一种基于铝燃料储能的能源转化系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于铝燃料储能的能源转化系统及方法，包括铝

【技术实现步骤摘要】
一种基于铝燃料储能的能源转化系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种基于铝燃料储能的能源转化系统及方法。

技术介绍

[0002]在可再生能源发电技术不断迅猛发展的同时，因为其不稳定和间断性的特点，目前对储能技术的需求也日趋增长。金属铝能量密度高，地壳中分布广，易于获得，其燃烧产物具有较为成熟的回收重生的工业化流程，并且基于铝燃料的能源转化系统在实现能源转化的过程中不涉及碳排放，污染极低，同时金属铝化学性质稳定，储运较为安全便捷，是实现大规模长周期储能的优秀载体之一。金属铝在空气(氧气)、水和二氧化碳中均可进行氧化反应，但其与水反应可实现就地制氢，同时释放大量的热。但铝粉表面存在氧化膜，其造成铝
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水反应的启动和发展困难。因此诸多针对铝
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水反应的活化技术得到长足的发展，如通过球磨或高温在铝燃料中加入其他低熔点金属(如Ga、Mg和Bi等)、盐类添加剂(如NaCl、KCl和AlCl3等)、氧化物(如AlOOH、Al(OH)3和Al2O3等)类添加剂，或在反应溶液中加入NaOH等碱性溶液破坏铝粉表面的氧化膜进行活化。上述活化方式均在室温下进行，重点研究反应的产氢特性，对反应产热研究较少，且均会引入其他物质，对铝
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水反应后的产物重生有一定的影响。而通过机械活化存在一定的安全隐患，高温活化铝
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水反应则需要投入更多的成本。结合各活化方式的综合活化技术正在不断发展。目前常见的铝燃料能源转化系统均采用电池发电，无法充分利用铝
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水反应产生的大量热能和反应产物，造成一定程度热量的浪费。同时，传统电解氧化铝制铝的过程常选用碳素阳极，在实现铝再生的同时仍会有温室气体产生，并未达到零碳排放的目标。因此如何同时合理利用铝
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水反应产生的氢气和释放的大量热量仍是铝燃料能源转化技术研究的关键。

