CN115522072A - 一种利用可再生能源生产金属镁锂装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用可再生能源生产金属镁锂装置，涉及电热还原技术领域，包括：镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统用于通过盐水淡化产生盐水淡化电能；智能综合电源协调控制系统包括平抑控制器；平抑控制器用于通过盐水淡化电能平抑风力电能的波动性和间歇性，以及光伏电能的波动性和间歇性，输出稳定电压；电热还原镁锂钙氧化物及镁锂分离系统用于基于智能综合电源协调控制系统提供的电能，对镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统副产生成的锂镁氧化物和对盐湖水石灰乳法制得的镁锂钙氧化物混合物进行电热还原，生成镁锂合金并分离制得金属镁和金属锂。本发明无需市电，就能满足电热还原镁锂钙氧化物及镁锂分离系统正常工作需要。

Description

一种利用可再生能源生产金属镁锂装置
技术领域
本发明涉及热电还原技术领域，特别是涉及一种利用可再生能源生产金属镁锂装置。
背景技术
目前盐湖地区风能与太阳能资源丰富，风力发电和光伏发电发展迅速。由于盐湖具有高镁锂比特性，但是镁锂难以分离。目前用湿法冶金方法分离氯化镁和氯化锂，流程长，效率低，并且分离氯化锂后的六水氯化镁，脱水困难，脱水后氯化镁含有大量氧化镁，导致熔盐电解氯化镁无法生产，至今无法工业应用。电热还原镁锂钙氧化物的方法虽然可以得到镁锂金属合金并且分离得到金属锂和镁，但是使用的电能主要来自网电，电耗高，效率低。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用可再生能源生产金属镁锂装置，无需市电，就能满足电热还原镁锂钙氧化物及镁锂分离系统正常工作需要。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种利用可再生能源生产金属镁锂装置，包括：智能综合电源协调控制系统、镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统、以及电热还原镁锂钙氧化物及镁锂分离系统；
所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统用于通过盐湖水淡化产生盐水淡化电能以及在盐水淡化过程中副产生成锂镁氧化物；
所述智能综合电源协调控制系统包括风电接收端、光伏电接收端、镁锂合金空气盐水淡化电池发电接收端和平抑控制器；
所述风电接收端用于接收风电系统提供的风力电能；所述光伏电接收端用于接收光伏电系统提供的光伏电能；所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电接收端用于接收所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统提供的盐水淡化电能；所述平抑控制器用于通过盐水淡化电能平抑风力电能的波动性和间歇性，以及通过盐水淡化电能平抑光伏电能的波动性和间歇性，输出稳定的电压；
所述电热还原镁锂钙氧化物及镁锂分离系统用于基于所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统和所述智能综合电源协调控制系统提供的电能，对镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统副产生成的锂镁氧化物和盐湖水石灰乳法制得的镁锂钙氧化物混合物进行电热还原，生成镁锂合金、金属镁和金属锂。
可选地，所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统包括电池堆、碱水池、盐水池、淡水池和储能模块；
所述储能模块，与所述电池堆连接，用于接收在盐水淡化过程中产生的盐水淡化电能；
所述电池堆包括多个串联的镁锂合金空气盐水淡化电池；所述镁锂合金空气盐水淡化电池包括反应池；所述反应池包括放置有镁锂合金阳极的阳极室、放置有空气阴极的阴极室、以及设置于所述阳极室和所述阴极室之间的阴阳离子交换区域；所述阴阳离子交换区域设置有多个阴离子交换膜和多个阳离子交换膜，且所述阴离子交换膜和所述阳离子交换膜间隔分布，以使所述阴阳离子交换区域被分隔成淡水室和浓水室，同时使所述淡水室和所述浓水室间隔分布；
所述淡水室开设有淡水出口和第一盐水入口；所述浓水室开设有浓水出口和第二盐水入口；所述阳极室开设有碱水入口和镁离子锂离子水溶液出口；所述阴极室开设有镁离子锂离子水溶液入口、第三盐水入口和反应水出口；所述淡水出口通过管道与所述淡水池连通；所述第一盐水入口、所述第二盐水入口和所述第三盐水入口均通过管道与所述盐水池连通；所述镁离子锂离子水溶液出口通过管道与所述镁离子锂离子水溶液入口连通；所述反应水出口通过管道与所述碱水池连通。
