CN112282878A - 一种以镁为燃料的发电系统及其工作方法 - Google Patents

一种以镁为燃料的发电系统及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种以镁为燃料的发电系统及其工作方法，该系统包括镁燃料电解制备子系统、镁燃烧与燃烧产物收集子系统和蒸汽朗肯循环发电子系统；本发明通过将基于镁燃料储能、镁燃烧发电、蒸汽朗肯循环和氧化镁电解再生等进行有效地耦合，具有储能密度高、储能周期长可实现永久储存、燃料循环再生无消耗、可便于开展全球能源贸易等优点。

Description

一种以镁为燃料的发电系统及其工作方法
技术领域
本发明属于绿色循环发电和先进储能技术领域，具体涉及一种以镁为燃料的发电系统及其工作方法。
背景技术
随着全球大气污染和气候变暖形势的日趋严峻，传统的以化石能源为主的发电系统将面临前所未有的压力和挑战。从世界范围来看，各国都在努力提高自身电力结构中可再生能源发电的比例。未来，世界能源领域的发展趋势必然是可再生能源逐步替代化石能源。然而，可再生能源由于自身的间歇性、不稳定性和不确定性等特点，严重阻碍了可再生能源发电的发展。未来要实现可再生能源替代化石能源，必须依赖大规模和长周期储能技术的发展和支撑。
目前，储能技术领域的研究十分活跃，各种储能技术迅猛发展，如抽水蓄能、压缩空气储能、锂电池储能、超级电容器储能、飞轮储能、储氢等。然而，现有的储能技术难以同时满足储能密度大、可移动性、自耗损失小和全球能源贸易的要求。因此，需要开发一种新的储能技术，从而使可再生能源发电在全世界范围内向更深、更广方向发展。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种以镁为燃料的发电系统及其工作方法，该系统将基于镁燃料储能、镁燃烧发电、蒸汽朗肯循环和氧化镁电解再生等进行有效地耦合，具有储能密度高、储能周期长可实现永久储存、燃料循环再生无消耗、可便于开展全球能源贸易等优点。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种以镁为燃料的发电系统，包括镁燃料电解制备子系统、镁燃烧与燃烧产物收集子系统和蒸汽朗肯循环发电子系统；
所述镁燃料电解制备子系统包括氧化镁电解装置1、电网中富余的可再生能源电力供应2、冷却器3和镁粉储罐4；氧化镁电解装置1的电解液进口与MgO物料进口相连接，氧化镁电解装置1的助熔剂进口与助熔剂输送管路相连接，氧化镁电解装置1的电源与电网中富余的可再生能源电力供应2相连接，氧化镁电解装置1的阴极连通冷却器3的热侧进口，冷却器3的热侧出口与镁粉储罐4的燃料进口相连接；
所述镁燃烧与燃烧产物收集子系统包括与镁燃料电解制备子系统的镁粉储罐4依次连接的镁粉燃烧器5、锅炉6、旋风分离器7、换热器8、除尘器9和烟囱10；镁粉和空气经镁粉燃烧器5混和后进入锅炉6中燃烧，燃烧反应方程式为2Mg+O2＝2MgO，燃烧反应放出大量热量，一部分被锅炉6四周受热面内的做功工质吸收，另一部分热量伴随烟气经旋风分离器7后进入换热器8被工质吸收，锅炉6的烟气出口与旋风分离器7的物料进口相连通，烟气中固体燃烧产物MgO经旋风分离器7分离后从底部予以收集，旋风分离器7的气体出口与换热器8的热侧入口相连通，换热器8的热侧出口与除尘器9的进口相连通，除尘器9的烟气出口与烟囱10的进口相连通，烟气中剩余的少量微细MgO颗粒被除尘器9收集回收，烟气最终经烟囱10排入大气；
