CN115355084B - 一种基于光热及尾气余热分解氨的掺氢内燃机发电系统 - Google Patents

一种基于光热及尾气余热分解氨的掺氢内燃机发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于光热及尾气余热分解氨的掺氢内燃机发电系统，属于发电技术领域。解决传统发电系统无法整合太阳能、天然气、氨气以及内燃机进行发电且不论太阳能是否充足都能将液氨进行良好分解的问题。它包括储氨室、第一分流组件、第一化学换热器、第二化学换热器、第二分流组件、活塞式内燃机、发电机、第一调节阀、第二调节阀、常温熔盐储存室、第三化学换热器、太阳能聚光器和高温熔盐储存室，储氨室的出口端与第一分流组件的进口端连通，活塞式内燃机上设有天然气进气口和进空气阀门，太阳能聚光器的出口端与高温熔盐储存室的进口端连通，高温熔盐储存室的出口端与第一化学换热器的热端进口连通。它主要用于发电使用。

Description

一种基于光热及尾气余热分解氨的掺氢内燃机发电系统
技术领域
本发明属于发电技术领域，特别是涉及一种基于光热及尾气余热分解氨的掺氢内燃机发电系统。
背景技术
太阳能光热发电是利用各形式的聚光装置来收集太阳热能，再利用这部分热能结合相应发动机进行发电的手段，当光热发电运行中以熔盐作为换热介质时，其温度可达550℃左右；我国具有丰富的太阳能资源，年均日照时数大于2000小时的区域是我国太阳能资源较丰富的地区，该类地区约占全国总面积的2/3以上，因此我国具有利用太阳能的良好条件；太阳所提供的光热能虽受天气影响而具有不稳定性，但其无污染、分布广泛及可长久使用的特点值得关注和利用；
现有的利用太阳光热结合汽轮机进行发电的传统工作系统，设备占据空间大，且能否稳定运行受制于气候及昼夜变化的情况；
现代内燃机的热效率一般在40％左右，其余的能量通常以排气余热及缸套水余热等方式散失；内燃机尾气温度一般在300-700℃之间，将这部分高温排气直接排入大气环境中将会产生严重污染，且浪费了尾气中所具有的热量；
氨气发生分解反应的最佳状态是在常压高温的情况下，其在镍基催化剂的作用下在400℃以上时就具有较好的分解率，分解后的氮氢合成气中氮气与氢气的比例约为1:3，此外还存在有少量的氨气未分解；
因此设计一种能够整合太阳能、天然气、氨气以及内燃机进行发电且不论太阳能是否充足都能将液氨进行良好分解的发电系统已经成为亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种基于光热及尾气余热分解氨的掺氢内燃机发电系统,以解决传统发电系统无法整合太阳能、天然气、氨气以及内燃机进行发电且不论太阳能是否充足都能将液氨进行良好分解的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于光热及尾气余热分解氨的掺氢内燃机发电系统，包括储氨室、第一分流组件、第一化学换热器、第二化学换热器、第二分流组件、活塞式内燃机、发电机、第一调节阀、第二调节阀、常温熔盐储存室、第三化学换热器、太阳能聚光器和高温熔盐储存室，所述储氨室的出口端与第一分流组件的进口端连通，所述第一分流组件的一个出口端与第一化学换热器的冷端入口连通，所述第一分流组件的另一个出口端与第二化学换热器的冷端入口连通，所述第一化学换热器的冷端出口与第二分流组件的一个进口端连通，所述第二化学换热器冷端出口与第二分流组件的另一个进口端连通，所述第二分流组件的出口端与活塞式内燃机的燃料入口连通，所述活塞式内燃机上设有天然气进气口和进空气阀门，所述活塞式内燃机的输出端与发电机相连，所述活塞式内燃机的一个出气端经第二调节阀与第三化学换热器的热端进口连通，所述活塞式内燃机的另一个出气端经第一调节阀与第二化学换热器的热端进口连通，所述常温熔盐储存室的出口端与第三化学换热器的冷端入口连通，所述第三化学换热器的冷端出口与太阳能聚光器的进口端连通，所述太阳能聚光器的出口端与高温熔盐储存室的进口端连通，所述高温熔盐储存室的出口端与第一化学换热器的热端进口连通，所述第一化学换热器的热端出口与常温熔盐储存室的进口端连通。
更进一步的，所述第一分流组件为第一三通阀。
更进一步的，所述第二分流组件为第二三通阀。
更进一步的，所述储氨室的出口端与第一三通阀的进口端通过第一管路连通。
更进一步的，所述第一管路上设有液氨泵。
更进一步的，所述常温熔盐储存室的出口端与第三化学换热器的冷端入口通过第二管路连通。
更进一步的，所述第二管路上设有熔盐泵。
更进一步的，所述高温熔盐储存室的出口端与第一化学换热器的热端进口通过第三管路连通。
更进一步的，所述第三管路上设有第三调节阀。
更进一步的，所述第一化学换热器和第二化学换热器内均设有促进液氨分解的催化剂。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、在光照充足时，利用熔盐作为传热介质为氨气分解合成气提供热量，在太阳能聚光器中接受热量后，高温的熔盐的热量通过第一化学换热器传递给液氨，液氨在第一化学换热器内分解并保持高的分解率；
2、在光照充足时，利用活塞式内燃机的高温尾气对熔盐泵抽动的常温熔岩进行初步的加热，从而能够使这部分熔盐在太阳能聚光器中可以更快达到最高运行温度，进而增强系统单位时间内的储热量；