可选地，所述阳极室的内腔一侧为阴离子交换膜，所述阳极室的内腔另一侧为所述反应池的一侧内壁；所述阴极室的内腔一侧为阳极离子交换膜，所述阴极室的内腔另一侧的一部分为空气极的催化层，所述阴极室的内腔另一侧的另一部分为所述反应池的另一侧内壁。
可选地，还包括极水存储箱以及与所述极水存储箱连接的极水二氧化碳充气设备、积水过滤设备和滤饼煅烧设备；所述阳极室还开设有极水出口；所述极水出口通过管道与所述极水存储箱连通；所述极水为含Mg(OH)2悬浮颗粒和LiOH的溶液；
所述极水二氧化碳充气设备用于对所述极水充二氧化碳得到碳酸锂沉淀；
所述积水过滤设备用于把极水中的Mg(OH)2悬浮颗粒和碳酸锂沉淀过滤成滤饼；
所述滤饼煅烧设备用于将滤饼煅烧为锂镁氧化物。
可选地，所述电热还原镁锂钙氧化物及镁锂分离系统包括物质接收端和物质输出端；所述物质接收端用于接收所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统产生的锂镁氧化物；所述物质输出端用于电热还原出镁锂合金锭，然后输出至所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统以更换镁锂合金阳极。
可选地，所述电热还原镁锂钙氧化物及镁锂分离系统包括：
镁锂合金原料制备模块，用于根据所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统副产生成的锂镁氧化物和盐湖水石灰乳法得到的镁锂钙氧化物混合物，采用混合搅拌、过滤、煅烧、球磨混合以及压球工艺，制备镁锂合金原料；
还原结晶模块，用于根据所述智能综合电源协调控制系统提供的电能，对镁锂合金原料进行还原结晶，生成镁锂合金；
固态电解槽，用于对镁锂合金固态电解，生成锂锭和镁锭。
可选地，所述还原结晶模块包括还原设备和结晶器；
所述智能综合电源协调控制系统提供的电能用于对所述还原设备加热，以使还原设备中的镁锂合金原料以蒸气形式传输至所述结晶器内，并在所述结晶器内部结晶，生成镁锂合金。
可选地，还包括风电系统和光伏电系统；
所述风电系统通过AC/DC变换器与所述智能综合电源协调控制系统中的风电接收端连接；所述光伏电系统通过第一DC/DC变换器与所述智能综合电源协调控制系统中的光伏电接收端连接。
可选地，所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统中的储能模块通过第二DC/DC变换器与所述智能综合电源协调控制系统中的镁锂合金空气盐水淡化电池发电接收端连接。
可选地，所述智能综合电源协调控制系统还包括第一电压输出端和第二电压输出端；所述电热还原镁锂钙氧化物及镁锂分离系统通过第三DC/DC变换器与所述智能综合电源协调控制系统中的第一电压输出端连接；所述第二电压输出端用于与市电连接。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种利用可再生能源生产金属镁锂装置，包括：智能综合电源协调控制系统、镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统、以及电热还原镁锂钙氧化物及镁锂分离系统；所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统用于通过盐湖水淡化产生盐水淡化电能以及在盐水淡化过程中生成镁锂氧化物；所述智能综合电源协调控制系统包括风电接收端、光伏电接收端、镁锂合金空气盐水淡化电池发电接收端和平抑控制器；所述风电接收端用于接收风电系统提供的风力电能；所述光伏电接收端用于接收光伏电系统提供的光伏电能；所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电接收端用于接收所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统提供的盐湖水淡化电能；所述平抑控制器用于通过盐水淡化电能平抑风力电能的波动性和间歇性，以及通过盐水淡化电能平抑光伏电能的波动性和间歇性，输出稳定的电压；所述电热还原镁锂钙氧化物及镁锂分离系统用于基于所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统副产生成的锂镁氧化物及从盐湖水中氧化钙法得到的氢氧化镁沉淀和氢氧化锂溶液并充二氧化碳制得碳酸锂，最后氢氧化钙、氢氧化镁及碳酸锂煅烧得到镁锂钙氧化物混合物和所述智能综合电源协调控制系统提供的电能，对镁锂钙氧化物混合物进行电热还原，生成镁锂合金及镁锂分离得到金属镁和金属锂。本发明通过所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统减小风电光伏电波动性，提高供电的可靠性、稳定性和电能质量，满足所述电热还原镁锂钙氧化物及镁锂分离系统正常工作需要。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种利用可再生能源生产金属镁锂装置的结构框图；
