专利名称：一种镁能光热发电系统的制作方法
技术领域：
本发明属于新能源发电技术领域，特别涉及一种利用金属镁燃烧发出的光和热进 行发电的一种镁能光热发电系统。具体说，是通过金属镁在相应容器里燃烧，放出大量的光 和热，利用光吸收原理和热吸收原理，尤其利用具有吸光和吸热功能较强的超导热管，将其 转换成电能。同时，收集具有较高价值的燃烧产物。镁能是一种亟待开发和值得进一步探 索的新能源。
背景技术：
镁在地壳中的含量约为2.5%，是第8个最丰富的元素。金属镁燃烧化学反应强 烈，可放出其储藏的巨大能量。在空气中点燃，与氧气合成氧化镁(MgO)放出大量热量，并 使其灼热，放出强烈耀眼的白光，产生白烟；且也可与氮气反应生成氮化镁(Mg3N2)15镁的燃 烧热为24900kJ/kg 25200kJ/kg，且燃烧过程释放巨大的光能，可见燃烧很少质量的镁 就能释放出足够多的能量。另外燃烧产物(MgO、Mg3N2)具有较高的经济价值。关键是设计 一个可控的方式，以达到从镁燃烧中获得能量。英国不列颠哥伦比亚省白石镇的工程师已 经开发出一种金属空气电池，该电池通过使用水、空气与作为阳极电源的镁金属进行反应 来产生电能。以色列巴伊兰大学的Doron Aurbach教授制造了世界上第一个镁锂充电电池， 该电池寿命长，并且性能稳定。然而，目前世界上并没有一个以镁为燃料的发电厂，除了镁 来源的代价问题之外，如何充分利用镁的燃烧热，特别是如何有效利用其强烈的光能，是一 个有待解决的问题。设计出同时利用镁的光能和热能的新型装置十分必要，是实现新能源 开发的迫切要求。也具有形成独立自主知识产权的重要价值。
发明内容
本发明的目的是提出一种镁能光热发电系统。其特征在于，所述镁能光热发电系 统是一种利用超导热管、热管换热器组成的吸热吸光系统，该系统的基本结构由镁粉燃烧 及燃烧产物收集回路和给水到高温蒸汽的工质传热回路共同构成；由镁粉燃烧及燃烧产物 收集回路将金属镁燃烧生成的热能和光能转化为电能，通过进风口 2、进料口 3及火势调节 装置20实现负荷可控，并利用分离装置6、灰渣输送带18实现将燃烧产物(MgO、Mg3N2)收 集利用；所述镁粉燃烧及燃烧产物收集回路为进料口 3及进风口 2固定在炉膛4左壁上、尾 部烟道7连接在炉膛4右上面、分离装置6和落渣仓5连接在炉膛4右边、灰渣输送带18 在落渣仓5下面、火势调节装置20在炉膛4上部，净化装置8装在尾部烟道7下面组成；给 水到高温蒸汽的工质传热回路分别为装在炉膛4内的超导热管15、分离器超导热管19、下 热管换热器9、上热管换热器13、烟道热管换热器11、换热器12、第二换热器14与上热管换 热器13顺序连接、联箱10分别连接下热管换热器9和烟道热管换热器11、净化装置8连接 鼓风机1和进风口 2、第二换热器14出口连接至汽轮机16、汽轮机连接发动机17所组成； 该系统的基本功能为将镁燃烧的光热能转化为电能且收集具有较高价值的氧化镁和氧化 氮燃烧产物。
