CN114665795B - 一种零碳排放的铝基能源转化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种零碳排放的铝基能源转化系统，包括风光互补发电制铝系统、超级电容器和锂电池混合储能系统、燃烧室、研磨装置、冷凝器、气固分离装置、燃气轮机、一级蒸汽轮机、二级蒸汽轮机、热交换器、蒸汽发生器，一级发电机和二级发电机。针对电解铝能耗高的问题，采取新能源进行直接制铝与过余能量存储；针对铝表面氧化膜降低反应活性，采取多种活化方式组合以提高反应效率；针对如何利用系统余热的问题，利用水进行换热，将系统各阶段余热充分利用，减少了热量损失。整个能源转化体系不消耗化石燃料，输入能源是以太阳能和风能为主的新能源，实现了零碳排放。

Description

一种零碳排放的铝基能源转化系统

技术领域

本发明涉及一种零碳排放的铝基能源转化系统。

背景技术

人类社会快速发展和对化石燃料的大量使用，导致了诸如大气污染、碳排放超标和温室效应等环境问题，而以石油，煤矿为代表的传统能源，在未来存在着产量下降的问题，迫使人们在选择能源时优先考虑资源丰富，对环境友好的资源。铝是地壳中含量最多的金属元素，具有来源广、能量密度较高、无毒性、存放稳定等优点，可以作为大规模能源存储载体，利用新能源电解制铝，再将铝运输至发电场所，可解决新能源供能不稳定的问题。但在铝基能量转化体系中，由于铝表面易发生氧化反应，生成致密的氧化膜，阻止反应的进行，为了保证反应充分进行，现有方法主要为：(1)依靠碱液去除表面氧化膜，操作简单，但会对设备造成腐蚀，降低使用寿命；(2)通过添加剂活化来破坏铝粒表面氧化膜，使铝在常温下持续与水发生反应，但添加剂的制备与储存要求高，难以持续且高效地反应，且部分添加剂的价格昂贵；(3)使用机械研磨的方式将铝颗粒的粒径研磨至纳米级，提高铝粒的反应活性保证反应的充分进行，但是超细铝粉的高活性，使其难以在常温空气中保存，必须保存在惰性气体中，难以在正常情况下使用；(4)依靠高温活化，但是对设备要求高，需要使用良好的耐火材料，增加制造成本。此外，现有系统对反应过程中的热量利用不充分，导致部分可利用能量损失，使得铝基能源体系的成本过高，能量利用率低。对于铝基能量转化的相关系统，在降低发电成本的同时，如何保证较高的能源转化率是亟待解决的技术难点。

发明内容

针对以上问题，本发明在考虑环境保护、降低系统成本的基础上对各种技术进行优劣分析与组合利用，提供一种零碳排放的铝基能源转化系统，利用新能源制铝、组合型活化方式以及余热利用方式来获得以铝为燃料的能源转化系统。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种零碳排放的铝基能源转化系统，包括风光互补发电制铝系统、铝水反应器、蒸汽发生器、气固分离装置、热交换器、冷凝器、燃气轮机、一级蒸汽轮机、二级蒸汽轮机、一级发电机和二级发电机；

利用风光互补发电制铝系统产生的电能电解铝；

新制成的铝块输送至铝水反应器，铝水反应器由研磨装置、燃烧室和加热设备组成，加热设备的作用是对从系统返回的水进行再加热，使其达到反应要求，铝块在研磨装置内研磨至小粒径，随后送入燃烧室，利用高温促进铝水反应的速率；

从燃烧室出来的气体主要成分为氢气，混合有微量铝粉颗粒与水蒸气，将混合气体通过蒸汽发生器进行第一次热量交换，将热量传递给水，产生水蒸气，水蒸气进入二级蒸汽轮机做功，推动二级发电机发电；