3、在长期连续阴雨天气时，太阳能聚光器不再能提供热量，高温熔盐储存室中的热量将不断降低，可以利用活塞式内燃机的尾气直接加热氨气使其进行分解，进而继续进行发电工作，提高系统发电的稳定性和热效率；
4、活塞式内燃机的原料采用合成气和天然气作为燃料，产生的尾气含有的碳氧化物将较大程度地减少，能有效降低排气污染。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明所述的一种基于光热及尾气余热分解氨的掺氢内燃机发电系统的结构示意图。
储氨室1；液氨泵2；第一三通阀3；第一化学换热器4；第二化学换热器5；第二三通阀6；活塞式内燃机7；发电机8；第一调节阀9；第二调节阀10；常温熔盐储存室11；熔盐泵12；第三化学换热器13；太阳能聚光器14；高温熔盐储存室15；第三调节阀16。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参见附图说明本实施方式，一种基于光热及尾气余热分解氨的掺氢内燃机发电系统，包括储氨室1、液氨泵2、第一三通阀3、第一化学换热器4、第二化学换热器5、第二三通阀6、活塞式内燃机7、发电机8、第一调节阀9、第二调节阀10、常温熔盐储存室11、熔盐泵12、第三化学换热器13、太阳能聚光器14、高温熔盐储存室15和第三调节阀16，所述储氨室1的出口端与第一三通阀3的进口端通过第一管路连通，所述第一管路上设有液氨泵2，所述第一三通阀3的一个出口端与第一化学换热器4的冷端入口连通，所述第一三通阀3的另一个出口端与第二化学换热器5的冷端入口连通，所述第一化学换热器4的冷端出口与第二三通阀6的一个进口端连通，所述第二化学换热器5冷端出口与第二三通阀6的另一个进口端连通，所述第二三通阀6的出口端与活塞式内燃机7的燃料入口连通，所述活塞式内燃机7上设有天然气进气口和进空气阀门，所述活塞式内燃机7的输出端与发电机8相连，所述活塞式内燃机7的一个出气端经第二调节阀10与第三化学换热器13的热端进口连通，所述活塞式内燃机7的另一个出气端经第一调节阀9与第二化学换热器5的热端进口连通，所述常温熔盐储存室11的出口端与第三化学换热器13的冷端入口通过第二管路连通，所述第二管路上设有熔盐泵12，所述第三化学换热器13的冷端出口与太阳能聚光器14的进口端连通，所述太阳能聚光器14的出口端与高温熔盐储存室15的进口端连通，所述高温熔盐储存室15的出口端与第一化学换热器4的热端进口通过第三管路连通，所述第三管路上设有第三调节阀16，所述第一化学换热器4的热端出口与常温熔盐储存室11的进口端连通。
在本实施例中，所述第一化学换热器4和第二化学换热器5内均设有促进液氨分解的催化剂，催化剂为钙酰亚胺和镍组合。
使用时，具体分为两种情况，第一为日光或高温熔盐储存室15储热充足的情况下使用本系统，第二为无日光且高温熔盐储存室15储热不足的情况下使用本系统；
第一种情况时，第一三通阀3与第二化学换热器5连通的出口端关闭，与第二化学换热器5的冷端出口连通的第二三通阀6进口端关闭，第一调节阀9完全关闭，第二调节阀10完全开启，液氨首先自储氨室1内流出，经液氨泵2的抽动后经第一三通阀3后从第一化学换热器4的冷端入口进入第一化学换热器4内进行催化分解，氨分解产物由第一化学换热器4的冷端出口经第二三通阀6通入活塞式内燃机7的燃料入口，所述活塞式内燃机7上设有的天然气进气口和进空气阀门分别连接对应的管路，然后将天然气和空气通入到活塞式内燃机7内，活塞式内燃机7进行工作带动发电机8进行发电工作，活塞式内燃机7的一个出气端将尾气经第二调节阀10通入到第三化学换热器13内，放热后的尾气从第三化学换热器13的热端出口进行排放流入到外接环境中，熔盐自常温熔盐储存室11中经由熔盐泵12抽吸后流入第三化学换热器13的冷端入口，与第三化学换热器13内的尾气进行换热后，吸收热量的熔盐进入到太阳能聚光器14内，吸收太阳的能量使得熔盐温度进一步升高，高温的熔盐可以达到500℃以上，高温熔盐经第三调节阀16进入到第一化学换热器4内与液氨进行换热，液氨在催化剂和高温的环境下进行气态转换，能够保证氨气吸热分解满足极高的分解率；换热后的熔盐回流到常温熔盐储存室11中参与下一次循环，当第三调节阀16关闭时能够将热量锁在高温熔盐储存室15内进行长时间保存。
第二中情况时，发电系统首先以第一种情况的方式运作，当高温熔盐储存室15内的储热量消耗殆尽时，第一三通阀3与第一化学换热器4连通的出口端关闭，与第二化学换热器5连通的出口端开启；第二三通阀6与第一化学换热器4连通的进口端关闭，与第二化学换热器5连通的进口端开启，第一调节阀9调节至完全开启状态，第二调节阀10调节至完全关闭状态；整个发电系统中，液氨首先自储氨室1内流出，经液氨泵2抽动后经第一三通阀3从第二化学换热器5冷端入口进入到第二化学换热器5内，所得氨分解产物由第二化学换热器5冷端出口经第二三通阀6进入活塞式内燃机7内，天然气及空气则分别按对应通道通入活塞式内燃机7，活塞式内燃机7驱动发电机8工作发电，该内燃机排气一个出气端将尾气通过第一调节阀9通入第二化学换热器5热端进口，内燃机尾气在第二化学换热器5内与液态氨进行催化换热后排入外界环境中，完全通过尾气对液态氨进行加热，良好的适应了光照不足的情况。
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

