基于鋁水反應(yīng)的雙透平熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開了一種基于鋁水反應(yīng)的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)及方法，屬于新型清潔能源高效利用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]由于人類社會的快速發(fā)展和人口的迅速增長以及對石化資源的大量利用，造成溫室效應(yīng)、大氣污染和酸雨等環(huán)境惡化。這迫使人們在選擇能源時，會優(yōu)先于資源豐富，有環(huán)境友好的能源。鋁是地殼中含量最多的金屬元素，具有來源廣、能量密度較高、無毒性、存放穩(wěn)定等優(yōu)點。鋁的能量密度達(dá)到29MJ/kg，它作為一種能源材料，自20世紀(jì)40年代起受到人們的關(guān)注，在多個領(lǐng)域有所利用。鋁水反應(yīng)除放出大量氫氣外，也釋放大量的熱，放出的熱量和生成氫氣的熱值相當(dāng)。
[0003]目前基于鋁水反應(yīng)的能源利用，多是利用其熱量或是利用產(chǎn)物氫氣，其理論能量利用效率不超過50%。如作為水下發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑燃料主要成分，主要利用的是反應(yīng)熱，而產(chǎn)生的氫氣則直接做廢氣排入水中。而基于鋁水反應(yīng)的制氫研宄，則主要關(guān)注反應(yīng)產(chǎn)氫性能。由于致密氧化鋁膜阻礙了鋁水的進(jìn)一步反應(yīng)，人們提出了各種促進(jìn)鋁水反應(yīng)的方法:加入鹽如NaCl、AlCl3、NaOH、Ga和In等金屬進(jìn)行球磨等等。這些方法都是基于室溫下的含鋁金屬粉浸漬在水溶液中的，對于反應(yīng)熱則不關(guān)注不利用。這兩種鋁能源利用系統(tǒng)，均浪費大量的能量資源，其系統(tǒng)能源效率均低于50%。
[0004]對于提高鋁的能源利用效率，除利用氫氣外，利用鋁水反應(yīng)熱也是很重要的，兩種同時利用可大大提高系統(tǒng)效率。這里提出了一套以鋁為燃料、利用鋁水反應(yīng)的氫氣和熱量新型能源利用系統(tǒng)構(gòu)型，實現(xiàn)了鋁的能源高效利用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于鋁水反應(yīng)的雙透平熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)充分利用鋁水反應(yīng)中生成的氫氣和反應(yīng)熱，并將之都轉(zhuǎn)化為可以利用的能量，實現(xiàn)鋁水反應(yīng)系統(tǒng)能量利用效率的提高。
[0006]為解決技術(shù)問題，本發(fā)明的解決方案是:
[0007]提供一種基于鋁水反應(yīng)的雙透平熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，包括各自連接發(fā)電機(jī)的兩個透平；其特征在于，所述透平分別是氫氣透平和蒸汽透平；
[0008]該系統(tǒng)還包括一個鋁水反應(yīng)器，由反應(yīng)器腔體和換熱部件組成；反應(yīng)器腔體和換熱部件分別設(shè)出口和入口，增壓泵通過輸送水的管路分別連接至反應(yīng)器腔體和換熱部件的入口 ；
[0009]所述反應(yīng)器腔體的出口通過輸送氫氣的管路連接至氫氣透平的入口，氫氣透平的出口接至燃料電池的入口，燃料電池與用電裝置相接，燃料電池的排放口通過輸送水的管路接至所述增壓泵的入口；
[0010]所述換熱部件的出口通過輸送過熱蒸汽的管路連接至蒸汽透平的入口，蒸汽透平的出口連接至換熱器，然后通過輸送水的管路接至所述增壓泵的入口。
[0011]本發(fā)明中，所述反應(yīng)器腔體中裝有占反應(yīng)器腔體體積為50?70%的水反應(yīng)金屬；水反應(yīng)金屬裝填在反應(yīng)器腔體的中下部，反應(yīng)器腔體出口布置于水反應(yīng)金屬上部的空腔位置，反應(yīng)器腔體入口布置于水反應(yīng)金屬的中下部位置。
[0012]本發(fā)明中，所述鋁水反應(yīng)器的換熱部件是下述任意一種形式:換熱部件的主體以螺旋管型布置在反應(yīng)器腔體的外側(cè)，或者是換熱部件的主體以蛇形管型布置在反應(yīng)器腔體的內(nèi)部。
[0013]本發(fā)明中，所述燃料電池中設(shè)換熱裝置。
[0014]本發(fā)明進(jìn)一步提供了基于前述系統(tǒng)的基于鋁水反應(yīng)的雙透平熱電聯(lián)產(chǎn)方法，具體包括:
[0015](I)增壓泵出口的水分兩路進(jìn)入鋁水反應(yīng)器:一路進(jìn)入反應(yīng)器腔體內(nèi)，與高鋁含量的水反應(yīng)金屬發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣并釋放熱量；另一路進(jìn)入換熱部件中，用于吸收反應(yīng)器腔體傳遞的反應(yīng)熱量，使液態(tài)水蒸發(fā)變成過熱蒸汽；
[0016](2)從反應(yīng)器腔體內(nèi)產(chǎn)生的氫氣(以高溫高壓狀態(tài))送入氫氣透平做功，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電；氫氣從氫氣透平排出后進(jìn)入燃料電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，氫氣中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芴峁┙o用電裝置使用；電化學(xué)反應(yīng)生成的水送至增壓泵入口重新進(jìn)入循環(huán)；
[0017](3)從換熱部件流出的過熱蒸汽進(jìn)入蒸汽透平做功，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電；蒸汽透平排出的乏汽被送入熱交換器，乏汽冷卻所釋放的熱量供熱用戶使用，其中的水蒸氣被冷卻凝結(jié)為液體水，然后送至增壓泵入口重新進(jìn)入循環(huán)。