混合气体通过气固分离装置，分离铝粉颗粒与气体混合物，得到氢气和水蒸气的混合高温气体；将氢水混合气送入热交换器，利用余热加热循环利用的液态水；氢水混合气进入冷凝器，通过降温冷凝的方式，分离液态水与氢气，氢气送入燃气轮机进行燃烧放热，推动燃气轮机做功，出来的高温水蒸气再送入一级蒸汽轮机进行做功，推动一级发电机发电，同时得到液态水；通过冷凝器和蒸汽轮机得到的液态水会再次循环，一部分作为燃烧室中用以进行铝基反应的原料，另一部分通过热交换器加热后送入蒸汽发生器进行循环使用。

本发明进一步的改进在于，风光互补发电制铝系统由风力发电机、太阳能电池板、控制器、超级电容器和锂电池混合储能系统组成；当风能发电和太阳能发电产生的电能过剩时，除直接用于制铝的能量外，剩余能量由风力发电机和太阳能电池板通过控制器对超级电容器和锂电池混合储能系统充电，将电能进行存储。

本发明进一步的改进在于，当电能不足时，超级电容器和锂电池存储的电能由控制器控制输入电解槽，保证制铝过程具有稳定的能源供应。

本发明进一步的改进在于，新能源产能利用途径分为直接制铝与过余能量存储，当产能过剩时，将多余电能通过超级电容器和锂电池混合储能系统存储起来，如产能不足则及时通过存储能量补充，保证制铝过程电力供应持续平稳。

本发明进一步的改进在于，反应铝高温活化与机械活化方式耦合使用，铝块首先进入研磨室，利用机械研磨的方式将其粒径研磨后送入燃烧室，通入230℃以上的饱和湿蒸汽，铝粉会被强烈氧化，转化率接近100％，反应时间持续几十秒。

本发明进一步的改进在于，在研磨装置内以机械研磨的方式研磨至20μm以下的粒径。

本发明进一步的改进在于，往铝水反应器内添加2mol/LNaAlO₂溶液来进一步提高铝的活性。

本发明进一步的改进在于，往铝水反应器内添加Na₂SnO₃或NaOH固体来进一步提高铝的活性。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

(1)过剩的风、光能以铝为能量载体存储，以铝作为燃料的热电联产系统解决了新能源发电在时间和空间上的不均匀性。

(2)二级蒸汽轮机出口水温度较高被通往反应器提高了反应物初温；热交换器换热提高了进入蒸汽发生器中的水的温度，降低蒸汽发生难度；进入蒸汽发生器的水来自燃气轮机与一级蒸汽轮机联合支路，联合支路出口水能量被充分利用；冷凝器处略低于饱和温度的冷凝水同样被加入发生器。生产过程中热能被充分利用，提升了能量总利用率。

(3)采用了燃气轮机和蒸汽轮机联合发电，燃气轮机充分利用了氢气的低品位热量，产生的水蒸气又通入蒸汽轮机做功发电。

(4)整个铝基能源转化体系，本质上是用风能和太阳能代替化石燃料的使用，将储量丰富，环境友好却不稳定的新能源以铝的形式作为存储媒介，代替化石燃料使用，过程中产生的物质主要为水蒸汽，都在反应体系中得到循环利用，实现了零碳排放。

附图说明

图1是本发明一种零碳排放的铝基能源转化系统的结构示意图；

图2是本发明一种零碳排放的铝基能源转化系统的余热利用路线示意图。

附图标记说明：

1为铝水反应器，2为蒸汽发生器，3为气固分离装置，4为热交换器，5为冷凝器，6为燃气轮机，7为一级蒸汽轮机，8为一级发电机，9为Al₂O₃通道，10为电解槽，11为铝的净化、澄清、铸造过程，12为控制器，14为锂电池，13为超级电容器，15为冰晶石、氟化盐及惰性阳极材料通道，16为二级蒸汽轮机，17为二级发电机，18为风、光互补发电系统，19为多余电量存储过程，20为液态水通道，21为补水通道，22为高温水蒸气通道，23为氢气通道，24为低温水蒸气通道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详述：

