一种低品位热驱动的冷电联供系统及其应用方法与流程

本发明涉及能源技术领域，具体来说，涉及一种利用低品位热量同时实现供冷、供电的系统。

背景技术：

随着煤炭、石油、天然气等化石能源的持续消耗, 能源与环境问题逐渐突出，如何保持能源与环境的可持续发展是人类面对的重大课题，人们在开辟新能源的同时也更加重视提高现有能源的利用率。我国是能源大国，能源利用率不高，大量余热以各种形式被排放到大气中，这不仅造成了环境的热污染，也造成了能源的浪费，因此如何提高能源的利用率以及回收余热、废热是我国亟待解决的问题。

氨水吸收式制冷系统是一种可以利用低温余热资源或太阳能、地热能等低温可再生能源驱动的制冷技术，所采用的工质是自然界存在的物质氨和水，它们价格低廉，是理想的环境友好型工质对，其制冷温度范围可实现10～-60℃，且氨水吸收式制冷机组容易小型化，除氨溶液泵外无其他运转设备，因此可靠性强，噪声和震动小，广泛用于冷库、石油冶炼及其他化工过程中。传统的氨水吸收式制冷系统一般包括四个主要设备，分别为精馏塔、冷凝器、蒸发器、吸收器，通过低温余热驱动发生过程和精馏过程，将浓溶液分离成高纯度的氨气和低浓度的稀氨水溶液，氨气在冷凝器中冷凝为液氨，液氨经过过冷、节流降压后进入蒸发器蒸发制冷，蒸发后的氨气进入吸收器被来自精馏塔塔釜的稀溶液吸收，最终转变成浓溶液，预热后返回精馏塔，完成一个循环。

传统的氨水吸收式制冷系统只能实现制冷，过往的研究也主要集中在提高系统性能上，但是如果只采用传统基本吸收式制冷循环，那么无论采用何种工质、部件结构如何优化，其始终面临不能利用低温热源以及高温热源驱动时效率低的问题，因此，本发明提出了一种低品位热驱动的冷电联供系统，利用低温余热驱动发生塔和铜氨电池发电装置中的精馏器，并使用氨、硝酸锂和水三元工质，实现供冷与供电的耦合，实现冷、电联供。

技术实现要素：

为了克服现有技术中的问题，本发明提供了一种低品位热驱动的冷电联供系统及其应用方法，改变传统的氨水吸收式制冷系统，使用氨、硝酸锂、水三元工质，有机耦合铜氨电池发电装置，利用分流三通阀、合流三通阀切换通道，使得系统能不断供电，系统中的精馏器和发生塔可以充分利用工业废水、工艺废热、太阳能热水等低品位热源，既可以单独供冷或单独供电，也可以冷、电联供，切实做到节能减排。

一种低品位热驱动的冷电联供系统，该系统包括：发生塔、冷凝器、液氨储罐、第一分流三通阀、第一氨节流阀、蒸发器、吸收器、溶液泵、溶液节流阀、溶液换热器、第二氨节流阀、第二分流三通阀、阳极室、阴极室、合流三通阀、工质泵、精馏器、第三分流三通阀，其中，吸收器的出口与溶液泵相连接，溶液泵与溶液换热器相连接，溶液换热器分别与发生塔入口和底部出口相连接，溶液换热器与溶液节流阀相连接，溶液节流阀与吸收器的入口相连接；发生塔的顶部出口依次与冷凝器、液氨储罐、第一分流三通阀相连接，第一分流三通阀分两路，一路依次与第一氨节流阀、蒸发器相连接，蒸发器的出口与吸收器的进口相连接，另一路与第二氨节流阀、第二分流三通阀、阳极室、阴极室、合流三通阀、工质泵、精馏器连接，精馏器的顶部出口与吸收器的入口相连接，精馏器的底部出口与第三分流三通阀相连接、第三分流三通阀与阳极室、阴极室连接。

所述的第一分流三通阀用于分流液氨储罐流出的液氨，第二分流三通阀用于分流第二氨节流阀节流降压的液氨，第三分流三通阀用于分流精馏器精馏后的溶液。

所述的阳极室、阴极室是铜氨化学电池阳极、阴极的反应室。

所述的铜氨化学电池指的是铜氨原电池，电池阳极与阴极都是铜电极，其中阳极发生的是铜与氨水反应生成铜氨络合物，阴极发生的反应是铜离子还原为铜。

所述的精馏器利用低品位热源驱动，精馏分离阳极室或阴极室反应完成后溶液，其顶部与吸收器相连接，返回精馏得到的氨气，底部通过第三分流三通阀将精馏后的溶液返回至阳极室或阴极室。

