一种基于铁燃料储能的超临界水氧化多联产系统及工作方法 |
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| 申请号 | CN202310557347.5 | 申请日 | 2023-05-17 | 公开(公告)号 | CN116683505A | 公开(公告)日 | 2023-09-01 |
| 申请人 | 西安热工研究院有限公司; | 发明人 | 白文刚; 张纯; 张磊; 张旭伟; 吴家荣; 乔永强; 李红智; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种基于 铁 燃料 储能的超临界 水 氧 化多联产系统及工作方法，该系统包括释能子系统和储能子系统；该方法将 电解 水制氢、氢还原铁的氧化物制铁、基于铁燃料储能、铁‑ 超临界水 氧化、制氢、发电和供热等进行有效地耦合，具有储能 密度 高、储能周期长可实现永久储存、燃料循环再生无消耗、可实现电 力 、热力、氢气多联产和便于开展全球 能源 贸易等优点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于铁燃料储能的超临界水氧化多联产系统，其特征在于，包括释能子系统和储能子系统； |
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| 说明书全文 | 一种基于铁燃料储能的超临界水氧化多联产系统及工作方法技术领域背景技术[0002] 随着全球大气污染和气候变暖形势的日趋严峻，传统的以化石能源为主的发电系统将面临前所未有的压力和挑战。从世界范围来看，各国都在努力提高自身电力结构中可再生能源发电的比例。未来，世界能源领域的发展趋势必然是可再生能源逐步替代化石能源。然而，可再生能源由于自身的间歇性、不稳定性和不确定性等特点，严重阻碍了可再生能源发电的发展。未来要实现可再生能源替代化石能源，必须依赖大规模和长周期储能技术的发展和支撑。 [0003] 目前，储能技术领域的研究十分活跃，各种储能技术迅猛发展，如抽水蓄能、压缩空气储能、锂电池储能、超级电容器储能、飞轮储能、储氢等。然而，现有的储能技术难以同时满足储能密度大、可移动性、自耗损失小和全球能源贸易的要求。因此，需要开发一种新的储能技术，从而使可再生能源发电在全世界范围内向更深、更广方向发展。 发明内容[0004] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于铁燃料储能的超临界水氧化多联产系统及工作方法，该系统将电解水制氢、氢还原铁的氧化物制铁、基于铁燃料储能、铁‑超临界水氧化、制氢、发电和供热等进行有效地耦合，具有储能密度高、储能周期长可实现永久储存、燃料循环再生无消耗、可实现电力、热力、氢气多联产和便于开展全球能源贸易等优点。 [0005] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案： [0006] 一种基于铁燃料储能的超临界水氧化多联产系统，包括释能子系统和储能子系统； [0007] 释能子系统包括铁燃料、超临界水氧化反应器、固体产物、透平、回热器、热用户加热器、给水泵和发电机；超临界水氧化反应器的燃料进口与铁燃料相连通，超临界水氧化反应器的氧化剂进口与回热器的冷侧出口相连通，在超临界水氧化反应器中，铁燃料与超临界水发生氧化放热反应，铁‑超临界水反应产生的固体产物铁的氧化物通过超临界水氧化反应器的底部排出并进行收集，超临界水氧化反应器的气体出口与透平的进口相连通，高温高压的H2O/H2混合工质在透平中膨胀做功，将混合工质的热能转化为透平的机械能，透平旋转带动发电机对外输出电能，透平的出口与回热器的热侧进口相连通，回热器的热侧出口与热用户加热器的热侧进口相连通，在热用户加热器中，H2O/H2混合工质温度降低并对外供热，混合工质中的水蒸气冷凝实现氢气和水的分离，分离后的氢气再次利用，分离后的水与给水泵的进口相连通，给水泵的进口还与水供应相连通，给水泵出口与回热器的冷侧进口相连通； [0008] 储能子系统包括电解水制氢装置、可再生能源电力供应和氢还原铁的氧化物制铁反应器；电解水制氢装置的物料进口与水供应相连通，电解水制氢装置的电源与可再生能源电力供应相连接，在电解水制氢装置中发生电化学反应，在电解水制氢装置的阴极上产生氢气，氢气与氢还原铁的氧化物制铁反应器的氢气进口相连通，氢还原铁的氧化物制铁反应器的物料进口与铁的氧化物相连通，在氢还原铁的氧化物制铁反应器中，氢气与铁的氧化物发生还原反应生成铁，生成的铁燃料通过输运输送到释能子系统并与超临界水氧化反应器的铁燃料进口相连通。 [0009] 本发明进一步的改进在于，铁燃料与超临界水发生氧化放热反应，反应方程式为3Fe+4H2O＝Fe3O4+4H2。 [0010] 本发明进一步的改进在于，热用户加热器热侧出口经分离得到的氢气用于加氢站。 [0012] 本发明进一步的改进在于，热用户加热器热侧出口经分离得到的氢气用于氢燃料电池发电。 [0013] 本发明进一步的改进在于，透平为H2O/H2混合工质透平，与发电机同轴连接，发电机发电对外供电。 [0015] 基于铁燃料储能的超临界水氧化多联产系统的工作方法，当电网系统中可再生能源发电过剩或富余时，通过电解水制氢装置消耗可再生能源电力制氢，然后氢气与铁的氧化物在氢还原铁的氧化物制铁反应器发生还原反应产生铁燃料，实现将可再生能源电力转化成铁燃料的化学能进行储存；当电网系统中可再生能源发电不足或其他某地理位置需要电力供应时，通过超临界水氧化反应器、混合工质透平和发电机将铁燃料的化学能转化成电能，同时铁与超临界水反应产生的氢气可根据实际需要用于加氢站、氢燃气轮机发电和氢燃料电池发电，H2O/H2混合工质通过热用户加热器实现对外供热；铁‑超临界水氧化反应的固体产物铁的氧化物重新进入整个储能子系统，通过电解水制氢装置和氢还原铁的氧化物制铁反应器再次得到铁燃料，实现循环利用，整个过程铁燃料无消耗。 [0016] 本发明至少具有如下有益的技术效果： [0017] 本发明所述的一种基于铁燃料储能的超临界水氧化多联产系统及工作方法，具有如下优点：(1)金属燃料铁的能量密度高；(2)铁燃料中不含碳，且系统整个工作过程不产生污染物，是一种绿色低碳的发电技术；(3)通过电化学反应将可再生能源电力转化为金属燃料铁的化学能进行储存，具有储能周期长，可实现永久储存的优点；(4)整个过程中铁‑超临界水氧化反应后，其反应固体产物通过电解水制氢和氢还原制铁可重新得到金属燃料铁，整个过程燃料铁循环再生、无消耗；(5)可实现发电、供热和制氢多联产；(6)通过金属燃料铁进行储能，便于开展全球范围内的能源贸易。附图说明 [0018] 图1为本发明的释能子系统结构示意图。 [0019] 图2为本发明的储能子系统示意图。 [0020] 附图标记说明： [0021] 1为铁燃料、2为超临界水氧化反应器、3为固体产物、4为透平、5为回热器、6为热用户加热器、7为给水泵、8为发电机、9为电解水制氢装置、10为可再生能源电力供应、11为氢还原铁的氧化物制铁反应器。 具体实施方式[0022] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述： [0023] 参考图1和图2，本发明提供的一种基于铁燃料储能的超临界水氧化多联产系统，包括释能子系统和储能子系统。 [0024] 所述释能子系统包括铁燃料1、超临界水氧化反应器2、固体产物3、透平4、回热器5、热用户加热器6、给水泵7和发电机8；所述超临界水氧化反应器2的燃料进口与铁燃料1相连通，超临界水氧化反应器2的氧化剂进口与回热器5的冷侧出口相连通，在超临界水氧化反应器2中，铁燃料与超临界水发生氧化放热反应，反应方程式为3Fe+4H2O＝Fe3O4+4H2，铁‑超临界水反应产生的固体产物铁的氧化物通过超临界水氧化反应器2的底部排出并进行收集，超临界水氧化反应器2的气体出口与透平4的进口相连通，高温高压的H2O/H2混合工质在透平4中膨胀做功，将混合工质的热能转化为透平4的机械能，透平4旋转带动发电机8对外输出电能，透平4的出口与回热器5的热侧进口相连通，回热器5的热侧出口与热用户加热器 6的热侧进口相连通，在热用户加热器6中，H2O/H2混合工质温度降低并对外供热，混合工质中的水蒸气冷凝实现氢气和水的分离，分离后的氢气根据实际需要可用于加氢站、氢燃气轮机发电和氢燃料电池等，分离后的水与给水泵7的进口相连通，给水泵7的进口还与水供应相连通，给水泵7出口与回热器5的冷侧进口相连通。 [0025] 所述储能子系统包括电解水制氢装置9、可再生能源电力供应10和氢还原铁的氧化物制铁反应器11；所述电解水制氢装置9的物料进口与水供应相连通，电解水制氢装置9的电源与可再生能源电力供应10相连接，在电解水制氢装置9中发生电化学反应，在电解水制氢装置9的阴极上产生氢气，氢气与氢还原铁的氧化物制铁反应器11的氢气进口相连通，氢还原铁的氧化物制铁反应器11的物料进口与铁的氧化物相连通，在氢还原铁的氧化物制铁反应器11中，氢气与铁的氧化物发生还原反应生成铁，生成的铁燃料通过输运输送到释能子系统并与超临界水氧化反应器2的铁燃料进口相连通。 [0026] 作为本发明的优选实施方式，所述透平4为H2O/H2混合工质透平，与发电机8同轴连接，发电机8发电对外供电。 [0027] 作为本发明的优选实施方式，所述热用户加热器6热侧出口经分离得到的氢气用于加氢站、氢燃气轮机发电或氢燃料电池发电。 [0028] 作为本发明的优选实施方式，所述可再生能源电力供应10中的电力来自光伏发电、风力发电、水力发电和/或生物质能发电。 [0029] 本发明提供的一种基于铁燃料储能的超临界水氧化多联产系统的工作方法，以水和铁的氧化物为原料，当电网系统中可再生能源发电过剩或富余时，通过电解水制氢装置9消耗可再生能源电力制氢，然后氢气与铁的氧化物在氢还原铁的氧化物制铁反应器11发生还原反应产生铁燃料，实现将可再生能源电力转化成铁燃料的化学能进行储存。当电网系统中可再生能源发电不足或世界上其他某地理位置需要电力供应时，通过超临界水氧化反应器2、混合工质透平4和发电机8将铁燃料的化学能转化成电能，同时铁与超临界水反应产生的氢气可根据实际需要用于加氢站、氢燃气轮机发电和氢燃料电池发电，H2O/H2混合工质通过热用户加热器6实现对外供热。铁‑超临界水氧化反应的固体产物铁的氧化物可重新进入整个储能子系统，通过电解水制氢装置9和氢还原铁的氧化物制铁反应器11再次得到铁燃料，实现循环利用，整个过程铁燃料无消耗。 [0030] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 |
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