CN113686032B - 一种氢氧化钙热化学储能反应器及其储能方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氢氧化钙热化学储能反应器及其储能方法，热化学储能反应器槽式太阳能供热单元、回转球磨储能单元和有机朗肯发电单元；回转球磨储能单元包括CaO储罐、Ca(OH)2储罐、回转球磨反应器、储能冷凝器、水箱、给水泵和水蒸气加热装置；槽式太阳能供热单元包括换热流体泵和槽式太阳能集热器；有机朗肯发电单元包括有机朗肯透平、发电冷凝器、有机工质泵、第一发电换热器和第二发电换热器。本发明具有储能密度高、循环效率高、环境友好、结构简单、变工况灵活控制、应用可靠的特点，能够使太阳能热电站连续高效地运行，可广泛应用于太阳能热发电领域，也适用于其它类型电站的中热能储存与再生。
Description
技术领域
本发明属于太阳能发电领域，涉及一种热化学储能反应器，尤其涉及一种氢氧化钙热化学储能反应器及其储能方法。
背景技术
太阳能发电具有来源广、不污染环境等优点，是一种理想的可替代化石燃料的清洁能源。然而，太阳能存在间歇性和不稳定性的特点，使能量难以持续稳定供应。因此亟需加快储能科学领域的研究，其中高温储能是解决可再生能源间歇性和不稳定性难题的一种高效潜在技术。显热储能、潜热储能和热化学储能三种主要的储热方式中，热化学储能利用可逆的吸放热反应储存热能，具有储能密度高，反应温度高、长期储热损失小等显著优点，弥补了其他储能方式的缺点，能有效地解决能量的转换、储存与再生。目前主要研究的几种热化学储能体系包括：CaCO3/CaO体系、NH3合成分解体系、CH4/CO2和CH4/H2O重整体系、Ca(OH)2/CaO体系、Co3O4/CoO体系、MgH2/H2体系等。其中Ca(OH)2/CaO体系是理想的热化学储能体系，具有储能密度大(437kWh/m3)、无毒且安全性好、原料来源广泛且价廉、无副反应且反应温度较高(450℃-600℃)的显著优点，因此Ca(OH)2/CaO体系用于太阳能中高温热化学储能，能够很好的解决太阳能中高温热电站发电连续高效运行的问题，但目前对Ca(OH)2/CaO体系用于热化学储能的研究处于起步阶段。
发明内容
本发明提供一种氢氧化钙热化学储能反应器及其储能方法，利用回转球磨储能单元和相应的高温有机朗肯发电单元保证持续稳定的运行，有效地解决能量的转换、储存与再生问题。
为实现上述目的，本发明提供一种氢氧化钙热化学储能反应器，具有这样的特征：包括槽式太阳能供热单元、回转球磨储能单元和有机朗肯发电单元；
所述回转球磨储能单元包括CaO储罐、Ca(OH)2储罐和回转球磨反应器；
所述槽式太阳能供热单元包括换热流体泵和槽式太阳能集热器；
其中，所述回转球磨反应器包括具有固体颗粒进料口、固体颗粒出料口、蒸汽进口和蒸汽出口的反应通道，以及具有下端下进口、下端上进口、上端下出口和上端上出口的换热通道；
换热流体泵、槽式太阳能集热器和回转球磨反应器的下端下进口通过管路依次连接，构成太阳能供热路径；Ca(OH)2储罐通过管路与回转球磨反应器的固体颗粒进料口连接，固体颗粒出料口通过管路与CaO储罐连接，构成储能路径；
所述有机朗肯发电单元包括有机朗肯透平、发电冷凝器、有机工质泵、第一发电换热器和第二发电换热器；有机朗肯透平、发电冷凝器和有机工质泵通过管路依次连接，有机工质泵通过两个管路分别与第一发电换热器和第二发电换热器连接，第一发电换热器和第二发电换热器连接通过管路均与有机朗肯透平连接；有机工质泵与第一发电换热器之间设有第一发电闸阀，有机工质泵与第二发电换热器之间设有第二发电闸阀；
