CN115749979A

CN115749979A - 一种铝水燃烧热电联供系统

Info

Publication number: CN115749979A
Application number: CN202211435077.2A
Authority: CN
Inventors: 刘发民; 王凯; 薄建民
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-11-16
Filing date: 2022-11-16
Publication date: 2023-03-07

Abstract

本发明公开了一种铝水燃烧热电联供系统，包括自助进料机、混料室、管束反应器、反应器壁面换热器、水泵、喷嘴、气固分离器、增压泵、汽轮机、发电机、管式换热器、气液分离器、缓冲罐、干燥器、氢气纯化器、燃料电池电堆、燃料电池壁面换热器。其有益效果是：基于(铝水燃烧制氢‑‑>燃料电池发电)+(高温水蒸气‑‑>汽轮机发电)+(废热利用)为一体的分布式热电联供系统组合采用燃料电池化学发电和汽轮机动能发电，具有更高的发电效率；组合利用化学反应热和高温混和蒸气热进行梯次换热，形成高品质热源，且具有全过程无CO₂、NO_x排放、不受地点限制可布署性强等优点。

Description

一种铝水燃烧热电联供系统

技术领域

本发明涉及热联供电技术领域，具体为一种铝水燃烧热电联供系统。

背景技术

基于燃气内燃机、燃气轮机的分布式热电联供系统可以很好地满足居民单元、小型社区、商业或工业建筑、医院等公共场所对照明、电器设备、采暖和热水等的需求。而现有的热电联供系统往往采用内燃机，发电效率以及电热综合利用率较低，同时燃烧产生的副产物容易对环境造成污染。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝水燃烧热电联供系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：包括自助进料机、混料室、管束反应器、反应器壁面换热器、水泵、喷嘴、气固分离器、增压泵、汽轮机、发电机、管式换热器、气液分离器、缓冲罐、干燥器、氢气纯化器、燃料电池电堆、燃料电池壁面换热器；所述自助进料机位于混料室上；所述混料室通过气管与管束反应器连接；所述反应器壁面换热器位于管束反应器上；所述水泵通过管路连接至管束反应器内部顶部，且在管路末端上设有喷嘴；所述管束反应器通过管路与气固分离器与连接；所述气固分离器通过管路经增压泵与汽轮机连接；所述汽轮机转动带动发电机发电，且通过管路与管式换热器连接；所述气液分离器通过管路与管式换热器连接；所述缓冲罐通过管路与气液分离器连接，且通过管路分别与混料室和干燥器连接；所述氢气纯化器通过管路与干燥器连接；所述燃料电池电堆通过管路与氢气纯化器；所述燃料电池壁面换热器位于燃料电池电堆上。

作为本发明的一种优选技术方案，所述水泵与外部水源连接，分别通过管路连接至反应器壁面换热器、燃料电池壁面换热器、冷凝器作为冷却水，经冷热交换后与气液分离器分离的回收水混合一起进入管式换热器，再循环回到水泵。

作为本发明的一种优选技术方案，所述气液分离器分离出的氢气通过管路进入缓冲罐后，少量氢气直接通过管路经混料室进入管束反应器，大量氢气通过管路经干燥器、氢气纯化器进入燃料电池电堆。

所述管束反应器中排出的高温水蒸气和氢气混合气，通过管路经气固分离器、增压泵、汽轮机进入管式换热器换热后经冷凝器冷凝后进入气液分离器完成气液分离。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明主组合利用汽轮机动能发电和燃料电池化学发电提高发电效率至50％以上；组合利用化学反应热和高温混和蒸气热进行梯次换热，形成高品质热源；氢能转化为电能和热能的全过程清洁高效，气液分离器分离的水和燃料电池发电生成的水循环利用，同时将冷却水用于供热，解决了管束反应器和燃料电池的冷却问题，提高了燃料电池的工作效率，提高电热综合利用率至90％以上；排放的Al(OH)₃可集中回收加工为高纯氧化铝微粉材料，显著降低制氢用氢成本，解决了制氢用氢成本高企导致的商业化应用难题；本系统可拓展性强，可接入吸收式制冷机向用户供冷，还可接入加氢机，为氢能源汽车提供加氢服务，实现冷热电氢综合能源供给。同时，热电联产型微电网可并网运行，也可独立运行，当主网发生故障时，微电网还能够维持对自身内部的能量供应，提高了供电可靠性。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图中：自助进料机1、混料室2、管束反应器3、反应器壁面换热器4、水泵5、冷凝器51、喷嘴6、气固分离器7、增压泵8、汽轮机9、发电机10、管式换热器11、气液分离器12、缓冲罐13、干燥器14、氢气纯化器15、燃料电池电堆16、燃料电池壁面换热器17。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明公开了一种铝水燃烧热电联供系统，自助进料机1、混料室2、管束反应器3、反应器壁面换热器4、水泵5、喷嘴6、气固分离器7、增压泵8、汽轮机9、发电机10、管式换热器11、气液分离器12、缓冲罐13、干燥器14、氢气纯化器15、燃料电池电堆16、燃料电池壁面换热器17；水泵5与外部水源连接，分别通过管路连接至反应器壁面换热器4、燃料电池壁面换热器17、冷凝器51作为冷却水，经冷热交换后与气液分离器12分离的回收水混合一起进入管式换热器11，再循环回到水泵5，将冷却水循环利用起来。气液分离器12分离出的氢气通过管路进入缓冲罐13后，少量氢气直接通过管路经混料室2进入管束反应器3，大量氢气通过管路经干燥器14、氢气纯化器15进入燃料电池电堆16，通过循环制氢，将氢气作为载气随自动进料机1内的铝基合金材料共同进入管束反应器3，反应后得到高温过饱和水蒸气和氢气的混合气体，经气固分离器7分离副产物Al(OH)₃后，经增压泵8增压进入汽轮机9，汽轮机9转动带动发电机10发电；管束反应器3中排出的高温水蒸气和氢气混合气，通过管路经气固分离器7、增压泵8、汽轮机9进入管式换热器11换热后经冷凝器51冷凝后进入气液分离器12完成气液分离。

