CN112814746A - 一种燃用铝的发电系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃用铝的发电系统及其工作方法，该系统包括铝燃烧发电子系统和铝燃料电解再生子系统；本发明通过将基于铝燃料储能、铝燃烧发电、氢燃烧发电和氧化铝电解制铝等进行有效地耦合，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和便于开展全球能源贸易等优点。

Description

一种燃用铝的发电系统及其工作方法
技术领域
本发明属于绿色发电和先进储能技术领域，具体涉及一种燃用铝的发 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，提供了一种燃用铝的发 电系统及其工作方法，该系统将基于铝燃料储能、铝燃烧发电、氢燃烧发 电和氧化铝电解制铝等进行有效地耦合，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和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：
一种燃用铝的发电系统，包括铝燃烧发电子系统和铝燃料电解再生子 系统；
所述铝燃烧发电子系统包括制粉装置1、铝水燃烧装置2、气固分离 装置3、混合工质透平4、发电机5、氢燃烧装置6、空气压缩机7、蒸汽 透平8、发电机9和冷凝器10；铝燃料通过输送管路与制粉装置1的物料 进口相连接，制粉装置1的出口与铝水燃烧装置2的燃料进口相连接，铝 水燃烧装置2的氧化剂进口与氧化剂水输送管路相连接，在铝水燃烧装置 2中，铝粉与水发生剧烈的燃烧反应，反应方程式为2Al+3H2O＝Al2O3+3H2， 反应过程中氧化剂水是过量的，反应产物为固体Al2O3、蒸汽和氢气；铝 水燃烧装置2的出口与气固分离装置3的进口相连通，完成气固分离后， 蒸汽和氢气的混合气体经气固分离装置3的气体出口与混合工质透平4的 进口相连通，高温高压的混合气体在混合工质透平4中膨胀做功并带动发 电机5旋转发电，发电机5与混合工质透平4同轴连接，固体Al2O3经气 固分离装置3的固体物料出口进行收集；混合工质透平4的工质出口与氢 燃烧装置6的燃料进口相连接，氢燃烧装置6的空气进口与空气压缩机7 的出口相连接，氢气在氢燃烧装置6燃烧并放出热量，产生的高温蒸汽经 氢燃烧装置6的出口与蒸汽透平8的进口相连通，高温蒸汽在蒸汽透平8中膨胀做功并带动发电机9旋转发电，发电机9与蒸汽透平8同轴连接， 蒸汽透平8的出口与冷凝器10的进口相连接，蒸汽在冷凝器10中被冷凝 形成水，水被收集后可进入下一个循环继续使用或用作其他用途；
所述铝燃料电解再生子系统包括运输装置11和氧化铝电解装置12； 铝与水燃烧反应产生的固体Al2O3经运输装置11运送到工业电解铝工厂， 固体Al2O3与氧化铝电解装置12的氧化铝物料进口相连接，氧化铝电解装 置12的另一个物料进口与助熔剂冰晶石输送管路相连接，氧化铝电解装 置12的电源与电网中富余的可再生能源电力供应13相连接，氧化铝在氧 化铝电解装置12中发生电解反应，在氧化铝电解装置12的阴极上又重新 生成燃料铝。
所述的燃用铝的发电系统的工作方法，该发电系统以氧化铝为原料， 当电网系统中可再生能源发电过剩或富余时，通过氧化铝电解装置12对 熔融的氧化铝进行电解，将可再生能源电力通过电化学反应转化成铝燃料 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，通过铝燃烧发电子系统将铝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：铝燃料和水在铝水燃烧装置2中发生剧烈的燃烧反应，反应产物为固体Al2O3、高温 高压的蒸汽和氢气混合气体，高温高压的混合气体在混合工质透平4中膨 胀做功并带动发电机5旋转发电；此外，混合工质中的氢气在氢燃烧装置 6燃烧并放出热量，产生的高温蒸汽在蒸汽透平8中膨胀做功并带动发电 机9旋转发电；铝燃烧后的固体Al2O3经回收后再经氧化铝电解装置12可重新获得燃料铝，从而实现循环利用，整个过程中氧化铝无消耗。