回转球磨反应器的上端上出口通过管路与第一发电换热器连接；槽式太阳能集热器还通过管路与第二发电换热器连接；槽式太阳能集热器与回转球磨反应器的下端下进口之间设有加热闸阀，槽式太阳能集热器与第二发电换热器之间设有直接发电闸阀；
所述回转球磨储能单元还包括储能冷凝器和水箱；回转球磨反应器的蒸汽出口、储能冷凝器和水箱通过管路依次连接，构成储水路径；
所述回转球磨储能单元还包括给水泵和水蒸气加热装置；水箱、给水泵、水蒸气加热装置和回转球磨反应器的蒸汽进口通过管路依次连接，构成蒸汽生成路径；水箱与给水泵之间设有给水闸阀；
CaO储罐通过管路与回转球磨反应器的固体颗粒进料口连接，固体颗粒出料口通过管路与Ca(OH)2储罐连接，构成释能路径；
换热流体泵通过管路与回转球磨反应器的下端上进口连接，回转球磨反应器的上端下出口通过管路与第一发电换热器连接；
换热流体泵与槽式太阳能集热器之间设有储能闸阀，换热流体泵与回转球磨反应器的下端上进口之间设有释能闸阀。
进一步，本发明提供一种氢氧化钙热化学储能反应器，还可以具有这样的特征：其中，所述回转球磨储能单元还包括储能换热器；储能换热器为粉体换热器；储能换热器设置在Ca(OH)2储罐与回转球磨反应器的固体颗粒进料口之间、以及固体颗粒出料口与CaO储罐之间。
进一步，本发明提供一种氢氧化钙热化学储能反应器，还可以具有这样的特征：其中，所述回转球磨储能单元还包括释能换热器；释能换热器为粉体换热器；释能换热器设置在CaO储罐与回转球磨反应器的固体颗粒进料口之间、以及固体颗粒出料口与Ca(OH)2储罐之间。
进一步，本发明提供一种氢氧化钙热化学储能反应器，还可以具有这样的特征：其中，所述回转球磨储能单元还包括旋风分离器；旋风分离器设置在回转球磨反应器的蒸汽出口与储能冷凝器之间；蒸汽出口、储能换热器、旋风分离器和储能冷凝器通过管路依次连接，旋风分离器通过管路与CaO储罐连接。
进一步，本发明提供一种氢氧化钙热化学储能反应器，还可以具有这样的特征：其中，所述回转球磨储能单元还包括水预热换热器；水预热换热器设置在给水泵与水蒸气加热装置之间、以及第一发电换热器的排出管路上。
进一步，本发明提供一种氢氧化钙热化学储能反应器，还可以具有这样的特征：其中，Ca(OH)2固体颗粒、CaO固体颗粒的输送均采用螺旋送料的方式。
进一步，本发明提供一种氢氧化钙热化学储能反应器，还可以具有这样的特征：其中，所述回转球磨反应器内部配置若干钢球，采用314不锈钢材料。
本发明还提供上述氢氧化钙热化学储能反应器的储能方法，具有这样的特征：包括储能阶段和释能阶段；所述储能阶段包括太阳能供热路径、储能路径和储水路径，储能路径的余热和太阳能供热路径的热量用于有机朗肯发电单元发电；所述释能阶段包括蒸汽生成路径和释能路径，释能路径释放的热量用于有机朗肯发电单元发电。
进一步，本发明提供一种氢氧化钙热化学储能反应器的储能方法，还可以具有这样的特征：其中，所述储能阶段：太阳辐照充足时，打开储能闸阀，通过槽式太阳能集热器将太阳辐射能转换为换热流体热能；被太阳能加热的换热流体经过加热闸阀，逆流进入回转球磨反应器，加热由Ca(OH)2储罐进料的Ca(OH)2固体颗粒并使其发生分解反应；随着分解反应深入，分解产物CaO固体颗粒进入CaO储罐；分解产物H2O通过储能冷凝器冷凝成液态水于水箱中常温储存；同时从回转球磨反应器流出的换热流体通过第一发电换热器加热有机朗肯循环工质进行发电；并且，经过槽式太阳能集热器的换热流体也可经过直接发电闸阀，直接通过第二发电换热器加热有机朗肯循环工质进行发电。
