CN113266433A - 一种基于硅燃料的多联产系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于硅燃料的多联产系统及其工作方法，该系统包括硅燃料制取子系统、硅燃烧发电子系统和氮化硅制氨子系统；本发明通过将基于硅燃料储能、硅燃烧发电、可再生能源电解水和氮化硅制氨等进行有效地耦合，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、实现氨气‑氧气‑电力多联产和便于开展全球能源贸易等优点。

Description

一种基于硅燃料的多联产系统及其工作方法
技术领域
本发明属于绿色发电和先进储能技术领域，具体涉及一种基于硅燃料的多联产系统及其工作方法。
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，提供了一种基于硅燃料的多联产系统及其工作方法，该系统将基于硅燃料储能、硅燃烧发电、可再生能源电解水和氮化硅制氨等进行有效地耦合，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、实现氨气-氧气-电力多联产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：
一种基于硅燃料的多联产系统，包括硅燃料制取子系统、硅燃烧发电子系统和氮化硅制氨子系统；
所述硅燃料制取子系统包括制粉装置1、二氧化硅/氢氟酸反应装置2、 SiF4/H2反应装置3、电解水装置4和电网中富余的可再生能源电力供应5；二氧化硅矿石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 的出口与二氧化硅/氢氟酸反应装置2的二氧化硅进口相连接，氢氟酸通过输送管路与二氧化硅/氢氟酸反应装置2的氢氟酸进口相连接，在二氧化硅 /氢氟酸反应装置2中，二氧化硅与氢氟酸发生反应，反应方程式为 SiO2+4HF＝SiF4+2H2O，生成的SiF4气体经二氧化硅/氢氟酸反应装置2的出口与SiF4/H2反应装置3的SiF4进口相连接；电解水装置4的电源与电网中富余的可再生能源电力供应5相连接，在电解水装置4中，水发生电解反应，在阴极上产生氢气(H2)，阳极上产生氧气(O2)，氢气与SiF4/H2反应装置3的氢气进口相连接，氧气通过收集用作他用；在SiF4/H2反应装置3中，SiF4和H2在微波诱导等离子体放电条件下发生反应，反应方程式为SiF4+H2＝Si+HF，生成固体硅粉和HF气体，HF气体溶于水形成氢氟酸，氢氟酸重新进入二氧化硅/氢氟酸反应装置2，实现循环利用，产生的硅粉与燃硅锅炉6的燃料进口相连接；
所述硅燃烧发电子系统包括燃硅锅炉6、离心分离装置7、给水泵8、蒸汽透平9、发电机10和冷凝器11；空气通过输送管路与燃硅锅炉6的氧化剂进口相连接，在燃硅锅炉6中，硅粉与空气发生燃烧反应，反应方程式为Si+O2＝SiO2，3Si+2N2＝Si3N4，反应过程放出大量热量，生成的固体产物为SiO2和Si3N4的混合物，燃硅锅炉6的固体产物出口与离心分离装置7的物料进口相连接，在离心分离装置7中固体产物经离心分离后分别形成SiO2和Si3N4，SiO2重新进入制粉装置1，实现循环利用，产生的Si3N4与氮化硅制氨子系统中球磨机12进口相连接；燃硅锅炉6的工质进口与给水泵8的出口相连通，燃硅锅炉6的工质出口与蒸汽透平9的进口相连通，蒸汽透平9与发电机10通过同轴连接，蒸汽透平9的工质出口与冷凝器11的工质进口相连通，冷凝器11的工质出口与给水泵8的工质进口相连通；做功工质经给水泵8升压后进入燃硅锅炉6吸收燃料硅燃烧反应产生的热量，工质温度升高成为过热蒸汽，随后进入蒸汽透平9膨胀做功，并带动发电机10旋转发电，做完功的工质经蒸汽透平9的出口进入冷凝器11，经冷凝后成为水再次进入给水泵8进入下一个循环过程；
