專利名稱：利用氫吸附合金及中低溫?zé)岬陌l(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)電裝置，將由工廠排出的水等熱水，輕水反應(yīng)堆等發(fā)出的熱量，中低溫氣體等發(fā)出的廢熱，以及從地?zé)崮芰康葴責(zé)崴玫降?5～200℃的未利用的熱能進(jìn)行回收，利用氫吸附合金的氫的吸留·放出反應(yīng)變換成80～500℃的高溫?zé)崃?，把該溫度傳遞給熱媒體，使之產(chǎn)生熱媒體高壓氣體，利用該高壓氣體驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電，作為未利用的能量的變換·發(fā)電系統(tǒng)可以廣泛地加以利用。
在這樣的在利用燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電裝置中，利用水蒸氣，氨，氟里昂等冷媒體蒸汽，或者加熱天然氣等的熱媒體使之蒸發(fā)，將這些蒸汽加壓導(dǎo)入到燃?xì)廨啓C(jī)中，將燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)后，以把從燃?xì)廨啓C(jī)中排出的蒸汽冷卻冷凝，然后再次將這些液體熱媒體加熱，作為加壓蒸汽再次導(dǎo)入到燃?xì)廨啓C(jī)中的方式進(jìn)行發(fā)電。但是，在這種方式中，熱媒體的加熱溫度與冷卻溫度之間的溫度差必須達(dá)到100℃以上，要求溫度差非常大。實(shí)際上，在這種方式的發(fā)電裝置中，利用150℃左右的溫?zé)釤嵩?，?0～30℃的冷卻源對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，熱效率極低，設(shè)備成本很高，所以存在著很大的困難。
近年來，也開發(fā)了利用由氫氣驅(qū)動(dòng)的渦輪機(jī)的動(dòng)力的、采用氫吸附合金的發(fā)動(dòng)裝置。
在這種利用氫氣渦輪機(jī)的、采用氫吸附合金的發(fā)電裝置中，用300～350℃以下的熱源對(duì)填充了氫吸附合金的氫化物的裝置進(jìn)行加熱，把放出的高溫·高壓氫氣導(dǎo)入到氫氣渦輪機(jī)中，驅(qū)動(dòng)氫氣渦輪機(jī)之后，把從氫氣渦輪機(jī)排出的氫氣導(dǎo)入到填充了另外的氫吸附合金裝置內(nèi)并吸附到氫氣吸附合金內(nèi)，再次加熱該裝置，作為高溫·高壓氫氣，以在氫氣渦輪機(jī)內(nèi)循環(huán)導(dǎo)入的方式進(jìn)行發(fā)電。但是，在這種方式中，與利用氫吸附合金的熱泵相比，氫的移動(dòng)量變大，在熱源側(cè)必須利用300～350℃的高溫，所以存在著氫氣排出溫度高，熱效率極低，造成氫吸附合金的急劇劣化，合金的性能及耐久性變差，設(shè)備成本提高等問題。
此外，到目前為止，我們所使用的大部分能源是石油，煤炭等礦物燃料，但可以認(rèn)為，在今后的能源中，由原子能、天然能量及工廠廢熱等產(chǎn)生的熱量的再利用能量所占的比例將會(huì)增加。
這些能源主要以熱的形式進(jìn)行供應(yīng)。例如，從高溫燃?xì)鉅t中可以獲得1000℃以下的熱，從輕水反應(yīng)堆中可以獲得300℃以下的熱，從中低溫氣體中可以獲得150～400℃的熱，從地?zé)崮芸色@得400℃以下的熱，從太陽(yáng)能集熱器所得的太陽(yáng)能的熱量可以獲得100℃以下的熱，從低溫廢水中可獲得0～100℃的熱，如此所獲得的熱量是多種多樣的。