所述超导热管15位于炉膛4内，吸收燃烧过程中释放的光能和热能。超导热管是 一种高效的传热元件，满足高温高热流密度条件下的传热，由多种无机活性金属及其化合 物混合而成，具体原料配比在去离子水或高纯水IOOOg中含重铬酸钾30 50g、过硼酸钠 10 15g、硼酸3 5g、过氧化钠1 3g、氢氧化铝0. 5 1. 5g、三氧化二钴0. 2 0. 5g、 二氧化锰0. 2 0. 5g ；在外因热的激发下利用微粒子的高频率振动传递热量，具有超常的 热活性和热敏感性，超强导热性能使其导热系数能达纯银的32000倍；在传导方向上几乎 没有温度的衰减并能以超音速传递的速度传递热量，在很宽的温度变化范围内运行。所述超导热管15主要用来吸收镁燃烧的光能和热能；包括两种类型，其中类型一 为超导热管外套有耐高温玻璃管，耐高温玻璃管外表面采用磁控溅射法制备具有镁光选择 性吸收特性的Ni-NiOx薄膜，高选择性吸收镀膜将镁燃烧产生的耀眼白光转化为热能，转化 后的热能随之被内置的超导热管所吸收；类型二为独立的超导热管，外部不设置耐高温玻 璃管，主要吸收镁燃烧直接产生的大量热量；两种结构类型的超导热管交错布置，充分吸收 光能和热能。所述分离器超导热管19为独立的超导热管，其外部不需设置耐高温玻璃管，位于 分离装置所在的腔体内，主要有效地将分离装置分离出的燃烧产物的热量进行回收。所述烟道热管换热器11位于尾部烟道内，主要回收未参与燃烧的空气中的热量， 热管的蒸发段处于烟道热管换热器11烟气流通道内，未参与燃烧的高温空气流过此处将 热量传给该热管；该热管的冷凝段处于烟道热管换热器11工质流通通道中，工质流过此处 被加热。所述下热管换热器9位于炉膛下部，主要有效地将下落的燃烧产物中的热量进行 回收，并保护落渣仓，此热管的蒸发段处于灰渣范围内，冷凝段处于下热管换热器9水流通 道，给水流过此处被加热。所述上热管换热器13位于炉膛4上部，主要吸收烟气中的热量及部分镁燃烧热 量，烟气流过上热管换热器13的烟气通道将热量传递给热管蒸发段，工质在上热管换热器 13的工质流通通道内被热管冷凝段加热。所述联箱10连接下热管换热器9和烟道热管换热器11，目的是使通过下热管换 热器9的工质进行均勻混合后再进入烟道热管换热器11，减少不同通道内的工质的不均勻性。所述第一换热器12连接烟道热管换热器11和上热管换热器13，其中利用分离器 超导热管19对其内部工质进行加热，既起到加热工质的作用，又使来自烟道热管换热器11 的工质得到充分的混合。所述第二换热器14连接上热管换热器13和汽轮机16，由于来自炉膛4的超导热 管15的工质的温度最高，利用第二超导热管14在其内部对工质进行进入汽轮机16前的最 后加热，既起到加热工质的作用，又使来自上热管换热器13的工质得到充分的混合。所述分离装置6依据旋风除尘原理，使携带燃烧产物(MgO、Mg3N2)的烟气流做旋转 运动，使烟气流中的燃烧产物颗粒因受离心力作用从空气流中分离出来，与炉膛中镁粉燃 烧过程中落下的燃烧产物一起经过灰渣口由灰渣输送带收集起来。所述进料口 3将一定量的镁粉输送到炉膛，且具有根据负荷需要调节镁粉输送量 的作用，另外，要保证进料口 3的密封性，控制空气温度和湿度，防止镁粉自燃与氧化。
