一种氢气混合工质发电系统的制作方法

本发明属于能量综合利用技术领域，涉及一种氢气混合工质发电系统。

背景技术：

自然界充满着无限的常温能源，空气、海水等无限量的常温能源，具有开发潜力。地球上的能源绝大部分来自于太阳，在能源日益紧缺的今天，新的可再生绿色洁净发电技术日益受到重视。现在新能源中，水能和风能发电技术应用较为普遍，技术也较为成熟。水电开发潜力不大，而风力又过于分散，只能在一些特定区域有用，而且水能和风能发电装置投入很大，占地面积广。空气能已逐步进入人们的视野中，目前空气能热水器也得到了普遍应用，其原理就是利用空气中的热能，通过热泵加热水。但是利用空气能发电的技术非常少，技术不够成熟，难以推广应用。

授权公告号为cn202055876u，授权公告日为2011年11月30日的中国实用新型专利公开了一种新能源太阳能热力超临界低温空气能发电装置，包括吸热器、膨胀发电机组、回热器、冷却器、增压泵、制冷机及其管道附件及检测和控制装置，密闭系统内有氮气或混合工质。工质经吸热器成为高压超临界流体，经膨胀发电机组做功发电成为临界状态工质，经回热器、冷却器冷凝，由增压泵压入回热器换热再进吸热器吸热形成封闭循环发电系统。它也可以用于余热废热地热等中低温热源发电，工质用二氧化碳或混合工质。该实用新型专利能够将空气能转化成推动发电机组转动的动能，但是因冷却器冷凝需要耗能，其系统能量转换率变低，发电机发电量较小，实际推广价值有限。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种氢气混合工质发电系统，通过氢气及其它工质的循环，利用空气的热量通过能量转换转变为机械能带动发电机发电，充分利用大自然能量及工业余热，节能减排增加企业经济效益。

本发明一种氢气混合工质发电系统，包括混合气化器、混合气膨胀机、带液膨胀机、发电机、气体分离器、空气换热管路、氢气加压机、2号发电机和液体加压泵。混合气膨胀机与发电机轴连接，带液膨胀机与2号发电机轴连接，空气换热管路连接到混合气化器的管程入口，空气换热管路的管程出口与大气连通。混合气化器设有氢气入口、凝液入口和混合气出口，气体分离器设有氢气出口、氮气出口和混合气入口，氢气出口设有氢气过滤膜，只允许氢气通过。混合气膨胀机出口连接到气体分离器的混合气入口，气体分离器的氢气出口通过氢气加压机连接到混合气化器的氢气入口。气体分离器的氮气出口连接到带液膨胀机的入口，带液膨胀机的出口连接到液体加压泵入口，液体加压泵出口通过凝液管路连接到混合气化器的凝液入口。混合气化器的混合气出口连接到混合气膨胀机入口，混合气膨胀机的出口连接到气体分离器的混合气入口。

系统还设有氢反应床单元、1号氢气中间罐、2号氢气中间罐和空气换热器。氢反应床单元的每台氢反应床分别设有低压氢气进口、高压氢气出口、换热氢气入口和换热氢气出口。混合气化器设有换热盘管、氢气入口、凝液入口和混合气出口。氢反应床单元氢反应床的高压氢气出口通过高压氢气管路连接到混合气化器的氢气入口。混合气化器的混合气出口连接到混合气膨胀机的入口，混合气膨胀机的出口连接到气体分离器的混合气入口。气体分离器的氢气出口分为两路，一路通过低压氢气管路连接到氢反应床单元氢反应床的低压氢气入口，另一路通过氢气加压机连接到混合气化器的氢气入口。气体分离器的氮气出口通过带液膨胀机、液体加压泵和凝液管路连接到混合气化器的凝液入口。氢反应床单元氢反应床的换热氢气出口通过三通阀分为两路，一路经冷却氢气管路依次通过换热介质低压氢气循环泵、1号氢气中间罐、混合气化器的换热盘管和三通阀连接到氢反应床的换热氢气入口，形成冷却回路。另一路经加热氢气管路依次通过换热介质高压氢气循环泵、2号氢气中间罐、空气换热器的管程和三通阀连接到氢反应床的换热氢气入口，形成加热回路。空气换热管路连接到空气换热器的壳程入口，空气换热器的壳程出口与大气连通。