所述氮化硅制氨子系统包括球磨机12、Si3N4/H2O反应装置13和可再生能源热源14；硅粉燃烧的固体产物Si3N4与球磨机12进口相连接，经磨制得到氮化硅粉经球磨机12出口与Si3N4/H2O反应装置13的氮化硅进口相连接，水通过管路与Si3N4/H2O反应装置13的水路进口相连接，在 Si3N4/H2O反应装置13中，氮化硅粉与水在高温下发生反应，反应方程式为Si3N4+6H2O＝3SiO2+4NH3，反应所需的高温条件由可再生能源热源14 提供，反应产物分别为氨气和SiO2，氨气是一种重要化工原料，具有巨大的工业价值，产生的SiO2通过收集重新进入制粉装置1，实现循环利用。
所述的基于硅燃料的多联产系统的工作方法，所述的硅燃料制取子系统以二氧化硅为原料，当电网系统中可再生能源发电过剩或富余时，通过电解水装置4产生的氢气与二氧化硅/氢氟酸反应装置2产生的SiF4气体在SiF4/H2反应装置3中经微波诱导等离子体放电发生反应生成固体硅粉，从而实现将可再生能源电力通过电化学反应转化成硅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，通过硅燃烧发电子系统将硅燃料的化学能转化成电能，对外实现供电；具体的将硅燃料的化学能转化成电能的过程为：硅粉与空气在燃硅锅炉6中发生剧烈燃烧反应，反应方程式为Si+O2＝SiO2，3Si+2N2＝Si3N4，反应过程放出大量热量，做功工质经给水泵8升压后进入燃硅锅炉6吸收燃料硅燃烧反应产生的热量，产生过热蒸汽，随后进入蒸汽透平9膨胀做功，并带动发电机10旋转发电，做完功的工质经蒸汽透平9的出口进入冷凝器11，经冷凝后成为水再次进入给水泵8进入下一个循环过程；硅粉燃烧产生的固体产物为SiO2和Si3N4的混合物，在离心分离装置7中固体产物经离心分离后分别形成SiO2和Si3N4，SiO2重新进入制粉装置1，实现循环利用，产生的Si3N4进入球磨机12，经磨制得到氮化硅粉，在 Si3N4/H2O反应装置13中，氮化硅粉与水在高温下发生反应，反应方程式为Si3N4+6H2O＝3SiO2+4NH3，反应所需的高温条件由可再生能源热源14 提供，反应产物分别为氨气和SiO2，氨气是一种重要化工原料，具有巨大的工业价值，产生的SiO2通过收集重新进入制粉装置1，实现循环利用。
本发明的有益效果：
本发明所述的一种基于硅燃料的多联产系统及其工作方法，具有如下优点：(1)硅燃料的能量密度高；(2)硅燃料中不含碳，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硅的化学能进行储存，具有储能周期长，可实现永久储存的优点；(4)整个过程中硅燃料燃烧反应后，其燃烧产物通过循环再生可重新得到燃料硅，整个过程燃料硅循环再生、无消耗；(5) 可协同制取氨气和氧气；(6)通过金属燃料硅进行储能，便于开展全球范围内的能源贸易。
附图说明
图1为本发明系统组成示意图。
其中，1为制粉装置、2为二氧化硅/氢氟酸反应装置、3为SiF4/H2反应装置、4为电解水装置、5为电网中富余的可再生能源电力供应、6为燃硅锅炉、7为离心分离装置、8为给水泵、9为蒸汽透平、10为发电机、 11为冷凝器、12为球磨机、13为Si3N4/H2O反应装置、14为可再生能源热源。
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1，一种基于硅燃料的多联产系统，包括硅燃料制取子系统、硅燃烧发电子系统和氮化硅制氨子系统；
