一种基于铝-水反应的氢气-蒸汽联合循环发电系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于铝

【技术实现步骤摘要】
一种基于铝
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水反应的氢气
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蒸汽联合循环发电系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种基于铝
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水反应的氢气
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蒸汽联合循环发电系统及方法。

技术介绍

[0002]能源是人类社会不断发展的基石，随着温室效应和大气污染等环境问题日趋严峻，以传统化石能源为主的发电系统面临巨大压力。随着世界各国能源结构改革进程的不断推进，可再生能源的不稳定性和不确定性等特点促进了大规模、长周期储能技术的不断发展。金属燃料铝地壳含量高，具有相对成熟的循环再生工业流程，性质稳定，安全无毒，运输便捷，理论上在有水的地方即可实现就地反应，解决了运输问题，其具有成为大规模储能载体的潜力。若在电解铝过程中采用新型惰性阳极电解技术，则可避免铝再生环境产生的碳排放，有望实现全过程零碳排放。但铝粉表面常存在一层致密的氧化膜阻碍反应的启动和发展，目前持续去除氧化膜的方法有在碱液中进行反应、在铝燃料中加入添加剂、机械活化以及提高反应温度等。其中，碱液活化价格低廉，操作方便，但对设备材料要求较高，在铝燃料中加入添加剂制备过程复杂，虽然能够降低反应条件，但复合材料储存困难，且含有其他元素难以回收利用，机械和高温活化有利于反应产物的循环再生，但实现成本较高。铝燃料常用于水下推进剂、固体火箭推进剂、制氢和电池等，铝
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水反应释放大量氢和热，目前多数应用无法同时有效利用两者，推进剂主要利用反应热，而产生的氢气则直接排放，制氢产业则多直接将热排放到空气中，造成大量热能不必要的浪费。而现有基于铝
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水反应的系统能量利用效率较低，发电成本较高，反应过程中的热量利用不充分，无法实现大规模应用。对于以铝
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水反应为基础的能源转化系统在合理利用氢气和热量的同时如何降低发电成本是亟待解决的关键问题。

