專利名稱：一種利用低溫廢熱進(jìn)行發(fā)電的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用低溫廢熱進(jìn)行發(fā)電的方法及其裝置。
背景技術(shù)：
近年來，隨著工業(yè)社會(huì)的快速發(fā)展，全球范圍內(nèi)的環(huán)境污染與能源危機(jī)問題日益嚴(yán)重。因此，可再生能源逐漸引起了人類的關(guān)注。低溫廢熱是一種潛在的可再生能源，其總量巨大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，低溫廢熱約為人類工業(yè)生產(chǎn)所釋放熱能的50%。目前常用的廢熱發(fā)電技術(shù)均基于幾大傳統(tǒng)的熱力學(xué)循環(huán)，如有機(jī)物朗肯循環(huán)、卡琳娜循環(huán)等。這些工藝的能量效率均受到熱源溫度的限制，因而低于100°C的廢熱并不適宜利用這些技術(shù)進(jìn)行回收利用。反向電滲析(Reverse electrodialysis,簡(jiǎn)稱RED)是近年誕生的一種新發(fā)電技術(shù)，其基本原理與電滲析脫鹽相反，即利用濃鹽溶液與稀鹽溶液的混合來進(jìn)行產(chǎn)電。其主體裝置是由陽極、交替排列的陰、陽離子交換膜和陰極堆疊而成的RED模塊。交替排列的陰、陽離子交換膜由隔板來分隔，形成獨(dú)立的濃水室與淡水室。當(dāng)濃鹽溶液與稀鹽溶液進(jìn)入該模塊并在各自腔室中流動(dòng)時(shí)，濃鹽溶液中的陰、陽離子在濃度差的推動(dòng)下分別通過陰、陽離子交換膜遷移進(jìn)入淡水室，從而形成內(nèi)電流。通過陰陽極的氧化還原反應(yīng)即可將內(nèi)電流轉(zhuǎn)化為外電路電流。但是該技術(shù)存在以下兩個(gè)主要問題(I)耗水量大，應(yīng)用地區(qū)有限。由于離子的遷移將導(dǎo)致濃度梯度減小，為了保證穩(wěn)定的產(chǎn)電，新鮮的濃、淡水需要連續(xù)不斷的補(bǔ)充至模塊中。因此，該技術(shù)只適用于濃、淡水水量充足的地區(qū)，如河水的入海口處。(2)另外，在實(shí)際應(yīng)用中，河水、海水的輸送會(huì)使發(fā)電成本大大增加。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決以上問題，本發(fā)明提供了一種利用低溫廢熱進(jìn)行發(fā)電的方法及其專用裝置。本發(fā)明所提供的利用低溫廢熱進(jìn)行發(fā)電的裝置，包括反向電滲析模塊，所述反向電滲析模塊為常用的電滲析器，由陰極室、陰極、交替排列的陰陽離子交換膜、隔板、陽極室和陽極組成，所述隔板分別放置在交替排列的陰陽離子交換膜之間形成濃水室和淡水室； 其改進(jìn)在于所述裝置還包括蒸餾柱和熱交換器；所述蒸餾柱的進(jìn)液口與所述淡水室的出液口通過管路連接；所述蒸餾柱的出液口與所述淡水室的進(jìn)液口通過管路連接，所述熱交換器設(shè)于連接所述蒸餾柱的出液口與所述淡水室的進(jìn)液口的管路上。其中，所述濃水室的出液口與進(jìn)液口可通過管路連接形成一個(gè)回路，所述蒸餾柱的蒸汽出口可通過管路與形成所述回路的管路相連通，以使蒸餾柱產(chǎn)生的氣體與濃水室出水混合后回流至濃水室。此外，上述裝置還可包括蠕動(dòng)泵，所述蠕動(dòng)泵可分別設(shè)在連接所述蒸餾柱的出液口與所述淡水室的進(jìn)液口的管路上，以及連接所述濃水室出液口與進(jìn)液口的管路上，以便在蠕動(dòng)泵的作用下使再生后的工作液回流至反向電滲析模塊的濃水室和淡水室中。在上述裝置中，所述蒸餾柱是利用廢熱進(jìn)行加熱的，所述廢熱可為鋼鐵、水泥等工業(yè)生產(chǎn)過程中的余熱。在上述裝置中，所述陰離子交換膜和陽離子交換膜均為透過率不小于90%的電滲析用離子交換膜，厚度可為O. I O. 5_，爆破強(qiáng)度不小于O. 3MPa。