所述硅燃料制取子系统包括制粉装置1、二氧化硅/氢氟酸反应装置2、 SiF4/H2反应装置3、电解水装置4和电网中富余的可再生能源电力供应5；二氧化硅矿石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 的出口与二氧化硅/氢氟酸反应装置2的二氧化硅进口相连接，氢氟酸通过输送管路与二氧化硅/氢氟酸反应装置2的氢氟酸进口相连接，在二氧化硅 /氢氟酸反应装置2中，二氧化硅与氢氟酸发生反应，反应方程式为 SiO2+4HF＝SiF4+2H2O，生成的SiF4气体经二氧化硅/氢氟酸反应装置2的出口与SiF4/H2反应装置3的SiF4进口相连接；电解水装置4的电源与电网中富余的可再生能源电力供应5相连接，电网中富余的可再生能源电力供应5是电网中难以被利用的由可再生能源发出的电，以降低成本；在电解水装置4中，水发生电解反应，在阴极上产生氢气(H2)，阳极上产生氧气(O2)，氢气与SiF4/H2反应装置3的氢气进口相连接，氧气通过收集用作他用；在SiF4/H2反应装置3中，SiF4和H2在微波诱导等离子体放电条件下发生反应，反应方程式为SiF4+H2＝Si+HF，生成固体硅粉和HF气体，HF气体溶于水形成氢氟酸，氢氟酸重新进入二氧化硅/氢氟酸反应装置2，实现循环利用，产生的硅粉与燃硅锅炉6的燃料进口相连接。
所述硅燃烧发电子系统包括燃硅锅炉6、离心分离装置7、给水泵8、蒸汽透平9、发电机10和冷凝器11；空气通过输送管路与燃硅锅炉6的氧化剂进口相连接，在燃硅锅炉6中，硅粉与空气发生燃烧反应，燃硅锅炉6中硅粉与空气燃烧的过量空气系数范围为1.0-2.5，以保证完全燃烧，反应方程式为Si+O2＝SiO2，3Si+2N2＝Si3N4，反应过程放出大量热量，生成的固体产物为SiO2和Si3N4的混合物，燃硅锅炉6的固体产物出口与离心分离装置7的物料进口相连接，在离心分离装置7中固体产物经离心分离后分别形成SiO2和Si3N4，SiO2重新进入制粉装置1，实现循环利用，产生的Si3N4与氮化硅制氨子系统中球磨机12进口相连接；燃硅锅炉6的工质进口与给水泵8的出口相连通，燃硅锅炉6的工质出口与蒸汽透平9的进口相连通，蒸汽透平9与发电机10通过同轴连接，蒸汽透平9的工质出口与冷凝器11的工质进口相连通，冷凝器11的工质出口与给水泵8的工质进口相连通；做功工质经给水泵8升压后进入燃硅锅炉6吸收燃料硅燃烧反应产生的热量，工质温度升高成为过热蒸汽，随后进入蒸汽透平9 膨胀做功，并带动发电机10旋转发电，做完功的工质经蒸汽透平9的出口进入冷凝器11，经冷凝后成为水再次进入给水泵8进入下一个循环过程。
所述氮化硅制氨子系统包括球磨机12、Si3N4/H2O反应装置13和可再生能源热源14；硅粉燃烧的固体产物Si3N4与球磨机12进口相连接，经磨制得到氮化硅粉经球磨机12出口与Si3N4/H2O反应装置13的氮化硅进口相连接，水通过管路与Si3N4/H2O反应装置13的水路进口相连接，在 Si3N4/H2O反应装置13中，氮化硅粉与水在高温下发生反应，反应方程式为Si3N4+6H2O＝3SiO2+4NH3，反应所需的高温条件由可再生能源热源14 提供，反应产物分别为氨气和SiO2，氨气是一种重要化工原料，具有巨大的工业价值，产生的SiO2通过收集重新进入制粉装置1，实现循环利用。