技术实现思路

[0003]针对以上问题，本专利技术在考虑充分利用铝
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水反应产氢和放热利用、降低发电成本的基础上对各种技术进行优劣分析与组合利用，提供一种基于铝
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水反应的氢气
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蒸汽联合循环发电系统及方法，利用可再生能源制铝、多种活化方式耦合反应以及余热利用方式来获得以铝为燃料的燃料可再生循环的发电系统。
[0004]本专利技术采用如下技术方案来实现的：
[0005]基于铝
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水反应的氢气
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蒸汽联合循环发电系统，包括太阳能光热供热系统、可再生能源供电系统、铝
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水反应器、储水塔、铝粉贮存系统、铝
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水混合槽、氢气
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水蒸汽分离器、氢燃气透平和蒸汽透平；
[0006]铝
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水反应器的高温高压混合气体出口连接至氢气
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水蒸汽分离器的高温高压混合气体进口，氢气
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水蒸汽分离器的氢气出口连接至燃烧室的氢气进口，燃烧室上设置有空气进口，燃烧室的水蒸气出口连接至氢燃气透平的水蒸气进口，氢燃气透平的水蒸气出口通过第一换热器和第一冷凝器连接至铝
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水混合槽的液态水进口，氢燃气透平与氢燃气透平发电机同轴连接，氢气
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水蒸汽分离器的水蒸气出口连接至蒸汽透平的水蒸气进口，蒸汽
透平的水蒸气出口连接至第二换热器的进口，第二换热器的余热利用中热量出口连接至铝
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水反应器的余热利用中热量入口，第二换热器的水蒸气出口连接至第二冷凝器的水蒸气进口，第二冷凝器的液态水出口连接至铝
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水混合槽的液态水进口，储水塔的出口和铝粉贮存系统的出口连接至铝
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水混合槽的铝粉与液态水的混合物进口，铝
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水混合槽的铝粉与液态水的混合物出口连接至铝
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水反应器的铝
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水混合物进口，铝
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水反应器的固体氧化铝出口连接至电解铝装置的氧化铝进口，电解铝装置的铝颗粒出口将铝粒送至铝粉贮存系统；
[0007]太阳能光热供热系统用于为铝
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水反应器供电，可再生能源供电系统用于为电解铝装置供电。
[0008]本专利技术进一步的改进在于，第一冷凝器的出口处设置有第一循环泵。
[0009]本专利技术进一步的改进在于，第二冷凝器的液态水出口处设置有第二循环泵。
[0010]本专利技术进一步的改进在于，可再生能源供电系统采用水力发电、太阳能发电和海洋能发电。
[0011]本专利技术进一步的改进在于，铝
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水混合槽的铝粉与液态水的混合物出口处设置有高压水泵。
[0012]基于铝
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水反应的氢气
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蒸汽联合循环发电方法，该方法基于所述的基于铝
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水反应的氢气
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蒸汽联合循环发电系统，包括：
[0013]铝
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水反应器通过太阳能光热供热升温，一部分液态水受热变为水蒸汽，铝
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水反应器内形成设定高温高压环境，铝燃料和反应用水在铝
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水混合槽中被充分搅拌，形成悬浊液进入铝
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水反应器，经过喷嘴破碎后在铝
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水反应器内发生反应；
[0014]铝燃料在铝
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水反应器中反应产生的固相产物通过非接触式液位感应器被移除，收集分离后的氧化铝进行电解循环再生；随着铝
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水反应器中铝
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水反应的持续进行，大量热被释放，保证铝
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水反应器内水的状态始终为气态，因此形成了包括水蒸汽和氢气的带有热量的高温高压混合气体，含有水蒸汽和氢气的高温高压混合气体通过氢气
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水蒸汽分离器被分离成带有设定压力的高温水蒸汽和高温氢气；
[0015]高温高压水蒸汽进入蒸汽透平做功推动发电机发电，乏气首先经过第二换热器，释放出的热量继续用于铝
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水反应器的升温，提升后续铝
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水反应速率，经过第二换热器的水蒸汽通过第二冷凝器被冷却为液态水，被送入铝
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水混合槽中继续反应或进入铝
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水混合槽以备反应，
[0016]带有设定压力的高温氢气进入燃烧室，在燃烧室中燃烧放出大量热量，燃烧产物推动氢燃气透平做功，发电机发电，反应后产生的高温水蒸汽首先通过第一换热器换热，释放出的热量继续加热铝
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水反应器，换热后的水蒸汽被第一冷凝器冷却成液态水，液态水继续机内铝
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水混合槽或铝
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水反应器。
[0017]本专利技术进一步的改进在于，在铝
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水混合物进入铝
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水反应器前，通过太阳能光热供热和换热器放热将反应器温度升高至570℃以上，铝
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水反应器中部分水受热形成饱和蒸汽，反应器内压力升高至5
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于铝
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水反应的氢气
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蒸汽联合循环发电系统，其特征在于，包括太阳能光热供热系统、可再生能源供电系统、铝
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水反应器、储水塔、铝粉贮存系统、铝
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水混合槽、氢气
‑
水蒸汽分离器、氢燃气透平和蒸汽透平；铝
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水反应器的高温高压混合气体出口连接至氢气
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水蒸汽分离器的高温高压混合气体进口，氢气
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水蒸汽分离器的氢气出口连接至燃烧室的氢气进口，燃烧室上设置有空气进口，燃烧室的水蒸气出口连接至氢燃气透平的水蒸气进口，氢燃气透平的水蒸气出口通过第一换热器和第一冷凝器连接至铝
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水混合槽的液态水进口，氢燃气透平与氢燃气透平发电机同轴连接，氢气
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水蒸汽分离器的水蒸气出口连接至蒸汽透平的水蒸气进口，蒸汽透平的水蒸气出口连接至第二换热器的进口，第二换热器的余热利用中热量出口连接至铝
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水反应器的余热利用中热量入口，第二换热器的水蒸气出口连接至第二冷凝器的水蒸气进口，第二冷凝器的液态水出口连接至铝
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水混合槽的液态水进口，储水塔的出口和铝粉贮存系统的出口连接至铝
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水混合槽的铝粉与液态水的混合物进口，铝
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水混合槽的铝粉与液态水的混合物出口连接至铝
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水反应器的铝
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水混合物进口，铝
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水反应器的固体氧化铝出口连接至电解铝装置的氧化铝进口，电解铝装置的铝颗粒出口将铝粒送至铝粉贮存系统；太阳能光热供热系统用于为铝
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水反应器供电，可再生能源供电系统用于为电解铝装置供电。2.根据权利要求1所述的基于铝
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水反应的氢气
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蒸汽联合循环发电系统，其特征在于，第一冷凝器的出口处设置有第一循环泵。3.根据权利要求1所述的基于铝
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水反应的氢气
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蒸汽联合循环发电系统，其特征在于，第二冷凝器的液态水出口处设置有第二循环泵。4.根据权利要求1所述的基于铝
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水反应的氢气
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蒸汽联合循环发电系统，其特征在于，可再生能源供电系统采用水力发电、太阳能发电和海洋能发电。5.根据权利要求1所述的基于铝
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水反应的氢气
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蒸汽联合循环发电系统，其特征在于，铝
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水混合槽的铝粉与液态水的混合物出口处设置有高压水泵。6.基于铝
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水反应的氢气
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蒸汽联合循环发电方法，其特征在于，该方法基于权利要求1至5中任一项所述的基于铝
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【专利技术属性】
技术研发人员：王长安，高昕玥，白文刚，侯育杰，罗茂芸，车得福，
申请(专利权)人：西安热工研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：