本发明的工作原理如下：自助进料机1贮料容器中装有预先处理的铝基合金粉料，并在与混料室连接处配有高压防反吹装置。自助进料机1将铝基合金输入混料室2混入载气氢气气流，在载气作用下进入管束反应器3，同时，水泵5向管束反应器3泵入过量水，管束反应器3顶端设有喷嘴6，水经喷嘴6向燃烧室中喷入，铝基合金与水发生反应生成氢气和Al(OH)₃，由于铝基合金与水为放热反应，过量的水气化为高温过饱和水蒸气，氢气、水蒸气和Al(OH)₃颗粒一起进入气固分离器7，分离出Al(OH)₃，高温过饱和水蒸气和氢气的混合气经增压泵8增压后进入汽轮机9，带动汽轮机9做功进而驱动发电机10发电。经过汽轮机9的高温水蒸气和氢气的混合气进入管式换热器11，换热后进入冷凝器51，水蒸气凝结为水，进入气液分离器12分离出水，氢气进入缓冲罐13后少量氢气流向进料室2作为载气，大量氢气经干燥、过滤后进入燃料电池发电。汽轮机9发电、燃料电池发电经逆变后并入交流母线，接入电负载和PCS储能电池，储能电池根据用电负荷，峰时放电，谷时充电。

水泵5从外部水源抽水，一部分输送至管束反应器3作为反应用水，一部分作为冷却水并行进入反应器壁面换热器4铝基合金反应生热与冷却水进行换热、燃料电池壁面换热器17燃料电池工作生热与冷却水进行换热、冷凝器51燃氢锅炉流出的高温混合气与冷却水进行换热，经热交换后形成热水，进入管式换热器11。同时，经过汽轮机9排出的高温水蒸气和氢气的混合气也进入管式换热器11，上步冷却水换热后形成的热水在管式换热器11中与高温混合气进行二次热交换，进一步提高热源品质，作为热源接入热负载和蓄热罐，蓄热罐根据用热负荷，峰时放热，谷时蓄热。或热源接入吸收式制冷机，向用户供冷。气液分离器12分离的水和燃料电池发电生成的水均可回收循环利用，汇集后经水泵5输送至管束反应器3作为反应用水或用于冷却循环水。

某10KW热电冷联供系统，发电效率51.5％，热效率42.7％，总效率94.2％。该系统由铝基合金与水在管束反应器中进行水解反应产生氢气，燃料电池发电机组、汽轮机组分别以氢气和氢气/水蒸气混和气为驱动能源，发电用于满足用户电负荷以及系统内水泵、电磁阀等设备、配件的用电需求。管束反应器、燃料电池发电机组的余热和氢气/水蒸气混和气的余热，梯次换热用于满足用户供暖、热水等热负荷，或用于驱动吸收式制冷机满足用户冷负荷，冷热工况的切换通过季节三通阀完成。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义.

上述虽然对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，而不具备创造性劳动的修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种铝水燃烧热电联供系统，其特征在于：包括自助进料机(1)、混料室(2)、管束反应器(3)、反应器壁面换热器(4)、水泵(5)、喷嘴(6)、气固分离器(7)、增压泵(8)、汽轮机(9)、发电机(10)、管式换热器(11)、气液分离器(12)、缓冲罐(13)、干燥器(14)、氢气纯化器(15)、燃料电池电堆(16)、燃料电池壁面换热器(17)；所述自助进料机(1)位于混料室(2)上；所述混料室(2)通过气管与管束反应器(3)连接；所述反应器壁面换热器(4)位于管束反应器(3)上；所述水泵(5)通过管路连接至管束反应器(3)内部顶部，且在管路末端上设有喷嘴(6)；所述管束反应器(3)通过管路与气固分离器(7)与连接；所述气固分离器(7)通过管路经增压泵(8)与汽轮机(9)连接；所述汽轮机(9)转动带动发电机(10)发电，且通过管路与管式换热器(11)连接；所述气液分离器(12)通过管路与管式换热器(11)连接；所述缓冲罐(13)通过管路与气液分离器(12)连接，且通过管路分别与混料室(2)和干燥器(14)连接；所述氢气纯化器(15)通过管路与干燥器(14)连接；所述燃料电池电堆(16)通过管路与氢气纯化器(15)；所述燃料电池壁面换热器(17)位于燃料电池电堆(16)上。

2.根据权利要求1所述的一种铝水燃烧热电联供系统，其特征在于：所述水泵(5)与外部水源连接，分别通过管路连接至反应器壁面换热器(4)、燃料电池壁面换热器(17)、冷凝器(51)作为冷却水，经冷热交换后与气液分离器(12)分离的回收水混合一起进入管式换热器(11)，再循环回到水泵(5)。

3.根据权利要求1所述的一种铝水燃烧热电联供系统，其特征在于：所述气液分离器(12)分离出的氢气通过管路进入缓冲罐(13)后，少量氢气直接通过管路经混料室(2)进入管束反应器(3)，大量氢气通过管路经干燥器(14)、氢气纯化器(15)进入燃料电池电堆(16)。

4.根据权利要求1所述的一种铝水燃烧热电联供系统，其特征在于：所述管束反应器(3)中排出的高温水蒸气和氢气混合气，通过管路经气固分离器(7)、增压泵(8)、汽轮机(9)进入管式换热器(11)换热后经冷凝器(51)冷凝后进入气液分离器(12)完成气液分离。