但是，當(dāng)縱觀當(dāng)前的能量狀況時(shí)，幾乎有2/3的熱能(不包括自然界的能量)未被利用而被廢棄，其總量是巨大的。例如，在從工業(yè)設(shè)備中排出的廢熱中，量最大的中低溫(300℃以下)的廢熱由于其回收率低而未被利用被棄之不顧。所以，如何有效地利用這些熱能是今后能源開發(fā)中的一大課題，解決這一課題關(guān)系到能量資源的有效利用。此外，從環(huán)保的觀點(diǎn)出發(fā)也希望高效率地開發(fā)熱能回收·利用技術(shù)。
本發(fā)明鑒于上述情況，其目的是提供一種熱交換效率高、經(jīng)濟(jì)且利用范圍廣泛的發(fā)電裝置。
發(fā)明的公開本發(fā)明是一種利用氫吸附合金及中低溫?zé)岬陌l(fā)電裝置，其特征為，采用能夠可逆地吸附·放出氫氣，溫度·平衡氫氣壓特性不同的兩種氫吸附合金，將這兩種氫吸附合金分別裝填到相互通氣連接的第一個(gè)氫吸附合金熱交換容器與第二個(gè)氫吸附合金熱交換容器中，利用使氫氣在前述第一個(gè)氫吸附合金熱交換容器與第二個(gè)氫吸附合金熱交換容器之間移動(dòng)時(shí)所發(fā)出的熱的熱釋放循環(huán)至少準(zhǔn)備兩組，通過用15～200℃的中低溫廢熱源對(duì)在同一溫度下的平衡氫氣壓高的低溫側(cè)氫吸附合金的氫化物加熱，使放出的氫氣吸附到平衡氫氣壓低的高溫側(cè)的氫吸附合金中，由此獲得比中低溫廢熱源溫度高的80～500℃的高溫?zé)幔迷摕岙a(chǎn)生熱媒體高溫氣體，通過利用該高壓氣體使渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行發(fā)電。從而，利用氫吸附合金把以前不能使用的中低溫?zé)崮茏儞Q成高溫?zé)崮?，可利用該熱能進(jìn)行發(fā)電，從而不用現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)電方式那樣的高溫?zé)嵩矗瑹嶙儞Q效率高，所以是很經(jīng)濟(jì)的。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的用于驅(qū)動(dòng)利用氫吸附合金及中低溫?zé)岬陌l(fā)電裝置的熱釋放循環(huán)圖。
根據(jù)本發(fā)明的利用氫吸附合金及中低溫?zé)岬陌l(fā)熱裝置，如

圖1所示，主要由填充了氫吸附合金的氫吸附合金熱交換容器1、2、3、4及中低溫蓄熱槽7，高溫蓄熱槽11，熱媒體蒸發(fā)器12，燃?xì)廨啓C(jī)13，以及發(fā)電機(jī)14構(gòu)成。
將從工廠廢水等熱水來的15℃以上的熱8，從中低溫氣體及熱風(fēng)爐氣體來的100～200℃的廢熱9，從輕水反應(yīng)堆及地?zé)崮軄淼?00℃以下的熱10等獲得的中低溫廢熱源(15～200℃)媒體蓄積在中低溫蓄熱槽7中。
分別把溫度·平衡氫氣壓特性不同的兩種氫吸附合金Ma及Mb填充到兩個(gè)氫吸附合金熱交換容器內(nèi)，其制成兩組容器。即，分別把氫氣吸附合金Ma填充到氫吸附合金熱交換容器2、3中，把氫吸附合金Mb填充到氫吸附合金熱交換容器1、4中。將兩個(gè)容器分別用閥5、6連接，以便可分別使氫氣移動(dòng)。在這種情況下，如圖2所示，在同一溫度時(shí)，采用氫吸附合金Mb比氫吸附合金Ma的平衡氫氣壓高。此外，在圖1中，15表示媒體冷凝器，16表示槽，17表示媒體反饋泵，18表示預(yù)熱器，19、20表示冷卻水。
下面對(duì)于具有上述結(jié)構(gòu)的發(fā)電裝置的作用的一例進(jìn)行說明。
