CN1386157A - 利用氢吸附合金及中低温热的发电装置 - Google Patents

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Abstract

一种采用能够可逆地吸附·放出氢气,温度·平衡氢压特性不同的两种氢吸附合金,把这两种氢吸附合金分别装填到相互通气连接的第一氢吸附合金热交换容器(1)以及第二氢吸附合金热交换容器(2)内,利用使氢气在所述第一氢吸附合金热交换容器和第二氢吸附合金热交换容器间移动时所放出的热量的热释放循环至少准备两组,通过利用15～200℃的中低温废热源(8)(9)(10)加热在同一温度下平衡氢压高的低温侧的氢吸附合金的氢化物(MbH),使放出的氢被吸附到平衡氢压低的高温侧的氢吸附合金(Ma)上,由此从中低温热源温度获得更高温度的80～500℃的高温热,借助该热产生热媒体高压气体,利用该高压气体使涡轮机(13)旋转进行发电的发电装置。

Description

利用氢吸附合金及中低温热的发电装置
技术领域
本发明涉及一种发电装置，将由工厂排出的水等热水，轻水反应堆等发出的热量，中低温气体等发出的废热，以及从地热能量等温热所得到的15～200℃的未利用的热能进行回收，利用氢吸附合金的氢的吸留·放出反应变换成80～500℃的高温热量，把该温度传递给热媒体，使之产生热媒体高压气体，利用该高压气体驱动涡轮机进行发电，作为未利用的能量的变换·发电系统可以广泛地加以利用。
发明的背景
在现有技术中，作为利用涡轮机发电的装置，利用由热媒体蒸汽驱动的涡轮机的动力的发电装置一般被广泛使用。
在这样的在利用燃气轮机的发电装置中，利用水蒸气，氨，氟里昂等冷媒体蒸汽，或者加热天然气等的热媒体使之蒸发，将这些蒸汽加压导入到燃气轮机中，将燃气轮机驱动后，以把从燃气轮机中排出的蒸汽冷却冷凝，然后再次将这些液体热媒体加热，作为加压蒸汽再次导入到燃气轮机中的方式进行发电。但是，在这种方式中，热媒体的加热温度与冷却温度之间的温度差必须达到100℃以上，要求温度差非常大。实际上，在这种方式的发电装置中，利用150℃左右的温热热源，及10～30℃的冷却源对燃气轮机进行驱动，热效率极低，设备成本很高，所以存在着很大的困难。
近年来，也开发了利用由氢气驱动的涡轮机的动力的、采用氢吸附合金的发动装置。
在这种利用氢气涡轮机的、采用氢吸附合金的发电装置中，用300～350℃以下的热源对填充了氢吸附合金的氢化物的装置进行加热，把放出的高温·高压氢气导入到氢气涡轮机中，驱动氢气涡轮机之后，把从氢气涡轮机排出的氢气导入到填充了另外的氢吸附合金装置内并吸附到氢气吸附合金内，再次加热该装置，作为高温·高压氢气，以在氢气涡轮机内循环导入的方式进行发电。但是，在这种方式中，与利用氢吸附合金的热泵相比，氢的移动量变大，在热源侧必须利用300～350℃的高温，所以存在着氢气排出温度高，热效率极低，造成氢吸附合金的急剧劣化，合金的性能及耐久性变差，设备成本提高等问题。
此外，到目前为止，我们所使用的大部分能源是石油，煤炭等矿物燃料，但可以认为，在今后的能源中，由原子能、天然能量及工厂废热等产生的热量的再利用能量所占的比例将会增加。
这些能源主要以热的形式进行供应。例如，从高温燃气炉中可以获得1000℃以下的热，从轻水反应堆中可以获得300℃以下的热，从中低温气体中可以获得150～400℃的热，从地热能可获得400℃以下的热，从太阳能集热器所得的太阳能的热量可以获得100℃以下的热，从低温废水中可获得0～100℃的热，如此所获得的热量是多种多样的。