参见图1，本发明提供的一种零碳排放的铝基能源转化系统，包括铝水反应器1，蒸汽发生器2，气固分离装置3，热交换器4，冷凝器5，燃气轮机6，一级蒸汽轮机7，一级发电机8，Al₂O₃通道9，电解槽10，铝的净化、澄清、铸造过程11，控制器12，锂电池14，超级电容器13，冰晶石、氟化盐及惰性阳极材料通道15，二级蒸汽轮机16，二级发电机17，风、光互补发电系统18，多余电量存储过程19，液态水通道20，补水通道21，高温水蒸气通道22，氢气通道23，低温水蒸气通道24。该系统综合铝水反应放热过程、余热利用过程、多级预热过程，采用膜材料进行气固分离的方法，结合新能源制铝过程，利用铝水反应进行热电联产。

(1)中国西北有着丰富的风能与太阳能，但受限于运输以及新能源不稳定的问题，一直难以大规模用以直接发电。将制铝厂修建于具有丰富风光能源的场所，依靠风、光互补发电系统18产生电能，用以直接电解制铝，实现能源的存储。为保证制铝过程能源供给稳定，引入超级电容器13和锂电池14混合储能系统，当机组发电量过剩时，将过剩的电量通入超级电容器13和锂电池14混合储能系统内存储，如果机组发电量不足，将超级电容器13与锂电池14混合储能系统中的电能释放进行补充，保证制铝过程平稳进行。将制得的铝块运输至发电场所，实现新能源的存储与运输。

(2)将铝块送入铝水反应器1中，铝水反应器1由研磨装置、加热设备和燃烧室组成，铝块受首先进入研磨装置，利用机械研磨(如球磨)的方式将铝粒粒径研磨至20μm以下，送入燃烧室并通入350℃的饱和湿蒸汽，在高温下，铝粒变得更具可塑性，同时，饱和湿蒸汽促进固体变形，铝颗粒上的机械应变导致表面氧化膜的破坏，使得铝可以与水充分反应，反应时间约为66s，转化率接近100％，同时，可选择性往反应器1里添加NaAlO₂或Na₂SnO₃，例如Na₂SnO₃-0.1g,NaOH-0.2g，来进一步提高铝的活性。

(3)铝在铝水反应器1里与饱和湿蒸汽反应生成氢气，从反应器1里出来的为氢气、水蒸汽和氧化铝颗粒的两相混合气体，混合气体通入蒸汽发生器2依靠液态水吸收部分热量，液态水转化为水蒸汽并通入二级蒸汽轮机16做功，推动二级发电机17工作。在蒸汽发生器2出口设置气固分离装置3分离出氧化铝颗粒，氧化铝颗粒收集后可作为原材料送往制铝厂。剩余的氢水混合气则通过热交换器4加热循环使用的液态水，再通过冷凝器5降温冷凝分离混有的水蒸汽，得到纯净的氢气后再依次送入燃气轮机6和一级蒸汽轮机7做功，推动第一级发电机8发电，过程中得到的液态水通过热交换器4吸收热量之后，部分送入蒸汽发生器2循环使用，部分送入铝水反应器1经加热设备转化为饱和湿蒸汽参与反应。

采用新能源电解制铝时为保证过程的平稳进行，需要引入超级电容器13和锂电池14混合储能系统存储过剩的电能，在电能供给不足时进行补充；从铝水反应器中出来的混合气体含有固体颗粒，会对汽轮机叶片造成破坏，因此混合气体在进入汽轮机之前需要进行除杂，但是由于混合气体温度过高，直接去除不仅浪费能量同时也对设备提出更高的要求，因此混合气体先进入蒸汽发生器2，将热量传递给水，再依次通过气固分离，热交换器，最后进入汽轮机，实现余热的阶梯级利用，提高能源利用率。同时，该能源转化体系本质上是将不稳定的新能源以铝的形式进行存储，代替化石燃料的使用，过程中产生的主要物质为水，又重新参与到整个能源体系，实现了零碳排放。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (8)