首先，使氫吸附到氫吸附合金熱交換容器1的平衡氫壓高的低溫側(cè)的氫吸附合金Mb中，生成金屬氫化物MbH。當(dāng)用從未利用的中低溫?zé)嵩?、9、10中獲得的蓄熱槽7中的180℃的中低溫媒體對(duì)氫吸附合金熱交換容器1進(jìn)行加熱時(shí)，引起金屬氫化物MbH的吸熱反應(yīng)，氫吸附合金熱交換容器1內(nèi)的壓力增高而放出氫氣。氫氣通過閥5流向氫吸附合金熱交換容器2，被吸附到平衡氫壓低的高溫側(cè)的氫吸附合金Ma中。這時(shí)，借助發(fā)熱反應(yīng)取出300℃的高溫媒體，蓄積在高溫蓄熱槽11內(nèi)。即，可將中低溫?zé)嶙鳛楦邷厝〕觥＠眠@種高溫?zé)釋?duì)熱媒體蒸發(fā)器12加熱，使產(chǎn)生熱媒體高壓氣體，通過利用該高壓氣體驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)13，而利用發(fā)電機(jī)發(fā)電，提取出電力。
另一方面，作為再生過程，當(dāng)氫吸附合金熱交換容器3的金屬氫化物MaH用中低溫蓄熱槽7的180℃的中低溫媒體加熱時(shí)，金屬氫化物MaH引起吸熱反應(yīng)，氫吸附合金熱交換容器3內(nèi)的壓力增高而放出氫氣。被放出的氫氣通過閥6下降到外部大氣的溫度15℃，流向壓力下降后的氫吸附合金熱交換器4，被吸附到平衡氫壓高的低溫側(cè)的氫吸附合金Mb內(nèi)，再次成為金屬氫化物MbH，并反復(fù)進(jìn)行同一循環(huán)。
即，通過組合使用二組以上的氫吸附合金Ma及Mb，連續(xù)獲得高溫?zé)?，一定量的氫氣在不被丟失的情況下反復(fù)在氫吸附合金Ma和Mb之間移動(dòng)。利用這樣連續(xù)獲得的高溫?zé)釋?duì)熱媒體蒸發(fā)器進(jìn)行加熱，產(chǎn)生熱媒體高壓氣體，通過用該熱媒體高壓氣體使渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，連續(xù)驅(qū)動(dòng)發(fā)電裝置。
又，在本發(fā)明中，準(zhǔn)備兩套如上面所述的由第一氫吸附合金熱交換容器與第二氫吸附合金熱交換容器構(gòu)成的系統(tǒng)，將它們交替地切換可獲得能夠連續(xù)進(jìn)行發(fā)電的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的裝置，是一種利用15～200℃的中低溫度廢熱源，獲得80～500℃的高溫?zé)岬慕Y(jié)構(gòu)。
之所以利用15～200℃的中低溫廢熱源是由于工業(yè)設(shè)備中排出的廢熱中，量最大的部分是300℃以下的中低溫?zé)嵩矗宰鳛闊嵩蠢?00℃以下的廢熱從獲得熱源方面考慮是最有利的，除此之外，當(dāng)使用超過200℃的高溫?zé)嵩磿r(shí)，氫吸附合金的氫放出溫度過高，熱效率降低，與此同時(shí)，合金有可能會(huì)急劇劣化，另一方面，當(dāng)利用不足15℃的低溫?zé)嵩磿r(shí)，不能充分引起金屬氫化物的吸熱反應(yīng)。
另外，之所以制成獲得80～500℃的高溫?zé)岬脑O(shè)備，是由于利用不足80℃的熱驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)時(shí)熱效率極低，另一方面，要獲得超過500℃的高溫，從氫吸附合金的性質(zhì)上講有困難，同時(shí)也不易于處理。此外，所獲得的高溫?zé)岬臏囟确秶?，如后面所述，根?jù)所使用的氫吸附合金的種類是必然確定的。
氫吸附合金Ma及Mb采用相互平衡氫氣壓不同的合金，其種類依據(jù)熱源溫度進(jìn)行選擇。
如上所述，本發(fā)明利用從工廠廢水等的熱水中來的15℃以上的熱、從中低溫氣體及熱風(fēng)爐氣體中來的100～200℃的廢熱，輕水反應(yīng)堆及地?zé)崮芏鴣淼?00℃以下的熱等各種各樣的中低溫廢熱源對(duì)在同一溫度下平衡氫壓高的低溫側(cè)的氫吸附合金氫化物MbH加熱，并使放出的氫被吸附到氫平衡壓低的高溫側(cè)的氫吸附合金Ma中，由此生成熱媒體的高壓氣體，利用該高壓氣體使渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行發(fā)電。
