一种高温固体颗粒换热系统的制作方法

本发明属于太阳能热发电领域，具体涉及一种用于高温固体颗粒换热系统。

背景技术：

近年来，随着化石能源危机以及环境问题的日益突出，太阳能热发电技术得到了广泛的关注。塔式光热发电技术具有高聚光比、动力循环参数高、循环系统效率高等优点，具有巨大的发展潜力。但是塔式光热技术的投资成本巨大，严重限制了其应用发展。提高电站的发电效率是降低发电成本的重要措施之一。目前塔式太阳能热发电采用的吸储热介质为二元硝酸盐(60％nano3+40％kno3)，但是其适用温度限制在600℃以下，严重限制了动力循环效率的提升。

固体颗粒集热技术是一种新型太阳能热发电技术，其集热温度可达1000℃，且价格低廉，是一种理想的高温集热和储热介质。颗粒吸热器和换热器是该技术应用的主要技术难点。吸热器的研究在国内外已广泛开展，但是颗粒换热器的研究仍旧较少。颗粒换热器的主要作用是将高温颗粒的热量传递给后端动力循环工质，工质包括超临界二氧化碳、水/蒸汽等。目前国外主要以美国桑迪实验室为代表，进行了板式换热器、管式换热器和流化床式换热器的研究。国内西安交通大学开展了管式换热器的研究，浙江大学进行了流化床换热器研究等。总体来说，现有的换热器研究基本集中在颗粒物直接接触循环工质换热。

但是，高温颗粒物直接接触换热会导致换热面磨损严重，发生换热面局部破裂、爆管等风险。另外，颗粒物直接接触换热受限于固体导热以及换热面的接触热阻等，换热系数较低。

另外，颗粒流动过程中不可避免的发生泄露，尤其是提升过程中。目前最常用的泄露颗粒回收系统包含螺旋式提升机、斗提机和气力输送。前两者对空间布置要求严格，不适宜于少量颗粒的输送。而气力输送易于布置，回收效率高，但会导致颗粒热量损失。

因此为解决上述问题，需设计开发一种高温固体颗粒物换热系统，并能有效回收气力输送产生的热损失。

技术实现要素：

本发明提供一种塔式太阳能热发电用高温固体颗粒换热系统，用于高温固体颗粒和动力循环工质之间的换热，有效解决颗粒换热器换热效率低、换热面磨损严重等技术难题。

另外，本发明采用气力输送回收颗粒提升过程中的泄露颗粒，并对输送的气体热量回收提供了解决方案，有效的减少了颗粒热损失。

本发明提供了一种高温固体颗粒换热系统，以气体作为高温固体颗粒和动力循环工质的中间换热介质，所述气体不与所述高温固体颗粒发生反应，并且在与所述高温固体颗粒换热时不会分解，所述高温固体颗粒换热系统包括：

送风机，用于将冷气体加压并送入颗粒/气体换热器；

气体预热器，用于回收在循环工质加热器中热交换后的热气体的余热来预热所述冷气体；

颗粒/气体换热器，提供高温固体颗粒和所述预热后的冷气体直接接触换热的场所；

布风板，位于所述颗粒/气体换热器的底部，用于使所述预热后的冷气体均匀的送入；

循环工质加热器，用于使用在所述颗粒/气体换热器中加热的热气体加热所述动力循环工质；

颗粒流量调节阀，位于所述颗粒/气体换热器下方的颗粒出料口处，用于调节热交换后的固体颗粒的出口流量，从而调节热气体的温度，进而调节所述动力循环工质的温度；

颗粒关断阀，位于所述颗粒/气体换热器上方的颗粒进料口处，用于在极端或者危险工况时关断高温固体颗粒进入所述颗粒/气体换热器的通道，以及用于调节高温固体颗粒的流量。

所述高温固体颗粒换热系统优选包括如下高温颗粒换热通路：送风机将冷气体送入气体预热器回收热气体余热以对冷气体进行预热，而后气体通过所述颗粒/气体换热器底部的布风板均匀的送入颗粒/气体换热器，在颗粒/气体换热器中气体与高温固体颗粒接触换热，换热之后得到的热气体进入换热风道，并且热气体通过循环工质加热器加热动力循环工质至设计温度，之后热气体余热通过气体预热器回收并加热冷气体，热气体在气体预热器换热后排出或者回收。

