專利名稱：基于堿金屬熱電轉(zhuǎn)換的發(fā)電與制氫聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的名稱是基于堿金屬熱電轉(zhuǎn)換的發(fā)電與制氫聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，屬能源動(dòng)力工
程領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電能是最理想的二次能源，用以供應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)各部門與人民生活之需。電能的生 產(chǎn)過程可分為動(dòng)態(tài)發(fā)電和靜態(tài)發(fā)電。傳統(tǒng)的發(fā)電，一般屬于動(dòng)態(tài)發(fā)電，指的是利用發(fā)電動(dòng)力 裝置將水能、化石燃料(如煤、油、天然氣等)的熱能、核能以及太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海?能等轉(zhuǎn)換為電能的生產(chǎn)過程。目前的電能生產(chǎn)主要是動(dòng)態(tài)發(fā)電，即先將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能 再轉(zhuǎn)換為電能。而靜態(tài)發(fā)電則是將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能。 一般來說，在整個(gè)生態(tài)環(huán)境的能 量流動(dòng)中，隨著轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的增加，轉(zhuǎn)換鏈條的拉長(zhǎng)，能量的損失將呈幾何級(jí)增加，并同時(shí)大 大增加整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作成本和不穩(wěn)定性。從這一點(diǎn)來看，靜態(tài)發(fā)電較之動(dòng)態(tài)發(fā)電有可能提 供更好的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。另一方面，由于動(dòng)態(tài)發(fā)電帶有運(yùn)動(dòng)部件，因此磨損，噪音，維護(hù)等 問題接踵而來。況且，目前傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)發(fā)電為了獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益，裝機(jī)容量比較大，因 此投資成本較高，不適合作為地面的分布式能源。于是，有學(xué)者提出利用無運(yùn)動(dòng)部件、無聲 且無需維護(hù)的熱電直接轉(zhuǎn)換器來進(jìn)行發(fā)電，即靜態(tài)發(fā)電。堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器作為熱電直接 轉(zhuǎn)換器的一種，是以P〃氧化鋁固體電解質(zhì)為離子選擇性滲透膜，以液態(tài)或氣態(tài)堿金屬為 循環(huán)工質(zhì)的高效面積型熱電直接轉(zhuǎn)換裝置。堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器除了無運(yùn)動(dòng)部件、無聲、無需 維護(hù)、工作可靠和高效潔凈等優(yōu)點(diǎn)，它還是一種低電壓面積型器件，功率密度高；能量轉(zhuǎn)換 效率與裝置容量無關(guān)，且熱電轉(zhuǎn)換效率理論上可達(dá)30 40%，因而頗受人們的關(guān)注。堿金 屬熱電轉(zhuǎn)換器適用于太陽能、核能、化石能等多種形式的熱源。不論在地面還是空間，都有 很好的應(yīng)用前景，特別是堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器的發(fā)電功率較小，一般為5 50kW，因此它使用 靈活，既可以作分布式系統(tǒng)單獨(dú)分散發(fā)電，也可以靠模塊組合構(gòu)成更大規(guī)模的發(fā)電裝置。