但是，当纵观当前的能量状况时，几乎有2/3的热能(不包括自然界的能量)未被利用而被废弃，其总量是巨大的。例如，在从工业设备中排出的废热中，量最大的中低温(300℃以下)的废热由于其回收率低而未被利用被弃之不顾。所以，如何有效地利用这些热能是今后能源开发中的一大课题，解决这一课题关系到能量资源的有效利用。此外，从环保的观点出发也希望高效率地开发热能回收·利用技术。
本发明鉴于上述情况，其目的是提供一种热交换效率高、经济且利用范围广泛的发电装置。
发明的公开
本发明是一种利用氢吸附合金及中低温热的发电装置，其特征为，采用能够可逆地吸附·放出氢气，温度·平衡氢气压特性不同的两种氢吸附合金，将这两种氢吸附合金分别装填到相互通气连接的第一个氢吸附合金热交换容器与第二个氢吸附合金热交换容器中，利用使氢气在前述第一个氢吸附合金热交换容器与第二个氢吸附合金热交换容器之间移动时所发出的热的热释放循环至少准备两组，通过用15～200℃的中低温废热源对在同一温度下的平衡氢气压高的低温侧氢吸附合金的氢化物加热，使放出的氢气吸附到平衡氢气压低的高温侧的氢吸附合金中，由此获得比中低温废热源温度高的80～500℃的高温热，利用该热产生热媒体高温气体，通过利用该高压气体使涡轮机旋转进行发电。从而，利用氢吸附合金把以前不能使用的中低温热能变换成高温热能，可利用该热能进行发电，从而不用现有技术的发电方式那样的高温热源，热变换效率高，所以是很经济的。
附图的简单说明
图1是根据本发明的利用氢吸附合金及中低温热的发电装置的结构图。
图2是根据本发明的用于驱动利用氢吸附合金及中低温热的发电装置的热释放循环图。
实施发明的最佳形态
下面根据附图说明本发明的优选实施形态。
根据本发明的利用氢吸附合金及中低温热的发热装置，如图1所示，主要由填充了氢吸附合金的氢吸附合金热交换容器1、2、3、4及中低温蓄热槽7，高温蓄热槽11，热媒体蒸发器12，燃气轮机13，以及发电机14构成。
将从工厂废水等热水来的15℃以上的热8，从中低温气体及热风炉气体来的100～200℃的废热9，从轻水反应堆及地热能来的200℃以下的热10等获得的中低温废热源(15～200℃)媒体蓄积在中低温蓄热槽7中。
分别把温度·平衡氢气压特性不同的两种氢吸附合金Ma及Mb填充到两个氢吸附合金热交换容器内，其制成两组容器。即，分别把氢气吸附合金Ma填充到氢吸附合金热交换容器2、3中，把氢吸附合金Mb填充到氢吸附合金热交换容器1、4中。将两个容器分别用阀5、6连接，以便可分别使氢气移动。在这种情况下，如图2所示，在同一温度时，采用氢吸附合金Mb比氢吸附合金Ma的平衡氢气压高。此外，在图1中，15表示媒体冷凝器，16表示槽，17表示媒体反馈泵，18表示预热器，19、20表示冷却水。
下面对于具有上述结构的发电装置的作用的一例进行说明。
首先，使氢吸附到氢吸附合金热交换容器1的平衡氢压高的低温侧的氢吸附合金Mb中，生成金属氢化物MbH。当用从未利用的中低温热源8、9、10中获得的蓄热槽7中的180℃的中低温媒体对氢吸附合金热交换容器1进行加热时，引起金属氢化物MbH的吸热反应，氢吸附合金热交换容器1内的压力增高而放出氢气。氢气通过阀5流向氢吸附合金热交换容器2，被吸附到平衡氢压低的高温侧的氢吸附合金Ma中。这时，借助发热反应取出300℃的高温媒体，蓄积在高温蓄热槽11内。即，可将中低温热作为高温取出。利用这种高温热对热媒体蒸发器12加热，使产生热媒体高压气体，通过利用该高压气体驱动涡轮机13，而利用发电机发电，提取出电力。
另一方面，作为再生过程，当氢吸附合金热交换容器3的金属氢化物MaH用中低温蓄热槽7的180℃的中低温媒体加热时，金属氢化物MaH引起吸热反应，氢吸附合金热交换容器3内的压力增高而放出氢气。被放出的氢气通过阀6下降到外部大气的温度15℃，流向压力下降后的氢吸附合金热交换器4，被吸附到平衡氢压高的低温侧的氢吸附合金Mb内，再次成为金属氢化物MbH，并反复进行同一循环。
