一种适应于新能源利用的梯级加热储热方法

本发明属于能源领域，具体涉及一种适应于新能源利用的梯级加热储热方法。

背景技术：

1、传统的电力工业、冶金工业、化工行业、工业加工、金属加工、食品加工等行业等重工业常用加热方法仍大量采用含碳能源，实施清洁能源替代和提高能效是传统工业产业实现绿色低碳转型的重要路线。现有梯级加热技术大多着眼于余热的多级回收与多级利用，通常仅涉及余热这种单一热源，其目的侧重于废热废能的利用。部分技术虽然采用了多热源，其往往聚焦于梯级补热，重点应用在单一的、某一方面的、热能品味不高的场景。现有梯级加热技术并没有解决波动的绿色新能源电力消纳问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种适应于新能源利用的梯级加热储热方法，在不同的温度范围采用不同的加热方式或组合加热方式，也可采用不同的储热方式或组合储热方式，以使系统能更好地适应可再生能源的接入，最大可能的利用可再生能源、谷电和余热余能，减少工业加热中的碳排放。本发明适用于冶金工业、化工行业、工业加工、金属加工、食品加工等行业的预热、供热、供蒸汽和加热工艺等。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种适应于新能源利用的梯级加热储热方法，将一般的单级加热拆分为不同温度、不同加热方式的梯级加热，根据优化计算确定梯级的级数和各级温度，进而被加热物经过多级加热方式进行加热，实现梯级加热；被加热物根据其所需加热温度选择开启其中一个或多个加热方式；同样依据热能品位将传统单级储热拆分为梯级储热，各加热方式分别通过储热系统阀与梯级储热/换热器相连，实现对每个加热级不同品位的热能进行梯级存储；用电的加热方式由电源供电或者由储能系统供电；用燃料的加热方式通过燃料阀与燃料存储器相连。

4、优选的，所述被加热物为固体、液体或气体。

5、优选的，当被加热物是固体时，进行整体加热或多段加热；整体加热是指加热装置无温度梯度地加热被加热物的全部，多段加热是指加热装置仅加热被加热物的其中一部分。

6、优选的，所述加热方式为5级，分别为综合热源、热泵加热、电阻加热、感应加热、燃料加热。在必要情况下，也可拓展为更多级或者仅选择5级中的某几级。

7、优选的，所述被加热物的移动方向为依次通过综合热源、热泵加热、电阻加热、感应加热、燃料加热，此时被加热物的温度t逐级升高，即t0<t1<t2<t3<t4<t5；其中，t0、t1、t2、t3、t4、t5分别表示被加热物的初始温度、经过综合热源后的温度、经过热泵加热后的温度、经过电阻加热后的温度、经过感应加热后的温度、经过燃料加热后的温度。

8、优选的，所述加热方式不局限于5种，也可包括等离子体加热、激光加热，或上述加热方式的合并与多种组合的加热源。

9、优选的，加热方式根据前一级热源温度以及当前的被加热物的温度进行选择。

10、优选的，所述热泵加热通过第一热流控制开关阀连接第一梯级储热/换热器，电阻加热通过第二热流控制开关阀连接第二梯级储热/换热器，感应加热通过第三热流控制开关阀连接第三梯级储热/换热器，燃料加热通过第四热流控制开关阀连接第四梯级储热/换热器；各级梯级储热/换热器用来存储各级被加热物产生的不同品位的余热，或吸收各级加热装置消纳新能源电力时产生的多余的热能；梯级储热/换热器存储的热能作为余热用于前级被加热物的加热，或用于当前级被加热物的预热。储热/换热器的储热方式可以采用固体储热、液体储热、气体储热以及相变储热等多种储热方式。

11、优选的，第一梯级储热/换热器、第二梯级储热/换热器、第三梯级储热/换热器、第四梯级储热/换热器与储能系统形成储热蓄电一体化装置；储热蓄电一体化装置用于储电或用于储热，发电机用来将储热蓄电一体化装置内多余热量发电并为各用电加热级供电，第一储热系统阀、第二储热系统阀、第三储热系统阀分别控制热泵加热、电阻加热、感应加热的蓄热和间接加热。

12、优选的，当被加热物中含有可燃性气体或为可燃性气体时，其高温段设置加热装置，加热装置包括被加热物的气体管道、氧气引入端口、点火装置；氧气引入端口7与加热气体管道相连通，用来向被加热气体中引入空气或氧气；点火装置位于气体管道内部，用来点燃氧气和被加热物的混合气体；此加热装置可代替燃料加热作为梯级加热的其中一级。

13、有益效果：

14、1、本发明使系统能更好地适应可再生能源的接入，最大可能的利用可再生能源、谷电和余热余能，减少工业加热中的碳排放。本发明适用于冶金工业、化工行业、工业加工、金属加工、食品加工等行业的预热、供热、供蒸汽和加热工艺等。本发明实现了多热源、多加热应用场景下，多种品位能源的梯级利用，提高了加热系统的能量利用率，降低了热能系统的㶲损失。本发明通过多种加热方法梯级组合的方式，通过划分温度梯度进行加热以最大化利用可再生能源和各种余热，减少化石能源的使用，重点提高加热过程中的㶲效率，缓解了单一单级加热方式下存在的碳排放高与加热温度低之间的矛盾，克服了直接余热利用品位不高、直接电加热温度不高的问题。