所述蒸汽朗肯循环发电子系统包括蒸汽轮机11、发电机12、冷凝器13和给水泵14；新补充的动力循环工质水与冷凝器13冷凝回收得到的凝结水混合后与给水泵14的工质进口相连接，给水泵14的工质出口与换热器8的冷侧进口相连接，换热器8的冷侧出口与锅炉6的动力循环工质进口相连接，锅炉6的动力循环工质出口与蒸汽轮机11的进口相连接，蒸汽轮机11的工质出口与冷凝器13的工质进口相连接，发电机12与蒸汽轮机11同轴连接；新补充的动力循环工质水与冷凝器13冷凝回收得到的凝结水混合后进入给水泵14升压后进入换热器8吸热，吸热升温后的工质进入锅炉6，在锅炉6中继续吸热升温后成为高温过热蒸汽，高温过热蒸汽在蒸汽轮机11中膨胀做功并带动发电机12旋转发电后进入冷凝器13。
所述的以镁为燃料的发电系统的工作方法，所述的发电系统以氧化镁为原料，当电网系统中可再生能源发电过剩或富余时，通过氧化镁电解装置1对熔融的氧化镁进行电解，将可再生能源电力通过电化学反应转化成金属燃料镁的化学能进行储存；当电网系统中可再生能源发电不足或世界上其他某地理位置需要电力供应时，通过镁燃烧与燃烧产物收集子系统和蒸汽朗肯循环发电子系统将镁燃料的化学能转化成电能，对外实现供电；具体的将化学能转化成电能的过程为：通过氧化镁电解装置1得到燃料镁粉，燃料镁粉和空气经镁粉燃烧器5混和后进入锅炉6中燃烧，燃烧反应方程式为2Mg+O2＝2MgO，燃烧反应放出大量热量；新补充的动力循环工质水与冷凝器13冷凝回收得到的凝结水混合后经给水泵14升压后依次经换热器8和锅炉6吸热后成为高温过热蒸汽，然后进入蒸汽轮机11膨胀做功并带动发电机12旋转发电；镁燃料燃烧后的产物MgO分别经旋风分离器7和除尘器9分离收集后，进行储存备用，氧化镁可重新进入镁燃料电解制备子系统，通过氧化镁电解装置1电解再次得到镁燃料，实现循环利用，整个过程中原料氧化镁无消耗。
本发明的有益效果：
本发明所述的一种以镁为燃料的发电系统及其工作方法，具有如下优点：(1)金属燃料镁的能量密度高；(2)镁燃料中不含碳、氮和硫元素，燃烧时不产生CO2和SO2，通过控制燃烧温度和空气比例，可有效控制燃烧过程中热力型NOx的生成；(3)通过电化学反应将可再生能源电力转化为金属燃料镁的化学能进行储存，具有储能周期长，可实现永久储存的优点；(4)整个过程中镁燃料燃烧反应后，其燃烧产物MgO通过电解再生可重新得到金属燃料镁，整个过程燃料镁循环再生、无消耗；(5)通过金属燃料镁进行储能，便于开展全球范围内的能源贸易。
附图说明
图1为本发明发电系统示意图。
其中，1为氧化镁电解装置、2为电网中富余的可再生能源电力供应、3为冷却器、4为镁粉储罐、5为镁粉燃烧器、6为锅炉、7为旋风分离器、8为换热器、9为除尘器、10为烟囱、11为蒸汽轮机、12为发电机、13为冷凝器、14为给水泵。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，一种以镁为燃料的发电系统，包括镁燃料电解制备子系统、镁燃烧与燃烧产物收集子系统和蒸汽朗肯循环发电子系统；
所述镁燃料电解制备子系统包括氧化镁电解装置1、电网中富余的可再生能源电力供应2、冷却器3和镁粉储罐4；氧化镁电解装置1的电解液进口与MgO物料进口相连接，氧化镁电解装置1的助熔剂进口与助熔剂输送管路相连接，氧化镁电解装置1的电源与电网中富余的可再生能源电力供应2相连接，氧化镁电解装置1的阴极连通冷却器3的热侧进口，冷却器3的热侧出口与镁粉储罐4的燃料进口相连接；
