一种氢氧化钙流态化热化学储能系统及方法

本发明涉及储能，尤其涉及一种氢氧化钙流态化热化学储能系统及方法。

背景技术：

1、随着全球对能源需求的不断增长和环境问题的日益严峻，可再生能源相对传统化石能源更环保和更可持续性，是走向清洁能源绿色未来的重要路径，并逐渐成为解决能源危机和减缓气候变化的关键所在。光伏和风能是主要的可再生能源技术，将太阳能和风能转化为电力，用于多种应用。然而能源可变性导致发电波动，匹配电力需求曲线困难。研究人员因此研究了增加储能系统的可行性。热能存储（tes）是聚光太阳能发电（csp）关键元素，可用于储存太阳能场余热，管理功率输出波动。tes技术有三种类型：显热存储系统、潜热储存系统、热化学储热系统。其中，化学储热具有储热密度高、储热周期长、热损失小等优点。而cao/ca(oh)2体系是具有实际应用潜力的理想热化学储能反应体系，因其具有原料廉价易得、具有合适的反应温度区间(410~800℃)、高的反应热与反应速率、无毒、不易燃及反应物与生成物易于分离等综合优点，一直为众多研究者所推崇，在中高温热源的储热领域，特别是对于目前聚光光热发电(concentrated solar power,csp)储热方面，有着广阔的发展前景。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，存在如下问题：利用流化床反应器壳体换热，因而若将设备大型化，就存在着传热能力有限和热负荷不足的问题。

2、鉴于此，需要发明改进带有外置式换热床的储能系统可以在反应器外布置受热面，对发展大型化（高参数、大容量）储能系统更为方便，对环境影响小以及解决不能达到所需热负荷的问题。

技术实现思路

1、本发明是针对现有技术所存在的不足，而提供了一种结构简单、设计合理的氢氧化钙流态化热化学储能系统及方法，发明目的在于解决传统热化学储能过程中传热能力有限和储能系统大型规模应用（高参数大容量）所导致的热负荷不足以及空间限制的问题。通过在流化床反应器及外置式换热床中均匀布置受热面，并采用流化物料的方法进行热量交换，气固物料热量均被得到充分利用，进一步提高热化学储能系统的换热效率及储能容量，降低了热量损失；并且可以根据具体的空间限制进行定制，系统灵活性强；用蒸汽作为唯一流化剂和反应物，一方面可以保证cao/ca(oh)2颗粒纯度，另一方面，具有相同反应器的固有成本优势。此外，水箱的设置可以很好的解决由于储能或释能过程中蒸汽不断被消耗或生成而造成的蒸汽量紊乱，同时可以储存多余蒸汽量，并输送合理给水量。

2、为了实现上述目的，本发明提供了一种氢氧化钙流态化热化学储能系统，包括流化床反应器，用于释能反应和放热，也用于储能反应和加热；

3、所述流化床反应器底部连通有反应物料仓和气体分布器；

4、所述流化床反应器上部连通有旋风分离器，用于分离固体物料中参杂的水汽；

5、所述旋风分离器底部连通有外置式换热床，用于补充流化床反应器换热功能和调节流化床反应器蒸汽供给量；

6、所述外置式换热床包括换热管和热流腔，所述热流腔连通有生成物料仓，所述换热管连通有补充水箱；

7、所述换热管另一端连通有流化气体入口，所述流化气体入口连通所述气体分布器。

8、进一步的，所述流化床反应器包括外壳，所述外壳内部为反应腔，所述反应腔内靠近所述外壳设置有流化床反应器受热面，所述流化床反应器受热面由竖管和鳍片焊接而成。

9、进一步的，所述流化床反应器受热面设置有换热介质下口和换热介质上口，所述换热介质下口位于所述流化床反应器底部，所述换热介质上口位于所述流化床反应器顶部。

10、进一步的，所述外置式换热床设置有外置式换热床风室，所述外置式换热床与外置式换热床风室之间设置有外置式换热床配风装置；

11、所述外置式换热床风室为所述外置式换热床配风装置提供惰性气体。

12、进一步的，所述气体分布器采用风帽式分布板，风帽按等边三角形排列；所述风帽加工成锥形，其倾斜角大于物料的堆积角。

13、进一步的，所述外置式换热床设置有外置式换热床受热面，所述外置式换热床受热面包括所述换热管，所述热流腔包括设置于所述换热管外部的第一热流腔和第二热流腔；

14、所述第一热流腔一端连通有换向阀，所述换向阀入口端连通所述旋风分离器底部，所述第一热流腔另一端连通所述生成物料仓；

15、所述换向阀另一出口端连通所述生成物料仓；

16、所述旋风分离器顶部连通有第一分流阀，所述第一分流阀分别连接所述流化气体入口和换热管；

17、所述换热管另一端连通所述水箱；

18、所述换热管还分别连通有外置换热介质入口和外置换热介质出口；

19、所述第一热流腔还分别连通有流化床反应器固料入口和反应物料仓；

20、所述第二热流腔一端连通有第三分流阀，所述第三分流阀分别连通所述水箱和流化气体入口；

21、所述水箱连通所述第二热流腔另一端。

22、进一步的，释能时由于采用高温蒸汽作为流化气体，但释能反应又会消耗水蒸气，为了补充流化气体，需要将补充水加热为水蒸气参与循环；同时为了降低无效热量释放，需要不降温的分离蒸汽和加热生成水蒸气进行配比，得到需要流量的流化气体进入流化气体入口；