图2为本发明实施例提供的一种镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的镁锂合金空气盐水淡化电池单体工程图正视图；
图4为本发明实施例提供的电热还原镁锂钙氧化物及镁锂分离系统的工艺流程图。
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、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一方面，由于风力发电和光伏发电间歇性强、波动性大，故在风力发电和光伏发电并网时对电网功角稳定、频率稳定、电压稳定、系统备用和电能质量等有负面影响，成为风力发电和光伏发电发展的主要障碍。另一方面，由于盐湖具有高镁锂比特性，但是镁锂难以分离。目前用湿法冶金方法分离氯化镁和氯化锂，流程长，效率低，并且分离氯化锂后的六水氯化镁，脱水困难，脱水后氯化镁含有大量氧化镁，导致熔盐电解氯化镁无法实现工业应用。
以盐湖水提硼后卤水成分为基准，采用纯化学试剂配制试验卤水，如表1所示。其中卤水Mg/Li比(质量比，以下同)为10.1∶1。
表1卤水主要成分/(g·L-1)表
Figure BDA0003803423670000061
目前分离盐湖卤水中镁和锂的方法，主要有沉淀法、蒸发结晶法、碳化法、煅烧浸取法、溶剂萃取法、吸附法、太阳池升温沉锂法、电化学法、膜分离法、许氏法等。沉淀法是最早被研究并已经在工业上应用的方法，适用于中低镁锂比盐湖卤水。太阳池升温沉锂法主要适用于低镁锂比的碳酸盐型盐湖卤水。对于高镁锂比盐湖提锂并已经产业化的方法有煅烧浸取法、膜分离法以及吸附法，其中煅烧浸取法可以解决高镁锂比盐湖卤水中的镁锂分离问题，但能耗较大，经济效益并不理想。膜分离法可直接从盐湖卤水中制取电池级碳酸锂，但存在膜容易堵塞污染、收率不高等缺点。吸附法可分别应用于低镁锂比和高镁锂比的盐湖卤水，但吸附法存在吸附剂溶损大、生产得到的碳酸锂产品品质不高等问题，且得到锂的化合物再转化为氯化锂，熔盐电解氯化镁，放出氯气，得到金属锂。分离锂后的镁为六水氯化镁，脱水得到氯化镁，熔盐电解得到氯气和金属镁。其中，六水氯化镁脱水困难，氯气回收后利用难度大，不回收又造成污染，整个流程长，能耗高，难度大。
针对上述现有技术中的问题，本申请提供了一种利用可再生能源生产金属镁锂装置。
本发明提供了一种利用可再生能源生产金属镁锂装置。针对风力发电和光伏发电的特点，提出了非并网风电光伏电直供技术方案，非并网风电光伏电直供与镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统相结合，核心是通过智能综合电源协调控制系统将风电及光伏电和所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统提供的盐水淡化电能相结合，盐水淡化电能平抑风力电能的波动性和间歇性，以及通过盐水淡化电能平抑光伏电能的波动性和间歇性，输出稳定的电压，提高供电的可靠性、稳定性和电能质量，从而使风电与光伏电能够直供用于生产镁锂合金及金属镁和金属锂的设备；针对盐湖水镁锂特点，将盐湖提取氯化钾后的高镁锂比卤水和石灰乳作为原料，首先得到Mg(OH)2和Ca(OH)2沉淀及LiCl上清溶液，对LiCl上清溶液充二氧化碳得到碳酸锂沉淀，过滤得到Mg(OH)2和Ca(OH)2沉淀和碳酸锂沉淀混合物，煅烧得到镁锂钙氧化物混合物，同时从镁锂合金空气盐湖水淡化电池得到的锂镁氧化物(即为氧化锂和氧化镁组成的混合物)，将混合后的镁锂钙氧化物添加还原剂，并将添加还原剂后的氧化物压球，然后添加至还原设备内，还原设备在还原炉中用再生能源加热，还原剂(如铝硅合金)将镁锂钙氧化物还原成镁锂合金。镁锂分离系统为固态电解槽，电解质选择KCl-NaCl-AlF3混合熔盐体系，熔点380～400℃，KCl、NaCl、AlF3摩尔比为1～1.3:0.8～0.3:0.2～0.4，盐的粒度≤10mm，水分≤0.3％。加热电解质到450～500℃，直到电解质溶化，将阴极棒插入电解质中进行电解，电解电压为1.8V～2.0V，电解2～4个小时，镁锂合金为阳极，镁沉积在阴极上，呈固体状态，金属锂溶解在电解质中漂浮在电解质表面。把液态锂取出铸成锂锭，金属镁在700℃熔化铸成镁锭，镁锂得到分离。