所述的系统使用的工质是氨、硝酸锂、水三元工质，三元工质将吸收式供冷系统与电池发电系统有机耦合，实现冷、电联供。

一种应用所述冷电联供系统的方法，吸收器出口含有氨、硝酸锂的浓溶液经过溶液泵、溶液换热器进入发生塔，发生塔在低品位热源驱动下产生氨气和含硝酸锂的稀溶液，稀溶液经过溶液换热器、溶液节流阀返回至吸收器，完成溶液回路循环；而产生的氨气经过冷凝器冷凝成液氨，与液氨储罐、第一分流三通阀相连接，第一分流三通阀将液氨分成两路，其中一路通过第一氨节流阀节流降压，进入蒸发器蒸发制冷，返回至吸收器被硝酸锂水稀溶液吸收；另一路经过第二氨节流阀进入铜氨电池发电装置发电，而后返回至吸收器被硝酸锂水稀溶液吸收。

所述的铜氨电池发电装置供电的运行周期分为两个阶段，第一阶段：由第一分流三通阀分流的液氨经过第二氨节流阀节流降压，由第二分流三通阀流向阳极室，发生阳极反应生成铜氨络合物，阴极室发生阴极反应生成铜，阴阳极反应构成原电池，产生电能，反应完成后，阳极室的溶液经过合流三通阀、工质泵进入精馏器，精馏器在低品位热源驱动下精馏产生氨气和含铜离子的阳极液，阳极液通过第三分流三通阀返回至阳极室，而产生的氨气返回至吸收器，铜氨电池发电运行的第一阶段完成，进入第二阶段；第二阶段：由第一分流三通阀分流的液氨经过第二氨节流阀节流降压，由第二分流三通阀将降压后的液氨流向阴极室，与第一阶段在阴极室还原的铜反应生成铜氨络合物，阳极室发生还原第一阶段由精馏器精馏返回的铜离子生成铜的反应，构成新的原电池，产生电能，反应完成后的阴极室溶液经过合流三通阀，由工质泵送至精馏器，精馏产生氨气和含铜离子的阴极液，阴极液经过第三分流三通阀返回至阴极室，产生的氨气返回至吸收器，铜氨电池发电运行的第二阶段完成。第二阶段运行完成表示发电运行的一个周期完成，准备进入下一周期的第一阶段。因此，通过铜氨电池发电装置中第二分流三通阀、合流三通阀、第三分流三通阀切换通道，使电池在第一阶段与第二阶段轮流运行，发电运行一个周期电池的阳极与阴极的铜电极不会被消耗，成为可再生的原电池，从而不断向外输出电能。

从上述技术方案看，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提供的一种低品位热驱动的冷电联供系统，可以充分利用工业废水、工艺废热、太阳能热水等低品位的热源，达到节能减排的目的。

