（62）可以为交通工具制冷或制热。

9.根据权利要求8所述的热机-氢反应床联合循环系统，其特征是：所述氢气压缩单元（5）设有内循环换热入口（39）、内循环换热出口（40）、内循环换热冷却管路（37）、氢气循环泵（38）和内循环换热加热管路（41）；内循环换热入口（39）通过三通阀（43）的切换，分别连接到内循环换热冷却管路（37）和内循环换热加热管路（41）；所述内循环换热出口（40）通过三通阀的切换，分别连接到内循环换热冷却管路（37）和内循环换热加热管路（41）；内循环换热冷却管路上设有氢气循环泵（38），氢反应床内设有氢反应床加热线圈（42）。

10.根据权利要求1所述的热机-氢反应床联合循环系统，其特征是：所述系统设有氢泄露保护单元，系统的氢气管路设有氢管路保护套，氢气压缩单元、中间再热器和膨胀机外部包覆氢泄露保护罩；氢泄露保护单元连接到氢管路保护套和各设备的氢泄露保护罩；氢泄露保护单元的保护介质为氮气或二氧化碳，氢管路保护套和氢泄露保护罩严格密封，其外部设有绝热保温层；所述膨胀机、氢气压缩单元和中间再热器在内的所有散热设备及散热管道外部均设有绝热保温层。

11.根据权利要求2所述的热机-氢反应床联合循环系统，其特征是：所述热机（1）为活塞式发动机，燃料为含炭燃料，在动力平稳时采用空气助燃，燃料供给量超过理论燃空比形成浓燃模式，燃空比大于1，增强发动机的动力性能，同时降低氮氧化物排放；在需要增加动力输出时，采用富氧空气或纯氧助燃，燃料依然采取浓燃模式；发动机做功后尾气温度约为600～1600℃进入燃烧室（3）进行二次燃烧，二次燃烧采用空燃比等于1的当量燃烧或空燃比大于1的稀燃低温燃烧，当采用空燃比大于1的稀燃低温燃烧，即空气量过剩，空气超过当量空燃比形成稀燃模式，过量的助燃空气或富氧或纯氧进入燃烧室与尾气混合，尾气中的剩余氢气、焦化的炭粉、一氧化碳、碳氢物质在燃烧室内完全燃烧，有效的降低了粉尘、氮氧化物和碳氢物质的排放；二次燃烧后温度约为300～1000℃进入氢气压缩单元（5）的氢反应床，使高压氢气进入膨胀机进行做功；发动机不采用空冷散热，冷却系统余热通过气缸冷却器（55）传递给氢气使其回到膨胀机（7）中继续做功；在氢反应床与尾气排放口之间的合适位置，加入适当的脱硫装置、备用粉尘脱除装置和必要的催化装置，在满足动力性能良好的情况下，污染物排放量更少；所述富氧来自于富氧发生器或水电解制氢装置的副产，当其来自于水电解制氢装置的副产时，允许水电解制氢装置产生的氢气进入活塞式发动机作为燃料单独燃烧做功或者与含炭燃料进行掺烧做功，也允许其在进行二次燃烧时，与尾气混合燃烧，使尾气燃烧的更加顺利合理，二次燃烧时允许进行多段分层燃烧，使燃烧效率高、排放少；空气或者氧含量＞21%的富氧或纯氧进行助燃之前，利用发动机的散热或利用排气管的余热进行预热，使燃烧效果更好、排放更清洁。