所述进风口 2具有控制送风量的作用，从而控制镁的燃烧，达到调节负荷的目的。 送风一方面来自外界经过干燥处理的新空气；另一方面来自尾部烟道未经燃烧的空气，其 经过净化装置除去细微颗粒等杂质，具有一定的热量的空气，实现热量的充分利用。两方面 空气混合后经过进风口送入炉膛使镁粉悬浮燃烧。悬浮燃烧范围大，使炉膛内热管吸光能 力得到强化。所述火势调节装置20利用三甲氧基硼氧六环(7150)对金属镁燃烧火势进行调 节，实现负荷可控；并在事故下处理镁粉火灾。本装置设置在炉膛上部，7150灭火药剂以雾 状的形式喷射到燃烧着的金属镁表面，高温作用下在金属镁表面形成一层硼酐隔膜，使与 空气隔绝而使之熄灭。控制7150灭火药剂量可达到实现负荷调节的效果。所述净化装置8将来自尾部烟道未经燃烧的空气中含有的细微燃烧产物颗粒及 少量的碳、水蒸气等净化除去达到一定指标与新空气混合共同送入炉膛。所述落渣仓5收集在炉膛内直接的镁燃烧产物和由分离装置分离出的烟气中的 燃烧产物。本发明具有以下突出优点及效果所提供的镁能光热发电系统，是一种利用超导 热管、热管换热器等设备将镁粉在空气中悬浮燃烧产生的大量的热量和光能传递给水，产 生水蒸气推动汽轮机发电且通过分离装置、灰渣输送装置实现具有较高价值的燃烧产物回 收的负荷可控的综合装置。本发明结构简单可靠、回路设计合理，可实现镁价值的综合利 用；本系统使用镁作为燃料，产生电能；同时可实现具有很好的市场价值的MgO、Mg3N2等副 产品的提取回收，经济效益可观。本发明由于无需向环境中排放二氧化碳，二氧化硫，粉尘 等对环境造成污染的物质，该发明的利用，可减少化石燃料燃烧以及其他产能装置造成的 环境影响，属于清洁能源利用。可较容易进行市场化推广应用，应是当今新能源利用的需要 开拓的重要技术之一。
图1是一种镁能光热发电系统示意图。
具体实施例方式本发明提出一种镁能光热发电系统。下面结合附图对本发明的具体结构、工作过 程和最佳实施方式作进一步说明。该系统是一种利用超导热管、热管换热器组成的吸热吸 光系统，该系统的基本结构由镁粉燃烧及燃烧产物收集回路和给水到高温蒸汽的工质传热 回路共同构成；由镁粉燃烧及燃烧产物收集回路将金属镁燃烧生成的热能和光能转化为电 能，通过进风口 2、进料口 3及火势调节装置20实现负荷可控，并利用分离装置6、灰渣输送 带18实现将燃烧产物(MgO、Mg3N2)收集利用；图1是镁能光热发电系统示意图。本系统主 要由两个回路构成，分别是镁粉燃烧及燃烧产物收集回路和给水到高温蒸汽的工质传热回 路。第一回路为镁粉燃烧及燃烧产物收集回路一定量镁粉经过送料口 3进入炉膛 4，空气由送风口 2进入炉膛4，在点火器的引燃作用下悬浮镁粉与空气中氧气(O2)和氮气 (N2)进行反应，悬浮燃烧生成氧化镁(MgO)和氮化镁(Mg3N2),放出巨大热量的同时释放出 灼热的光能。燃烧产物(MgO、Mg3N2) —部分落到炉膛4下部落渣仓5内；另一部分由未参与
6燃烧的空气流携带出炉膛4，经过分离装置6的旋风除尘原理，使携带燃烧产物的空气流做 旋转运动，将空气流中的燃烧产物颗粒因受离心力作用从空气流中分离出来，与炉膛中镁 粉燃烧过程中落下的燃烧产物一同经过灰渣口 5由灰渣输送带18收集起来。经过分离装 置6后的高温空气流流过尾部烟道7后，由位于尾部烟道7外部的净化装置8对其中含有 的细微燃烧产物颗粒及少量的碳、水蒸气等净化去除。此时，得到具有一定热量的空气，并 将其与新空气混合一并由进风口 2送进炉膛4进行循环利用。其中，进风口 2具有控制送 风量的作用，从而控制镁的燃烧，达到调节负荷的目的。送风一方面来自外界经过干燥处理 的新空气；另一方面来自尾部烟道未经燃烧的空气，其经过净化装置除去细微颗粒等杂质， 具有一定的热量的空气，实现热量的充分利用。