一种基于铝水反应的脉管热氢联产系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于铝水反应的脉管热氢联产系统和方法，系统包括：铝水反应室、脉管装置、热量回收装置和氢气回收装置，铝水反应室侧壁和顶部分别设有进液口和输气口，脉管装置包括脉管进气管道、同时设置在脉管装置的脉管冷端的冷端回热丝网和脉管回气阀、设置在脉管装置的脉管热端的气库调节阀，脉管装置通过脉管进气管道与铝水反应室的输气口连接，脉管装置的脉管热端与热量回收装置连接，气库调节阀连接设置有储氢气库，脉管回气阀与所述氢气回收装置连接。本发明将脉管和热氢结合，同时利用氢气和其压力能转化成的热量，具有高能源利用率，绿色环保且无碳排放，反应后液态金属和氢氧化铝可回收利用，氢气使用的产物也只有水。

权利要求

1.一种基于铝水反应的脉管热氢联产系统，其特征在于，包括：铝水反应室、脉管装置、热量回收装置和氢气回收装置；

所述铝水反应室的侧壁和顶部分别开设有进液口和输气口，所述脉管装置包括脉管进气管道、同时设置在所述脉管装置的脉管冷端上的冷端回热丝网和脉管回气阀、及设置在所述脉管装置的脉管热端上的气库调节阀，所述脉管装置通过脉管进气管道与所述铝水反应室的输气口连接，所述脉管装置的脉管热端与所述热量回收装置连接，所述气库调节阀连接设置有储氢气库，所述脉管回气阀与所述氢气回收装置连接；

所述热量回收装置包括相互连接的用户端和脉管热端换热器，所述脉管热端换热器与所述脉管装置的脉管热端连接。

2.根据权利要求1所述的基于铝水反应的脉管热氢联产系统，其特征在于，所述氢气回收装置包括氢气过滤器和氢气收集器，所述氢气过滤器的进气口与所述脉管装置的脉管回气阀连接，所述氢气收集器与所述氢气过滤器的氢气出口连接，所述氢气过滤器上还设置有杂质出口。

3.根据权利要求1或2所述的基于铝水反应的脉管热氢联产系统，其特征在于，所述铝水反应室为耐高温耐高压密封装置，所述铝水反应室内放置有相互接触的铝料和液态金属。

4.根据权利要求3所述的基于铝水反应的脉管热氢联产系统，其特征在于，所述铝料为纯铝或铝合金，所述铝料为块状、薄片状、颗粒状或粉末状。

5.根据权利要求3所述的基于铝水反应的脉管热氢联产系统，其特征在于，所述液态金属为镓，或是以镓为基底，添加了铟、锡、锌、铋中的一种或多种形成的液态金属合金。

6.根据权利要求1所述的基于铝水反应的脉管热氢联产系统，其特征在于，所述气库调节阀为小孔阀。

7.一种基于铝水反应的脉管热氢联产方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的基于铝水反应的脉管热氢联产系统，通过进液口注入反应液，被液态金属激活的铝料开始与水反应，产生氢氧化铝沉淀和氢气，氢气在脉管进气管道内形成均匀紧凑的气泡膜，在脉管装置的进口处爆破产生压力波冲击，在脉管装置内形成交变压力波，气体在脉管装置的脉管热端压缩并释放压缩热，压缩热经热量回收装置回收利用，气体经气库调节阀调相后再经氢气回收装置过滤干燥后收集备用。

8.根据权利要求7所述的基于铝水反应的脉管热氢联产方法，其特征在于，所述反应液为添加表面活性剂的水溶液。

9.根据权利要求7所述的基于铝水反应的脉管热氢联产方法，其特征在于，所述铝水反应室在铝水反应时内部的温度和压力分别为20-100℃和0.1-5MPa ；

和/或，所述铝料和所述液态金属通过高温熔融或球磨制成合金，或通过直接接触浸润的方式接触。

说明书

一种基于铝水反应的脉管热氢联产系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及新型清洁能源的高效利用领域，更具体地，涉及一种基于铝水反应的脉管热氢联产系统及方法。