实施例
本发明实施例公开了一种利用可再生能源生产金属镁锂装置，如图1所示，主要包括风电系统、光伏电系统、智能综合电源协调控制系统、电热还原镁锂钙氧化物及镁锂分离系统、以及镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统。智能综合电源协调控制系统分别与风电系统、光伏电系统、电热还原镁锂钙氧化物及镁锂分离系统、镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统电性连接；智能综合电源协调控制系统用于协调控制风电系统、光伏电系统和镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统为电热还原镁锂钙氧化物及镁锂分离系统提供电压稳定、电流稳定的高质量电源；电热还原镁锂钙氧化物及镁锂分离系统用于产生镁锂合金、金属镁和金属锂；镁锂合金盐水淡化空气电池发电站系统用于电源调节并副产出锂镁氧化物。
具体地，所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统用于通过盐湖水淡化产生盐水淡化电能并在盐水淡化过程中副产生成锂镁氧化物。
所述智能综合电源协调控制系统包括风电接收端、光伏电接收端、镁锂合金空气盐水淡化电池发电接收端和平抑控制器；所述风电接收端用于接收风电系统提供的风力电能；所述光伏电接收端用于接收光伏电系统提供的光伏电能；所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电接收端用于接收所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统提供的盐水淡化电能；所述平抑控制器用于通过盐水淡化电能平抑风力电能的波动性和间歇性，以及通过盐水淡化电能平抑光伏电能的波动性和间歇性，输出稳定的电压。
所述电热还原镁锂钙氧化物及镁锂分离系统用于基于所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统和所述智能综合电源协调控制系统提供的电能，对镁锂合金空气盐水淡化电池副产生成的锂镁氧化物及从盐湖水石灰乳法生成的镁锂钙氧化物混合物进行电热还原，生成镁锂合金、金属镁和金属锂。
由于风力电能和光伏电能存在不稳定性和间歇性，导致电压和电流不稳，镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统提供的盐水淡化电能可平抑风电和光伏电的波动性和间歇性，时刻保持智能综合电源协调控制系统的电压稳定和电流稳定，保证供给电热还原镁锂钙氧化物及镁锂分离系统中的辅助设备的电压及功率稳定，满足其需要。故所述平抑控制器用于通过盐水淡化电能平抑风力电能的波动性和间歇性，以及通过盐水淡化电能平抑光伏电能的波动性和间歇性，以输出稳定的电压和电流。
其中，智能综合电源协调控制系统的工作原理为：
当相同电压，不同电流进入智能综合电源协调控制系统后，由于风电、光伏电不稳定性，智能控制原则是，全部接受风电和光电，镁锂合金空气盐水淡化电池发电量是时刻补充风电和光伏电输入后的波动不稳定部分电量，形成稳定的电压和电流以供负载用。风电用AC/DC变换器与智能综合电源协调控制系统连接；光伏电用DC/DC变换器与智能综合电源协调控制系统连接；镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统用DC/DC变换器与智能综合电源协调控制系统连接。镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统的功能是平抑风电及光伏电的波动性和间歇性，时刻保持智能综合电源协调控制系统中电压电流稳定，保证风电光伏电全部利用，并且镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统生成的锂镁氧化物和盐湖水通过石灰乳制备的镁锂钙氧化物混合物电热还原得到镁锂合金，镁锂合金固态电解得到金属镁和金属锂，满足所述电热还原镁锂钙氧化物及镁锂分离系统正常工作需要。
进一步地，所述风电系统通过AC/DC变换器与所述智能综合电源协调控制系统中的风电接收端连接。风电系统有风轮、对风装置、调速机构、传动装置、发电机、逆变装置、控制装置、塔架及附属部件组成。发电机的型式可以是双馈或直驱型风力发电机组。风发电机具有卸荷装置，当风电无法消纳时能够卸荷，风力发电用交AC/DC变换器与智能综合电源协调控制系统连接。
进一步地，所述光伏电系统通过第一DC/DC变换器与所述智能综合电源协调控制系统中的光伏电接收端连接；光伏电系统由太阳能电池方阵、控制器、直流逆变器组成。