两方面空气混合后经过进风口送入炉膛使 镁粉悬浮燃烧。悬浮燃烧范围大，使炉膛内热管吸光能力得到强化。进料口 3通过调节输送 的镁粉量及火势调节装置通过喷洒的三甲氧基硼氧六环(7150)灭火药剂量分别起到负荷 可控的作用。所述进料口 3将一定量的镁粉输送到炉膛，且具有根据负荷需要调节镁粉输 送量的作用，另外，要保证进料口 3的密封性，控制空气温度和湿度，防止镁粉自燃与氧化。第二回路为给水到高温蒸汽的工质传热回路首先给水被送入下热管换热器9 中，实现落入炉膛内的燃烧产物对其的加热。接着工质由下热管换热器9中多个分管道进 入联箱10进行充分混合，实现进入烟道热管换热器11的工质的温度相等。工质在烟道热管 换热器11中受尾部烟道7内未参与燃烧的具有一定热量的空气的加热后进入第一换热器 12，在第一换热器12中被分离器超导热管19进行加热。然后，工质进入上热管换热器13吸 收烟气中的热量及部分镁燃烧热量，依次进入对第二换热器14，超导热管15 —方面间接吸 收金属镁燃烧释放的灼热光能，一方面直接吸收金属镁燃烧释放的大量热量，超导热管15 所吸收的总能量输入第二换热器14换热给工质。经过一系列的加热与换热，金属镁燃烧生 成的热和光转化为工质的热能，使得工质由水变成高温高压蒸汽，蒸汽推动汽轮机16做功 并通过发电机17产生电能。为实现负荷的可控及在需要紧急灭火或金属镁燃烧难以控制的事故状态下，依据 三甲氧基硼氧六环(7150)对金属镁的灭火原理设置了火势调节装置20。7150灭火药剂以 雾状的形式喷射到燃烧着的金属镁表面，高温作用下在金属镁表面形成一层硼酐隔膜，使 与空气隔绝而使之熄灭。除了送风口对空气输送量的控制及送料口对镁粉输送量的控制 外，通过控制7150灭火药剂量也可达到实现负荷调节的效果，可见，本镁能光热转化装置 对负荷的控制具有冗余性。所述超导热管15和分离器超导热管19是镁能光热转化装置的关键部件。在镁燃 烧的过程中，无需任何的动力实现吸热吸光，具有超高的导热效率，有利于提高燃烧装置的 转化效率以及工质的参数。超导热管结构还可以按照具体空间的状况和其它系统的状况进 行制造，按照本发明的基本原理，可制造各类型号大小的装置。其特点是适用范围广；导 热性好；单根或数根破损系统不受影响；运行热管热容极低；升温快，特别严重事故下，可 以在高温状态下，利用辐射换热吸收热量；可消除导热死区。水及其它液体工质在高温相变 过程中和母管金属有不同形式的化学反应，如水热管内就易产生氢气等不凝气体，从而在 热管上部形成导热死区，影响传热效果，而超导介质热管不存在此问题。安装方便，不受安 装位置限制。一般热管必须依靠重力实现液体的循环(称重力式热管)。超导热管可任意 安装，只要有温差就可传热。
该发明的系统运行参数问题主要决定于相关管道材料性能，根据现在传热导热材 料的情况，本发明的最高运行参数可达到现在火电临界机组相当的参数，蒸汽压力可达到 24MPa-26MPa，温度可达到 538°C。
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权利要求