背景技术

[0002] 面对日益增长的能源需求和日趋严重的环境问题，人类亟需寻找开发可再生清洁能源。氢气以其极高的能量密度和清洁燃烧的特点，被认为是一种极具前景的清洁能源。

[0003] 目前市场上主流的产氢方式是通过天然气、煤、汽油、柴油的重整或甲醇的裂解获取氢气，一方面，原料本身储量有限，不可再生；另一方面，反应过程复杂，会排放大量温室气体。电解水和光解水制氢也是目前人们研究的热点，但其能源效率有待进一步提高。

[0004] 铝，作为地壳中含量最多的金属元素，可通过水解生成氢气，而且能量密度高达29MJ/kg，因此是一种环境友好的能源载体。但是，当铝暴露在空气中，表面会生成一层致密的氧化膜，从而阻止铝水反应进一步进行。

[0005] 研究发现，镓基液态金属能在室温下破坏铝的氧化膜，沿着铝晶界扩散进入铝内部，增强铝的反应活性，从而，实现了及时快速制氢。脉管，利用交变压力波在管内形成轴向温度梯度，在热端换热器生成大量压缩热，整个系统内无运动部件，在各行各业均有着广泛的应用前景。

[0006] 将脉管和氢气生产相结合，提高能源利用率，开发利用绿色环保且无碳排放基于铝水反应的脉管热氢联产系统及方法，实现清洁能源的高效利用具有十分重要的理论和实
际意义，是目前急需解决的关键技术问题。

发明内容

[0007] 针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于铝水反应的脉管热氢联产系统及方法，充分利用铝水反应中生成的氢气和氢气压力波，并将压力波通过脉管转化为热能，实现铝水反应系统的能量高效利用。

[0008] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0009] 一种基于铝水反应的脉管热氢联产系统，包括：铝水反应室、脉管装置、热量回收装置和氢气回收装置。

[0010] 具体地，所述铝水反应室的侧壁和顶部分别开设有进液口和输气口，所述脉管装置包括脉管进气管道、同时设置在所述脉管装置的脉管冷端上的冷端回热丝网和脉管回气
阀、及设置在所述脉管装置的脉管热端上的气库调节阀，所述脉管装置通过脉管进气管道
与所述铝水反应室的输气口连接，所述脉管装置的脉管热端与所述热量回收装置连接，所
述气库调节阀连接设置有储氢气库，所述脉管回气阀与所述氢气回收装置连接。

[0011] 在上述技术方案中，所述热量回收装置包括相互连接的用户端和脉管热端换热器，所述脉管热端换热器与所述脉管装置的脉管热端连接。

[0012] 在上述技术方案中，所述氢气回收装置包括氢气过滤器和氢气收集器，所述氢气过滤器的进气口与所述脉管装置的脉管回气阀连接，所述氢气收集器与所述氢气过滤器的
氢气出口连接，所述氢气过滤器上还设置有杂质出口。

[0013] 进一步地，在上述技术方案中，所述铝水反应室为耐高温耐高压密封装置，所述铝水反应室内放置有相互接触的铝料和液态金属。

[0014] 再进一步地，在上述技术方案中，所述铝料为纯铝或铝合金，所述铝料为块状、薄片状、颗粒状或粉末状。

[0015] 再进一步地，在上述技术方案中，所述液态金属为镓，或是以镓为基底，添加了铟、锡、锌、铋中的一种或多种形成的液态金属合金。

[0016] 在上述技术方案中，所述气库调节阀为小孔阀。

[0017] 本发明另一方面提供了一种基于铝水反应的脉管热氢联产方法，采用上述基于铝水反应的脉管热氢联产系统，通过进液口注入反应液，被液态金属激活的铝料开始与水反
应，产生氢氧化铝沉淀和氢气，氢气在脉管进气管道内形成均匀紧凑的气泡膜，在脉管装置的进口处爆破产生压力波冲击，在脉管装置内形成交变压力波，气体在脉管装置的脉管热
端压缩并释放压缩热，压缩热经热量回收装置回收利用，气体经气库调节阀调相后再经氢
气回收装置过滤干燥后收集备用。

