一种零碳排放的铝基能源转化系统.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114665795A(43)申请公布日2022.06.24(21)申请号202210428008.2H02J7/34(2006.01)(22)申请日2022.04.22H02J7/35(2006.01)H02K7/18(2006.01)(71)申请人西安交通大学地址710049陕西省西安市咸宁西路28号申请人西安热工研究院有限公司(72)发明人王长安吴杰鹏李晓龙蒋震李惠彦辰徐柯文高昕玥白文刚姚明宇车得福(74)专利代理机构西安通大专利代理有限责任公司61200专利代理师闵岳峰(51)Int.Cl.H02S10/12(2014.01)C01B3/08(2006.01)C25C3/16(2006.01)权利要求书1页说明书4页附图1页(54)发明名称一种零碳排放的铝基能源转化系统(57)摘要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。CN114665795ACN114665795A权利要求书1/1页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