一种镁能光热发电系统，其特征在于，所述镁能光热发电系统是一种利用超导热管、热管换热器组成的吸热吸光系统，该系统的基本结构由镁粉燃烧及燃烧产物收集回路和给水到高温蒸汽的工质传热回路共同构成，将金属镁燃烧生成的热能和光能转化为电能，通过进风口(2)、进料口(3)及火势调节装置(20)实现负荷可控，并利用分离装置(6)、灰渣输送带(18)实现将燃烧产物收集利用；所述镁粉燃烧及燃烧产物收集回路为进料口(3)、进风口(2)固定在炉膛(4)的左壁上、尾部烟道(7)连接在炉膛(4)右上面、分离装置(6)和落渣仓(5)连接在炉膛(4)右边、灰渣输送带(18)在落渣仓(5)下面、火势调节装置(20)在炉膛(4)上部，净化装置(8)装在尾部烟道(7)下面组成；给水到高温蒸汽的工质传热回路由装在炉膛(4)内的超导热管(15)、分离器超导热管(19)、下热管换热器(9)、上热管换热器(13)、烟道热管换热器(11)、换热器(12)、第二换热器(14)与上热管换热器(13)顺序连接、联箱(10)分别连接下热管换热器(9和烟道热管换热器(11)、净化装置(8)连接鼓风机(1)和进风口(2)、第二换热器(14)出口连接至汽轮机(16)、汽轮机连接发动机(17)所组成；该系统的基本功能为将镁燃烧的光热能转化为电能，且收集具有较高价值的氧化镁和氧化氮燃烧产物；其中分离装置(6)依据旋风除尘原理，使携带氧化镁和氧化氮燃烧产物的烟气流做旋转运动，使烟气流中的燃烧产物颗粒因受离心力作用从空气流中分离出来，与炉膛中镁粉燃烧过程中落下的燃烧产物一起经过灰渣口由灰渣输送带收集起来。
2.根据权利要求1所述一种镁能光热发电系统，其特征在于，所述超导热管(15)位于 炉膛4内，吸收燃烧过程中释放的光能和热能。超导热管是一种高效的传热元件，满足高温 高热流密度条件下的传热，由多种无机活性金属及其化合物混合而成，具体原料配比在去 离子水或高纯水IOOOg中含重铬酸钾30 50g、过硼酸钠10 15g、硼酸3 5g、过氧化钠 1 3g、氢氧化铝0. 5 1. 5g、三氧化二钴0. 2 0. 5g、二氧化锰0. 2 0. 5g ；在外因热的 激发下利用微粒子的高频率振动传递热量，具有超常的热活性和热敏感性，超强导热性能 使其导热系数能达纯银的32000倍；在传导方向上几乎没有温度的衰减并能以超音速传递 的速度传递热量，在很宽的温度变化范围内运行。
3.根据权利要求1所述一种镁能光热发电系统，其特征在于，所述超导热管15主要用 来吸收镁燃烧的光能和热能；包括两种类型，其中类型一为超导热管外套有耐高温玻璃管， 耐高温玻璃管外表面采用磁控溅射法制备具有镁光选择性吸收特性的M-NiOx薄膜，高选 择性吸收镀膜将镁燃烧产生的耀眼白光转化为热能，转化后的热能随之被内置的超导热管 所吸收；类型二为独立的超导热管，外部不设置耐高温玻璃管，主要吸收镁燃烧直接产生的 大量热量；两种结构类型的超导热管交错布置，充分吸收光能和热能。
4.根据权利要求1所述一种镁能光热发电系统，其特征在于，所述分离器超导热管 (19)为独立的超导热管，其外部不需设置耐高温玻璃管，位于分离装置所在的腔体内，主要 有效地将分离装置分离出的燃烧产物的热量进行回收。
5.根据权利要求1所述一种镁能光热发电系统，其特征在于，所述烟道热管换热器 (11)位于尾部烟道内，主要回收未参与燃烧的空气中的热量，热管的蒸发段处于烟道热管 换热器(11)烟气流通道内，未参与燃烧的高温空气流过此处将热量传给该热管；该热管的 冷凝段处于烟道热管换热器(11)工质流通通道中，工质流过此处被加热。
