CN113584530A - 一种背压式铝-蒸汽燃烧多联产储能系统及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种背压式铝‑蒸汽燃烧多联产储能系统及工作方法，该系统包括释能子系统和储能子系统；本发明通过将基于铝燃料储能、铝‑蒸汽燃烧发电、蒸汽朗肯循环和制氢等进行有效地耦合，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、可实现电力、氢气多联产和便于开展全球能源贸易等优点。
Description
技术领域
本发明属于绿色发电和先进储能技术领域，具体涉及一种背压式铝-蒸汽燃烧多联产储能系统及工作方法。
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，提供了一种背压式铝-蒸汽燃烧多联产储能系统及工作方法，该系统将基于铝燃料储能、铝-蒸汽燃烧、蒸汽朗肯循环发电和制氢等进行有效地耦合，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、可实现电力、氢气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：
一种背压式铝-蒸汽燃烧多联产储能系统，包括释能子系统和储能子系统；
所述释能子系统包括铝-蒸汽燃烧室1、回热器2、气液冷凝分离器3、蒸汽透平4、发电机5、冷凝器6和给水泵7；所述蒸汽透平4的出口蒸汽分成两路，一路与铝-蒸汽燃烧室1的燃烧蒸汽进口相连通，另一路与冷凝器6的热侧入口相连通，冷凝器6的热侧出口与新补充的水混合后与给水泵7的进口相连通，给水泵7的出口与回热器2的冷侧入口相连通，回热器2的冷侧出口与铝-蒸汽燃烧室1的循环工质进口相连通，铝-蒸汽燃烧室1的循环工质出口与蒸汽透平4的进口相连通，铝-蒸汽燃烧室1的燃料进口与铝燃料供应相连通，在铝-蒸汽燃烧室1中，铝燃料与蒸汽发生燃烧放热反应，反应方程式为2Al+3H2O＝Al2O3+3H2，铝-蒸汽燃烧产生的固体产物氧化铝通过铝-蒸汽燃烧室1的底部排出并进行收集，铝-蒸汽燃烧产生的高温气体混合物经铝-蒸汽燃烧室1的气体产物出口与回热器2的热侧入口相连通，回热器2的热侧出口与气液冷凝分离器3的入口相连通，气体混合物中的水蒸气在气液冷凝分离器3中经冷凝后与氢气分离，气液冷凝分离器3具有两个出口，一个为氢气出口，另一个为冷凝水出口；
所述储能子系统包括氧化铝电解装置8和可再生能源电力供应9；所述氧化铝电解装置8的物料进口与氧化铝供应相连通即与铝-蒸汽燃烧室1的底部固体产物氧化铝出口相连通，氧化铝电解装置8的电源与可再生能源电力供应9相连接，在氧化铝电解装置8中发生电化学反应，在氧化铝电解装置8的阴极上产生铝液，通过冷凝收集后得到固体铝燃料，固体铝燃料与铝-蒸汽燃烧室1的燃料进口相连通。
所述蒸汽透平4同轴连接发电机5，发电机5发电对外供电。
所述气液冷凝分离器3的氢气出口氢气用于氢燃料电池或氢燃气轮机的燃料。
所述可再生能源电力供应9中的电力来自光伏发电、风力发电、光热发电、水力发电和/或生物质能发电。
本发明的有益效果：
本发明所述的一种背压式铝-蒸汽燃烧多联产储能系统，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-蒸汽燃烧反应后，其燃烧固体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)在发电的同时还可协同制氢气；(6)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(a)为本发明的释能子系统结构示意图。
图1(b)为本发明的储能子系统示意图。
其中，1为铝-蒸汽燃烧室、2为回热器、3为气液冷凝分离器、4为蒸汽透平、5为发电机、6为冷凝器、7为给水泵、8为氧化铝电解装置、9为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1，一种背压式铝-蒸汽燃烧多联产储能系统，包括释能子系统和储能子系统；
所述释能子系统包括铝-蒸汽燃烧室1、回热器2、气液冷凝分离器3、蒸汽透平4、发电机5、冷凝器6和给水泵7；所述蒸汽透平4的出口蒸汽分成两路，一路与铝-蒸汽燃烧室1的燃烧蒸汽进口相连通，另一路与冷凝器6的热侧入口相连通，冷凝器6的热侧出口与新补充的水混合后与给水泵7的进口相连通，给水泵7的出口与回热器2的冷侧入口相连通，回热器2的冷侧出口与铝-蒸汽燃烧室1的循环工质进口相连通，铝-蒸汽燃烧室1的循环工质出口与蒸汽透平4的进口相连通，铝-蒸汽燃烧室1的燃料进口与铝燃料供应相连通，在铝-蒸汽燃烧室1中，铝燃料与蒸汽发生燃烧放热反应，反应方程式为2Al+3H2O＝Al2O3+3H2，铝-蒸汽燃烧产生的固体产物氧化铝通过铝-蒸汽燃烧室1的底部排出并进行收集，铝-蒸汽燃烧产生的高温气体混合物经铝-蒸汽燃烧室1的气体产物出口与回热器2的热侧入口相连通，回热器2的热侧出口与气液冷凝分离器3的入口相连通，气体混合物中的水蒸气在气液冷凝分离器3中经冷凝后与氢气分离，气液冷凝分离器3具有两个出口，一个为氢气出口，另一个为冷凝水出口；