系统设有纯氢膨胀机与3号发电机，纯氢膨胀机设置在低压氢气管路和/或高压氢气管路上，3号发电机与纯氢膨胀机轴连接。

氢反应床单元设有至少两台氢反应床，每台氢反应床分别设有低压氢气进口、高压氢气出口、换热氢气入口和换热氢气出口。低压氢气进口设有低压氢气进口阀门，高压氢气出口设有高压氢气出口阀门，换热氢气入口和换热氢气出口分别设有三通阀。

凝液管路中的凝液工质为稳定的无机工质或有机工质或液氮或惰性气体或正丁烷或丙烷。带液膨胀机能被使凝液工质有效液化和可靠地给吸氢过程提供冷量的其他液化设备替换。所述混合气膨胀机和纯氢膨胀机被通过输出轴功转换为电能的动力设备替代，包括汽轮机或燃气轮机。

混合气化器为简单的混合装置或组合式的混合设备，保证混合气出口得到包括压力、温度在内的参数稳定的流量连续的混合气。空气换热管路内的空气被常温的或低温的固态、液态、气态的其它介质所代替。

气体分离器氢气出口进入氢反应床的氢气与循环回混合气化器的氢气质量比例为0:100到100:0。

氢反应床内装载金属储氢材料，包括但不限于稀土系金属氢化物。低压氢气由氢气入口进入氢反应床，低压氢气被储氢材料吸收形成金属氢化物，对完成吸氢后的金属氢化物加热放出高压氢气。

氢反应床采用循环介质与加热介质间壁或非间壁换热，加热介质为空气、烟气、海水、河水、湖水、气体加热介质、液体加热介质、固体加热介质、气液固之间二二混合或三相混合加热介质，氢反应床采用的循环介质包括氢气但不限于氢气，直接进入氢反应床进行加热或移热，或采用电、电磁或内部加热的方式，或采用外加热的方式，或同时采用内外加热的方式，循环介质为氢气或其他稳定介质；如果空气为稀缺物质，氢反应床可以设置多级。

本发明氢气混合工质发电系统，通过以氢气、氮气等为循环工质，利用空气自身的热量，通过工质循环驱动混合气膨胀机和带液膨胀机做功，将热能转变为机械能带动发电机发电或驱动设备，充分利用了大自然能量及工业余热，有利于节能减排和创造经济效益。利用空气的热量通过能量转换转变为机械能带动发电机发电，有利于节能减排增加企业经济效益。将本发明氢气混合工质动力系统安装在轮船等交通工具，可以利用海水等其它自然物质所携带的能量，通过工质循环驱动混合气膨胀机和带液膨胀机做功，将热能转变为机械能驱动交通工具运行，实现绿色交通。通过本发明混合工质动力系统设备的适当替换可以实现烟气等携带热能废气的余热利用，扩大应用范围。

附图说明

图1为本发明氢气混合工质发电系统的流程示意图；

图2是本发明另一种实施方案的流程示意图；

图3是本发明氢反应床单元的结构示意图；

图4是本发明第三种实施方案的流程示意图；

其中：1—氢反应床单元、2—混合气化器、3—混合气膨胀机、4—带液膨胀机、5—发电机、6—气体分离器、7—液体加压泵、8—氢气过滤膜、9—低压氢气管路、10—高压氢气管路、11—凝液管路、12—空气换热管路、13—换热介质低压氢气循环泵、14—氢气加压机、17—换热盘管、18—阀门、19—低压氢气进口阀门、20—高压氢气出口阀门、21—换热介质高压氢气循环泵、25—冷却氢气管路、26—加热氢气管路、27—1号氢气中间罐、28—2号氢气中间罐、29—空气换热器、30—三通阀、31—低压氢气进口、32—高压氢气出口、33—换热氢气入口、34—换热氢气出口、a—1号氢反应床、b—2号氢反应床、c—3号氢反应床、40—2号发电机、43—3号发电机、44—纯氢膨胀机。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明氢气混合工质发电系统如图1所示，包括混合气化器2、混合气膨胀机3、带液膨胀机4、发电机5、气体分离器6、空气换热管路12、氢气加压机14和液体加压泵7。混合气膨胀机与发电机轴连接，发电机发的电并入电网。空气换热管路12连接到混合气化器2的管程入口，空气换热管路12的管程出口与大气连通。混合气化器2设有氢气入口、凝液入口和混合气出口，气体分离器6设有氢气出口、氮气出口和混合气入口，氢气出口设有氢气过滤膜8。混合气膨胀机出口连接到气体分离器6的混合气入口，气体分离器6的氮气出口连接到带液膨胀机4的入口，带液膨胀机的出口连接到液体加压泵7入口，液体加压泵出口通过凝液管路11连接到混合气化器2的凝液入口。气体分离器6的氢气出口通过氢气加压机14连接到混合气化器2的氢气入口。混合气化器2的混合气出口连接到混合气膨胀机3入口，混合气膨胀机的出口连接到气体分离器6的混合气入口。