本发明的有益效果：
本发明所述的一种燃用铝的发电系统及其工作方法，具有如下优点：(1)金属燃料铝的能量密度高；(2)铝燃料中不含碳，且系统整个工作 过程不产生污染物，是一种绿色低碳的发电技术；(3)通过电化学反应将 可再生能源电力转化为金属燃料铝的化学能进行储存，具有储能周期长， 可实现永久储存的优点；(4)整个过程中铝燃料燃烧反应后，其燃烧产物 通过电解再生可重新得到金属燃料铝，整个过程燃料铝循环再生、无消耗； (5)通过金属燃料铝进行储能，便于开展全球范围内的能源贸易。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1为制粉装置、2为铝水燃烧装置、3为气固分离装置、4为混 合工质透平、5为发电机、6为氢燃烧装置、7为空气压缩机、8为蒸汽透 平、9为发电机、10为冷凝器、11为运输装置、12为氧化铝电解装置、 13为电网中富余的可再生能源电力供应。
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1，一种燃用铝的发电系统，包括铝燃烧发电子系统和铝燃料 电解再生子系统；
所述铝燃烧发电子系统包括制粉装置1、铝水燃烧装置2、气固分离 装置3、混合工质透平4、发电机5、氢燃烧装置6、空气压缩机7、蒸汽 透平8、发电机9和冷凝器10；铝燃料通过输送管路与制粉装置1的物料 进口相连接，制粉装置1的出口与铝水燃烧装置2的燃料进口相连接，铝 水燃烧装置2的氧化剂进口与氧化剂水输送管路相连接，在铝水燃烧装置 2中，铝粉与水发生剧烈的燃烧反应，反应方程式为2Al+3H2O＝Al2O3+3H2， 反应过程中氧化剂水是过量的，反应产物为固体Al2O3、蒸汽和氢气；铝 水燃烧装置2的出口与气固分离装置3的进口相连通，完成气固分离后， 蒸汽和氢气的混合气体经气固分离装置3的气体出口与混合工质透平4的 进口相连通，高温高压的混合气体在混合工质透平4中膨胀做功并带动发 电机5旋转发电，发电机5与混合工质透平4同轴连接，固体Al2O3经气 固分离装置3的固体物料出口进行收集；混合工质透平4的工质出口与氢 燃烧装置6的燃料进口相连接，氢燃烧装置6的空气进口与空气压缩机7 的出口相连接，氢气在氢燃烧装置6燃烧并放出热量，产生的高温蒸汽经 氢燃烧装置6的出口与蒸汽透平8的进口相连通，高温蒸汽在蒸汽透平8中膨胀做功并带动发电机9旋转发电，发电机9与蒸汽透平8同轴连接， 蒸汽透平8的出口与冷凝器10的进口相连接，蒸汽在冷凝器10中被冷凝 形成水，水被收集后可进入下一个循环继续使用或用作其他用途；
所述铝燃料电解再生子系统包括运输装置11和氧化铝电解装置12； 铝与水燃烧反应生成的固体Al2O3经运输装置11运送到工业电解铝工厂， 固体Al2O3与氧化铝电解装置12的氧化铝物料进口相连接，氧化铝电解装 置12的另一个物料进口与助熔剂冰晶石输送管路相连接，氧化铝电解装 置12的电源与电网中富余的可再生能源电力供应13相连接，氧化铝在氧 化铝电解装置12中发生电解反应，在氧化铝电解装置12的阴极上又重新 生成燃料铝。
本发明一种燃用铝的发电系统以氧化铝为原料，当电网系统中可再生 能源发电过剩或富余时，通过氧化铝电解装置12对熔融的氧化铝进行电 解，将可再生能源电力通过电化学反应转化成铝燃料的化学能进行储存。 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，通过铝燃烧发电子系统将铝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：铝燃料和水在铝水燃烧装置2中发生剧烈的燃烧反应，反应产物为固体Al2O3、高温高压的蒸汽和氢气 混合气体，高温高压的混合气体在混合工质透平4中膨胀做功并带动发电 机5旋转发电；此外，混合工质中的氢气在氢燃烧装置6燃烧并放出热量， 产生的高温蒸汽在蒸汽透平8中膨胀做功并带动发电机9旋转发电。铝燃 烧后的固体Al2O3经回收后再经氧化铝电解装置12可重新获得燃料铝，从 而实现循环利用，整个过程中氧化铝无消耗。