[0018]本發(fā)明中，所述高鋁含量的水反應(yīng)金屬能與水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣放出熱量，是最大尺寸為5?1mm的塊狀的鋁合金，該鋁合金的組分為:鋁80?90%、鋰5?15%、鎂5?10%。
[0019]本發(fā)明中，所述反應(yīng)器腔體內(nèi)部的反應(yīng)溫度在350?800°C之間，壓力在0.5?1MPa。
[0020]本發(fā)明中，所述鋁水反應(yīng)器排出的過熱蒸汽與氫氣的溫度均在300?600°C之間，壓力均在I?lOMPa。
[0021]本發(fā)明中，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)器腔體和換熱部件的水量，實現(xiàn)控制鋁水反應(yīng)器排出的過熱蒸汽和氫氣的溫度與壓力。
[0022]本發(fā)明實現(xiàn)原理的描述:
[0023]通過增壓泵給水，分兩路進(jìn)入鋁水反應(yīng)器內(nèi)，一路水進(jìn)入反應(yīng)器腔體，與高鋁含量的水反應(yīng)金屬發(fā)生反應(yīng):
[0024]2A1+3H20 = A1203+3H2+Q
[0025]該反應(yīng)生成HjP Al 203同時發(fā)出熱量Q。
[0026]另一路水進(jìn)入換熱部件，吸收反應(yīng)熱、蒸發(fā)、轉(zhuǎn)變成高溫高壓的過熱蒸汽。
[0027]從過熱蒸汽進(jìn)入蒸汽透平做功，所做的功通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能供用戶使用。從蒸汽透平中出來的乏汽經(jīng)過熱交換器，乏汽被冷卻，放出的熱量供熱用戶使用。同時水蒸氣被冷卻凝結(jié)，液體水進(jìn)入增壓泵中循環(huán)。反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣以高溫高壓狀態(tài)進(jìn)入氫氣透平做功，所做的功通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能供用戶使用。然后進(jìn)入燃料電池，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，將氫氣中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。反?yīng)生成的水也進(jìn)入增壓泵中循環(huán)。
[0028]燃料電池內(nèi)裝有換熱裝置，將電化學(xué)反應(yīng)放出的熱傳遞給熱工質(zhì)供用戶利用。這一設(shè)計不僅提高了供熱量，同時降低了燃料電池工作溫度，有利用于提高燃料電池效率。
[0029]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0030]1.本發(fā)明為基于鋁水反應(yīng)的一體化熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，同時利用了氫氣和反應(yīng)熱，并利用透平將反應(yīng)熱轉(zhuǎn)化為電能，具有較高的系統(tǒng)效率。系統(tǒng)的能量利用效率可達(dá)到70%以上，其中發(fā)電效率可大于27%。
[0031]2.本發(fā)明在供電的同時提供熱能，適合野外作業(yè)、偏遠(yuǎn)地區(qū)小型建筑等中小型分布式供能。
[0032]3.本發(fā)明為閉式系統(tǒng)，用完的含鋁金屬可以回收再利用，沒有污染物和廢棄物排放，清潔環(huán)保。
【附圖說明】
[0033]圖1為鋁水反應(yīng)的雙透平熱電聯(lián)產(chǎn)循環(huán)(TT)示意圖；
[0034]圖2為鋁水反應(yīng)的雙透平熱電聯(lián)產(chǎn)循環(huán)(TTE)示意圖。
[0035]圖1中附圖標(biāo)記:1增壓泵、2換熱部件、3反應(yīng)器腔體、4氫氣透平、5發(fā)電機(jī)、6蒸汽透平、7發(fā)電機(jī)、8用電裝置、9燃料電池、10換熱器；虛線部分為氣體和液體流動管道，箭頭代表流動方向。
[0036]圖2中附圖標(biāo)記:11增壓泵、12換熱部件、13反應(yīng)器腔體、14換熱器、15蒸汽透平、16氫氣透平、17發(fā)電機(jī)、18發(fā)電機(jī)、19用電裝置、20燃料電池、21換熱裝置；虛線部分為氣體和液體流動管道，箭頭代表流動方向。
【具體實施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的實現(xiàn)方式進(jìn)行詳細(xì)闡述。
[0038]基于鋁水反應(yīng)的雙透平熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)(TT)，如圖1所示:
[0039]系統(tǒng)包括各自連接發(fā)電機(jī)5、7的兩個透平，分別是氫氣透平4和蒸汽透平6 ;
[0040]該系統(tǒng)還包括一個鋁水反應(yīng)器，由反應(yīng)器腔體3和換熱部件2組成，換熱部件2的主體以螺旋管型布置在反應(yīng)器腔體3的外側(cè)。反應(yīng)器腔體3和換熱部件2分別設(shè)出口和入口，增壓泵I通過輸送水的管路分別連接至反應(yīng)器腔體3和換熱部件2的入口；
[0041]所述反應(yīng)器腔體3的出口通過輸送氫氣的管路連接至氫氣透平4的入口，氫氣透平4的出口接至燃料電池9的入口，燃料電池9與用電裝置8相接，燃料電池9的排放口通過輸送水的管路接至增壓泵I的入口；
[0042]所述換熱部件2的出口通過輸送過熱蒸汽的管路連接至蒸汽透平6的入口，蒸汽透平6的出口連接至換熱器10，然后通過輸送水的管路接至增壓泵I的入口。
[0043]反應(yīng)器腔體3中預(yù)裝有占反應(yīng)器腔體3體積為50?70%的高鋁含量的水反應(yīng)金屬；水反應(yīng)金屬裝填在反應(yīng)器腔體3