所述陰極和陽極為工業(yè)用電滲析電極，該電極可由表面涂釕涂銥的鈦、二氧化釕等材料制成，形狀為板狀或網(wǎng)狀。所述熱交換器包括工業(yè)常用的套管式換熱器、板式換熱器、列管式換熱器等。所述蒸餾柱包括刺形蒸餾柱等常用蒸餾柱。本發(fā)明所提供的發(fā)電方法，是采用反向電滲析法進(jìn)行發(fā)電的，所述反向電滲析法中的工作液為碳酸氫氨溶液。在工作時(shí)，所述碳酸氫氨溶液分為濃碳酸氫氨溶液和稀碳酸氫氨溶液；在反向電滲析法發(fā)電的過程中，濃碳酸氫銨溶液中的陰、陽離子在濃度差的推動(dòng)下遷移進(jìn)入稀碳酸氫銨溶液而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)電，產(chǎn)電后的稀碳酸氫銨溶液通過加熱將其中由于離子遷移而增加的碳酸氫銨以氨氣與二氧化碳的形式被分離并導(dǎo)入產(chǎn)電后的濃碳酸氫銨溶液中，實(shí)現(xiàn)濃碳酸氫銨溶液的再生，加熱剩余的碳酸氫銨溶液即為再生的稀碳酸氫銨溶液；再生后的濃碳酸氫銨溶液和稀碳酸氫氨溶液作為工作液循環(huán)使用。所述濃碳酸氫氨溶液的濃度為lmol/L-1. 5mol/L左右，使輸出功率最大。所述稀碳酸氫氨溶液的濃度為O. 015-0. 05mol/L。所述利用低溫廢熱進(jìn)行發(fā)電的方法可在本發(fā)明提供的裝置中進(jìn)行，具體步驟如下I)將濃碳酸氫銨溶液和稀碳酸氫銨溶液分別弓I入濃水室和淡水室，濃碳酸氫銨溶液中的陰、陽離子在濃度差的推動(dòng)下分別通過陰離子交換膜、陽離子交換膜遷移進(jìn)入淡水室，從而形成內(nèi)電流；同時(shí)，電極液在陰極室與陽極室之間不斷循環(huán)；電極液中的電子供體在陽極室中發(fā)生氧化反應(yīng)，釋放出電子傳遞至陽極，電子再經(jīng)外電路傳遞到陰極與電極液中的電子受體結(jié)合，從而形成外電流，外電流方向?yàn)橛申帢O指向陽極；2)淡水室出水通過管路進(jìn)入蒸餾柱，其中由于離子遷移而增加的碳酸氫銨以氨氣與二氧化碳的形式被分離并導(dǎo)入濃水室出水中，從而完成濃碳酸氫銨溶液的再生；蒸餾柱內(nèi)剩余的溶液則為再生的稀碳酸氫銨溶液；3)將再生的稀碳酸氫銨溶液經(jīng)熱交換器冷卻至常溫后，隨再生的濃碳酸氫銨溶液分別在蠕動(dòng)泵的作用下回流至反向電滲析模塊，完成一個(gè)產(chǎn)電循環(huán)。所述電極液包括兩類含有氧化還原電對(duì)的混合溶液，如鐵氰化鉀(鐵氰化銨)和亞鐵氰化鉀(亞鐵氰化銨)的混合溶液；電滲析行業(yè)常用作電極液的鹽溶液，如氯化鈉等。本發(fā)明以反向電滲析(RED)技術(shù)為基礎(chǔ)，以熱穩(wěn)定性較差的碳酸氫銨溶液(60°C 即可分解)作為RED的濃、淡水，并采用利用廢熱的蒸餾柱將淡水中增加的溶質(zhì)以氨氣與二氧化碳的形式從淡水出水中分離，同時(shí)將分離的氣體導(dǎo)入濃水出水中，使?jié)狻⒌玫皆偕?，最后將再生的濃、淡水回流至RED模塊，從而形成一套利用廢熱進(jìn)行產(chǎn)電的閉路循環(huán) RED系統(tǒng)。本發(fā)明的有益效果為所述工藝能量效率不受熱源溫度的限制，特別適用于低溫廢熱的回收利用；耗水量小，應(yīng)用地區(qū)廣；產(chǎn)電成本低，工藝簡(jiǎn)單，易操作。


圖I為本發(fā)明利用低溫廢熱進(jìn)行發(fā)電的裝置結(jié)構(gòu)示意圖及工作原理；圖中各標(biāo)記如下1-RED模塊；2_蒸餾柱；3_熱交換器；4_陽離子交換膜；5_陰離子交換膜；6_陰極; 7-陽極；8_濃碳酸氫銨溶液；9_稀碳酸氫銨溶液；10_濃碳酸氫銨溶液的出水；11_稀碳酸氫銨溶液的出水；12_蠕動(dòng)泵；A-陰極室；B-濃水室；C-淡水室；D-陽極室。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明并不局限于此。下述實(shí)施例中所述實(shí)驗(yàn)方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得。