基于鋁水反應的單透平熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型公開了一種基于鋁水反應的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，屬于新型清潔能源高效利用領域。
【背景技術】
[0002]鋁是地殼中大量含有的一種金屬，因為鋁和鋁的化合物呈現(xiàn)出不同的熱力學特性、導電特性和機械特性，所以鋁制品被廣泛的應用于各個不同領域。鋁的能量密度達到29MJ/kg，可以作為能源材料使用。從20世紀50年代，鋁燃燒就被研宄和應用。近年來，利用鋁作為儲存能量的材料獲得了快速發(fā)展。
[0003]因為鋁在氧氣，空氣，二氧化碳和水中都能發(fā)生反應，因此有人提出利用鋁與水反應來制取氫氣。鋁水反應生成氫氣被認為是一種環(huán)境友好型的能源利用方式。當今煤的氣化技術和天然氣重整技術生產(chǎn)了大約95%的氫氣，然而這些技術因消耗化石燃料不能可持續(xù)發(fā)展。利用可再生能源生產(chǎn)鋁并利用鋁水反應生成氫氣將會是一種很可持續(xù)的清潔能源利用方式。
[0004]鋁水反應除放出大量氫氣外，也釋放大量的熱，放出的熱量和生成氫氣的熱值相當。目前基于鋁水反應的能源利用，多是利用其熱量或是利用產(chǎn)物氫氣。如作為水下發(fā)動機推進劑燃料主要成分，主要利用的是反應熱，而對于氫氣則直接做廢氣排入水中；而基于鋁水反應的制氫研宄，則主要關注反應產(chǎn)氫性能。由于致密氧化鋁膜阻礙了鋁水的進一步反應，人們提出了各種促進鋁水反應的方法:加入鹽如NaCl、AlCl3、NaOH、Ga和In等金屬進行球磨等等。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，對于反應熱則不關注，也不利用。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%。欲提高鋁的能源利用效率，氫氣和鋁水反應熱同時利用是很重要的。這里提出了一套以鋁為燃料、利用鋁水反應的氫氣和熱量的能源利用系統(tǒng)構型，實現(xiàn)了鋁的能源高效利用。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型要解決的技術問題是，克服現(xiàn)有技術中的不足，提供一種基于鋁水反應的單透平熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用鋁水反應中生成的氫氣和反應熱，并將之都轉化為可以利用的能量，實現(xiàn)鋁水反應系統(tǒng)能量利用效率的提高。
[0006]為解決技術問題，本實用新型的解決方案是:
[0007]提供一種基于鋁水反應的單透平熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，包括與發(fā)電機相接的透平；所述透平是氫氣-蒸汽透平；循環(huán)泵通過輸送水的管路連接至鋁水反應器入口，鋁水反應器的出口通過輸送氫氣-過熱蒸汽混合物的管路連接至氫氣-蒸汽透平的入口，氫氣-蒸汽透平的出口接至熱交換器；熱交換器的出口分為兩路，其中一路通過輸送氫氣的管路連接至燃料電池的入口，另一路通過輸送水的管路直接連接至所述循環(huán)泵的入口 ；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循環(huán)泵的入口。
[0008]本實用新型中，所述鋁水反應器中預裝有占鋁水反應器體積為50%?70%的水反應金屬；水反應金屬裝填在鋁水反應器的中下部，鋁水反應器出口布置于水反應金屬上部的空腔位置，鋁水反應器入口布置于水反應金屬的中下部位置，鋁水反應器的外側套設保溫隔熱材料。
[0009]利用本實用新型的系統(tǒng)實現(xiàn)的基于鋁水反應的單透平熱電聯(lián)產(chǎn)方法，具體包括:
[0010](I)過量的水通過循環(huán)泵進入鋁水反應器內，與高鋁含量的水反應金屬發(fā)生反應，生產(chǎn)氫氣并產(chǎn)生熱量；過量部分的未反應的水被加熱成為過熱蒸汽，與氫氣一起流出反應器，進入氫氣-蒸汽透平做功，帶動發(fā)電機發(fā)電；
[0011](2)從氫氣-蒸汽透平中排出的乏汽進入熱交換器進行換熱，乏汽被冷卻所釋放的熱量供熱用戶使用，乏汽中的水蒸汽被冷卻后凝結為液態(tài)的水并與氫氣分離，液態(tài)的水送至循環(huán)泵入口重新進入循環(huán)；氫氣被引入燃料電池發(fā)生電化學反應，將氫氣中的化學能轉變?yōu)殡娔芄┯秒娧b置使用，電化學反應生成的水也送至循環(huán)泵入口重新進入循環(huán)。
[0012]所述高鋁含量的水反應金屬能與水反應產(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:銷80?90%、鋰5?15%、鎂5?10%。
[0013]所述鋁水反應器能耐受高溫和高壓，鋁水反應器內部的反應溫度在350?800°C之間，壓力在0.5MPa?5Mpa。所有的水都和水反應金屬接觸，未反應的水受熱成為過熱水蒸汽和氫氣以混合氣形成流出反應器。
[0014]所述鋁水反應器出口的氫氣-過熱蒸汽混合物的溫度在300?600 °C之間，壓力在I ?1MPa0
[0015]所述氫氣-蒸汽透平出口處水蒸汽干度大于70 %。
[0016]過量的水通過循環(huán)泵進入鋁水反應器內，與高鋁含量的水反應金屬發(fā)生反應:
[0017]2A1+3H20 = A1203+3H2+Q
[0018]該反應生成HjP Al 203同時發(fā)出熱量Q。反應熱加熱未反應的水使之蒸發(fā)，反應器內壓力升高，最終未反應水轉變成過熱蒸汽。從反應器流出的過熱蒸汽與氫氣是高溫高壓的，它們一起進入氫氣-蒸汽透平做功，所做的功通過發(fā)電機轉化為電能供用戶使用。從透平機中出來的乏汽經(jīng)過熱交換器，乏汽被冷卻，放出的熱量供熱用戶使用。水蒸汽被冷卻凝結，從而實現(xiàn)水蒸汽與氫氣分離，液體水進入循環(huán)泵。氫氣進入燃料電池，發(fā)生電化學反應，將氫氣中的化學能轉變?yōu)殡娔?。反應生成的水也進入循環(huán)泵中，經(jīng)過增壓后進入反應器中再次參與反應。
[0019]與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的有益效果是:
[0020]1.本實用新型為基于鋁水反應的一體化熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，同時利用了氫氣和反應熱，具有較高的系統(tǒng)效率。系統(tǒng)的能量利用效率可達到70%，其中發(fā)電效率可大于28%。
[0021]2.本實用新型在供電的同時提供熱能，適合野外作業(yè)、偏遠地區(qū)小型建筑等中小型分布式供能。
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