23、同时，为了多利用高温氢氧化钙的热量，还需要对要进入流化床反应器的换热介质进行预热，具体步骤为：

24、步骤1：反应物料仓中的氧化钙颗粒送入流化床反应器底部；

25、步骤2：蒸汽流由外置式换热床通过流化气体入口进入气体分布器，由气体分布器出来的蒸汽使氧化钙颗粒呈流化状态；

26、步骤3：蒸汽与氧化钙可以充分混合并发生放热反应，反应腔中生成的热量加热流化床反应器受热面内部换热介质；

27、步骤4：反应后的高温气固混合物进入旋风分离器进行气固分离，分离出来的高温氢氧化钙颗粒流由旋风分离器下端进入外置式换热床第一热流腔；

28、分离后的分离蒸汽由第一分流阀流向流化气体入口；

29、步骤5：水箱中水送入外置式换热床第二热流腔；

30、由外置换热介质入口而来的换热介质进入换热管，与外置式换热床热流腔中的高温氢氧化钙热交换，同时顺带加热第二热流腔中水生成补充的水蒸气，之后换热介质流向外置换热介质出口，再流入换热介质下口，再由换热介质上口而出进入工作管路；

31、第一热流腔中的氢氧化钙颗粒送入生成物料仓；

32、第二热流腔中生成的水蒸气按需要流量由第三分流阀补充给流化气体入口，其余冷却水回收入水箱。

33、进一步的，储能时会生成水蒸气，由于采用高温蒸汽作为流化气体，为了节省能源，需要流量的高温蒸汽不经过冷却直接参与循环，多出的高温蒸气冷却后作为水资源回收；

34、同时，为了不浪费多余水蒸气的热量，需要将多余水蒸气预热氢氧化钙，具体步骤为：

35、步骤1：氢氧化钙颗粒进入流化床反应器底部，蒸汽流通过流化气体入口进入气体分布器，由气体分布器出来的蒸汽使氧化钙颗粒呈流化状态；

36、步骤2：高温换热介质于流化床反应器受热面中流通，通过流化床反应器受热面使流化床反应腔中温度达到氢氧化钙热解温度，反应腔中的氢氧化钙颗粒热解为氧化钙颗粒和蒸汽；

37、步骤3：反应后的高温气固混合物进入旋风分离器进行气固分离，分离出来的高温氧化钙颗粒流由旋风分离器下端流向换向阀，通过换向阀直接进入生成物料仓绝热保存；

38、分离后的分离蒸汽由第一分流阀分配足够需要的流量进入流化气体入口，其余部分进入换热管；

39、步骤4：反应物料仓中的氢氧化钙进入第一换热腔，吸收换热管中分离蒸汽的热量进行预热；

40、水箱中的水进入第二换热腔底部，对通过第一换热腔后的分离蒸汽进行冷却；

41、步骤5：换热管中的冷却后的分离蒸汽，进入水箱；

42、第二换热腔中的冷却水，进入水箱；

43、第一换热腔中预热后的氢氧化钙通过流化床反应器固料入口进入流化床反应器。

44、本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，结构简单，设计合理，与现有技术相比，具有以下优势：

45、（1）当反应器容量增大时，流化床反应器内壁布置的受热面换热量相对增加较慢，采用了外置式换热床后，布置的受热面不限于流化床反应器内壁面积，外置式换热床中可布置沉浸式受热面，这对于发展高参数大容量热化学储能系统中解决受热面布置受限的困难有重要意义；

46、（2）本方案外置式换热床设备包含四种介质之间换热，除了储、释能过程的外部换热介质在流化床反应器内壁进行换热，还设置了旋风分离器分离出来的高温蒸汽、生成物固体颗粒与水箱中的水之间的换热，换热效果实现起来更灵活；

47、（3）分离后的生成物固体颗粒热量被得到充分利用，进一步提高热化学储能系统的换热效率及储能容量，大大降低了热量损失；

48、（4）设置水箱，使储能系统稳定性得到加强，一方面可以储存多余蒸汽量或及时补充作为流化剂的合理给水量，可以很好的解决由于储能或释能过程中蒸汽不断被消耗或生成而造成的蒸汽量紊乱；

49、（5）本方案采用蒸汽既作为流化气体又作为反应物的方法，一方面可以保证cao/ca(oh)2颗粒纯度，使循环热效率提高，另一方面，不需要额外添加流化气体，具有使用相同反应器的固有成本优势。