另一方面，由于堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器的冷凝器余熱溫度較高，為400 700K，因此， 如果能將冷凝器的余熱加以利用，一方面可以提高整個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程的熱效率，實(shí)現(xiàn)熱能 的高效轉(zhuǎn)換與利用；另一方面，可以避免或減少冷凝器余熱對(duì)環(huán)境造成的熱污染，有利于環(huán) 境保護(hù)。目前有學(xué)者提出了利用某些可逆的化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)一些常規(guī)燃料的脫碳和制氫， 以及一些化合物如水的分解制氫和利用金屬氧化物與水蒸氣的反應(yīng)制氫、甲烷和水蒸氣重 整反應(yīng)制氫等。甲醇作為煤或生物質(zhì)等可再生能源植物的產(chǎn)物對(duì)減少常規(guī)能源的消耗具有 很大的潛力。已有研究表明，甲醇水蒸氣重整制氫由于具有原料來源方便、能耗低、重整溫 度低、貯存和運(yùn)輸容易、投資和生產(chǎn)成本低、轉(zhuǎn)換效率高和CO含量低等特點(diǎn)而成為燃料電 池氫燃料和其它工業(yè)用氫的重要來源，是近20年來新興的制氫技術(shù)。根據(jù)堿金屬熱電轉(zhuǎn) 換原理，其冷凝器的余熱溫度為400 700K，而甲醇水蒸氣重整的吸熱反應(yīng)溫度為493 553K，也就是說通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器的冷凝器的余熱完全可以作為甲醇水 蒸氣重整反應(yīng)的熱源。 基于以上現(xiàn)狀和思想，提出把基于堿金屬熱電轉(zhuǎn)換的熱發(fā)電和甲醇水蒸氣重整制氫聯(lián)合起來的循環(huán)系統(tǒng)，即基于堿金屬熱電轉(zhuǎn)換的發(fā)電與制氫聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種基于堿金屬熱電轉(zhuǎn)換的發(fā)電與制氫聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。本聯(lián)合循環(huán)系
統(tǒng)包括將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能的堿金屬熱電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)和將余熱轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的甲醇水
蒸氣重整制氫子系統(tǒng)。本系統(tǒng)一方面可以解決堿金屬熱電轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生的余熱問題，實(shí)現(xiàn)
多種能量的綜合梯級(jí)利用；另一方面可以解決單純的熱能-化學(xué)能轉(zhuǎn)換利用投資較大的問
題，起到節(jié)能、節(jié)資的效果。 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn) 主要由蒸發(fā)器1、高壓鈉蒸汽管道2、堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器3、低壓鈉蒸汽管道4、冷 凝器5、反應(yīng)器6、預(yù)熱器7、冷凝吸收器8、汽化過熱器9、導(dǎo)熱油泵10、甲醇泵11、脫鹽水泵 12、變壓吸附分離裝置13和連接管道組成的基于堿金屬熱電轉(zhuǎn)換的發(fā)電與制氫聯(lián)合循環(huán) 系統(tǒng)，其特征在于堿金屬熱電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)以鈉為工質(zhì)，經(jīng)堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器3將熱能直接 轉(zhuǎn)化為電能；甲醇水蒸氣重整制氫子系統(tǒng)以堿金屬熱電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)中的冷凝器5的余熱為 熱源，經(jīng)甲醇水蒸氣重整反應(yīng)將冷凝器5的余熱轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存在氫氣中；甲醇水蒸氣 重整制氫子系統(tǒng)經(jīng)導(dǎo)熱油回路與堿金屬熱電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的冷凝器5相連，冷凝器5的余熱 溫度為400 700K。 本發(fā)明的堿金屬熱電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)中的蒸發(fā)器1采用基于毛細(xì)泵回路原理的圓柱 式蒸發(fā)器，其工作溫度為900 1300K ;蒸發(fā)器1的外殼18的外側(cè)吸收外部輸入熱能；外殼 18的內(nèi)側(cè)均勻設(shè)有與外殼18成一體的縱向直肋片19 ;液態(tài)工質(zhì)在沿蒸發(fā)器中心軸線方向 的圓形鈉液體通道22內(nèi)流動(dòng)；在縱向直肋片19的頂部與鈉液體通道22之間的環(huán)形通道內(nèi) 設(shè)有高毛細(xì)力、低流動(dòng)阻力的高性能多孔毛細(xì)芯21 ;由蒸發(fā)器外殼18的內(nèi)側(cè)、縱向直肋片 19的肋面和多孔毛細(xì)芯21的外側(cè)組成的各扇形通道為鈉蒸汽通道20。