进一步地，图2为本发明实施例提供的一种镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统的结构示意图。如图2所示，本发明实施例提供的一种镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统包括电池堆、碱水池12、盐水池14、淡水池2、储能模块5以及配合使用的催化剂、缓蚀剂等。
所述储能模块5，与所述电池堆连接，用于接收在盐水淡化过程中产生的电能。所述淡水池2用于储存淡水3；所述碱水池12用于储存有NaOH溶液13；所述盐水池14用于储存盐水15。
所述电池堆包括多个串联的镁锂合金空气盐水淡化电池；所述镁锂合金空气盐水淡化电池包括反应池；所述反应池包括放置有镁锂合金阳极1的阳极室、放置有空气阴极11的阴极室、以及设置于所述阳极室和所述阴极室之间的阴阳离子交换区域；所述阴阳离子交换区域设置有多个阴离子交换膜7(如图2中的阴离子交换膜(A))和多个阳离子交换膜9(如图2中的阳离子交换膜(K))，且所述阴离子交换膜7和所述阳离子交换膜9间隔分布，以使所述阴阳离子交换区域被分隔成淡水室8(如图2中的(D))和浓水室10(如图2中的(C))，同时使所述淡水室8和所述浓水室10间隔分布。
所述阳极室的内腔一侧为阴离子交换膜7，所述阳极室的内腔另一侧为所述反应池的一侧内壁；所述阴极室的内腔一侧为阳极离子交换膜9，所述阴极室的内腔另一侧的一部分为空气极的催化层，所述阴极室的内腔另一侧的另一部分为所述反应池的另一侧内壁。
所述淡水室8开设有淡水出口和第一盐水入口；所述浓水室10开设有浓水出口和第二盐水入口；所述阳极室开设有碱水入口和镁离子锂离子水溶液出口；所述阴极室开设有镁离子锂离子水溶液入口、第三盐水入口和反应出水口；所述淡水出口通过管道与所述淡水池2连通，以使在水泵4的作用下，淡水室8中的淡水通过管道流向淡水池2；所述第一盐水入口、所述第二盐水入口和所述第三盐水入口均通过管道与所述盐水池14连通，且浓水出口通过管道与所述盐水池14连通，以将浓水16排放至所述盐水池14内；所述阳极室镁离子锂离子水溶液出口通过管道与所述阴极室镁离子锂离子水溶液入口连通；所述反应水出口通过管道与所述碱水池12连通。
进一步地，本发明实施例提供的一种镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统还包括极水存储箱以及与所述极水存储箱连接的极水过滤设备、二氧化碳充气设备和滤饼煅烧设备；所述阳极室还开设有极水出口；所述极水出口通过管道与所述极水存储箱连通；所述极水6为含Mg(OH)2悬浮颗粒和LiOH的溶液；所述极水二氧化碳充气设备用于对极水充二氧化碳得到碳酸锂沉淀，即把极水中的LiOH变为碳酸锂沉淀出来；所述极水过滤设备用于把极水中的Mg(OH)2悬浮颗粒和碳酸锂沉淀过滤成滤饼，所述滤饼煅烧设备用于把滤饼Mg(OH)2和碳酸锂煅烧为锂镁氧化物。
阳极室排出的极水6经过过滤后的滤饼为氢氧化镁碳酸锂混合物，经过高温1000～1100℃煅烧2～3小时，得到锂镁氧化物作为电热还原镁锂钙氧化物混合物的部分原料；淡水池排出的淡水3提供生产及生活用淡水；盐水池排出的浓水16返回盐湖。
本发明实施例提供的一种镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统的工作原理：
首先启动盐水池，打开水泵工作，盐水灌满各个淡水室和各个浓水室，阴离子交换膜只允许氯离子通过，阳离子交换膜只允许镁离子和锂离子通过。镁锂合金空气盐水淡化电池工作后，盐水中Mg离子、Li离子和Cl离子在镁锂合金阳极和空气阴极的作用下，淡水室中的Mg离子、Li离子和Cl离子减少了，浓水室中的Mg离子、Li离子和氯离子增加了。通过一段时间，浓水室中的浓水通过管道流向盐水池，在水泵的作用下，淡水室中的淡水通过管道流向淡水池。不断测量淡水池中Mg离子、Li离子和Cl离子含量，达到淡水标准后，从淡水池放出合格淡水。浓水进入盐水池，在盐水池中也加入盐水，在水泵作用下，流向各个浓水室，进一步淡化，形成循环，适当时机放出其他离子较多不易淡化的浓水。
极水中有大量的Mg(OH)2沉淀和充二氧化碳后碳酸锂沉淀，过滤煅烧1000℃，得到锂镁氧化物作为电热还原镁锂合金原料。在碱水池中的NaOH溶液定期加入到阳极室，增大pH值，使镁离子沉淀和形成LiOH溶液，同时部分阳极室镁离子锂离子水溶液加到阴极室，空气阴极进入的氧原子不断得到电子还原成氧离子与水中氢离子生成氢氧根离子反应，电池内电解质与电池外导线形成闭合电路电流一直导通。这样，达到盐水淡化和镁锂合金空气盐水淡化电池自供电及对外供电。