所述高温固体颗粒换热系统还优选还包括低温颗粒储罐，所述高温固体颗粒在所述颗粒/气体换热器中进行热交换后温度降低并经过所述颗粒流量调节阀进入所述低温颗粒储罐。

所述高温固体颗粒换热系统还优选采用气力输送装置回收泄露颗粒，所述气力输送装置主要包括气体压缩机，用于提供压缩气体，该压缩气体作为泄露颗粒的输送气，所述输送气将所述泄露颗粒送入所述低温颗粒储罐。

所述高温固体颗粒换热系统还优选包括热量回收机构，所述热量回收机构包括所述气体压缩机和止回阀；所述气体压缩机将泄露颗粒输送至低温颗粒储罐，泄露颗粒的热量也被输送气同步回收至低温颗粒储罐；所述止回阀用于平衡所述低温颗粒储罐的压力，在所述输送气不断进入所述低温颗粒储罐导致罐内压力升高时，所述低温颗粒储罐的气体经由所述止回阀流入所述颗粒/气体换热器，所述低温颗粒储罐中的低温颗粒的热量也同步回收至所述颗粒/气体换热器。

止回阀的设置一方面使得低温颗粒储罐保持一定的压力，防止颗粒/气体换热器内的换热气体倒流进入低温颗粒储罐；另一方面，能够将输送气引入所述颗粒/气体换热器以回收热量。

所述的高温固体颗粒换热系统还优选包括颗粒循环通路：低温颗粒储罐中的低温颗粒通过颗粒提升装置送入颗粒吸热系统，在颗粒吸热系统吸收太阳能至设计温度后落入高温颗粒储罐，并通过高温颗粒储罐的底部给料仓进入颗粒/气体换热器，利用颗粒/气体换热器下方的颗粒流量调节阀调节颗粒下落速度，颗粒最后落入低温颗粒储罐。

所述的高温固体颗粒换热系统还优选，所述气体选自空气、氮气或惰性气体。

所述的高温固体颗粒换热系统还优选，所述布风板上设有多个允许气体通过的通风结构。

所述的高温固体颗粒换热系统还优选，所述通风结构为通风孔。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

1、本发明采用不反应、不分解的气体作为中间换热介质，该气体先与高温固体颗粒直接对流换热收集热量，而后与动力循环工质换热释放热量以加热动力循环工质，避免了颗粒/动力循环工质直接换热时颗粒导热引起的换热效率低的问题，增加了系统换热效率；另外，气体换热技术成熟，也有利于动力循环工质高温高压参数的实现。

2、本发明采用气体作为中间换热介质，避免了颗粒物对循环工质加热器的冲刷磨损，延长了换热系统的使用寿命和可靠性。

3、本发明设置有气体预热器，能够进一步回收热气体的余热，实现热量的梯级利用，保证能量利用效率。

4、本发明采用气力输送回收泄露颗粒，布置简单紧凑，且颗粒回收效率高；并且，低温颗粒储罐采用正压储罐，通过回收颗粒输送气体实现泄露颗粒热量回收，并采用止回阀进行压力平衡，止回阀一方面能够防止颗粒/气体换热器内的换热气体倒流进入低温颗粒储罐；另一方面通过颗粒输送气体将泄露颗粒的热量引入低温颗粒储罐继而引入颗粒/气体换热器以回收热量。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1是本发明实施例的太阳能热发电用高温固体颗粒换热系统示意图；

图2是图1的局部放大图，详细展示了高温固体颗粒换热系统的高温颗粒换热通路。

图中：1-送风机，2-气体预热器，3-循环工质加热器，4-颗粒/气体换热器，5-布风板，6-颗粒流量调节阀，7-颗粒关断阀，8-颗粒吸热系统，9-高温颗粒储罐，10-低温颗粒储罐，11-泄露颗粒储仓，12-颗粒提升系统，13-气体压缩机，14-止回阀。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

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“安装”、“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；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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。

实施例

以下结合图1对本发明提供的高温固体颗粒换热系统进行详细说明。

本实施例提供的一种高温固体颗粒换热系统，以气体作为高温固体颗粒和动力循环工质的中间换热介质，所述的高温固体颗粒换热系统按照循环通路划分包含了3个系统：颗粒循环系统，高温颗粒换热系统及泄露颗粒回收系统。

其中，颗粒循环系统包括太阳能颗粒吸热系统8、高温颗粒储罐9、颗粒/气体换热器4、低温颗粒储罐10以及颗粒提升系统12。其中，高温颗粒储罐9位于太阳能颗粒吸热系统8的下方，颗粒/气体换热器4位于高温颗粒储罐9的下方，低温颗粒储罐10位于颗粒/气体换热器4的下方，颗粒提升系统12连通低温颗粒储罐10的下方与太阳能颗粒吸热系统8的上方。太阳能颗粒吸热系统8、高温颗粒储罐9、颗粒/气体换热器4、低温颗粒储罐10之间形成颗粒通路。其中，作为中间换热介质的气体不与所述高温固体颗粒发生反应，并且在与高温固体颗粒换热时不会分解，优选地，作为中间换热介质的气体可以是空气、氮气或惰性气体。