在借助氫吸附合金的氫化物MbH的吸熱反應(yīng)對(duì)這種多種多樣的中低溫廢熱源進(jìn)行熱回收·利用時(shí)，根據(jù)廢熱源的溫度對(duì)合金氫化物所要求的特性也不同。這時(shí)，最重要的特性是溫度、即反應(yīng)熱。就是說，氫吸附合金的氫化物MaH吸收與反應(yīng)熱(溫度)平衡的熱量并分解，作為氫氣放出。同樣地，在使氫被吸附到氫吸附合金Ma中發(fā)熱·利用時(shí)也一樣，反應(yīng)熱越大所得溫度越高。同時(shí)，通過改變氫吸附合金的種類及組成，決定合金的特性，即反應(yīng)熱(溫度)。
所以，在本發(fā)明中，對(duì)于多種多樣的中低溫廢熱源，為確實(shí)實(shí)現(xiàn)氫吸附合金氫化物的吸熱反應(yīng)以及氫吸附合金的發(fā)熱反應(yīng)，需要根據(jù)所使用的熱源的溫度，適當(dāng)?shù)剡x擇氫吸附合金的種類與組成進(jìn)行組合。
熱源溫度與氫吸附合金的關(guān)系的具體例子如下所示。
氫吸附合金Mb，在中低溫廢熱源溫度15～100℃時(shí)，可以使用從以下合金中選擇出來的合金鑭-鎳系合金，混合稀土-鎳系合金，鈦-鐵系合金，鈦-鉻系合金，鈦-釩系合金，鋯-錳系合金，鋯-鉻系合金，鋯-鎳系合金，鈣-鎳系合金，在100～200℃時(shí)，可以使用從下述合金選擇出來的合金或它們兩種以上的復(fù)合氫吸附合金鑭-鎳系合金，混合稀土-鎳系合金，鈦-鐵系合金，鈦-鉻系合金，鈦-釩系合金，鈦-鈷系合金等。
此外，氫吸附合金Ma在高溫?zé)嵩礈囟仍?0～300℃時(shí)，可以使用從以下合金中選擇出來的合金鑭-鎳系合金，混合稀土-鎳系合金，鈦-鐵系合金，鈦-鉻系合金，鈦-釩系合金，鈦-鈷系合金，鋯-錳系合金，鋯-鉻系合金，鋯-鎳系合金，鈣-鎳系合金等，在300～500℃時(shí)，可以使用以下各種合金中之一鎂-鎳系合金，鎂-銅系合金，鎂-鑭系合金，鎂-鋁系合金，鎂-鋅系合金，鎂-鈣系合金，或者使用鎂系合金與異種合金的復(fù)合化合金。此外，混合稀土是稀土類金屬的混合物。
此外，作為本發(fā)明中熱媒體高壓氣體的種類，可以列舉出丙烷，n-丁烷，n-戊烷，己烷等碳?xì)浠铮蛘哌@些氣體的混合物，以及水蒸氣等。
下表中列出了在應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的利用氫吸附合金和中低溫?zé)岬陌l(fā)電裝置時(shí)的主要操作條件的一個(gè)例子。

工業(yè)上的可利用性如上所述，根據(jù)本發(fā)明的利用氫吸附合金和中低溫?zé)岬陌l(fā)電裝置，利用氫吸附合金將現(xiàn)有的發(fā)電過程中從來不用的排放熱水，從輕水反應(yīng)堆及熱風(fēng)爐的氣體等來的廢熱，地?zé)釤崮艿鹊唾|(zhì)量(中低溫?zé)?能量變換成高質(zhì)量(高溫?zé)?能，可利用這些熱高效率地進(jìn)行發(fā)電，可有效地進(jìn)行能量的利用，減少石油的消耗量，更能對(duì)地球的環(huán)境保護(hù)做出貢獻(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種利用氫吸附合金及中低溫?zé)岬陌l(fā)電裝置，其特征在于，采用能夠可逆地吸附·放出氫氣，溫度·平衡氫壓特性不同的兩種氫吸附合金，把這兩種氫吸附合金分別裝填到相互通氣連接的第一氫吸附合金熱交換容器以及第二氫吸附合金熱交換容器內(nèi)，利用使氫氣在所述第一氫吸附合金熱交換容器和第二氫吸附合金熱交換容器間移動(dòng)時(shí)所放出的熱量的熱釋放循環(huán)至少準(zhǔn)備兩組，通過利用15～200℃的中低溫廢熱源加熱在同一溫度下平衡氫壓高的低溫側(cè)的氫吸附合金的氫化物(MbH)，使放出的氫被吸附到平衡氫壓低的高溫側(cè)的氫吸附合金(Ma)上，由此從中低溫?zé)嵩礈囟全@得更高溫度的80～500℃的高溫?zé)?