[0018] 在上述技术方案中，所述反应液为添加表面活性剂的水溶液。

[0019] 在上述技术方案中，所述铝水反应室在铝水反应时内部的温度和压力分别为20-100℃和0.1-5Mpa。

[0020] 在上述技术方案中，所述铝料和所述液态金属通过高温熔融、球磨或直接接触浸润的方式均匀接触。

[0021] 本发明具有以下有益效果：

[0022] 本发明所提供的基于铝水反应的脉管热氢联产系统和方法，将脉管和热氢相结合，同时利用了氢气和其压力能转化成的热量，具有较高的能源利用率，绿色环保且无碳排放，铝水反应中的液态金属可回收重复利用，生成的氢氧化铝也可回收再利用，氢气使用的产物也只有水。

附图说明

[0023] 图1为根据本发明实施例所提供的一种基于铝水反应的脉管热氢联产系统的组成及连接示意图；

[0024] 图中：

[0025] 铝水反应室1，进液口101，反应液102，铝料103，液态金属104，输气口105，脉管装置2，脉管进气管道201(其中201-1为脉管进气管道201的放大示意图)，冷端回热丝网202，脉管热端203，气库调节阀204，储氢气库205，脉管回气阀206，热量回收装置3，用户端301，脉管热端换热器302，氢气回收装置4，氢气过滤器401，杂质出口402，氢气收集器403。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图和具体实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，并不用来限制本发明的具体保护范围。

[0027] 在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对
本发明的限制。

[0028] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0029] 实施例1

[0030] 本发明实施例提供了一种基于铝水反应的脉管热氢联产系统，如图1所示，包括：铝水反应室1、脉管装置2、热量回收装置3和氢气回收装置4。

[0031] 具体地，所述铝水反应室1的侧壁和顶部分别开设有进液口101和输气口105，所述铝水反应室1为耐高温耐高压密封装置，所述铝水反应室1内放置有相互接触的铝料103和
液态金属104。

[0032] 详细地，所述铝料为纯铝或铝合金，所述铝料为块状、薄片状、颗粒状或粉末状。

[0033] 详细地，所述液态金属为镓，或是以镓为基底，添加了铟、锡、锌、铋中的一种或多种形成的液态金属合金。

[0034] 所述液态金属与所述铝料可通过高温熔融、球磨、直接接触浸润等形式结合，从而能活化铝，触发铝水反应。

[0035] 具体地，所述脉管装置2包括脉管进气管道201、冷端回热丝网202、脉管热端203、气库调节阀204、储氢气库205和脉管回气阀206，所述脉管装置2通过脉管进气管道201与所述铝水反应室1的输气口105连接，所述冷端回热丝网202和所述脉管回气阀206同时设置在所述脉管装置2的脉管冷端上，所述气库调节阀204为小孔阀，所述气库调节阀204设置在所述脉管装置2的脉管热端203上，所述脉管装置2的脉管热端203与所述热量回收装置3连接，所述气库调节阀204连接设置有储氢气库205，所述脉管回气阀206与所述氢气回收装置4连
接。

[0036] 具体地，所述热量回收装置3包括相互连接的用户端301和脉管热端换热器302，所述脉管热端换热器302与所述脉管装置2的脉管热端连接。

[0037] 具体地，所述氢气回收装置4包括氢气过滤器401和氢气收集器403，所述氢气过滤器401的进气口与所述脉管装置2的脉管回气阀206连接，所述氢气收集器403与所述氢气过
滤器401的氢气出口连接，所述氢气过滤器401上还设置有杂质出口402。

