[發明專利]一種基于鋁燃料的綜合能源系統及其工作方法

在審

• 申請號: 202010798065.0
• 申請日: 2020-08-10
• 公開（公告）號: CN111810267A
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發明（設計）人: 白文剛;張純;喬永強;張旭偉;顧正萌;李紅智;姚明宇
• 申請（專利權）人: 西安熱工研究院有限公司
• 主分類號: F01K27/00
• 分類號: F01K27/00;F01K25/00;F01K11/02;F01D15/10;C01B3/08;C01F7/42;F22B1/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

1.一種基于鋁燃料的綜合能源系統，其特征在于：包括鋁燃料制備及燃燒子系統、蒸汽朗肯循環發電子系統和氫氣分離子系統；

所述鋁燃料制備及燃燒子系統包括氣固分離裝置(6)、氧化鋁電解裝置(1)、電網中富余的可再生能源電力供應(2)、制粉系統(3)和燃燒室(4)；所述氣固分離裝置(6)的固體物質氧化鋁出口通過輸送管路與氧化鋁電解裝置(1)的氧化鋁物料進口相連接，氧化鋁電解裝置(1)的另一個物料進口與助熔劑冰晶石輸送管路相連接，氧化鋁電解裝置(1)的電源與電網中富余的可再生能源電力供應(2)相連接，氧化鋁電解裝(1)的陰極連通制粉系統(3)的燃料進口，制粉系統(3)的燃料出口與燃燒室(4)的燃料進口相連接，燃燒室(4)的助燃劑進口與助燃劑水輸送管路相連接，在燃燒室(4)中，鋁粉與水發生燃燒反應，反應方程式為2Al+3H2O＝Al2O3+3H2；

所述蒸汽朗肯循環發電子系統包括給水泵(10)、低溫換熱器(11)、燃燒室(4)、高溫換熱器(5)、蒸汽輪機(7)、發電機(8)和冷凝器(9)；新補充的動力循環工質水與冷凝器(9)冷凝回收得到的凝結水混合后與給水泵(10)的工質進口相連接，經給水泵(10)升壓后與低溫換熱器(11)的冷側進口相連接，吸熱升溫后的動力循環工質水經低溫換熱器(11)的冷側出口與燃燒室(4)的動力循環工質進口相連接，在燃燒室(4)中繼續吸熱升溫后經燃燒室(4)的動力循環工質出口與高溫換熱器(5)的冷側進口相連接，高溫換熱器(5)的冷側出口與蒸汽輪機(7)的進口相連接，在高溫換熱器(5)中完成吸熱的動力循環工質水成為過熱蒸汽后進入蒸汽輪機(7)膨脹做功并帶動發電機(8)旋轉發電，發電機(8)與蒸汽輪機(7)同軸連接，蒸汽輪機(7)的工質出口與冷凝器(9)的工質進口相連接；

所述燃燒室(4)的燃燒產物出口與高溫換熱器(5)的熱側進口相連接，燃燒產物在高溫換熱器(5)放熱后經高溫換熱器(5)的熱側出口與氣固分離裝置(6)的進口相連接，燃燒產物在氣固分離裝置(6)實現氣固分離，氣固分離裝置(6)的固體出口產物為氧化鋁；

所述氫氣分離子系統包括低溫換熱器(11)和氣液分離裝置(12)；低溫換熱器(11)的熱側進口與氣固分離裝置(6)的氣體出口相連接，在低溫換熱器(11)中燃燒產物放熱降溫后，組分中的水蒸氣凝結成液態，低溫換熱器(11)的熱側出口與氣液分離裝置(12)的進口相連接，在氣液分離裝置(12)中，燃燒產物中的氫氣與水分離后，氫氣由氣液分離裝置(12)的氣體出口排出并收集他用，水由氣液分離裝置(12)的液體出口排出。

2.根據權利要求1所述的一種基于鋁燃料的綜合能源系統，其特征在于：所述氣固分離裝置(6)采用低溫區布置，即布置在高溫換熱器(5)下游。

3.根據權利要求1所述的一種基于鋁燃料的綜合能源系統，其特征在于：所述電網中富余的可再生能源電力供應(2)是電網中難以被利用的由可再生能源發出的電。

4.權利要求1至3任一項所述的基于鋁燃料的綜合能源系統的工作方法，其特征在于：所述的綜合能源系統以氧化鋁為原料，當電網系統中可再生能源發電過剩或富余時，通過氧化鋁電解裝置(1)對熔融的氧化鋁進行電解，將可再生能源電力通過電化學反應轉化成鋁燃料的化學能進行儲存；當電網系統中可再生能源發電不足或世界上某地理位置需要電力供應時，通過燃料制備及燃燒子系統和蒸汽朗肯循環發電子系統將鋁燃料的化學能轉化成電能，對外實現供電，具體的將化學能轉化成電能的過程為：通過氧化鋁電解裝置(1)得到的燃料鋁，經制粉系統(3)磨制成鋁粉，鋁粉與水在燃燒室(4)中發生燃燒放熱反應，具體的反應方程式為2Al+3H2O＝Al2O3+3H2；新補充的動力循環工質水與冷凝器(9)冷凝回收得到的凝結水混合后經給水泵(10)升壓后依次經低溫換熱器(11)、燃燒室(4)和高溫換熱器(5)吸熱后成為過熱蒸汽，然后進入蒸汽輪機(7)膨脹做功并帶動發電機(8)旋轉發電；鋁燃料燃燒后的產物經換熱分離后得到氫氣和氧化鋁，氫氣用于氫燃料電池或氫燃氣輪機，氧化鋁可重新進入綜合能源系統，通過氧化鋁電解裝置(1)電解再次得到鋁燃料，實現循環利用，整個過程氧化鋁無消耗。