下述實(shí)施例所用的電極陰極和陽極均為表面涂釕涂銥的鈦板，購于山東天維膜技術(shù)有限公司；隔板聚丙烯，購于山東天維膜技術(shù)有限公司；膜陰膜名稱為AMV，陽膜名稱為CMV，日本旭硝子公司；泵型號(hào)WT600-4F，保定蘭格恒流泵有限公司。實(shí)施例I、利用低溫廢熱進(jìn)行發(fā)電的方法及裝置圖I為本發(fā)明利用低溫廢熱進(jìn)行發(fā)電工藝的原理及裝置結(jié)構(gòu)示意圖。該裝置主要由RED模塊I、蒸餾柱2和熱交換器3組成。其中，RED模塊I主要由陰極6、陽極7、陽離子交換膜4和陰離子交換膜5構(gòu)成，模塊中設(shè)有陰極室A、濃水室B、淡水室C和陽極室D。陰極6、陽極7均為表面涂釕涂銥的鈦板。濃碳酸氫銨溶液8和稀碳酸氫銨溶液9分別流經(jīng)濃水室B和淡水室C，溶液由蠕動(dòng)泵12輸送。其工作過程為產(chǎn)電濃碳酸氫銨溶液8和稀碳酸氫銨溶液9分別進(jìn)入RED模塊I的濃水室B和淡水室C，濃碳酸氫銨溶液中的陰、陽離子在濃度差的推動(dòng)下將分別通過陰離子交換膜5、 陽離子交換膜4遷移進(jìn)入淡水室，從而在模塊中形成內(nèi)電流。內(nèi)電流方向?yàn)閺年枠O7流向陰極6。與此同時(shí)，電極液在陰極室A與陽極室D之間不斷循環(huán)。電極液中的電子供體在陽極室D中發(fā)生氧化反應(yīng)，釋放出電子傳遞至陽極7，電子再經(jīng)外電路傳遞到陰極6與電子受體結(jié)合，從而形成外電流，外電流方向?yàn)橛申帢O6指向陽極7。溶液再生稀碳酸氫銨溶液的出水11進(jìn)入利用廢熱的蒸餾柱2，其中由于離子遷移而增加的碳酸氫銨以氨氣與二氧化碳的形式被分離并導(dǎo)入濃碳酸氫銨溶液的出水10 中，從而完成溶液的再生?；亓髟偕南√妓釟滗@溶液經(jīng)過熱交換器3被冷卻至常溫后，隨再生的濃碳酸氫銨溶液一起在蠕動(dòng)泵12的作用下回流至RED模塊1，從而完成一個(gè)產(chǎn)電循環(huán)。目前，當(dāng)濃碳酸氫銨溶液為I.5mol/L,稀碳酸氫銨溶液為O. 02mol/L, RED模塊的進(jìn)水流量為800ml/min，電極液為O. lmol/L鐵氰化鉀與O. lmol/L亞鐵氰化鉀混合溶液(體積比為I : I)，膜對(duì)數(shù)量為20時(shí)，RED模塊的輸出功率密度為O. 33W/m2。
權(quán)利要求
1.一種利用低溫廢熱進(jìn)行發(fā)電的裝置，包括反向電滲析模塊，所述反向電滲析模塊由陰極室、陰極、交替排列的陰陽離子交換膜堆、隔板、陽極室和陽極組成，所述隔板分別放置在交替陰陽離子交換膜之間形成濃水室和淡水室；其特征在于所述裝置還包括蒸餾柱和熱交換器；所述蒸餾柱的進(jìn)液口與所述淡水室的出液口通過管路連接；所述蒸餾柱的出液口與所述淡水室的進(jìn)液口通過管路連接，所述熱交換器設(shè)于連接所述蒸餾柱的出液口與所述淡水室的進(jìn)液口的管路上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于所述濃水室出液口與進(jìn)液口通過管路連接形成一個(gè)回路，所述蒸餾柱的蒸汽出口通過管路與形成所述回路的管路相連通，以使蒸餾柱產(chǎn)生的氣體與濃水室出水混合后回流至濃水室。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的裝置，其特征在于所述裝置還包括蠕動(dòng)泵，所述蠕動(dòng)泵分別設(shè)在連接所述蒸餾柱的出液口與所述淡水室的進(jìn)液口的管路上，以及連接所述濃水室出液口與進(jìn)液口的管路上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述蒸餾柱利用廢熱加熱，所述廢熱具體為工業(yè)生產(chǎn)過程中的余熱；所述陰離子交換膜和陽離子交換膜為透過率不小于90%的電滲析用離子交換膜，厚度為O. I O. 5mm，爆破強(qiáng)度不小于O. 3MPa ；所述陰極和陽極為電滲析用電極，形狀為板狀或網(wǎng)狀；所述熱交換器包括工業(yè)常用的套管式換熱器、板式換熱器、列管式換熱器；所述蒸餾柱包括刺形蒸餾柱。