-134℃，8mpa的低压氢气经过氢气加压机14送入混合气化器2，然后关闭混合气化器2的氢气进口阀门和氢氮混合气出口阀门，通过液体加压泵7打入15mpa的高压液氮，加入的液氮与加入的氢气质量比率为1:0.094，液氮在混合气化器2内通过换热盘管吸收常温空气放出的热量进行气化，使得混合气化器2内的压力提高到14mpa，温度降至-112.8℃，然后打开氢氮混合气出口阀门，将氢氮混合气送入混合气膨胀机3膨胀做功，混合气膨胀机3带动发电机运转进行发电。混合气化器2可设置多个并联，保证其连续稳定地向混合气膨胀机3供气。

14mpa，-112.8℃的氢氮混合气在混合气膨胀机3中膨胀做功至8mpa，-134℃后送入气体分离器6，气体分离器6的氢气出口处设有氢气过滤膜8，8mpa，-134℃的氢气通过氢气加压机14返回混合气化器2循环使用，气体分离器6分离出的氮气进入带液膨胀机4继续膨胀，由于膨胀过程中温度持续下降，氮气膨胀至3.3mpa时在带液膨胀机4中全部液化。3.3mpa，-158℃的液氮由液体加压泵7送回混合气化器2循环使用。本实施例的氮气与氢气联合循环，利用空气能发电的效率达到了20%左右。

实施例2

本发明另一实施方式如图2所示，包括氢反应床单元1、混合气化器2、混合气膨胀机3、带液膨胀机4、发电机5、气体分离器6、氢气加压机14、空气换热管路12、冷却氢气管路25、加热氢气管路26、1号氢气中间罐27、2号氢气中间罐28、空气换热器29、换热介质高压氢气循环泵21、换热介质低压氢气循环泵13和液体加压泵7。混合气膨胀机3、带液膨胀机4分别与发电机5和2号发电机40轴连接，发电机发的电部分自用，其余并入电网外供。如图3所示，氢反应床单元1设有三台氢反应床，1号氢反应床a、2号氢反应床b和3号氢反应床c，每台氢反应床设有低压氢气入口31、高压氢气出口32、换热氢气入口33、换热氢气出口34。每台氢反应床的低压氢气入口31与低压氢气管路9连接，每台氢反应床的高压氢气出口32与高压氢气管路10连接。每台氢反应床的换热氢气出口34经三通阀30分为两路，一路通过冷却氢气管路25连接到换热介质低压氢气循环泵13，换热介质低压氢气循环泵13出口依次经1号氢气中间罐27、混合气化器2的换热盘管17和三通阀30连接到氢反应床的换热氢气入口33，形成冷却回路。另一路通过加热氢气管路26依次经换热介质高压氢气循环泵21、2号氢气中间罐28、空气换热器29的管程和三通阀30连接到氢反应床的换热氢气入口33，形成加热回路。空气换热管路12连接到空气换热器29的壳程入口，空气换热器29的壳程出口与大气连通。混合气化器2设有氢气入口、凝液入口和混合气出口，气体分离器6设有氢气出口、氮气出口和混合气入口，氢气出口设有氢气过滤膜8，只允许氢气通过。氢反应床的高压氢气出口32经高压氢气管路10连接到混合气化器2的氢气入口。混合气化器2的混合气出口连接到混合气膨胀机3入口，混合气膨胀机的出口连接到气体分离器6的混合气入口，气体分离器6的氮气出口连接到带液膨胀机4的入口，气体分离器6的氢气出口分为两路，一路经低压氢气管路9连接到氢反应床的低压氢气入口31，另一部分通过氢气加压机14连接到混合气化器2的氢气入口。带液膨胀机的出口连接到液体加压泵7入口，液体加压泵7出口通过凝液管路11连接到混合气化器2的凝液入口。