进一步，本发明提供一种氢氧化钙热化学储能反应器的储能方法，还可以具有这样的特征：其中，释能阶段：太阳辐射不充足时，初次释能发电时，打开给水闸阀，H2O经过给水泵，水蒸气加热装置，产生水蒸气，进入回转球磨反应器，与由CaO储罐流入反应器的CaO固体颗粒发生合成反应，释放大量热量；打开释能闸阀，换热流体流经回转球磨反应器，进入第一发电换热器，加热有机朗肯循环工质进行发电。
本发明的有益效果在于：
本发明利用热化学可逆反应Ca(OH)2/CaO体系，实现热能再生。水蒸气在流程中作为换热介质、反应介质。Ca(OH)2/CaO热化学储能体系结合有机朗肯发电装置可实现在无阳光时的电能的持续电力供应，平滑太阳能热电站的功率曲线。同时有效利用Ca(OH)2分解反应产物H2O反应余热，并利用换热器对***中的热能回收利用，实现能量的综合梯级利用，储能反应器效率得到显著提高。
本发明提供的新型氢氧化钙热化学储能反应器，太阳能集热驱动
可逆反应，接受的能量以化学能的形式储存于其分解产物CaO和H2O。具有储能密度高、循环效率高、环境友好、结构简单、变工况灵活控制、应用可靠的特点，能够解决太阳能高温热电站发电连续高效运行的问题，可以广泛应用于太阳能中高温发电领域，也适用于其它类型电站的高温热能储存与再生。
本发明提出结合高温有机朗肯发电单元，通过调控进入反应器的水蒸气的温度压力等调控储释能，即Ca(OH)2/CaO固体颗粒分解/合成反应；匹配释放的热能等级，更加高效的利用反应释放的热能。通过热能-化学能-热能这一能量转换利用概念，解决了时间或地点引起的用热不匹配和不均匀性导致低能源利用率。
本发明提出的回转球磨反应器，能够针对储能材料在经高温反应后产生烧结、失活的问题进行改善，通过钢球在回转腔内运动对反应材料进行粉碎研磨，从而促进气固反应物的混合、反应，提高反应效率和反应物的循环寿命。
附图说明
图1是本发明反应器及其工作流程总示意图；
图2是本发明反应器工作流程储能阶段示意图；
图3是本发明反应器工作流程释能阶段示意图。
具体实施方式
以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明提供一种氢氧化钙热化学储能反应器，包括槽式太阳能供热单元、回转球磨储能单元和有机朗肯发电单元。
回转球磨储能单元包括CaO储罐8、Ca(OH)2储罐7和回转球磨反应器11。
槽式太阳能供热单元包括换热流体泵1和槽式太阳能集热器4。
其中，回转球磨反应器11包括具有固体颗粒进料口、固体颗粒出料口、蒸汽进口和蒸汽出口的反应通道，以及具有下端下进口、下端上进口、上端下出口和上端上出口的换热通道。回转球磨反应器11内部配置若干钢球，防止团聚和烧结；并采用314不锈钢材料。
换热流体泵1、槽式太阳能集热器4和回转球磨反应器11的下端下进口通过管路依次连接，构成太阳能供热路径。
Ca(OH)2储罐7通过管路与回转球磨反应器11的固体颗粒进料口连接；固体颗粒出料口通过管路与CaO储罐8连接，构成储能路径。
其中，回转球磨储能单元还包括储能换热器10。储能换热器10为粉体换热器。储能换热器10设置在Ca(OH)2储罐7与回转球磨反应器11的固体颗粒进料口之间、以及固体颗粒出料口与CaO储罐8之间，使得CaO出料为Ca(OH)2进料预热。