请结合参见图2，高温颗粒换热系统包括送风机1、气体预热器2、循环工质加热器3、颗粒/气体换热器4、布风板5、颗粒流量调节阀6以及颗粒关断阀7。其中，布风板5设于所述颗粒/气体换热器4的内部之下方，并且布风板5上设有多个允许气体通过的通风结构，通风结构可以为通风孔。送风机1、气体预热器2、颗粒/气体换热器4、循环工质加热器3、气体预热器2形成气体的进入及排出通路。颗粒流量调节阀6位于颗粒/气体换热器4的下方出料口与低温颗粒储罐10的连接处，颗粒关断阀7位于高温颗粒储罐9与颗粒/气体换热器4的上方颗粒进料口连接处。

泄露颗粒回收系统包括气体压缩机13、泄露颗粒储仓11、止回阀14。其中，泄露颗粒储仓11位于低温颗粒储罐10的下方，气体压缩机13用于提供高压气体，将泄露颗粒储仓11中的泄露颗粒送入低温颗粒储罐10。止回阀14设于颗粒/气体换热器4与低温颗粒储罐10之间，止回阀14用于作为低温颗粒储罐10内的气体进入颗粒/气体换热器4的通路，并且可以防止颗粒/气体换热器4中的气体向低温颗粒储罐10内倒流。其中，气体压缩机13输送的气体不与所述高温固体颗粒发生反应，并且在与高温固体颗粒换热时不会分解，并且，气体压缩机输送的气体可以与作为中间介质的气体相同，也可以是不同种类气体，如果气体压缩机输送的气体与作为中间介质的气体是不同气体，优选地，要保证二者不发生反应。优选地，气体压缩机输送的气体可以是空气、氮气或惰性气体。

本实施例的高温固体颗粒换热系统运行的一个具体实施例主要包括如下三个通路：

颗粒循环通路：低温颗粒储罐10中的低温颗粒通过颗粒提升系统12送至颗粒吸热系统8，颗粒吸收太阳能升温至设计温度后成为高温固体颗粒，并依靠重力落入高温颗粒储罐9中储存。当后端动力循环启动、动力循环工质开始循环时，打开颗粒关断阀7，高温固体颗粒依靠重力进入颗粒/气体换热器4与气体进行换热，换热后的热气体在循环工质加热器3处与动力循环工质进行热交换对动力循环工质进行加热，并通过颗粒流量调节阀6调节颗粒流量，保证循环工质加热器3的循环工质出口温度。高温固体颗粒与气体在颗粒/气体换热器4中充分换热后变为低温颗粒并落入低温颗粒储罐10储存。

高温颗粒换热通路(详见图2)：气体通过送风机1输送并利用气体预热器2预热后，经过颗粒/气体换热器4底部的布风板5均匀送入颗粒/气体换热器4内部，被高温固体颗粒直接接触加热后的热气体通过风道进入末端余热回收系统，该末端余热回收系统主要包括循环工质加热器3和气体预热器2，在循环工质加热器3处，热气体与动力循环工质进行热交换而加热动力循环工质，在气体预热器2处热气体与送风机1输送的冷气体进行热交换而完成输入冷气体的预热，实现梯级回收热气体热量。本发明的高温固体颗粒换热系统由于采用了气体作为中间换热介质，避免了高温固体颗粒与循环工质加热器3的换热面直接接触进行换热，可以有效防止换热面的冲刷磨损，且通过气体对流换热的方式也提高了换热效率。

泄露颗粒回收通路：颗粒提升或输运过程中泄露的颗粒通过泄露颗粒储仓11收集，并通过气体压缩机13产生的高压气体，将泄露颗粒送入低温颗粒储罐10储存。低温颗粒储罐10为正压储罐，通过输送的高压气体保持罐内压力，并通过止回阀14单向连通于颗粒/气体换热器4，罐内正压及止回阀14可防止颗粒/气体换热器4中的气体倒流。当低温颗粒储罐10的罐内压力超过布风板5入口的风箱压力时，低温颗粒储罐10内的气体通过止回阀14进入颗粒/气体换热器4，从而回收了低温储罐中颗粒的热量，降低了颗粒气力输送产生的热损失。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。