本發(fā)明的甲醇水蒸氣重整制氫子系統(tǒng)中的反應(yīng)器6采用固定管式反應(yīng)床層結(jié)構(gòu)， 床層內(nèi)填充Cu/Zn0/A1^3催化劑。以甲醇和水蒸氣的混合物為反應(yīng)物，在催化劑的作用下， 吸收堿金屬熱電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)中冷凝器5的冷凝余熱，溫度達(dá)到493 553K后進(jìn)行重整反 應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物氣體主要為H2、 0)2、少量的CO和未反應(yīng)的CH30H和H20。 本發(fā)明與現(xiàn)有能源利用系統(tǒng)相比具有以下特點(diǎn)(1)本聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)包括將熱能 直接轉(zhuǎn)化為電能的堿金屬熱電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)和將余熱轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的甲醇水蒸氣重整制氫 子系統(tǒng)，具有熱能_電能_化學(xué)能聯(lián)產(chǎn)的功能，實(shí)現(xiàn)了不同用能系統(tǒng)集成和多種能量的綜合 梯級(jí)利用。(2)本聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)適用于多種能源形式，如化石燃料(煤、油、天然氣等)的熱 能、核能以及太陽能等，因而具有廣泛的適用性。(3)本聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)由于采用堿金屬熱電 轉(zhuǎn)換器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱動(dòng)力發(fā)電裝置，具有熱電轉(zhuǎn)換效率高、功率密度高、無運(yùn)動(dòng)部件、無聲、 無需維護(hù)、可靠性高、高效潔凈以及可模塊化組合等優(yōu)點(diǎn)。(4)本聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)采用基于毛 細(xì)泵回路原理的圓柱式蒸發(fā)器，以具有高毛細(xì)力、低流動(dòng)阻力的高性能多孔毛細(xì)芯提供循 環(huán)動(dòng)力，從而具有結(jié)構(gòu)靈活、控溫和傳熱能力強(qiáng)等特點(diǎn)。(5)本聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)采用甲醇水蒸 氣重整制氫反應(yīng)合理利用堿金屬熱電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)中冷凝器的余熱，一方面可以提高整個(gè)系 統(tǒng)的熱利用率，以達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)性；另一方面，可以避免或減少冷凝器余熱對(duì)環(huán)境造成的 熱污染，有利于環(huán)境保護(hù)。


圖1為本發(fā)明實(shí)施示意圖； 圖2為圖1中蒸發(fā)器l的A-A剖面視圖。 其中l(wèi)-蒸發(fā)器；2-高壓鈉蒸汽管道；3_堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器；4_低壓鈉蒸汽管道； 5-冷凝器；6_反應(yīng)器；7-預(yù)熱器；8-冷凝吸收器；9_汽化過熱器；10_導(dǎo)熱油泵；11_甲醇 泵；12-脫鹽水泵；13-變壓吸附分離裝置；14-負(fù)載；15-多孔薄膜陽極；16-P 〃氧化鋁固 體電解質(zhì)；17-多孔薄膜陰極；18-外殼；19-縱向直肋片；20-鈉蒸汽通道；21-多孔毛細(xì) 芯；22-鈉液體通道。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合說明書附圖中的圖1、圖2對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施進(jìn)行詳細(xì)說明。 本發(fā)明主要由蒸發(fā)器1、高壓鈉蒸汽管道2、堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器3、低壓鈉蒸汽管道
4、冷凝器5、反應(yīng)器6、預(yù)熱器7、冷凝吸收器8、汽化過熱器9、導(dǎo)熱油泵10、甲醇泵llj兌鹽
水泵12、變壓吸附分離裝置13和連接管道組成。其中，蒸發(fā)器1是由外殼18、縱向直肋片
19、鈉蒸汽通道20、多孔毛細(xì)芯21和鈉液體通道22組成；堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器3由負(fù)載14、