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)

1.一种燃用铝的发电系统，其特征在于：包括铝燃烧发电子系统和铝燃料电解再生子系统；
所述铝燃烧发电子系统包括制粉装置(1)、铝水燃烧装置(2)、气固分离装置(3)、混合工质透平(4)、发电机(5)、氢燃烧装置(6)、空气压缩机(7)、蒸汽透平(8)、发电机(9)和冷凝器(10)；铝燃料通过输送管路与制粉装置(1)的物料进口相连接，制粉装置(1)的出口与铝水燃烧装置(2)的燃料进口相连接，铝水燃烧装置(2)的氧化剂进口与氧化剂水输送管路相连接，在铝水燃烧装置(2)中，铝粉与水发生剧烈的燃烧反应，反应方程式为2Al+3H2O＝Al2O3+3H2，反应过程中氧化剂水是过量的，反应产物为固体Al2O3、蒸汽和氢气；铝水燃烧装置(2)的出口与气固分离装置(3)的进口相连通，完成气固分离后，蒸汽和氢气的混合气体经气固分离装置(3)的气体出口与混合工质透平(4)的进口相连通，高温高压的混合气体在混合工质透平(4)中膨胀做功并带动发电机(5)旋转发电，发电机(5)与混合工质透平(4)同轴连接，固体Al2O3经气固分离装置(3)的固体物料出口进行收集；混合工质透平(4)的工质出口与氢燃烧装置(6)的燃料进口相连接，氢燃烧装置(6)的空气进口与空气压缩机(7)的出口相连接，氢气在氢燃烧装置(6)燃烧并放出热量，产生的高温蒸汽经氢燃烧装置(6)的出口与蒸汽透平(8)的进口相连通，高温蒸汽在蒸汽透平(8)中膨胀做功并带动发电机(9)旋转发电，发电机(9)与蒸汽透平(8)同轴连接，蒸汽透平(8)的出口与冷凝器(10)的进口相连接，蒸汽在冷凝器(10)中被冷凝形成水，水被收集后进入下一个循环继续使用或用作其他用途；
所述铝燃料电解再生子系统包括运输装置(11)和氧化铝电解装置(12)；铝与水燃烧反应产生的固体Al2O3经运输装置(11)运送到工业电解铝工厂，固体Al2O3与氧化铝电解装置(12)的氧化铝物料进口相连接，氧化铝电解装置(12)的另一个物料进口与助熔剂冰晶石输送管路相连接，氧化铝电解装置(12)的电源与电网中富余的可再生能源电力供应(13)相连接，氧化铝在氧化铝电解装置(12)中发生电解反应，在氧化铝电解装置(12)的阴极上又重新生成燃料铝。
2.根据权利要求1所述的一种燃用铝的发电系统，其特征在于：所述混合工质透平(4)的进口工质中蒸汽与氢气的质量比范围为(20-45)：1。
3.根据权利要求1所述的一种燃用铝的发电系统，其特征在于：所述电网中富余的可再生能源电力供应(13)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任一项所述的燃用铝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铝为原料，当电网系统中可再生能源发电过剩或富余时，通过氧化铝电解装置(12)对熔融的氧化铝进行电解，将可再生能源电力通过电化学反应转化成铝燃料的化学能进行储存；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，通过铝燃烧发电子系统将铝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：铝燃料和水在铝水燃烧装置(2)中发生剧烈的燃烧反应，反应产物为固体Al2O3、高温高压的蒸汽和氢气混合气体，高温高压的混合气体在混合工质透平(4)中膨胀做功并带动发电机(5)旋转发电；此外，混合工质中的氢气在氢燃烧装置(6)燃烧并放出热量，产生的高温蒸汽在蒸汽透平(8)中膨胀做功并带动发电机(9)旋转发电；铝燃烧后的固体Al2O3经回收后再经氧化铝电解装置(12)重新获得燃料铝，从而实现循环利用，整个过程中氧化铝无消耗。
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