Claims (10)

1.一种基于光热及尾气余热分解氨的掺氢内燃机发电系统，其特征在于：包括储氨室(1)、第一分流组件、第一化学换热器(4)、第二化学换热器(5)、第二分流组件、活塞式内燃机(7)、发电机(8)、第一调节阀(9)、第二调节阀(10)、常温熔盐储存室(11)、第三化学换热器(13)、太阳能聚光器(14)和高温熔盐储存室(15)，所述储氨室(1)的出口端与第一分流组件的进口端连通，所述第一分流组件的一个出口端与第一化学换热器(4)的冷端入口连通，所述第一分流组件的另一个出口端与第二化学换热器(5)的冷端入口连通，所述第一化学换热器(4)的冷端出口与第二分流组件的一个进口端连通，所述第二化学换热器(5)冷端出口与第二分流组件的另一个进口端连通，所述第二分流组件的出口端与活塞式内燃机(7)的燃料入口连通，所述活塞式内燃机(7)上设有天然气进气口和进空气阀门，所述活塞式内燃机(7)的输出端与发电机(8)相连，所述活塞式内燃机(7)的一个出气端经第二调节阀(10)与第三化学换热器(13)的热端进口连通，所述活塞式内燃机(7)的另一个出气端经第一调节阀(9)与第二化学换热器(5)的热端进口连通，所述常温熔盐储存室(11)的出口端与第三化学换热器(13)的冷端入口连通，所述第三化学换热器(13)的冷端出口与太阳能聚光器(14)的进口端连通，所述太阳能聚光器(14)的出口端与高温熔盐储存室(15)的进口端连通，所述高温熔盐储存室(15)的出口端与第一化学换热器(4)的热端进口连通，所述第一化学换热器(4)的热端出口与常温熔盐储存室(11)的进口端连通。
2.根据权利要求1所述的一种基于光热及尾气余热分解氨的掺氢内燃机发电系统，其特征在于：所述第一分流组件为第一三通阀(3)。
3.根据权利要求1所述的一种基于光热及尾气余热分解氨的掺氢内燃机发电系统，其特征在于：所述第二分流组件为第二三通阀(6)。
4.根据权利要求2所述的一种基于光热及尾气余热分解氨的掺氢内燃机发电系统，其特征在于：所述储氨室(1)的出口端与第一三通阀(3)的进口端通过第一管路连通。
5.根据权利要求4所述的一种基于光热及尾气余热分解氨的掺氢内燃机发电系统，其特征在于：所述第一管路上设有液氨泵(2)。
6.根据权利要求1所述的一种基于光热及尾气余热分解氨的掺氢内燃机发电系统，其特征在于：所述常温熔盐储存室(11)的出口端与第三化学换热器(13)的冷端入口通过第二管路连通。
7.根据权利要求6所述的一种基于光热及尾气余热分解氨的掺氢内燃机发电系统，其特征在于：所述第二管路上设有熔盐泵(12)。
8.根据权利要求1所述的一种基于光热及尾气余热分解氨的掺氢内燃机发电系统，其特征在于：所述高温熔盐储存室(15)的出口端与第一化学换热器(4)的热端进口通过第三管路连通。
9.根据权利要求8所述的一种基于光热及尾气余热分解氨的掺氢内燃机发电系统，其特征在于：所述第三管路上设有第三调节阀(16)。
10.根据权利要求1所述的一种基于光热及尾气余热分解氨的掺氢内燃机发电系统，其特征在于：所述第一化学换热器(4)和第二化学换热器(5)内均设有促进液氨分解的催化剂。
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