即，通过组合使用二组以上的氢吸附合金Ma及Mb，连续获得高温热，一定量的氢气在不被丢失的情况下反复在氢吸附合金Ma和Mb之间移动。利用这样连续获得的高温热对热媒体蒸发器进行加热，产生热媒体高压气体，通过用该热媒体高压气体使涡轮机旋转，连续驱动发电装置。
又，在本发明中，准备两套如上面所述的由第一氢吸附合金热交换容器与第二氢吸附合金热交换容器构成的系统，将它们交替地切换可获得能够连续进行发电的结构。
根据本发明的装置，是一种利用15～200℃的中低温度废热源，获得80～500℃的高温热的结构。
之所以利用15～200℃的中低温废热源是由于工业设备中排出的废热中，量最大的部分是300℃以下的中低温热源，所以作为热源利用300℃以下的废热从获得热源方面考虑是最有利的，除此之外，当使用超过200℃的高温热源时，氢吸附合金的氢放出温度过高，热效率降低，与此同时，合金有可能会急剧劣化，另一方面，当利用不足15℃的低温热源时，不能充分引起金属氢化物的吸热反应。
另外，之所以制成获得80～500℃的高温热的设备，是由于利用不足80℃的热驱动涡轮机时热效率极低，另一方面，要获得超过500℃的高温，从氢吸附合金的性质上讲有困难，同时也不易于处理。此外，所获得的高温热的温度范围，如后面所述，根据所使用的氢吸附合金的种类是必然确定的。
氢吸附合金Ma及Mb采用相互平衡氢气压不同的合金，其种类依据热源温度进行选择。
如上所述，本发明利用从工厂废水等的热水中来的15℃以上的热、从中低温气体及热风炉气体中来的100～200℃的废热，轻水反应堆及地热能而来的200℃以下的热等各种各样的中低温废热源对在同一温度下平衡氢压高的低温侧的氢吸附合金氢化物MbH加热，并使放出的氢被吸附到氢平衡压低的高温侧的氢吸附合金Ma中，由此生成热媒体的高压气体，利用该高压气体使涡轮机旋转进行发电。
在借助氢吸附合金的氢化物MbH的吸热反应对这种多种多样的中低温废热源进行热回收·利用时，根据废热源的温度对合金氢化物所要求的特性也不同。这时，最重要的特性是温度、即反应热。就是说，氢吸附合金的氢化物MaH吸收与反应热(温度)平衡的热量并分解，作为氢气放出。同样地，在使氢被吸附到氢吸附合金Ma中发热·利用时也一样，反应热越大所得温度越高。同时，通过改变氢吸附合金的种类及组成，决定合金的特性，即反应热(温度)。
所以，在本发明中，对于多种多样的中低温废热源，为确实实现氢吸附合金氢化物的吸热反应以及氢吸附合金的发热反应，需要根据所使用的热源的温度，适当地选择氢吸附合金的种类与组成进行组合。
热源温度与氢吸附合金的关系的具体例子如下所示。
氢吸附合金Mb，在中低温废热源温度15～100℃时，可以使用从以下合金中选择出来的合金：镧-镍系合金，混合稀土-镍系合金，钛-铁系合金，钛-铬系合金，钛-钒系合金，锆-锰系合金，锆-铬系合金，锆-镍系合金，钙-镍系合金，在100～200℃时，可以使用从下述合金选择出来的合金或它们两种以上的复合氢吸附合金：镧-镍系合金，混合稀土-镍系合金，钛-铁系合金，钛-铬系合金，钛-钒系合金，钛-钴系合金等。
此外，氢吸附合金Ma在高温热源温度在80～300℃时，可以使用从以下合金中选择出来的合金：镧-镍系合金，混合稀土-镍系合金，钛-铁系合金，钛-铬系合金，钛-钒系合金，钛-钴系合金，锆-锰系合金，锆-铬系合金，锆-镍系合金，钙-镍系合金等，在300～500℃时，可以使用以下各种合金中之一：镁-镍系合金，镁-铜系合金，镁-镧系合金，镁-铝系合金，镁-锌系合金，镁-钙系合金，或者使用镁系合金与异种合金的复合化合金。此外，混合稀土是稀土类金属的混合物。