5.一種發(fā)電的方法，是采用反向電滲析法進(jìn)行發(fā)電的，其特征在于所述反向電滲析法中的工作液為碳酸氫氨溶液。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述碳酸氫氨溶液分為濃碳酸氫氨溶液和稀碳酸氫氨溶液；在反向電滲析法發(fā)電的過程中，濃碳酸氫銨溶液中的陰、陽離子在濃度差的推動(dòng)下遷移入稀碳酸氫銨溶液而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)電，產(chǎn)電后的稀碳酸氫銨溶液通過加熱將由于離子遷移而增加的碳酸氫銨以氨氣與二氧化碳的形式被分離并導(dǎo)入產(chǎn)電后的濃碳酸氫銨溶液中，實(shí)現(xiàn)濃碳酸氫銨溶液的再生，加熱剩余的碳酸氫銨溶液即為再生的稀碳酸氫銨溶液；再生后的濃碳酸氫銨溶液和稀碳酸氫氨溶液作為工作液循環(huán)使用。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征在于所述采用反向電滲析法進(jìn)行發(fā)電是在權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述裝置中進(jìn)行的，具體步驟如下1)將濃碳酸氫銨溶液和稀碳酸氫銨溶液分別弓I入濃水室和淡水室，濃碳酸氫銨溶液中的陰、陽離子在濃度差的推動(dòng)下分別通過陰離子交換膜、陽離子交換膜遷移進(jìn)入淡水室，從而形成內(nèi)電流；同時(shí)，電極液在陰極室與陽極室之間不斷循環(huán)；電極液中的電子供體在陽極室中發(fā)生氧化反應(yīng)，釋放出電子傳遞至陽極，電子再經(jīng)外電路傳遞到陰極與電極液中的電子受體結(jié)合，從而形成外電流，外電流方向?yàn)橛申帢O指向陽極；2)淡水室出水通過管路進(jìn)入蒸餾柱，其中由于離子遷移而增加的碳酸氫銨以氨氣與二氧化碳的形式被分離并導(dǎo)入濃水室出水中，從而完成濃碳酸氫銨溶液的再生；蒸餾柱內(nèi)剩余的溶液則為再生的稀碳酸氫銨溶液；3)將再生的稀碳酸氫銨溶液經(jīng)熱交換器冷卻至常溫后，隨再生的濃碳酸氫銨溶液分別在蠕動(dòng)泵的作用下回流至反向電滲析模塊，完成一個(gè)產(chǎn)電循環(huán)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述電極液分為兩類1)含有氧化還原電對(duì)的混合溶液，2)電滲析中用作電極液的鹽溶液。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用低溫廢熱進(jìn)行發(fā)電的方法及其專用裝置。該裝置由反向電滲析(RED)模塊、蒸餾柱和熱交換器組成，工作液為碳酸氫銨溶液。濃碳酸氫銨溶液和稀碳酸氫銨溶液分別流入RED模塊的濃水室及淡水室，陰、陽離子在濃度差的推動(dòng)下進(jìn)行遷移而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)電。稀碳酸氫銨溶液的出水進(jìn)入蒸餾柱，增加的碳酸氫銨以氨氣與二氧化碳的形式被分離并導(dǎo)入濃碳酸氫銨溶液的出水中，完成溶液的再生。再生的稀碳酸氫銨溶液冷卻后，隨再生的濃碳酸氫銨溶液回流至RED模塊，從而完成一個(gè)產(chǎn)電循環(huán)。本發(fā)明的方法能量效率不受熱源溫度的限制，特別適用于低溫廢熱的回收利用；同時(shí)，其耗水量小，應(yīng)用地區(qū)廣；另外，其產(chǎn)電成本低，工藝簡(jiǎn)單，易操作。
文檔編號(hào)H01M8/04GK102610844SQ20121005603
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月5日
發(fā)明者曹效鑫, 梁鵬, 羅希, 肖康, 黃霞 申請(qǐng)人:清華大學(xué)