6.根据权利要求1所述一种镁能光热发电系统，其特征在于，所述下热管换热器(9)位 于炉膛下部，主要有效地将下落的燃烧产物中的热量进行回收，并保护落渣仓，此热管的蒸发段处于灰渣范围内，冷凝段处于热管换热器(9)水流通道，给水流过此处被加热。
7.根据权利要求1所述一种镁能光热发电系统，其特征在于，所述上热管换热器(13) 位于炉膛(4)上部，主要吸收烟气中的热量及部分镁燃烧热量，烟气流过上热管换热器 (13)的烟气通道将热量传递给热管蒸发段，工质在上热管换热器(13)的工质流通通道内 被热管冷凝段加热。
8.根据权利要求1所述一种镁能光热发电系统，其特征在于，所述联箱(10)连接下热 管换热器(9)和烟道热管换热器(11)，目的是使通过下热管换热器(9)的工质进行均勻混 合后再进入烟道热管换热器(11)，减少不同通道内的工质的不均勻性。
9.根据权利要求1所述一种镁能光热发电系统，其特征在于，所述第一换热器(12)连 接烟道热管换热器(U)和上热管换热器(13)，其中利用分离器超导热管(19)对其内部工 质进行加热，既起到加热工质的作用，又使来自烟道热管换热器(11)的工质得到充分的混I=I O
10.根据权利要求1所述一种镁能光热发电系统，其特征在于，所述第二换热器(14)连 接上热管换热器(13)和汽轮机(16)，由于来自炉膛(4)的超导热管(15)的工质的温度最 高，利用第二超导热管(14)在其内部对工质进行进入汽轮机(16)前的最后加热，既起到加 热工质的作用，又使来自上热管换热器(13)的工质得到充分的混合。
11.根据权利要求1所述一种镁能光热发电系统，其特征在于，所述火势调节装置(20) 利用三甲氧基硼氧六环对金属镁燃烧火势进行调节，实现负荷可控；并在事故下处理镁粉 火灾；即设置在炉膛上部火势调节装置(20)将三甲氧基硼氧六环灭火药剂以雾状的形式 喷射到燃烧着的金属镁表面，高温作用下在金属镁表面形成一层硼酐隔膜，使与空气隔绝 而使之熄灭，控制三甲氧基硼氧六环灭火药剂量可达到实现负荷调节的效果。
12.根据权利要求1所述一种镁能光热发电系统，其特征在于，所述净化装置8将来自 尾部烟道未经燃烧的空气中含有的细微燃烧产物颗粒及少量的碳、水蒸气等净化除去达到 一定指标与新空气混合共同送入炉膛。
全文摘要
本发明公开了属于新能源发电技术领域的一种镁能光热转化发电装置。该镁能光热发电系统利用超导热管、热管换热器等组成的吸热吸光系统，特别利用外表面镀有镁光选择性吸收镀膜的耐高温玻璃管连续不断地吸收光能将之转化为热量传递给超导热管，利用超导热管及热管换热器将工质水加热成高温高压蒸汽做功发电；同时，系统利用送风口、送料口及火势调节装置实现负荷可控具有冗余性；并利用分离装置、灰渣输送带收集具有市场价值的燃烧产物。该镁能光热发电系统基本结构由镁粉燃烧及燃烧产物收集回路和给水到高温蒸汽的工质传热回路共同构成，将金属镁燃烧生成的热能和光能转化为电能，实现了镁的价值，不仅充分利用了燃烧过程释放的光和热且燃烧产物得到提取回收利用。因此实施方便，控制简单，可靠性高，安全稳定，经济性好。
文档编号C09K5/10GK101963342SQ20101029392
公开日2011年2月2日 申请日期2010年9月27日 优先权日2010年9月27日
发明者刘平, 周涛, 周蓝宇, 张记刚 申请人:华北电力大学