有机朗肯发电单元包括有机朗肯透平20、发电冷凝器21、有机工质泵22、第一发电换热器19和第二发电换热器25。有机朗肯发电单元分为两个发电循环路径：有机朗肯透平20、发电冷凝器21和有机工质泵22通过管路依次连接，有机工质泵22通过两个管路分别与第一发电换热器19和第二发电换热器25连接，第一发电换热器19和第二发电换热器25连接通过管路均与有机朗肯透平20连接。有机工质泵22与第一发电换热器19之间设有第一发电闸阀23，有机工质泵22与第二发电换热器25之间设有第二发电闸阀24。
回转球磨反应器11的上端上出口通过管路与第一发电换热器19连接；槽式太阳能集热器4还通过管路与第二发电换热器25连接，为发电的两个路径提供能源。槽式太阳能集热器4与回转球磨反应器11的下端下进口之间设有加热闸阀5，槽式太阳能集热器4与第二发电换热器25之间设有直接发电闸阀6。
回转球磨储能单元还包括储能冷凝器13和水箱14。回转球磨反应器11的蒸汽出口、储能冷凝器13和水箱14通过管路依次连接，构成储水路径。
其中，回转球磨储能单元还包括旋风分离器12。旋风分离器12设置在回转球磨反应器11的蒸汽出口与储能冷凝器13之间。具体的，蒸汽出口、储能换热器10、旋风分离器12和储能冷凝器13通过管路依次连接，旋风分离器12通过管路与CaO储罐8连接，即分解产物H2O经过储能换热器10预热后进料的Ca(OH)2固体颗粒流，随后经过旋风分离器12，将H2O中可能含有的固体颗粒分离，再通过储能冷凝器13冷凝成液态水常温储存，同时旋风分离器12分离下的固体颗粒回收入CaO储罐8。
回转球磨储能单元还包括给水泵16和水蒸气加热装置18。水箱14、给水泵16、水蒸气加热装置18和回转球磨反应器11的蒸汽进口通过管路依次连接，构成蒸汽生成路径。水箱14与给水泵16之间设有给水闸阀15。
其中，回转球磨储能单元还包括水预热换热器17。水预热换热器17设置在给水泵16与水蒸气加热装置18之间、以及第一发电换热器19的排出管路上，即使发电余热预热用于生成水蒸气前的水。
CaO储罐8通过管路与回转球磨反应器11的固体颗粒进料口连接，固体颗粒出料口通过管路与Ca(OH)2储罐7连接，构成释能路径。
换热流体泵1通过管路与回转球磨反应器11的下端上进口连接，回转球磨反应器11的上端下出口通过管路与第一发电换热器19连接，为发电装置提供能源。
换热流体泵1与槽式太阳能集热器4之间设有储能闸阀2，换热流体泵1与回转球磨反应器11的下端上进口之间设有释能闸阀3。
其中，回转球磨储能单元还包括释能换热器9。释能换热器9为粉体换热器。释能换热器9设置在CaO储罐8与回转球磨反应器11的固体颗粒进料口之间、以及固体颗粒出料口与Ca(OH)2储罐7之间，使得Ca(OH)2出料为CaO进料预热。
本氢氧化钙热化学储能反应器中，Ca(OH)2固体颗粒、CaO固体颗粒的输送均采用螺旋送料的方式，防止气体泄漏。
该氢氧化钙热化学储能反应器的储能方法，包括储能阶段和释能阶段。
储能阶段包括太阳能供热路径、储能路径和储水路径，储能路径的余热和太阳能供热路径的热量用于有机朗肯发电单元发电。释能阶段包括蒸汽生成路径和释能路径，释能路径释放的热量用于有机朗肯发电单元发电。
具体的，采用的热化学储能体系为Ca(OH)2/CaO，通过热能与化学能之间的相互转换进行储能，储能化学反应过程和释能化学反应过程在回转球磨反应器11中实现。当太阳辐照充足时，Ca(OH)2固体颗粒通过被太阳能加热的换热流体进行间壁加热发生吸热分解反应，将接受的热量以化学能的形式储存于分解产物CaO和H2O中。当需要热量时，CaO和H2O发生逆向热化学反应，将CaO和H2O中所储存的化学能逆转成热能并释放出来。结合高温有机朗肯发电技术，实现热化学储能发电。