1.一种零碳排放的铝基能源转化系统，其特征在于，包括风光互补发电制铝系统、铝水反应器(1)、蒸汽发生器(2)、气固分离装置(3)、热交换器(4)、冷凝器(5)、燃气轮机(6)、一级蒸汽轮机(7)、二级蒸汽轮机(16)、一级发电机(8)和二级发电机(17)；

利用风光互补发电制铝系统产生的电能电解铝；

新制成的铝块输送至铝水反应器(1)，铝水反应器(1)由研磨装置、燃烧室和加热设备组成，加热设备的作用是对从系统返回的水进行再加热，使其达到反应要求，铝块在研磨装置内研磨至小粒径，随后送入燃烧室，利用高温促进铝水反应的速率；

从燃烧室出来的气体主要成分为氢气，混合有微量铝粉颗粒与水蒸气，将混合气体通过蒸汽发生器(2)进行第一次热量交换，将热量传递给水，产生水蒸气，水蒸气进入二级蒸汽轮机(16)做功，推动二级发电机(17)发电；

混合气体通过气固分离装置(3)，分离铝粉颗粒与气体混合物，得到氢气和水蒸气的混合高温气体；将氢水混合气送入热交换器(4)，利用余热加热循环利用的液态水；氢水混合气进入冷凝器(5)，通过降温冷凝的方式，分离液态水与氢气，氢气送入燃气轮机(6)进行燃烧放热，推动燃气轮机(6)做功，出来的高温水蒸气再送入一级蒸汽轮机(7)进行做功，推动一级发电机(8)发电，同时得到液态水；通过冷凝器(5)和蒸汽轮机得到的液态水会再次循环，一部分作为燃烧室中用以进行铝基反应的原料，另一部分通过热交换器(4)加热后送入蒸汽发生器(2)进行循环使用。

2.根据权利要求1所述的一种零碳排放的铝基能源转化系统，其特征在于，风光互补发电制铝系统由风力发电机、太阳能电池板、控制器(12)、超级电容器(13)和锂电池(14)混合储能系统组成；当风能发电和太阳能发电产生的电能过剩时，除直接用于制铝的能量外，剩余能量由风力发电机和太阳能电池板通过控制器(12)对超级电容器(13)和锂电池(14)混合储能系统充电，将电能进行存储。

3.根据权利要求2所述的一种零碳排放的铝基能源转化系统，其特征在于，当电能不足时，超级电容器(13)和锂电池(14)存储的电能由控制器(12)控制输入电解槽，保证制铝过程具有稳定的能源供应。

4.根据权利要求3所述的一种零碳排放的铝基能源转化系统，其特征在于，新能源产能利用途径分为直接制铝与过余能量存储，当产能过剩时，将多余电能通过超级电容器(13)和锂电池(14)混合储能系统存储起来，如产能不足则及时通过存储能量补充，保证制铝过程电力供应持续平稳。

5.根据权利要求1所述的一种零碳排放的铝基能源转化系统，其特征在于，反应铝高温活化与机械活化方式耦合使用，铝块首先进入研磨室，利用机械研磨的方式将其粒径研磨后送入燃烧室，通入230℃以上的饱和湿蒸汽，铝粉会被强烈氧化，转化率接近100％，反应时间持续几十秒。

6.根据权利要求5所述的一种零碳排放的铝基能源转化系统，其特征在于，在研磨装置内以机械研磨的方式研磨至20μm以下的粒径。

7.根据权利要求1所述的一种零碳排放的铝基能源转化系统，其特征在于，往铝水反应器(1)内添加2mol/LNaAlO₂溶液来进一步提高铝的活性。

8.根据权利要求1所述的一种零碳排放的铝基能源转化系统，其特征在于，往铝水反应器(1)内添加Na₂SnO₃或NaOH固体来进一步提高铝的活性。