多孔薄膜陽極15、 13 〃氧化鋁固體電解質(zhì)16和多孔薄膜陰極17組成。 本發(fā)明的工作過程如下 對(duì)于堿金屬熱電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)，外部輸入熱能經(jīng)蒸發(fā)器l的外殼18和縱向直肋片19 導(dǎo)入到達(dá)多孔毛細(xì)芯21，鈉液體通道22內(nèi)的液體工質(zhì)鈉在毛細(xì)抽力的作用下進(jìn)入多孔毛 細(xì)芯21 ;在多孔毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)內(nèi)，溫度為400 700K的液態(tài)鈉被加熱成900 1300K的氣態(tài) 鈉；高溫氣態(tài)鈉由鈉蒸汽通道20經(jīng)高壓鈉蒸汽管道2到達(dá)多孔薄膜陽極15與13 〃氧化鋁 固體電解質(zhì)16的界面處，并發(fā)生電離Na — e+Na+ ;由于P 〃氧化鋁固體電解質(zhì)16具有陽 離子電導(dǎo)率很高而電子電導(dǎo)率很低的特點(diǎn)，因此，由P 〃氧化鋁固體電解質(zhì)16兩側(cè)鈉蒸氣 壓力差決定的化學(xué)勢(shì)梯度驅(qū)使Na+穿過13 〃氧化鋁固體電解質(zhì)16，向13 〃氧化鋁固體電解 質(zhì)16與多孔薄膜陰極17界面遷移，而電子則在多孔薄膜陽極15與13 〃氧化鋁固體電解 質(zhì)16的界面處積聚。當(dāng)外電路接通時(shí)，電子經(jīng)負(fù)載14到達(dá)多孔薄膜陰極17，在13 〃氧化 鋁固體電解質(zhì)16和多孔薄膜陰極17界面處與鈉離子復(fù)合成中性鈉原子Na++e — Na。鈉 原子吸收氣化熱而蒸發(fā)，經(jīng)低壓鈉蒸汽管道4到達(dá)冷凝器5，釋放出凝結(jié)熱。凝結(jié)的液態(tài)鈉 進(jìn)入蒸發(fā)器1的鈉液體通道22以循環(huán)使用。這樣，堿金屬熱電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)通過堿金屬熱電 轉(zhuǎn)換器3把熱能直接轉(zhuǎn)換為電能。 另一方面，對(duì)甲醇水蒸氣重整制氫子系統(tǒng)，導(dǎo)熱油回路中的導(dǎo)熱油在導(dǎo)熱油泵10 的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)入堿金屬熱電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)中的冷凝器5，以強(qiáng)制對(duì)流的方式吸收冷凝器5的余 熱后，進(jìn)入反應(yīng)器6 ;在反應(yīng)器6內(nèi)，甲醇和水蒸氣的混合物吸收來自導(dǎo)熱油的熱量，溫度達(dá) 到493 553K后，在反應(yīng)床層中經(jīng)Cu/ZnO/Al203催化劑的作用進(jìn)行甲醇水蒸氣重整制氫反 應(yīng)，得到的混合氣體產(chǎn)物流經(jīng)預(yù)熱器7，把熱量傳給甲醇和脫鹽水的混合物，冷卻后的混合 氣體產(chǎn)物再流經(jīng)冷凝吸收器8，在冷凝吸收器8中，混合氣體產(chǎn)物進(jìn)一步被冷卻，同時(shí)未反 應(yīng)完的甲醇和水蒸氣被脫鹽水所吸收，最后從冷凝吸收器8流出的被冷卻和凈化后的混合 氣體產(chǎn)物進(jìn)入變壓吸附分離裝置13，分離出純度較高的氫氣和解析氣。與此同時(shí)，脫鹽水經(jīng)脫鹽水泵11進(jìn)入冷凝吸收器8，經(jīng)混合氣體產(chǎn)物加熱并吸收未反應(yīng)完的甲醇和水蒸氣后， 再按一定比例與由甲醇泵12輸入的甲醇混合，進(jìn)入預(yù)熱器7被混合氣體產(chǎn)物預(yù)熱，再經(jīng)汽 化過熱器9與導(dǎo)熱油回路中從反應(yīng)器6出來的導(dǎo)熱油換熱，汽化生成甲醇和水蒸氣的混合 物，最后進(jìn)入反應(yīng)器6，吸收導(dǎo)熱油回路中進(jìn)入反應(yīng)器6的導(dǎo)熱油熱量，進(jìn)行甲醇水蒸氣重 整制氫反應(yīng)。如此循環(huán)，甲醇水蒸氣重整制氫子系統(tǒng)就把堿金屬熱電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)中冷凝器 5的余熱轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存在制得的氫氣中。
權(quán)利要求
一種基于堿金屬熱電轉(zhuǎn)換的發(fā)電與制氫聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，包括堿金屬熱電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)和甲醇水蒸氣重整制氫子系統(tǒng)，主要由蒸發(fā)器(1)、高壓鈉蒸汽管道(2)、堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器(3)、低壓鈉蒸汽管道(4)、冷凝器(5)、反應(yīng)器(6)、預(yù)熱器(7)、冷凝吸收器(8)、汽化過熱器(9)、導(dǎo)熱油泵(10)、甲醇泵(11)、脫鹽水泵(12)、變壓吸附分離裝置(13)和連接管道組成；其特征在于堿金屬熱電