所述镁燃烧与燃烧产物收集子系统包括与镁燃料电解制备子系统的镁粉储罐4依次连接的镁粉燃烧器5、锅炉6、旋风分离器7、换热器8、除尘器9和烟囱10；镁粉和空气经镁粉燃烧器5混和后进入锅炉6中燃烧，燃烧反应方程式为2Mg+O2＝2MgO，燃烧反应放出大量热量，一部分被锅炉6四周受热面内的做功工质吸收，另一部分热量伴随烟气经旋风分离器7后进入换热器8被工质吸收，锅炉6的烟气出口与旋风分离器7的物料进口相连通，烟气中固体燃烧产物MgO经旋风分离器7分离后从底部予以收集，旋风分离器7的气体出口与换热器8的热侧入口相连通，换热器8的热侧出口与除尘器9的进口相连通，烟气中剩余的少量微细MgO颗粒被除尘器9收集回收，除尘器9的烟气出口与烟囱10的进口相连通，烟气最终经烟囱10排入大气。
所述蒸汽朗肯循环发电子系统包括蒸汽轮机11、发电机12、冷凝器13和给水泵14；新补充的动力循环工质水与冷凝器13冷凝回收得到的凝结水混合后与给水泵14的工质进口相连接，给水泵14的工质出口与换热器8的冷侧进口相连接，换热器8的冷侧出口与锅炉6的动力循环工质进口相连接，锅炉6的动力循环工质出口与蒸汽轮机11的进口相连接，蒸汽轮机11的工质出口与冷凝器13的工质进口相连接，发电机12与蒸汽轮机11同轴连接；新补充的动力循环工质水与冷凝器13冷凝回收得到的凝结水混合后进入给水泵14升压后进入换热器8吸热，吸热升温后的工质进入锅炉6，在锅炉6中继续吸热升温后成为高温过热蒸汽，高温过热蒸汽在蒸汽轮机11中膨胀做功并带动发电机12旋转发电后进入冷凝器13。
本发明所述的以镁为燃料的发电系统以氧化镁为原料，当电网系统中可再生能源发电过剩或富余时，通过氧化镁电解装置1对熔融的氧化镁进行电解，将可再生能源电力通过电化学反应转化成金属燃料镁的化学能进行储存。当电网系统中可再生能源发电不足或世界上其他某地理位置需要电力供应时，通过镁燃烧与燃烧产物收集子系统和蒸汽朗肯循环发电子系统将镁燃料的化学能转化成电能，对外实现供电；具体的将化学能转化成电能的过程为：通过氧化镁电解装置1得到燃料镁粉，燃料镁粉和空气经镁粉燃烧器5混和后进入锅炉6中燃烧，燃烧反应方程式为2Mg+O2＝2MgO，燃烧反应放出大量热量；新补充的动力循环工质水与冷凝器13冷凝回收得到的凝结水混合后经给水泵14升压后依次经换热器8和锅炉6吸热后成为高温过热蒸汽，然后进入蒸汽轮机11膨胀做功并带动发电机12旋转发电；镁燃料燃烧后的产物MgO分别经旋风分离器7和除尘器9分离收集后，进行储存备用，氧化镁可重新进入镁燃料电解制备子系统，通过氧化镁电解装置1电解再次得到镁燃料，实现循环利用，整个过程中原料氧化镁无消耗。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种以镁为燃料的发电系统，其特征在于：包括镁燃料电解制备子系统、镁燃烧与燃烧产物收集子系统和蒸汽朗肯循环发电子系统；
所述镁燃料电解制备子系统包括氧化镁电解装置(1)、电网中富余的可再生能源电力供应(2)、冷却器(3)和镁粉储罐(4)；氧化镁电解装置(1)的电解液进口与MgO物料进口相连接，氧化镁电解装置(1)的助熔剂进口与助熔剂输送管路相连接，氧化镁电解装置(1)的电源与电网中富余的可再生能源电力供应(2)相连接，氧化镁电解装置(1)的阴极连通冷却器(3)的热侧进口，冷却器(3)的热侧出口与镁粉储罐(4)的燃料进口相连接；