此外，作为本发明中热媒体高压气体的种类，可以列举出：丙烷，n-丁烷，n-戊烷，己烷等碳氢化物，或者这些气体的混合物，以及水蒸气等。
下表中列出了在应用根据本发明的利用氢吸附合金和中低温热的发电装置时的主要操作条件的一个例子。
    发电量     100kW
    氢吸附合金种类     上述两种以上的氢吸附合金的组合
    氢吸附合金量     4000～8000kg(依合金种类而异)
    发电效率     30～52％
    热交换效率     70～80％
    高温热源温度     80～500℃
    中低温热源温度     15～200℃
工业上的可利用性
如上所述，根据本发明的利用氢吸附合金和中低温热的发电装置，利用氢吸附合金将现有的发电过程中从来不用的排放热水，从轻水反应堆及热风炉的气体等来的废热，地热热能等低质量(中低温热)能量变换成高质量(高温热)能，可利用这些热高效率地进行发电，可有效地进行能量的利用，减少石油的消耗量，更能对地球的环境保护做出贡献。

Claims (5)

1、一种利用氢吸附合金及中低温热的发电装置，其特征在于，采用能够可逆地吸附·放出氢气，温度·平衡氢压特性不同的两种氢吸附合金，把这两种氢吸附合金分别装填到相互通气连接的第一氢吸附合金热交换容器以及第二氢吸附合金热交换容器内，利用使氢气在所述第一氢吸附合金热交换容器和第二氢吸附合金热交换容器间移动时所放出的热量的热释放循环至少准备两组，通过利用15～200℃的中低温废热源加热在同一温度下平衡氢压高的低温侧的氢吸附合金的氢化物(MbH)，使放出的氢被吸附到平衡氢压低的高温侧的氢吸附合金(Ma)上，由此从中低温热源温度获得更高温度的80～500℃的高温热，借助该热产生热媒体高压气体，利用该高压气体使涡轮机旋转进行发电。
2、如权利要求1所述的利用氢吸附合金及中低温热的发电装置，其特征在于，准备两组由第一氢吸附合金热交换容器和第二氢吸附合金热交换容器构成的系统，将它们交替地切换连续地进行发电。
3、如权利要求1或2所述的利用氢吸附合金及中低温热的发电装置，其特征在于，作为氢吸附合金(Mb)的种类，在中低温废热源温度15～100℃时，可以使用从以下合金中选择出来的合金：镧-镍系合金，混合稀土-镍系合金，钛-铁系合金，钛-铬系合金，钛-钒系合金，锆-锰系合金，锆-铬系合金，锆-镍系合金，钙-镍系合金，在100～200℃时，可以使用从下述合金选择出来的合金或它们两种以上的复合氢吸附合金：镧-镍系合金，混合稀土-镍系合金，钛-铁系合金，钛-铬系合金，钛-钒系合金，钛-钴系合金。
4、如权利要求1或2所述的利用氢吸附合金及中低温热的发电装置，其特征在于，作为氢吸附合金(Ma)的种类，高温热源温度在80～300℃时，可以使用从以下合金中选择出来的合金：镧-镍系合金，混合稀土-镍系合金，钛-铁系合金，钛-铬系合金，钛-钒系合金，钛-钴系合金，锆-锰系合金，锆-铬系合金，锆-镍系合金，钙-镍系合金，在300～500℃时，可以使用以下各种合金中之一：镁-镍系合金，镁-铜系合金，镁-镧系合金，镁-铝系合金，镁-锌系合金，镁-钙系合金，或者使用镁系合金与异种合金的复合化合金。
5、如权利要求1或2所述的利用氢吸附合金及中低温热的发电装置，其特征在于，热媒体高压气体的种类，可以是丙烷，n-丁烷，n-戊烷，己烷等的碳氢化物，或者这些气体的混合物，以及水蒸气。
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