阳极室反应：Mg＝Mg2++2e-，Mg2++2OH-＝Mg(OH)2，Li＝Li++2e-，Li++OH-＝LiOH；阴极室：1/2O2+H2O+2e-＝2OH-；总反应：Mg+Li+1/2O2+H2O＝Mg(OH)2+LiOH。
在本实施例中，如图3所示，镁锂合金空气盐水淡化电池包括盐水总进口17、空气进气孔18、阳极极耳19、排气孔20、阴极极耳21、电磁阀与淡水出口及浓水出口22、连接管线。其中，阳极极耳19、空气进气孔18、排气孔20位于电池上方，盐水总进口17、阴极极耳21位于电池两侧，电磁阀与淡水出口及浓水出口13位于电池底部。
单电池壳体上方可打开，上壳体附着卡扣型夹具装置，夹紧镁阳极并使其易于被更换。多个电池连接时，夹具装置可进行联动，以便进行镁锂合金阳极的批量更换。通过这种设计，可以使单次更换镁锂合金阳极的时间缩短到几分钟内。
空气阴极寿命的决定因素是附着其上的催化剂活性，空气阴极可长期无需更换，可以选择在生产时直接固定在电池内部的方式，也可设计为与镁锂合金阳极相同的卡扣结构。
由于5kW级别功率的设计需求，必须保证该单电池拥有1V左右的输出电压。因此，根据电流密度与单电池电压的关系，应选择较高极板面积的同时选择较低的电流密度，以维持输出电压。在这种情况下，单电池的额定放电电压约为0.93V，电流密度约为55mA/cm2。
另外，空气进气孔18需设计二氧化碳除杂装置，防止空气中的CO2生成碳酸钠结晶从而堵塞空气通道，废气排气口需连接氢气纯化与收集装置，对反应生成的氢气加以利用。
其中，镁锂合金空气盐水淡化电池中的空气阴极一般由三层结构组合而成：防水透气层、集流网、催化剂层。催化剂层由导电剂、粘结剂、催化剂等构成，集流网为镍金属制成。空气通过透气层，在催化剂层发生还原反应，集流网收集电流并连接阴极极耳21。
随着单体电池串联个数的增多，电池的内环电流相应大幅增大，即热损耗相应大幅增大。研究测试了在串联单体个数不同时，内环电流的大小。在串联5个单电池时，单体电池的输出电流几乎等于整个电池模块的输出电流，这说明内环电流很小，即损耗很低。在串联30个单体电池时，内环电流约占输出总电流的13.6％，内环电流产热造成的电量损耗亦可接受。
在电池总体设计中，还需要考虑到由于溶液浓度、极板成分、零件尺寸、环境温度等差异，造成不同单体电池内环电流存在差异的问题。这就导致内环电流较大的单体电池内的镁锂合金电极可能先被消耗，所以，在单个电池包中单电池串联个数较少时，电池堆系统的可靠性也会降低。因此，为实现功率输出要求，以28个单体为一组，设计为两组结构，电池组额定输出电压为48V，输出电流为110A，额定功率为5kW。
所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统中的储能模块通过第二DC/DC变换器与所述智能综合电源协调控制系统中的镁锂合金空气盐水淡化电池发电接收端连接。
进一步地，所述智能综合电源协调控制系统还包括第一电压输出端和第二电压输出端；所述电热还原镁锂钙氧化物及镁锂分离系统通过第三DC/DC变换器与所述智能综合电源协调控制系统中的第一电压输出端连接；所述第二电压输出端用于与市电连接；所述电热还原镁锂钙氧化物及镁锂分离系统包括物质接收端和物质输出端；所述物质接收端用于接收所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统产生的锂镁氧化物；所述物质输出端用于电热还原出镁锂合金锭，然后输出至所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统以更换镁锂合金阳极。
所述电热还原镁锂钙氧化物及镁锂分离系统包括：
镁锂合金原料制备模块，采用混合搅拌、充二氧化碳、过滤、煅烧、球磨混合以及压球等工艺，用于根据所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统副产生成的锂镁氧化物及从盐湖水石灰乳法制备的镁锂钙氧化物混合物，制备镁锂合金原料。
还原结晶模块，用于所述智能综合电源协调控制系统提供的电能，对镁锂合金原料进行还原结晶，生成镁锂合金。
镁锂分离系统所用固态电解槽，用于对镁锂合金固态电解实现镁锂合金中镁与锂分离，生成锂锭和镁锭。
所述还原结晶模块包括还原设备和结晶器；所述智能综合电源协调控制系统提供的电能用于对所述还原设备加热，以使还原设备中的镁锂合金原料以蒸气形式传输至所述结晶器内，并在所述结晶器内部结晶，生成镁锂合金。