2.本发明提供的一种低品位热驱动的冷电联供系统，使用氨、硝酸锂、水三元工质，将供冷系统与供电系统实现有机耦合，实现冷电联供。

3.本发明提供的一种低品位热驱动的冷电联供系统，不仅可以单独用于制冷或单独用于供电，也可以同时用于冷电联供。

附图说明

图1是本发明一种低品位热驱动的冷电联供系统的结构示意图；

图2是本发明一种低品位热驱动的冷电联供系统供电运行周期的第一阶段示意图；

图3是本发明一种低品位热驱动的冷电联供系统供电运行周期的第二阶段示意图；

图中：1.发生塔，2.冷凝器，3.液氨储罐，4.第一分流三通阀，5.第一氨节流阀，6.蒸发器，7.吸收器，8.溶液泵，9.溶液节流阀，10.溶液换热器，11.第二氨节流阀，12.第二分流三通阀，13.阳极室，14.阴极室，15.合流三通阀，16.工质泵，17.精馏器，18.第三分流三通阀。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，一种低品位热驱动的冷电联供系统，该系统包括：发生塔1、冷凝器2、液氨储罐3、第一分流三通阀4、第一氨节流阀5、蒸发器6、吸收器7、溶液泵8、溶液节流阀9、溶液换热器10、第二氨节流阀11、第二分流三通阀12、阳极室13、阴极室14、合流三通阀15、工质泵16、精馏器17、第三分流三通阀18，其中，吸收器7的出口与溶液泵8相连接，溶液泵8与溶液换热器10相连接，溶液换热器10分别与发生塔1入口和底部出口相连接，溶液换热器10与溶液节流阀9相连接，溶液节流阀9与吸收器7的入口相连接；发生塔1的顶部出口依次与冷凝器2、液氨储罐3、第一分流三通阀4相连接，第一分流三通阀4分两路，一路依次与第一氨节流阀5、蒸发器6相连接，蒸发器6的出口与吸收器7的进口相连接，另一路与第二氨节流阀11、第二分流三通阀12、阳极室13、阴极室14、合流三通阀15、工质泵16、精馏器17连接，精馏器17的顶部出口与吸收器7的入口相连接，精馏器17的底部出口与第三分流三通阀18相连接、第三分流三通阀18与阳极室13、阴极室14连接。

（1）本发明的系统冷电联供时具体的工作方法为：

吸收器7出口含有氨、硝酸锂的浓溶液经过溶液泵8加压、溶液换热器10换热升温后进入发生塔1，发生塔1在低品位热源加热下产生氨气和含硝酸锂的稀溶液，稀溶液经过溶液换热器10换热降温、溶液节流阀9节流降压后返回至吸收器7，溶液的循环回路完成；而精馏产生的氨气经过冷凝器2冷凝成液氨进入液氨储罐3，液氨储罐3与第一分流三通阀4相连接，第一分流三通阀4将液氨分成两路，其中一路通过第一氨节流阀5流降压进入蒸发器6蒸发制冷，制冷后的氨气返回至吸收器7被稀溶液所吸收，制冷循环回路完成；另一路经过第二氨节流阀11进入铜氨电池发电装置，铜氨电池发电装置供电运行可分为两个阶段，第一阶段，如图2所示：由第二氨节流阀11节流降压的液氨经过第二分流三通阀12进入阳极室13，发生氨水与铜反应生成铜氨络合物，阴极室14发生铜离子还原为铜的反应，构成原电池，产生电能，放电完成后阳极室13的溶液经过合流三通阀15、工质泵16进入精馏器17，精馏器17在低品位热源的加热下精馏含铜氨络合物的溶液产生氨气和含铜离子的阳极液，含铜离子的阳极液通过第三分流三通阀18返回至阳极室13，而产生的氨气返回至吸收器7被稀溶液吸收，供电运行的第一阶段运行完成，进入下一阶段；第二阶段，如图3所示：由第二氨节流阀11节流降压的液氨经过第二分流三通阀12进入阴极室14，与第一阶段在阴极室14还原的铜反应生成铜氨络合物，阳极室13发生在第一阶段由精馏器17返回的铜离子还原生成铜的反应，即第二阶段，阴极室14发生阳极反应，阳极室13发生阴极反应，构成新的原电池，产生电能，反应完成后的阴极室14含铜氨络合物的溶液经过合流三通阀15，由工质泵16输入精馏器17，精馏产生氨气和含铜离子的阴极液，阴极液经过第三分流三通阀18返回至阴极室14，产生的氨气返回至吸收器7被稀溶液吸收，供电运行的第二阶段完成。随着第二阶段的完成，供电运行的一个周期完成，准备进入下一运行周期即第一阶段、第二阶段。因此，通过铜氨电池发电装置中第二分流三通阀12、合流三通阀15、第三分流三通阀18切换通道，使铜氨电池在第一阶段与第二阶段轮流运行，使电池在第一阶段阳极反应消耗的铜正好在第二阶段被还原，第一阶段阴极反应生成的铜在第二阶段被消耗，这样电池运行一个周期后电池的阳极与阴极的铜电极不会被消耗，成为可再生的原电池，不断向外输出电能。