本发明一种基于硅燃料的多联产系统的工作方法，以二氧化硅为原料，当电网系统中可再生能源发电过剩或富余时，通过电解水装置4产生的氢气与二氧化硅/氢氟酸反应装置2产生的SiF4气体在SiF4/H2反应装置 3中经微波诱导等离子体放电发生反应生成固体硅粉，从而实现将可再生能源电力通过电化学反应转化成硅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，通过硅燃烧发电子系统将硅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：硅粉与空气在燃硅锅炉6中发生剧烈燃烧反应，反应方程式为Si+O2＝SiO2，3Si+2N2＝Si3N4，反应过程放出大量热量，做功工质经给水泵8升压后进入燃硅锅炉6吸收燃料硅燃烧反应产生的热量，产生过热蒸汽，随后进入蒸汽透平9膨胀做功，并带动发电机10旋转发电，做完功的工质经蒸汽透平9的出口进入冷凝器11，经冷凝后成为水再次进入给水泵8进入下一个循环过程；硅粉燃烧产生的固体产物为SiO2和Si3N4的混合物，在离心分离装置7固体产物中经离心分离后分别形成 SiO2和Si3N4，SiO2重新进入制粉装置1，实现循环利用，产生的Si3N4进入球磨机12，经磨制得到氮化硅粉，在Si3N4/H2O反应装置13中，氮化硅粉与水在高温下发生反应，反应方程式为Si3N4+6H2O＝3SiO2+4NH3，反应所需的高温条件由可再生能源热源14提供，反应产物分别为氨气和 SiO2，氨气是一种重要化工原料，具有巨大的工业价值，产生的SiO2通过收集重新进入制粉装置1，实现循环利用。
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)

1.一种基于硅燃料的多联产系统，其特征在于：包括硅燃料制取子系统、硅燃烧发电子系统和氮化硅制氨子系统；
所述硅燃料制取子系统包括制粉装置(1)、二氧化硅/氢氟酸反应装置(2)、SiF4/H2反应装置(3)、电解水装置(4)和电网中富余的可再生能源电力供应(5)；二氧化硅矿石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)的出口与二氧化硅/氢氟酸反应装置(2)的二氧化硅进口相连接，氢氟酸通过输送管路与二氧化硅/氢氟酸反应装置(2)的氢氟酸进口相连接，在二氧化硅/氢氟酸反应装置(2)中，二氧化硅与氢氟酸发生反应，反应方程式为SiO2+4HF＝SiF4+2H2O，生成的SiF4气体经二氧化硅/氢氟酸反应装置(2)的出口与SiF4/H2反应装置(3)的SiF4进口相连接；电解水装置(4)的电源与电网中富余的可再生能源电力供应(5)相连接，在电解水装置(4)中，水发生电解反应，在阴极上产生氢气，阳极上产生氧气，氢气与SiF4/H2反应装置(3)的氢气进口相连接，氧气通过收集用作他用；在SiF4/H2反应装置(3)中，SiF4和H2在微波诱导等离子体放电条件下发生反应，反应方程式为SiF4+H2＝Si+HF，生成固体硅粉和HF气体，HF气体溶于水形成氢氟酸，氢氟酸重新进入二氧化硅/氢氟酸反应装置(2)，实现循环利用，产生的硅粉与燃硅锅炉(6)的燃料进口相连接；
所述硅燃烧发电子系统包括燃硅锅炉(6)、离心分离装置(7)、给水泵(8)、蒸汽透平(9)、发电机(10)和冷凝器(11)；空气通过输送管路与燃硅锅炉(6)的氧化剂进口相连接，在燃硅锅炉(6)中，硅粉与空气发生燃烧反应，反应方程式为Si+O2＝SiO2，3Si+2N2＝Si3N4，反应过程放出大量热量，生成的固体产物为SiO2和Si3N4的混合物，燃硅锅炉(6)的固体产物出口与离心分离装置(7)的物料进口相连接，在离心分离装置(7)中固体产物经离心分离后分别形成SiO2和Si3N4，SiO2重新进入制粉装置(1)，实现循环利用，产生的Si3N4与氮化硅制氨子系统中球