如图4所示，本发明实施例提供的电热还原镁锂钙氧化物及镁锂分离系统的工艺流程，主要是解决盐湖高镁锂比卤水生产金属镁和金属锂问题，原料来自镁锂比10:1的盐水卤水，该盐湖卤水中镁锂氯化物的浓度为30～35％。首先在盛有盐湖水的设备中，加入氧化钙粉末(氧化钙粉末的粒度为60～120目，加入量与氯化镁、氯化锂等摩尔量)。其次进行搅拌，搅拌时间为60～120分钟，静止时间为30～60分钟，过滤得到包括氢氧化钙、氢氧化镁混合物和氯化锂过滤清水(对过滤清水充CO2，再过滤得到碳酸锂沉淀，与钙镁氢氧化物混合，得到镁锂钙氧化物混合物，该混合物的含水量为10～13％。然后进行煅烧，煅烧温度为800～1000℃，煅烧时间为120～240分钟，得到的煅烧物为镁锂钙氧化物，该镁锂钙氧化物的含水不高于0.5％。接着通过磨矿使镁锂钙氧化物达到120～180目，再将添加剂(氟化钙或氟化镁)和还原剂(铝硅合金，60～120目)、磨矿后的镁锂钙氧化物、所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统生成的锂镁氧化物按照比例球磨混合，将混合原料通过干法压制成型，例如球形作为真空电热还原镁锂合金原料。
通过干法压制将混合原料压制成球团形状，物料密实，接触性好，反应速度更快。所述智能综合电源协调控制系统提供的电能对电热还原镁锂钙氧化物中的还原设备进行加热，当成型原料中的镁锂以蒸气形式到电热还原镁锂钙氧化物系统中的结晶器中，控制结晶器保持在结晶温度(500～550℃)，使镁锂蒸气在结晶器内壁上冷凝结晶，待成型原料热还原反应完成后，最初还原设备抽真空，真空度1～10Pa，还原温度为1100～1200℃，保温时间为4～6小时，还原剂为铝硅合金。还原完成后，智能综合电源协调控制系统停止提供电能，并将还原设备冷却，直到还原设备内温度显示300℃。然后将结晶器取出并打开，取出里面的金属镁锂合金。在本发明实施例中，电流效率达到90％，镁的回收率为90％，锂的回收率也达到90％，镁锂合金的纯度为99.9％，还原渣中氧化镁含量低于6％，氧化锂含量低于0.5％，可用于水泥原料。
将镁锂合金锭轧制成片状为阳极，电解质选择KCl-NaCl-AlF3混合熔盐体系，熔点380～400℃，KCl、NaCl、AlF3摩尔比为1～1.3:0.8～0.3:0.2～0.4，盐的粒度≤10mm，水分≤0.3％，不锈钢棒做阴极。加热电解质到450～500℃，直到电解质溶化，将阴极棒插入电解质中进行电解，电解电压为1.8V～2.0V，电解2～4个小时，镁沉积在阴极上，呈固体状态，金属锂溶解在电解质中漂浮在电解质表面。把液态锂取出铸成锂锭，金属镁在700℃熔化铸成镁锭，镁锂得到分离。
经过以上介绍，本发明具有以下有益效果：
(1)风电和光电得到100％利用；
(2)镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统起到对风光电稳定作用及风光电输出功率较低时提供功率；
(3)电热还原镁锂钙氧化物系统得到镁锂合金，镁锂分离系统的固态电解槽将镁锂合金中的金属镁与金属锂分离，解决了青海盐湖镁锂分离难题，流程短、能耗低，镁锂得到综合利用。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种利用可再生能源生产金属镁锂装置，其特征在于，包括：智能综合电源协调控制系统、镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统、以及电热还原镁锂钙氧化物及镁锂分离系统；
所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统用于通过盐湖水淡化产生盐水淡化电能以及在盐水淡化过程中副产生成锂镁氧化物；
所述智能综合电源协调控制系统包括风电接收端、光伏电接收端、镁锂合金空气盐水淡化电池发电接收端和平抑控制器；
所述风电接收端用于接收风电系统提供的风力电能；所述光伏电接收端用于接收光伏电系统提供的光伏电能；所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电接收端用于接收所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统提供的盐水淡化电能；所述平抑控制器用于通过盐水淡化电能平抑风力电能的波动性和间歇性，以及通过盐水淡化电能平抑光伏电能的波动性和间歇性，输出稳定的电压；
所述电热还原镁锂钙氧化物及镁锂分离系统用于基于所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统和所述智能综合电源协调控制系统提供的电能，对镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统副产生成的锂镁氧化物和盐湖水石灰乳法制得的镁锂钙氧化物混合物进行电热还原，生成镁锂合金、金属镁和金属锂。