15、2、本发明提供了一种绿色波动能源的利用方法，通过在单一单级加热方式中引入电加热，实现可再生能源负载侧的消纳，达到节能减碳的目的。本发明涉及多种加热热源，多种品位热能，适用于多种加热场景，考虑了不同品位热能的梯级存储，不同品位热源的梯级利用。通过分段梯级加热，实现低温段余热利用，中温段绿色电力能源利用，高温段燃料节约，是实现高温加热的一种低碳节能技术手段。因此本发明作为一种化石能源的替代方法与加热系统的减碳方法，更具有适应可再生能源利用和各种工业加热应用的普适性。本发明不仅仅涉及加热环节，还涉及储热环节与加热环节的有机配合。

技术特征：

1.一种适应于新能源利用的梯级加热储热方法，其特征在于，被加热物经过多级加热方式进行加热，实现梯级加热；被加热物根据其所需加热温度选择开启其中一个或多个加热方式；各加热方式分别通过储热系统阀与梯级储热/换热器相连，实现对每个加热级不同品位的热能进行梯级存储；用电的加热方式由电源供电或者由储能系统供电；用燃料的加热方式通过燃料阀与燃料存储器相连。

2.根据权利要求1所述的一种适应于新能源利用的梯级加热储热方法，其特征在于，所述被加热物为固体、液体或气体。

3.根据权利要求1所述的一种适应于新能源利用的梯级加热储热方法，其特征在于，当被加热物是固体时，进行整体加热或多段加热；整体加热是指加热装置无温度梯度地加热被加热物的全部，多段加热是指加热装置仅加热被加热物的其中一部分。

4.根据权利要求1所述的一种适应于新能源利用的梯级加热储热方法，其特征在于，所述加热方式为5级，分别为综合热源、热泵加热、电阻加热、感应加热、燃料加热，或为大于5级或者仅选择5级中的某几级。

5.根据权利要求4所述的一种适应于新能源利用的梯级加热储热方法，其特征在于，所述被加热物的移动方向为依次通过综合热源、热泵加热、电阻加热、感应加热、燃料加热，此时被加热物的温度t逐级升高，即t0<t1<t2<t3<t4<t5；其中，t0、t1、t2、t3、t4、t5分别表示被加热物的初始温度、经过综合热源后的温度、经过热泵加热后的温度、经过电阻加热后的温度、经过感应加热后的温度、经过燃料加热后的温度。

6.根据权利要求4所述的一种适应于新能源利用的梯级加热储热方法，其特征在于，所述加热方式还包括等离子体加热、激光加热或上述加热方式的合并与多种组合的加热源。

7.根据权利要求1所述的一种适应于新能源利用的梯级加热储热方法，其特征在于，加热方式根据前一级热源温度以及当前的被加热物的温度进行选择。

8.根据权利要求1所述的一种适应于新能源利用的梯级加热储热方法，其特征在于，所述热泵加热通过第一热流控制开关阀连接第一梯级储热/换热器，电阻加热通过第二热流控制开关阀连接第二梯级储热/换热器，感应加热通过第三热流控制开关阀连接第三梯级储热/换热器，燃料加热通过第四热流控制开关阀连接第四梯级储热/换热器；各级梯级储热/换热器用来存储各级被加热物产生的不同品位的余热，或吸收各级加热装置消纳新能源电力时产生的多余的热能；梯级储热/换热器存储的热能作为余热用于前级被加热物的加热，或用于当前级被加热物的预热；储热/换热器的储热方式采用固体储热、液体储热、气体储热以及相变储热。

9.根据权利要求1所述的一种适应于新能源利用的梯级加热储热方法，其特征在于，所述储能系统采用物理储能或化学储能，或与储热/换热器共同形成储热蓄电一体化装置。

10.根据权利要求8或9所述的一种适应于新能源利用的梯级加热储热方法，其特征在于，第一梯级储热/换热器、第二梯级储热/换热器、第三梯级储热/换热器、第四梯级储热/换热器与储能系统形成储热蓄电一体化装置；储热蓄电一体化装置用于储电或用于储热，发电机用来将储热蓄电一体化装置内多余热量发电并为各用电加热级供电，第一储热系统阀、第二储热系统阀、第三储热系统阀分别控制热泵加热、电阻加热、感应加热的蓄热和间接加热。

11.根据权利要求1所述的一种适应于新能源利用的梯级加热储热方法，其特征在于，当被加热物中含有可燃性气体或为可燃性气体时，其高温段设置加热装置，加热装置包括被加热物的气体管道、氧气引入端口、点火装置；氧气引入端口7与加热气体管道相连通，用来向被加热气体中引入空气或氧气；点火装置位于气体管道内部，用来点燃氧气和被加热物的混合气体；此加热装置代替燃料加热作为梯级加热的其中一级。

技术总结
本发明提供一种适应于新能源利用的梯级加热储热方法，针对不同温度的加热需求，在不同的温度范围采用不同的加热方式或组合加热方式，也可采用不同的储热方式或组合储热方式，将单一加热过程拆分为梯级分步加热，以使系统能更好地适应可再生能源的接入，最大可能的利用可再生能源、谷电和余热余能，减少工业加热中的碳排放。本发明适用于冶金工业、化工行业、工业加工、金属加工、食品加工等行业的预热、供热、供蒸汽和加热工艺等。

技术研发人员：肖立业,李浩源,滕玉平,张京业,尹志豪,张志丰
受保护的技术使用者：中国科学院电工研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/10/10