，借助該熱產(chǎn)生熱媒體高壓氣體，利用該高壓氣體使渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行發(fā)電。
2.如權(quán)利要求1所述的利用氫吸附合金及中低溫?zé)岬陌l(fā)電裝置，其特征在于，準(zhǔn)備兩組由第一氫吸附合金熱交換容器和第二氫吸附合金熱交換容器構(gòu)成的系統(tǒng)，將它們交替地切換連續(xù)地進(jìn)行發(fā)電。
3.如權(quán)利要求1或2所述的利用氫吸附合金及中低溫?zé)岬陌l(fā)電裝置，其特征在于，作為氫吸附合金(Mb)的種類，在中低溫廢熱源溫度15～100℃時(shí)，可以使用從以下合金中選擇出來的合金鑭-鎳系合金，混合稀土-鎳系合金，鈦-鐵系合金，鈦-鉻系合金，鈦-釩系合金，鋯-錳系合金，鋯-鉻系合金，鋯-鎳系合金，鈣-鎳系合金，在100～200℃時(shí)，可以使用從下述合金選擇出來的合金或它們兩種以上的復(fù)合氫吸附合金鑭-鎳系合金，混合稀土-鎳系合金，鈦-鐵系合金，鈦-鉻系合金，鈦-釩系合金，鈦-鈷系合金。
4.如權(quán)利要求1或2所述的利用氫吸附合金及中低溫?zé)岬陌l(fā)電裝置，其特征在于，作為氫吸附合金(Ma)的種類，高溫?zé)嵩礈囟仍?0～300℃時(shí)，可以使用從以下合金中選擇出來的合金鑭-鎳系合金，混合稀土-鎳系合金，鈦-鐵系合金，鈦-鉻系合金，鈦-釩系合金，鈦-鈷系合金，鋯-錳系合金，鋯-鉻系合金，鋯-鎳系合金，鈣-鎳系合金，在300～500℃時(shí)，可以使用以下各種合金中之一鎂-鎳系合金，鎂-銅系合金，鎂-鑭系合金，鎂-鋁系合金，鎂-鋅系合金，鎂-鈣系合金，或者使用鎂系合金與異種合金的復(fù)合化合金。
5.如權(quán)利要求1或2所述的利用氫吸附合金及中低溫?zé)岬陌l(fā)電裝置，其特征在于，熱媒體高壓氣體的種類，可以是丙烷，n-丁烷，n-戊烷，己烷等的碳?xì)浠?，或者這些氣體的混合物，以及水蒸氣。
全文摘要
一種采用能夠可逆地吸附·放出氫氣,溫度·平衡氫壓特性不同的兩種氫吸附合金,把這兩種氫吸附合金分別裝填到相互通氣連接的第一氫吸附合金熱交換容器(1)以及第二氫吸附合金熱交換容器(2)內(nèi),利用使氫氣在所述第一氫吸附合金熱交換容器和第二氫吸附合金熱交換容器間移動(dòng)時(shí)所放出的熱量的熱釋放循環(huán)至少準(zhǔn)備兩組,通過利用15～200℃的中低溫廢熱源(8)(9)(10)加熱在同一溫度下平衡氫壓高的低溫側(cè)的氫吸附合金的氫化物(MbH),使放出的氫被吸附到平衡氫壓低的高溫側(cè)的氫吸附合金(Ma)上,由此從中低溫?zé)嵩礈囟全@得更高溫度的80～500℃的高溫?zé)?借助該熱產(chǎn)生熱媒體高壓氣體,利用該高壓氣體使渦輪機(jī)(13)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行發(fā)電的發(fā)電裝置。
文檔編號(hào)F25B17/12GK1386157SQ01802257
公開日2002年12月18日 申請(qǐng)日期2001年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月1日
發(fā)明者大角泰章 申請(qǐng)人:大角泰章