如图2所示，储能阶段：太阳辐照充足时，打开储能闸阀2，通过槽式太阳能集热器4将太阳辐射能转换为换热流体(HTF)热能。被太阳能加热的换热流体经过加热闸阀5，逆流进入回转球磨反应器11，加热由Ca(OH)2储罐7进料的Ca(OH)2固体颗粒并使其发生分解反应，反应温度在450℃-600℃。随着分解反应深入，分解产物CaO固体颗粒在储能换热器10中与后进料的Ca(OH)2固体颗粒流充分换热，最后进入CaO储罐8。为了充分利用反应余热，分解产物H2O经过储能换热器10预热进料的Ca(OH)2固体颗粒流，随后经过旋风分离器12将H2O中可能含有的固体颗粒分离，再通过储能冷凝器13冷凝成液态水于水箱14中常温储存，使得热量充分利用。同时从回转球磨反应器11流出的换热流体通过第一发电换热器19加热有机朗肯循环工质进行发电。并且，经过槽式太阳能集热器4的换热流体也可经过直接发电闸阀6，直接通过第二发电换热器25加热有机朗肯循环工质进行发电。通过控制加热闸阀5和直接发电闸阀6，储能和有机朗肯发电两种模式可同时存在，也可单独运行。
如图3所示，释能阶段：太阳辐射不充足时，初次释能发电时，打开给水闸阀15，H2O经过给水泵16，水预热换热器17，水蒸气加热装置18，产生水蒸气，进入回转球磨反应器11，与由CaO储罐8流入反应器的CaO固体颗粒发生合成反应，释放大量热量。打开释能闸阀3，换热流体流经回转球磨反应器11，进入第一发电换热器19，加热有机朗肯循环工质进行发电。初次释能发电后，利用合成产物Ca(OH)2固体颗粒反应余热在释能换热器9加热后进料的CaO固体颗粒流，不浪费反应余热，使得热量充分利用。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。
Claims (10)
1.一种氢氧化钙热化学储能反应器，其特征在于：
包括槽式太阳能供热单元、回转球磨储能单元和有机朗肯发电单元；
所述回转球磨储能单元包括CaO储罐、Ca(OH)2储罐和回转球磨反应器；
所述槽式太阳能供热单元包括换热流体泵和槽式太阳能集热器；
其中，所述回转球磨反应器包括具有固体颗粒进料口、固体颗粒出料口、蒸汽进口和蒸汽出口的反应通道，以及具有下端下进口、下端上进口、上端下出口和上端上出口的换热通道；
换热流体泵、槽式太阳能集热器和回转球磨反应器的下端下进口通过管路依次连接，构成太阳能供热路径；
Ca(OH)2储罐通过管路与回转球磨反应器的固体颗粒进料口连接，固体颗粒出料口通过管路与CaO储罐连接，构成储能路径；
所述有机朗肯发电单元包括有机朗肯透平、发电冷凝器、有机工质泵、第一发电换热器和第二发电换热器；
有机朗肯透平、发电冷凝器和有机工质泵通过管路依次连接，有机工质泵通过两个管路分别与第一发电换热器和第二发电换热器连接，第一发电换热器和第二发电换热器连接通过管路均与有机朗肯透平连接；有机工质泵与第一发电换热器之间设有第一发电闸阀，有机工质泵与第二发电换热器之间设有第二发电闸阀；
回转球磨反应器的上端上出口通过管路与第一发电换热器连接；槽式太阳能集热器还通过管路与第二发电换热器连接；槽式太阳能集热器与回转球磨反应器的下端下进口之间设有加热闸阀，槽式太阳能集热器与第二发电换热器之间设有直接发电闸阀；
所述回转球磨储能单元还包括储能冷凝器和水箱；
回转球磨反应器的蒸汽出口、储能冷凝器和水箱通过管路依次连接，构成储水路径；
所述回转球磨储能单元还包括给水泵和水蒸气加热装置；
水箱、给水泵、水蒸气加热装置和回转球磨反应器的蒸汽进口通过管路依次连接，构成蒸汽生成路径；水箱与给水泵之间设有给水闸阀；