氢反应床单元1设有多个氢反应床交替进行吸/放氢过程，氢反应床内装填有稀土系金属氢化物。氢反应床放氢时，通过三通阀30的切换使换热氢气入口和换热氢气出口连通加热氢气管路26，同时关闭低压氢气进口阀门19并打开高压氢气出口阀门20，换热介质氢气通过空气换热器与环境空气换热升温后进入氢反应床，使得氢反应床在0℃下吸收热量放出高压氢气，从而利用空气能为氢反应床放氢时提供热量，使氢反应床放出高压氢气。进入空气换热器的环境空气温度为20℃，换热后降温至5℃外排。氢反应床吸氢时，通过三通阀30的切换使换热氢气入口和换热氢气出口连通冷却氢气管路25，同时关闭高压氢气出口阀门20并打开低压氢气进口阀门19，换热介质氢气通过混合气化器2的换热盘管与进入混合气化器的液氮和气体分离器6循环回来的氢气换热降温后进入氢反应床，使得氢反应床在-80℃下进行吸氢并放出反应热，并将吸氢反应热传递给混合气化器2供其液氮蒸发使用，同时使得氢反应床内的吸氢温度保持在-80℃，实现吸氢操作的稳定进行。

氢反应床单元的工作过程包括吸氢工序ⅰ、吸氢工序ⅱ和放氢工序；每台氢反应床的工作均按吸氢工序ⅰ—吸氢工序ⅱ—放氢工序—吸氢工序ⅰ的顺序进行循环。以氢反应床单元设置三台氢反应床为例，每个时间段都有一台氢反应床分别处于吸氢工序ⅰ、吸氢工序ⅱ和放氢工序。

吸氢工序ⅰ：

氢反应床结束放氢工序后进入吸氢工序ⅰ，氢反应床先关闭高压氢气出口阀门20并通过三通阀30的切换使换热氢气入口和换热氢气出口连通冷却氢气管路25，然后开启低压氢气进口阀门19，换热介质氢气和低压氢气直接进入氢反应床进行冷却，冷却到-80℃后氢反应床开始吸氢，吸氢放出的热量由换热介质氢气带走传递给混合气化器2蒸发液氮使用。

吸氢工序ⅱ：

吸氢工序ⅱ继续吸氢工序ⅰ的吸氢操作。

放氢工序：

氢反应床吸氢工序ⅱ结束后进入放氢工序，氢反应床先关闭低压氢气进口阀门19，然后通过三通阀30的切换使换热氢气入口和换热氢气出口连通加热氢气管路26，换热介质氢气通过空气换热器与环境空气换热升温后直接进入氢反应床，氢反应床被换热介质氢气加热到0℃后开始放氢，放氢至氢反应床内压力达到设定压力后，打开高压氢气出口阀门20送出高压氢气。

先将-134℃，8mpa的低压氢气经过氢气加压机14送入混合气化器2；然后关闭混合气化器2的氢气进口阀门和氢氮混合气出口阀门，通过液体加压泵7打入29.4mpa的高压液氮，加入的液氮与加入的低压氢气质量比率为37.2:1，液氮在混合气化器2内通过换热盘管吸收氢反应床单元吸氢时放出的热量和氢气的显热进行气化，使得混合气化器2内的压力提高到29.4mpa，最后将氢反应床单元1放氢时放出的0℃，35mpa高压氢气经由高压氢气管路10送入混合气化器2，加入的0℃，35mpa高压氢气与之前加入的-134℃，8mpa的低压氢气质量比为0.73:1，使混合气化器2内压力进一步提高到35mpa。混合气化器2的整个气化增压过程完成后，打开氢氮混合气出口阀门，将35mpa、-78.7℃的氢氮混合气送入混合气膨胀机3膨胀做功，混合气膨胀机3带动发电机运转进行发电。混合气化器2可设置多个并联，保证其连续稳定地向混合气膨胀机3供气。

35mpa，-78.7℃的氢氮混合气在混合气膨胀机3中膨胀做功至8mpa，-134℃后送入气体分离器，气体分离器的氢气出口处设有氢气过滤膜8，只允许氢气通过，8mpa，-134℃的氢气一部分经低压氢气管路9送回到氢反应床单元供其吸氢循环使用，另一部分通过氢气加压机14返回混合气化器2循环使用，气体分离器6分离出的氮气进入带液膨胀机4继续膨胀，由于膨胀过程中温度持续下降，氮气膨胀至3.3mpa时在带液膨胀机4中全部液化。3.3mpa，-158℃的液氮由液体加压泵7送回混合气化器2循环使用。本实施例的运行，实现了利用空气能进行发电，并且效率能达到40%。

