[发明专利]基于碱金属热电转换的发电与制氢联合循环系统

说明书

技术领域：

本发明的名称是基于碱金属热电转换的发电与制氢联合循环系统，属能源 动力工程领域。

背景技术：

电能是最理想的二次能源，用以供应国民经济各部门与人民生活之需。电 能的生产过程可分为动态发电和静态发电。传统的发电，一般属于动态发电， 指的是利用发电动力装置将水能、化石燃料(如煤、油、天然气等)的热能、 核能以及太阳能、风能、地热能、海洋能等转换为电能的生产过程。目前的电 能生产主要是动态发电，即先将热能转换为机械能再转换为电能。而静态发电 则是将热能直接转换为电能。一般来说，在整个生态环境的能量流动中，随着 转换环节的增加，转换链条的拉长，能量的损失将呈几何级增加，并同时大大 增加整个系统的运作成本和不稳定性。从这一点来看，静态发电较之动态发电 有可能提供更好的经济性和稳定性。另一方面，由于动态发电带有运动部件， 因此磨损，噪音，维护等问题接踵而来。况且，目前传统的动态发电为了获得 更好的经济效益，装机容量比较大，因此投资成本较高，不适合作为地面的分 布式能源。于是，有学者提出利用无运动部件、无声且无需维护的热电直接转 换器来进行发电，即静态发电。碱金属热电转换器作为热电直接转换器的一种， 是以β″氧化铝固体电解质为离子选择性渗透膜，以液态或气态碱金属为循环工 质的高效面积型热电直接转换装置。碱金属热电转换器除了无运动部件、无声、 无需维护、工作可靠和高效洁净等优点，它还是一种低电压面积型器件，功率 密度高；能量转换效率与装置容量无关，且热电转换效率理论上可达30～40％， 因而颇受人们的关注。碱金属热电转换器适用于太阳能、核能、化石能等多种 形式的热源。不论在地面还是空间，都有很好的应用前景，特别是碱金属热电转 换器的发电功率较小，一般为5～50kW，因此它使用灵活，既可以作分布式系 统单独分散发电，也可以靠模块组合构成更大规模的发电装置。

另一方面，由于碱金属热电转换器的冷凝器余热温度较高，为400～700K， 因此，如果能将冷凝器的余热加以利用，一方面可以提高整个能量转换过程的 热效率，实现热能的高效转换与利用；另一方面，可以避免或减少冷凝器余热 对环境造成的热污染，有利于环境保护。目前有学者提出了利用某些可逆的化 学反应来实现一些常规燃料的脱碳和制氢，以及一些化合物如水的分解制氢和 利用金属氧化物与水蒸气的反应制氢、甲烷和水蒸气重整反应制氢等。甲醇作 为煤或生物质等可再生能源植物的产物对减少常规能源的消耗具有很大的潜 力。已有研究表明，甲醇水蒸气重整制氢由于具有原料来源方便、能耗低、重 整温度低、贮存和运输容易、投资和生产成本低、转换效率高和CO含量低等特 点而成为燃料电池氢燃料和其它工业用氢的重要来源，是近20年来新兴的制氢 技术。根据碱金属热电转换原理，其冷凝器的余热温度为400～700K，而甲醇 水蒸气重整的吸热反应温度为493～553K，也就是说通过适当的设计，碱金属 热电转换器的冷凝器的余热完全可以作为甲醇水蒸气重整反应的热源。

基于以上现状和思想，提出把基于碱金属热电转换的热发电和甲醇水蒸气 重整制氢联合起来的循环系统，即基于碱金属热电转换的发电与制氢联合循环 系统。

发明内容：

本发明提供一种基于碱金属热电转换的发电与制氢联合循环系统。本联合 循环系统包括将热能直接转化为电能的碱金属热电转换子系统和将余热转化为 化学能的甲醇水蒸气重整制氢子系统。本系统一方面可以解决碱金属热电转换 过程产生的余热问题，实现多种能量的综合梯级利用；另一方面可以解决单纯 的热能-化学能转换利用投资较大的问题，起到节能、节资的效果。

本发明通过以下技术方案实现：

主要由蒸发器1、高压钠蒸汽管道2、碱金属热电转换器3、低压钠蒸汽管 道4、冷凝器5、反应器6、预热器7、冷凝吸收器8、汽化过热器9、导热油泵 10、甲醇泵11、脱盐水泵12、变压吸附分离装置13和连接管道组成的基于碱金 属热电转换的发电与制氢联合循环系统，其特征在于：碱金属热电转换子系统以 钠为工质，经碱金属热电转换器3将热能直接转化为电能；甲醇水蒸气重整制氢 子系统以碱金属热电转换子系统中的冷凝器5的余热为热源，经甲醇水蒸气重整 反应将冷凝器5的余热转化为化学能储存在氢气中；甲醇水蒸气重整制氢子系统 经导热油回路与碱金属热电转换子系统的冷凝器5相连，冷凝器5的余热温度为 400～700K。