所述镁燃烧与燃烧产物收集子系统包括与镁燃料电解制备子系统的镁粉储罐(4)依次连接的镁粉燃烧器(5)、锅炉(6)、旋风分离器(7)、换热器(8)、除尘器(9)和烟囱(10)；镁粉和空气经镁粉燃烧器(5)混和后进入锅炉(6)中燃烧，燃烧反应放出大量热量，一部分被锅炉(6)四周受热面内的做功工质吸收，另一部分热量伴随烟气经旋风分离器(7)后进入换热器(8)被工质吸收，锅炉(6)的烟气出口与旋风分离器(7)的物料进口相连通，烟气中固体燃烧产物MgO经旋风分离器(7)分离后从底部予以收集，旋风分离器(7)的气体出口与换热器(8)的热侧入口相连通，换热器(8)的热侧出口与除尘器(9)的进口相连通，除尘器(9)的烟气出口与烟囱(10)的进口相连通，烟气中剩余的少量微细MgO颗粒被除尘器(9)收集回收，烟气最终经烟囱(10)排入大气；
所述蒸汽朗肯循环发电子系统包括蒸汽轮机(11)、发电机(12)、冷凝器(13)和给水泵(14)；新补充的动力循环工质水与冷凝器(13)冷凝回收得到的凝结水混合后与给水泵(14)的工质进口相连接，给水泵(14)的工质出口与换热器(8)的冷侧进口相连接，换热器(8)的冷侧出口与锅炉(6)的动力循环工质进口相连接，锅炉(6)的动力循环工质出口与蒸汽轮机(11)的进口相连接，蒸汽轮机(11)的工质出口与冷凝器(13)的工质进口相连接，发电机(12)与蒸汽轮机(11)同轴连接；新补充的动力循环工质水与冷凝器(13)冷凝回收得到的凝结水混合后进入给水泵(14)升压后进入换热器(8)吸热，吸热升温后的工质进入锅炉(6)，在锅炉(6)中继续吸热升温后成为高温过热蒸汽，高温过热蒸汽在蒸汽轮机(11)中膨胀做功并带动发电机(12)旋转发电后进入冷凝器(13)。
2.根据权利要求1所述的一种以镁为燃料的发电系统，其特征在于：所述氧化镁电解装置(1)中的助熔剂为MgF2和CaF2的共晶混合物。
3.根据权利要求1所述的一种以镁为燃料的发电系统，其特征在于：所述电网中富余的可再生能源电力供应(2)是电网中难以被利用的由可再生能源发出的电。
4.权利要求1至3任一项所述的以镁为燃料的发电系统的工作方法，其特征在于：所述的发电系统以氧化镁为原料，当电网系统中可再生能源发电过剩或富余时，通过氧化镁电解装置(1)对熔融的氧化镁进行电解，将可再生能源电力通过电化学反应转化成金属燃料镁的化学能进行储存；当电网系统中可再生能源发电不足或世界上其他某地理位置需要电力供应时，通过镁燃烧与燃烧产物收集子系统和蒸汽朗肯循环发电子系统将镁燃料的化学能转化成电能，对外实现供电；具体的将化学能转化成电能的过程为：通过氧化镁电解装置(1)得到燃料镁粉，燃料镁粉和空气经镁粉燃烧器(5)混和后进入锅炉(6)中燃烧，燃烧反应方程式为2Mg+O2＝2MgO，燃烧反应放出大量热量；新补充的动力循环工质水与冷凝器(13)冷凝回收得到的凝结水混合后经给水泵(14)升压后依次经换热器(8)和锅炉(6)吸热后成为高温过热蒸汽，然后进入蒸汽轮机(11)膨胀做功并带动发电机(12)旋转发电；镁燃料燃烧后的产物MgO分别经旋风分离器(7)和除尘器(9)分离收集后，进行储存备用，氧化镁重新进入镁燃料电解制备子系统，通过氧化镁电解装置(1)电解再次得到镁燃料，实现循环利用，整个过程中原料氧化镁无消耗。
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