技术实现思路

[0003]针对以上问题，本专利技术在考虑产物循环、环境保护的基础上对各种技术进行优劣分析与组合利用，提供一种基于铝燃料储能的能源转化系统及方法，利用太阳能零碳排放制铝、产物多级发电以及余热利用方式来获得以铝
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水反应为基础的多级发电循环系统。
[0004]本专利技术采用如下技术方案来实现的：
[0005]一种基于铝燃料储能的能源转化系统，包括太阳能供热发电系统、铝
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水反应器、蒸汽发生器、蒸汽
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氢气透平、燃气透平、蒸汽透平、冷凝式锅炉、压气机、蒸汽
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氢气透平发电机、燃气透平发电机和换热器；
[0006]铝
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水反应器的高温高压混合气体出口连接至蒸汽
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氢气透平的高温高压混合气体进口，蒸汽
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氢气透平与蒸汽
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氢气透平发电机同轴连接，蒸汽
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氢气透平的混合气体出口连接至第一冷凝器的混合气体进口，第一冷凝器的液态水出口连接至蒸汽发生器的液态水进口，第一冷凝器的氢气出口通过氢气干燥器连接至燃烧室的氢气进口，压气机上设置有空气进口，压气机的高压空气出口连接至燃烧室的高压空气进口，燃烧室的水蒸气出口连接至燃气透平的水蒸气进口，燃气透平的水蒸气出口连接至冷凝式锅炉的水蒸气进口，燃
气透平与燃气透平发电机同轴连接，冷凝式锅炉上设置有锅炉冷凝水和烟气出口，冷凝式锅炉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通过换热器和第二冷凝器连接至蒸汽发生器的液态水进口，蒸汽透平与蒸汽
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氢气透平发电机同轴连接，蒸汽发生器的水蒸气出口连接至铝
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水反应器的水蒸气进口；
[0007]铝
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水反应器的固体氢氧化铝出口连接至氢氧化铝反应器的进口，氢氧化铝反应器的出口、冰晶石和氯化盐电解铝所需材料以及NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳均连接至电解池，电解池的出口为铝液，铝液转化为铝粉后送入铝
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水反应器的铝粉进口；
[0008]太阳能供热发电系统分别为氢氧化铝反应器和电解池供电。
[0009]本专利技术进一步的改进在于，铝
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水反应器的高温高压混合气体出口处设置有可变截面阀。
[0010]本专利技术进一步的改进在于，铝
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水反应器的固体氢氧化铝出口处设置有液位传感器。
[0011]本专利技术进一步的改进在于，第一冷凝器的液态水出口处设置有第一循环水泵。
[0012]本专利技术进一步的改进在于，第二冷凝器的出口处设置有第二循环水泵。
[0013]一种基于铝燃料储能的能源转化方法，该方法基于所述的一种基于铝燃料储能的能源转化系统，包括：
[0014]将铝液锻造、粉碎、铝粉球磨至10μm铝粉，该粒径铝粉在铝
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水反应器中被的280℃
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580℃的高温湿蒸汽氧化，快速反应生成氢气，并释放大量热量；随着反应的持续进行，生产的固相产物被移除并收集以用于铝的重生；大量水蒸汽和生成的氢气在铝
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水反应器内变为高温高压的混合气体，混合气体从铝
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水反应器内出来进入蒸汽
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氢气透平做功并第一次发电；
[0015]从蒸汽
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氢气透平出来的混合气体通过冷凝器和氢气干燥器进行分离，水蒸汽变为液态水进入蒸汽发生器，液态水再次进行反应，干燥的氢气进入燃烧室；氢气在燃烧室内与被压缩的空气燃烧放热，生程度水蒸汽进入燃气透平做功带动发电机第二次发电，水蒸汽通过冷凝式锅炉再次被加热，升温升压后的水蒸汽进入蒸汽透平，在透平内做功推动电动机第三次发电，乏气在换热器和冷凝器的作用下变为液态水重新进入蒸汽发生器进入系统循环。
[0016]本专利技术进一步的改进在于，氢氧化铝反应器的供热和电解铝过程的供电通过太阳能供热发电系统提供。
[0017]本专利技术进一步的改进在于，氢氧化铝是铝
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水反应在280℃
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580℃时的主要产物，通过液位传感器将其及时从铝
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水反应器中移除并收集，氢氧化铝分解生成氧化铝，电解氧化铝实现铝的再生，铝
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水反应产生的氢气与水蒸汽在蒸汽
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氢气透平做功发电后，大部分水蒸汽经冷凝器冷却成液态水重新进入蒸汽发生器，潮湿的氢气经过氢气干燥器后进入燃烧室燃烧放热，水蒸汽进入燃气透平再次做功发电，水蒸汽从燃气透平出来后经冷凝式锅炉尾部烟气加热再次进入蒸汽透平做功，推动汽轮机发电，乏气经换热器和冷凝器后变为液态水再次进入蒸汽发生器。
[0018]本专利技术进一步的改进在于，通过蒸汽发生器控制反应的开始与停止，液位传感器和可变截面阀实现了铝粉和水蒸汽连续反应，将机械活化和高温活化方式相结合，促进反应的同时提高了混合气体的初始温度和压力，有利于水蒸汽和反应产物的进一步循环利
用。
[0019]本专利技术至少具有如下有益的技术效果：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于铝燃料储能的能源转化系统，其特征在于，包括太阳能供热发电系统、铝
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水反应器、蒸汽发生器、蒸汽
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氢气透平、燃气透平、蒸汽透平、冷凝式锅炉、压气机、蒸汽
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氢气透平发电机、燃气透平发电机和换热器；铝
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水反应器的高温高压混合气体出口连接至蒸汽
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氢气透平的高温高压混合气体进口，蒸汽
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氢气透平与蒸汽
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氢气透平发电机同轴连接，蒸汽
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氢气透平的混合气体出口连接至第一冷凝器的混合气体进口，第一冷凝器的液态水出口连接至蒸汽发生器的液态水进口，第一冷凝器的氢气出口通过氢气干燥器连接至燃烧室的氢气进口，压气机上设置有空气进口，压气机的高压空气出口连接至燃烧室的高压空气进口，燃烧室的水蒸气出口连接至燃气透平的水蒸气进口，燃气透平的水蒸气出口连接至冷凝式锅炉的水蒸气进口，燃气透平与燃气透平发电机同轴连接，冷凝式锅炉上设置有锅炉冷凝水和烟气出口，冷凝式锅炉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通过换热器和第二冷凝器连接至蒸汽发生器的液态水进口，蒸汽透平与蒸汽
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氢气透平发电机同轴连接，蒸汽发生器的水蒸气出口连接至铝
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水反应器的水蒸气进口；铝
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水反应器的固体氢氧化铝出口连接至氢氧化铝反应器的进口，氢氧化铝反应器的出口、冰晶石和氯化盐电解铝所需材料以及NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳均连接至电解池，电解池的出口为铝液，铝液转化为铝粉后送入铝
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水反应器的铝粉进口；太阳能供热发电系统分别为氢氧化铝反应器和电解池供电。2.根据权利要求1所述的一种基于铝燃料储能的能源转化系统，其特征在于，铝
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水反应器的高温高压混合气体出口处设置有可变截面阀。3.根据权利要求1所述的一种基于铝燃料储能的能源转化系统，其特征在于，铝
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水反应器的固体氢氧化铝出口处设置有液位传感器。4.根据权利要求1所述的一种基于铝燃料储能的能源转化系统，其特征在于，第一冷凝器的液态水出口处设置有第一循环水泵。5.根据权利要求1所述的一种基于铝燃料储能的能源转化系统，其特征在于，第二冷凝器的出口处设置有第二循环水泵。6.一种基于铝燃料储能的能...

【专利技术属性】
技术研发人员：王长安，高昕玥，白文刚，罗茂芸，侯育杰，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：