实施例3

本发明第三种实施方式如图4所示，包括氢反应床单元1、混合气化器2、混合气膨胀机3、带液膨胀机4、发电机5、气体分离器6、氢气加压机14、空气换热管路12、冷却氢气管路25、加热氢气管路26、1号氢气中间罐27、2号氢气中间罐28、空气换热器29、换热介质高压氢气循环泵21、换热介质低压氢气循环泵13和液体加压泵7。混合气膨胀机3、带液膨胀机4、纯氢膨胀机44分别与发电机5、2号发电机40和3号发电机43轴连接，发电机发的电部分自用，其余并入电网外供。如图3所示，氢反应床单元1设有三台氢反应床，1号氢反应床a、2号氢反应床b和3号氢反应床c，每台氢反应床设有低压氢气入口31、高压氢气出口32、换热氢气入口33、换热氢气出口34。每台氢反应床的低压氢气入口31与低压氢气管路9连接，每台氢反应床的高压氢气出口32与高压氢气管路10连接。每台氢反应床的换热氢气出口34经三通阀30分为两路，一路通过冷却氢气管路25连接到换热介质低压氢气循环泵13，换热介质低压氢气循环泵13出口依次经1号氢气中间罐27、混合气化器2的换热盘管17和三通阀30连接到氢反应床的换热氢气入口33，形成冷却回路。另一路通过加热氢气管路26依次经换热介质高压氢气循环泵21、2号氢气中间罐28、空气换热器29的管程和三通阀30连接到氢反应床的换热氢气入口33，形成加热回路。空气换热管路12连接到空气换热器29的壳程入口，空气换热器29的壳程出口与大气连通。混合气化器2设有氢气入口、凝液入口和混合气出口，气体分离器6设有氢气出口、氮气出口和混合气入口，氢气出口设有氢气过滤膜8，只允许氢气通过。氢反应床的高压氢气出口32经高压氢气管路10连接到混合气化器2的氢气入口。混合气化器2的混合气出口连接到混合气膨胀机3入口，混合气膨胀机的出口连接到气体分离器6的混合气入口，气体分离器6的氮气出口连接到带液膨胀机4的入口，气体分离器6的氢气出口分为两路，一路经低压氢气管路9通过纯氢膨胀机44连接到氢反应床的低压氢气入口31，另一路通过氢气加压机14连接到混合气化器2的氢气入口。带液膨胀机的出口连接到液体加压泵7入口，液体加压泵7出口通过凝液管路11连接到混合气化器2的凝液入口。本实施例其他部分与实施例2相同。

混合气化器的工作过程如下：关闭氢氮混合气出口阀门，打开氢气进口阀门，首先将-134℃，8mpa的低压氢气经过氢气加压机14送入混合气化器2；然后将氢反应床单元1放氢时放出的0℃，9.6mpa高压氢气经由高压氢气管路10送入混合气化器2，将混合气化器内的压力提高到9.6mpa，先后加入的低压氢气与高压氢气的质量比为4.85:1；最后关闭混合气化器2的氢气进口阀门，通过液体加压泵7打入15.8mpa的高压液氮，加入的液氮与加入的氢气总质量的比率为8.8:1，液氮在混合气化器2内通过换热盘管吸收氢反应床单元吸氢时放出的热量和氢气显热进行气化，使得混合气化器2内的压力提高到15.76mpa。混合气化器2的整个气化增压过程完成后，打开氢氮混合气出口阀门，将15.76mpa、-108.5℃的氢氮混合气送入混合气膨胀机3膨胀做功，混合气膨胀机3带动发电机运转进行发电。混合气化器2可设置多个并联，保证其连续稳定地向混合气膨胀机3供气。

15.76mpa、-108.5℃的氢氮混合气在混合气膨胀机3中膨胀做功至8mpa，-134℃后送入气体分离器6，气体分离器6的氢气出口处设有氢气过滤膜8，只允许氢气通过，8mpa，-134℃的氢气一部分通过纯氢膨胀机44膨胀到2mpa,-177℃后，再经低压氢气管路9送回到氢反应床单元供其吸氢循环使用，另一部分通过氢气加压机14返回混合气化器2循环使用，气体分离器6分离出的氮气进入带液膨胀机4继续膨胀，由于膨胀过程中温度持续下降，氮气膨胀至3.3mpa时在带液膨胀机4中全部液化。3.3mpa，-158℃的液氮由液体加压泵7送回混合气化器2循环使用。本实施例的运行，实现了利用空气能进行发电，并且效率能达到30%。