CaO储罐通过管路与回转球磨反应器的固体颗粒进料口连接，固体颗粒出料口通过管路与Ca(OH)2储罐连接，构成释能路径；
换热流体泵通过管路与回转球磨反应器的下端上进口连接，回转球磨反应器的上端下出口通过管路与第一发电换热器连接；
换热流体泵与槽式太阳能集热器之间设有储能闸阀，换热流体泵与回转球磨反应器的下端上进口之间设有释能闸阀。
2.根据权利要求1所述的氢氧化钙热化学储能反应器，其特征在于：
其中，所述回转球磨储能单元还包括储能换热器；
储能换热器为粉体换热器；
储能换热器设置在Ca(OH)2储罐与回转球磨反应器的固体颗粒进料口之间、以及固体颗粒出料口与CaO储罐之间。
3.根据权利要求1所述的氢氧化钙热化学储能反应器，其特征在于：
其中，所述回转球磨储能单元还包括释能换热器；
释能换热器为粉体换热器；
释能换热器设置在CaO储罐与回转球磨反应器的固体颗粒进料口之间、以及固体颗粒出料口与Ca(OH)2储罐之间。
4.根据权利要求2所述的氢氧化钙热化学储能反应器，其特征在于：
其中，所述回转球磨储能单元还包括旋风分离器；
旋风分离器设置在回转球磨反应器的蒸汽出口与储能冷凝器之间；蒸汽出口、储能换热器、旋风分离器和储能冷凝器通过管路依次连接，旋风分离器通过管路与CaO储罐连接。
5.根据权利要求1所述的氢氧化钙热化学储能反应器，其特征在于：
其中，所述回转球磨储能单元还包括水预热换热器；
水预热换热器设置在给水泵与水蒸气加热装置之间、以及第一发电换热器的排出管路上。
6.根据权利要求1所述的氢氧化钙热化学储能反应器，其特征在于：
其中，Ca(OH)2固体颗粒、CaO固体颗粒的输送均采用螺旋送料的方式。
7.根据权利要求1所述的氢氧化钙热化学储能反应器，其特征在于：
其中，所述回转球磨反应器内部配置若干钢球，采用314不锈钢材料。
8.如权利要求1-7任意一项所述的氢氧化钙热化学储能反应器的储能方法，其特征在于：
包括储能阶段和释能阶段；
所述储能阶段包括太阳能供热路径、储能路径和储水路径，储能路径的余热和太阳能供热路径的热量用于有机朗肯发电单元发电；
所述释能阶段包括蒸汽生成路径和释能路径，释能路径释放的热量用于有机朗肯发电单元发电。
9.根据权利要求8所述的氢氧化钙热化学储能反应器的储能方法，其特征在于：
其中，所述储能阶段：太阳辐照充足时，打开储能闸阀，通过槽式太阳能集热器将太阳辐射能转换为换热流体热能；被太阳能加热的换热流体经过加热闸阀，逆流进入回转球磨反应器，加热由Ca(OH)2储罐进料的Ca(OH)2固体颗粒并使其发生分解反应；随着分解反应深入，分解产物CaO固体颗粒进入CaO储罐；分解产物H2O通过储能冷凝器冷凝成液态水于水箱中常温储存；同时从回转球磨反应器流出的换热流体通过第一发电换热器加热有机朗肯循环工质进行发电；并且，经过槽式太阳能集热器的换热流体也可经过直接发电闸阀，直接通过第二发电换热器加热有机朗肯循环工质进行发电。
10.根据权利要求8所述的氢氧化钙热化学储能反应器的储能方法，其特征在于：
其中，释能阶段：太阳辐射不充足时，初次释能发电时，打开给水闸阀，H2O经过给水泵，水蒸气加热装置，产生水蒸气，进入回转球磨反应器，与由CaO储罐流入反应器的CaO固体颗粒发生合成反应，释放大量热量；打开释能闸阀，换热流体流经回转球磨反应器，进入第一发电换热器，加热有机朗肯循环工质进行发电。
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