磨机(12)进口相连接；燃硅锅炉(6)的工质进口与给水泵(8)的出口相连通，燃硅锅炉(6)的工质出口与蒸汽透平(9)的进口相连通，蒸汽透平(9)与发电机(10)通过同轴连接，蒸汽透平(9)的工质出口与冷凝器(11)的工质进口相连通，冷凝器(11)的工质出口与给水泵(8)的工质进口相连通；做功工质经给水泵(8)升压后进入燃硅锅炉(6)吸收燃料硅燃烧反应产生的热量，工质温度升高成为过热蒸汽，过热蒸汽进入蒸汽透平(9)膨胀做功，并带动发电机(10)旋转发电，做完功的工质经蒸汽透平(9)的出口进入冷凝器(11)，经冷凝后成为水再次进入给水泵(8)进入下一个循环过程；
所述氮化硅制氨子系统包括球磨机(12)、Si3N4/H2O反应装置(13)和可再生能源热源(14)；硅粉燃烧的固体产物Si3N4与球磨机(12)进口相连接，经磨制得到氮化硅粉经球磨机(12)出口与Si3N4/H2O反应装置(13)的氮化硅进口相连接，水通过管路与Si3N4/H2O反应装置(13)的水路进口相连接，在Si3N4/H2O反应装置(13)中，氮化硅粉与水在高温下发生反应，反应方程式为Si3N4+6H2O＝3SiO2+4NH3，反应所需的高温条件由可再生能源热源(14)提供，反应产物分别为氨气和SiO2，氨气是一种重要化工原料，具有巨大的工业价值，产生的SiO2通过收集重新进入制粉装置(1)，实现循环利用。
2.根据权利要求1所述的一种基于硅燃料的多联产系统，其特征在于：所述燃硅锅炉(6)中硅粉与空气燃烧的过量空气系数范围为1.0-2.5。
3.根据权利要求1所述的一种基于硅燃料的多联产系统，其特征在于：所述电网中富余的可再生能源电力供应(5)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任一项所述的基于硅燃料的多联产系统的工作方法，其特征在于：所述的硅燃料制取子系统以二氧化硅为原料，当电网系统中可再生能源发电过剩或富余时，通过电解水装置(4)产生的氢气与二氧化硅/氢氟酸反应装置(2)产生的SiF4气体在SiF4/H2反应装置(3)中经微波诱导等离子体放电发生反应生成固体硅粉，从而实现将可再生能源电力通过电化学反应转化成硅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，通过硅燃烧发电子系统将硅燃料的化学能转化成电能，对外实现供电；具体的将硅燃料的化学能转化成电能的过程为：硅粉与空气在燃硅锅炉(6)中发生剧烈燃烧反应，反应方程式为Si+O2＝SiO2，3Si+2N2＝Si3N4，反应过程放出大量热量，做功工质经给水泵(8)升压后进入燃硅锅炉(6)吸收燃料硅燃烧反应产生的热量，产生过热蒸汽，过热蒸汽进入蒸汽透平(9)膨胀做功，并带动发电机(10)旋转发电，做完功的工质经蒸汽透平(9)的出口进入冷凝器(11)，经冷凝后成为水再次进入给水泵(8)进入下一个循环过程；硅粉燃烧产生的固体产物为SiO2和Si3N4的混合物，在离心分离装置(7)中固体产物经离心分离后分别形成SiO2和Si3N4，SiO2重新进入制粉装置(1)，实现循环利用，产生的Si3N4进入球磨机(12)，经磨制得到氮化硅粉，在Si3N4/H2O反应装置(13)中，氮化硅粉与水在高温下发生反应，反应方程式为Si3N4+6H2O＝3SiO2+4NH3，反应所需的高温条件由可再生能源热源(14)提供，反应产物分别为氨气和SiO2，氨气是一种重要化工原料，具有巨大的工业价值，产生的SiO2通过收集重新进入制粉装置(1)，实现循环利用。
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