[0038] 所述氢气过滤器401能滤掉回气中的水和表面活性剂等杂质，获得的纯净氢气输送至氢气收集器403，可为氢氧燃料电池或氢燃气轮机提供氢源。

[0039] 同时，本发明实施例还提供了一种基于铝水反应的脉管热氢联产方法，利用上述基于铝水反应的脉管热氢联产系统，通过进液口注入反应液，被液态金属激活的铝料开始
与水反应，产生氢氧化铝沉淀和氢气，氢气在脉管进气管道内形成均匀紧凑的气泡膜，在脉管装置的进口处爆破产生压力波冲击，在脉管装置内形成交变压力波，气体在脉管装置的
脉管热端压缩并释放压缩热，压缩热经热量回收装置回收利用，气体经气库调节阀调相后
再经氢气回收装置过滤干燥后收集备用。

[0040] 具体运行时，通过进液口101注入掺有反应液102，具体为掺有表面活性剂的NaCl水溶液，被液态金属104激活的铝料103开始与水反应，产生氢氧化铝沉淀和氢气，铝水反应室1在铝水反应时内部的温度和压力分别为20-100℃和0.1-5Mpa，氢气穿过反应液，形成气泡，通过输气口105进入脉管进气管道201，并在脉管进气管道201中形成均匀分布的氢气气泡膜，如图中201-1所示；氢气气泡膜在脉管系统2的入口端爆破，产生压力冲击波，在脉管中形成交变高低压力波；管内气体被压缩至脉管热端203时，放出热量，使脉管热端203温度升高；储氢气库205通过气库调节阀204与脉管热端203相连，可对管内气体进行调相；热量回收系统3与脉管热端203相接，脉管热端换热器302获得热量并传输给用户端301；脉管系
统2的回气通过脉管回气阀206连接至氢气收集装置4。

[0041] 回气为夹杂有水分和表面活性剂杂质的氢气，在氢气过滤器401中进行过滤和干燥，分离得到的杂质经过滤器的杂质出口402排出，获得的纯净氢气进入氢气收集器403。

[0042] 收集的氢气可以储存、运输，可以直接连接氢氧燃料电池发电，也可以通过燃气轮机做功。反应结束后，生成的氢氧化铝沉淀和不参与反应的的液态金属可以回收再利用。因此，该系统可以实现基于铝水反应的脉管热氢联产，为一种清洁能源高效利用方法。

[0043] 实施例2

[0044] 本发明实施例所提供得一种基于铝水反应的脉管热氢联产系统和方法与实施例1相似，区别在于，所述反应液102具体为掺有表面活性剂的蒸馏水。

[0045] 实施例3

[0046] 本发明实施例所提供得一种基于铝水反应的脉管热氢联产系统和方法与实施例1相似，区别在于，所述反应液102具体为掺有表面活性剂的自来水。

[0047] 实施例4

[0048] 本发明实施例所提供得一种基于铝水反应的脉管热氢联产系统和方法与实施例1相似，区别在于，所述反应液102具体为掺有表面活性剂的海水。

[0049] 实施例5

[0050] 本发明实施例所提供得一种基于铝水反应的脉管热氢联产系统和方法与实施例1相似，区别在于，在脉管装置2的脉管冷端加载冷端换热器，将制冷量充分利用。

[0051] 实施例6

[0052] 本发明实施例所提供得一种基于铝水反应的脉管热氢联产系统和方法与实施例1相似，区别在于，铝水反应室1中的铝料不与液态金属结合，而是与某些金属氧化物或盐类，如氧化镁，氧化铝，氯化钠，进行充分球磨之后得到的含铝混合物。

[0053] 综上可知，本发明实施例所提供的基于铝水反应的脉管热氢联产系统和方法，将脉管和热氢相结合，同时利用了氢气和其压力能转化成的热量，具有较高的能源利用率，绿色环保且无碳排放，铝水反应中的液态金属可回收重复利用，生成的氢氧化铝也可回收再
利用，氢气使用的产物也只有水。

[0054] 最后，以上仅为本发明的较佳实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。