为使铜氨电池装置供电原理更加清楚，具体说明下铜氨电池的工作原理。铜氨电池指的是铜氨原电池，原电池的阴极与阳极都采用铜电极，并使用阴离子交换膜构成液接电池。电池的工作周期可分为两个阶段，第一阶段：当液氨通入阳极室时，会导致铜氨原电池的阴极室与阳极室存在氨浓度的差异，此时阳极发生铜与氨水反应生成铜氨络合物，具体反应式为：Cu（s） + 4 NH3（aq） → Cu(NH3)4²⁺（aq）+ 2e^-,阴极发生铜离子得到电子还原为铜的反应，具体的反应式为：Cu²⁺（aq）+ 2e^- → Cu（s），阴极与阳极反应的同时产生电能，并向外输出。当电池反应完成后，阳极室溶液进入精馏器，利用低品位热源驱动精馏器精馏反应后含铜氨络合物的溶液，产生含铜离子的阳极液和氨气，具体的反应式是：Cu(NH3)4²⁺（aq） → Cu2（aq）+ 4NH3，含铜离子的溶液返回阳极室，氨气则通入吸收器，铜氨原电池的第一阶段运行完成，进入第二阶段。在第二阶段：液氨通入到电池的阴极室，与第一阶段还原得到的铜发生反应生成铜氨络合物，阳极室发生还原第一阶段精馏器返回的铜离子生成铜的反应，可以发现第二阶段阴极室发生的是阳极反应，阳极室发生的是阴极反应，使得铜氨原电池在第一阶段反应时阳极消耗的铜在第二阶段被还原重新得到，第一阶段反应时阴极还原得到的铜在第二阶段与氨水反应被消耗，这样，铜氨原电池运行一个周期后，阴极与阳极的铜电极不会被消耗，变为可再生的原电池，使得系统能不断输出电能。

（2）本发明的系统用于单独供冷时具体的工作方法为：

吸收器7出口含氨、硝酸锂的浓溶液通过溶液泵8加压、溶液换热器10升温后进入发生塔1，发生塔1在低品位热源的驱动下发生产生氨气和含硝酸锂的稀溶液，稀溶液通过溶液换热器10降温、溶液节流阀9节流降压后返回至吸收器7，溶液的循环回路完成；而发生产生的氨气通过塔顶进入冷凝器2被冷凝成液氨，液氨进入液氨储罐3后进入第一分流三通阀4，单独制冷时，第一分流三通阀4将液氨只通向第一氨节流阀5，第一氨节流阀5将液氨进行节流降压后进入蒸发器6蒸发制冷，制冷产生的氨气进入吸收器7，被稀溶液吸收，制冷循环回路完成。

（3）本发明的系统用于单独供电时具体的工作方法为：

供电的运行周期由两个阶段组成。第一阶段：吸收器7出口含氨、硝酸锂的浓溶液通过溶液泵8加压、溶液换热器10升温后进入发生塔1发生产生氨气和含硝酸锂的稀溶液，稀溶液通过溶液换热器10降温、溶液节流阀9节流降压后返回至吸收器7，溶液的循环回路完成；而发生产生的氨气通过塔顶进入冷凝器2被冷凝成液氨，进入液氨储罐3后进入第一分流三通阀4，单独供电时，第一分流三通阀4将液氨只通向第二氨节流阀11，液氨通过第二氨节流阀11节流降压后，由第二分流三通阀12将液氨通入阳极室13，铜氨原电池阳极与阴极产生氨浓度的差异，阴极与阳极发生反应，产生电能，向外输出，反应完成后含铜氨络合物的阳极液通过合流三通阀15、工质泵16输入至精馏器17，精馏器17在低品位热源的驱动下精馏产生氨气和含铜离子的阳极液，氨气返回至吸收器7被稀溶液吸收，而含铜离子的阳极液通过第三分流三通阀18返回至阳极室13，完成供电运行周期的第一阶段，当阳极的铜电极即将消耗时，把供电运行切换成运行周期的第二阶段。第二阶段：由第二氨节流阀11节流降压后的液氨进入第二分流三通阀12，第二分流三通阀12将液氨输入至阴极室14，与第一阶段阴极还原的铜反应生成铜氨络合物，而阳极室13发生还原第一阶段由精馏器17返回的阳极液中铜离子生成铜的反应，从而构成新的铜氨原电池，向外输出电能，反应完成后的阴极室14含铜氨络合物的溶液同样经过合流三通阀15、工质泵16输入至精馏器17，精馏器17在低品位热源驱动下精馏产生氨气和含铜离子的阴极液，氨气返回至吸收器7被稀溶液所吸收，而含铜离子的阴极液通过第三分流三通阀18返回至阴极室14，第二阶段运行完成，随着第二阶段运行的完成，系统供电运行的一个周期完成，准备进入下一周期，即第一阶段、第二阶段。

因此，通过第二分流三通阀12、合流三通阀15、第三分流三通阀18在供电模式下切换通道，使铜氨原电池在第一阶段与第二阶段轮流运行，这样供电运行一个周期后铜氨原电池的阳极与阴极的铜电极不会被消耗，成为可再生的原电池，从而使得系统能不断输出电能。