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)以鈉為工質(zhì)，經(jīng)堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器(3)將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能；甲醇水蒸氣重整制氫子系統(tǒng)以堿金屬熱電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)中的冷凝器(5)的余熱為熱源，經(jīng)甲醇水蒸氣重整反應(yīng)將冷凝器(5)的余熱轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存在氫氣中；甲醇水蒸氣重整制氫子系統(tǒng)經(jīng)導(dǎo)熱油回路與堿金屬熱電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的冷凝器(5)相連，冷凝器(5)的余熱溫度為400～700K。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于堿金屬熱電轉(zhuǎn)換的發(fā)電與制氫聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，其特 征在于權(quán)利要求1中所述的堿金屬熱電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)中的蒸發(fā)器(1)采用基于毛細(xì)泵回路 原理的圓柱式蒸發(fā)器，其工作溫度為900 1300K ;蒸發(fā)器(1)的外殼(18)外側(cè)吸收外部 輸入熱能；外殼(18)內(nèi)側(cè)均勻設(shè)有與外殼(18)成一體的縱向直肋片(19);液態(tài)工質(zhì)在沿 蒸發(fā)器中心軸線方向的圓形鈉液體通道(22)內(nèi)流動(dòng)；在縱向直肋片(19)頂部與鈉液體通 道(22)之間的環(huán)形通道內(nèi)設(shè)有高毛細(xì)力、低流動(dòng)阻力的高性能多孔毛細(xì)芯(21);由蒸發(fā)器 外殼(18)的內(nèi)壁面、縱向直肋片(19)的肋面和多孔毛細(xì)芯(21)的外側(cè)組成的各扇形通道 為鈉蒸汽通道(20)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于堿金屬熱電轉(zhuǎn)換的發(fā)電與制氫聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，其特 征在于權(quán)利要求1中所述的甲醇水蒸氣重整制氫子系統(tǒng)中的反應(yīng)器(6)采用固定管式反 應(yīng)床層結(jié)構(gòu)，床層內(nèi)填充Cu/Zn0/Al203催化劑。
全文摘要
一種基于堿金屬熱電轉(zhuǎn)換的發(fā)電與制氫聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，屬能源動(dòng)力工程領(lǐng)域。該聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)包括將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能的堿金屬熱電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)和將余熱轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的甲醇水蒸氣重整制氫子系統(tǒng)。堿金屬熱電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)主要由蒸發(fā)器、高壓鈉蒸汽管道、堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器、低壓鈉蒸汽管道、冷凝器組成；甲醇水蒸氣重整制氫子系統(tǒng)主要由反應(yīng)器、預(yù)熱器、冷凝吸收器、汽化過熱器、導(dǎo)熱油泵、甲醇泵、脫鹽水泵、變壓吸附分離裝置組成。與常規(guī)能源系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)為一個(gè)多能源(熱能和甲醇)輸入、多產(chǎn)品(電力和氫)輸出的多功能能源系統(tǒng)，既可實(shí)現(xiàn)熱能的熱電直接轉(zhuǎn)換，又可實(shí)現(xiàn)余熱的熱化學(xué)利用。
文檔編號(hào)C01B3/32GK101764533SQ20101004204
公開日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2010年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月13日
發(fā)明者吳雙應(yīng), 李友榮, 肖蘭 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)