所述储能子系统包括氧化铝电解装置8和可再生能源电力供应9；所述氧化铝电解装置8的物料进口与氧化铝供应相连通即与铝-蒸汽燃烧室1的底部固体产物氧化铝出口相连通，氧化铝电解装置8的电源与可再生能源电力供应9相连接，在氧化铝电解装置8中发生电化学反应，在氧化铝电解装置8的阴极上产生铝液，通过冷凝收集后得到固体铝燃料，固体铝燃料与铝-蒸汽燃烧室1的燃料进口相连通。
作为本发明的优选实施方式，所述气液冷凝分离器3的氢气出口氢气用于氢燃料电池或氢燃气轮机的燃料。
作为本发明的优选实施方式，所述可再生能源电力供应9中的电力来自光伏发电、风力发电、光热发电、水力发电和/或生物质能发电。
本发明一种背压式铝-蒸汽燃烧多联产储能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8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-蒸汽燃烧室1和蒸汽朗肯循环发电将铝燃料的化学能转化成电能，对外实现供电，并可协同制取氢气，氢气具有广阔的工业用途，如氢燃料电池、氢燃气轮机等。铝-蒸汽燃烧的固体产物氧化铝可重新进入整个储能子系统，通过氧化铝电解装置8电解再次得到铝燃料，实现循环利用，整个过程氧化铝无消耗。
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 (5)
1.一种背压式铝-蒸汽燃烧多联产储能系统，其特征在于：包括释能子系统和储能子系统；
所述释能子系统包括铝-蒸汽燃烧室(1)、回热器(2)、气液冷凝分离器(3)、蒸汽透平(4)、发电(5)、冷凝器(6)和给水泵(7)；所述蒸汽透平(4)的出口蒸汽分成两路，一路与铝-蒸汽燃烧室(1)的燃烧蒸汽进口相连通，另一路与冷凝器(6)的热侧入口相连通，冷凝器(6)的热侧出口与新补充的水混合后与给水泵(7)的进口相连通，给水泵(7)的出口与回热器(2)的冷侧入口相连通，回热器(2)的冷侧出口与铝-蒸汽燃烧室(1的循环工质进口相连通，铝-蒸汽燃烧室(1)的循环工质出口与蒸汽透平(4)的进口相连通，铝-蒸汽燃烧室(1)的燃料进口与铝燃料供应相连通，在铝-蒸汽燃烧室(1)中，铝燃料与蒸汽发生燃烧放热反应，反应方程式为2Al+3H2O＝Al2O3+3H2，铝-蒸汽燃烧产生的固体产物氧化铝通过铝-蒸汽燃烧室(1)的底部排出并进行收集，铝-蒸汽燃烧产生的高温气体混合物经铝-蒸汽燃烧室(1)的气体产物出口与回热器(2)的热侧入口相连通，回热器(2)的热侧出口与气液冷凝分离器(3)的入口相连通，气体混合物中的水蒸气在气液冷凝分离器(3)中经冷凝后与氢气分离，气液冷凝分离器(3)具有两个出口，一个为氢气出口，另一个为冷凝水出口；
所述储能子系统包括氧化铝电解装置(8)和可再生能源电力供应(9)；所述氧化铝电解装置(8)的物料进口与氧化铝供应相连通即与铝-蒸汽燃烧室(1)的底部固体产物氧化铝出口相连通，氧化铝电解装置(8)的电源与可再生能源电力供应(9)相连接，在氧化铝电解装置(8)中发生电化学反应，在氧化铝电解装置(8)的阴极上产生铝液，通过冷凝收集后得到固体铝燃料，固体铝燃料与铝-蒸汽燃烧室(1)的燃料进口相连通。
2.根据权利要求1所述的一种背压式铝-蒸汽燃烧多联产储能系统，其特征在于：所述蒸汽透平(4)同轴连接发电机(5)，发电机(5)发电对外供电。
3.根据权利要求1所述的一种背压式铝-蒸汽燃烧多联产储能系统，其特征在于：所述气液冷凝分离器(3)的氢气出口氢气用于氢燃料电池或氢燃气轮机的燃料。
4.根据权利要求1所述的一种背压式铝-蒸汽燃烧多联产储能系统，其特征在于：所述可再生能源电力供应(9)中的电力来自光伏发电、风力发电、光热发电、水力发电和/或生物质能发电。
5.权利要求1至4任一项所述的背压式铝-蒸汽燃烧多联产储能系统的工作方法，其特征在于：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(8)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-蒸汽燃烧室(1)和蒸汽朗肯循环发电将铝燃料的化学能转化成电能，对外实现供电，并可协同制取氢气，氢气具有广阔的工业用途；铝-蒸汽燃烧的固体产物氧化铝重新进入整个储能子系统，通过氧化铝电解装置(8)电解再次得到铝燃料，实现循环利用，整个过程氧化铝无消耗。
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