2.根据权利要求1所述的一种利用可再生能源生产金属镁锂装置，其特征在于，所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统包括电池堆、碱水池、盐水池、淡水池和储能模块；
所述储能模块，与所述电池堆连接，用于接收在盐水淡化过程中产生的盐水淡化电能；
所述电池堆包括多个串联的镁锂合金空气盐水淡化电池；所述镁锂合金空气盐水淡化电池包括反应池；所述反应池包括放置有镁锂合金阳极的阳极室、放置有空气阴极的阴极室、以及设置于所述阳极室和所述阴极室之间的阴阳离子交换区域；所述阴阳离子交换区域设置有多个阴离子交换膜和多个阳离子交换膜，且所述阴离子交换膜和所述阳离子交换膜间隔分布，以使所述阴阳离子交换区域被分隔成淡水室和浓水室，同时使所述淡水室和所述浓水室间隔分布；
所述淡水室开设有淡水出口和第一盐水入口；所述浓水室开设有浓水出口和第二盐水入口；所述阳极室开设有碱水入口和镁离子锂离子水溶液出口；所述阴极室开设有镁离子锂离子水溶液入口、第三盐水入口和反应水出口；所述淡水出口通过管道与所述淡水池连通；所述第一盐水入口、所述第二盐水入口和所述第三盐水入口均通过管道与所述盐水池连通；所述镁离子锂离子水溶液出口通过管道与所述镁离子锂离子水溶液入口连通；所述反应水出口通过管道与所述碱水池连通。
3.根据权利要求2所述的一种利用可再生能源生产金属镁锂装置，其特征在于，所述阳极室的内腔一侧为阴离子交换膜，所述阳极室的内腔另一侧为所述反应池的一侧内壁；所述阴极室的内腔一侧为阳极离子交换膜，所述阴极室的内腔另一侧的一部分为空气极的催化层，所述阴极室的内腔另一侧的另一部分为所述反应池的另一侧内壁。
4.根据权利要求2所述的一种利用可再生能源生产金属镁锂装置，其特征在于，还包括极水存储箱以及与所述极水存储箱连接的极水二氧化碳充气设备、积水过滤设备和滤饼煅烧设备；所述阳极室还开设有极水出口；所述极水出口通过管道与所述极水存储箱连通；所述极水为含Mg(OH)2悬浮颗粒和LiOH的溶液；
所述极水二氧化碳充气设备用于对所述极水充二氧化碳得到碳酸锂沉淀；
所述积水过滤设备用于把极水中的Mg(OH)2悬浮颗粒和碳酸锂沉淀过滤成滤饼；
所述滤饼煅烧设备用于将滤饼煅烧为锂镁氧化物。
5.根据权利要求1所述的一种利用可再生能源生产金属镁锂装置，其特征在于，所述电热还原镁锂钙氧化物及镁锂分离系统包括物质接收端和物质输出端；所述物质接收端用于接收所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统产生的锂镁氧化物；所述物质输出端用于电热还原出镁锂合金锭，然后输出至所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统以更换镁锂合金阳极。
6.根据权利要求1所述的一种利用可再生能源生产金属镁锂装置，其特征在于，所述电热还原镁锂钙氧化物及镁锂分离系统包括：
镁锂合金原料制备模块，用于根据所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统副产生成的锂镁氧化物和盐湖水石灰乳法得到的镁锂钙氧化物混合物，采用混合搅拌、过滤、煅烧、球磨混合以及压球工艺，制备镁锂合金原料；
还原结晶模块，用于根据所述智能综合电源协调控制系统提供的电能，对镁锂合金原料进行还原结晶，生成镁锂合金；
固态电解槽，用于对镁锂合金固态电解，生成锂锭和镁锭。
7.根据权利要求6所述的一种利用可再生能源生产金属镁锂装置，其特征在于，所述还原结晶模块包括还原设备和结晶器；
所述智能综合电源协调控制系统提供的电能用于对所述还原设备加热，以使还原设备中的镁锂合金原料以蒸气形式传输至所述结晶器内，并在所述结晶器内部结晶，生成镁锂合金。
8.根据权利要求1所述的一种利用可再生能源生产金属镁锂装置，其特征在于，还包括风电系统和光伏电系统；
所述风电系统通过AC/DC变换器与所述智能综合电源协调控制系统中的风电接收端连接；所述光伏电系统通过第一DC/DC变换器与所述智能综合电源协调控制系统中的光伏电接收端连接。
9.根据权利要求1所述的一种利用可再生能源生产金属镁锂装置，其特征在于，所述镁锂合金空气盐水淡化电池发电站系统中的储能模块通过第二DC/DC变换器与所述智能综合电源协调控制系统中的镁锂合金空气盐水淡化电池发电接收端连接。
10.根据权利要求1所述的一种利用可再生能源生产金属镁锂装置，其特征在于，所述智能综合电源协调控制系统还包括第一电压输出端和第二电压输出端；所述电热还原镁锂钙氧化物及镁锂分离系统通过第三DC/DC变换器与所述智能综合电源协调控制系统中的第一电压输出端连接；所述第二电压输出端用于与市电连接。
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