一种氢氧化钙热化学储能系统及其应用方法
阅读说明：本技术 一种氢氧化钙热化学储能系统及其应用方法 (Calcium hydroxide thermochemical energy storage system and application method thereof ) 是由 凌祥 宋丹阳 靳晓刚 张志浩 王燕 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种氢氧化钙热化学储能系统及其应用方法,氢氧化钙热化学储能系统包括塔式太阳能集热装置、回转球磨储能装置和蒸汽朗肯发电装置；塔式太阳能集热装置包括工质流体泵和塔式太阳能集热器；回转球磨储能装置包括CaO储罐、Ca(OH)-(2)储罐和回转球磨反应器；蒸汽朗肯发电装置包括通过循环管路顺次连接的蒸汽朗肯透平、蒸汽发电冷凝器、蒸汽发电水泵、蒸汽发电闸阀、第一蒸汽发电换热器和第二蒸汽发电换热器；蒸汽朗肯发电装置还包括水处理器；系统还包括备用热源装置。本系统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,三种热源灵活分配调节,能够使太阳能热电站连续高效地运行。(The invention discloses a calcium hydroxide thermochemical energy storage system and an application method thereof, wherein the calcium hydroxide thermochemical energy storage system comprises a tower-type solar heat collection device, a rotary ball-milling energy storage device and a steam Rankine power generation device; the tower type solar heat collecting device comprises a working medium fluid pump and a tower type solar heat collector; the rotary ball milling energy storage device comprises a CaO storage tank, Ca (OH) 2 A storage tank and a rotary ball milling reactor; the steam Rankine power generation device comprises a steam Rankine turbine, a steam power generation condenser, a steam power generation water pump, a steam power generation gate valve, a first steam power generation heat exchanger and a second steam power generation heat exchanger which are sequentially connected through a circulating pipeline; the steam Rankine power generation device also comprises a water treatment device; the system also includes a backup heat source device. The thermochemical energy storage system adopted by the system is Ca (OH) 2 And CaO stores energy through interconversion between heat energy and chemical energy, and three heat sources are flexibly distributed and adjusted, so that the solar thermal power station can continuously and efficiently operate.)
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系统，尤其涉及一种氢氧化钙热化学储能系统及其应用方法。
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。Ca(OH)2/CaO体系是一种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不能连续高效运行的问题。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
针对现有技术的缺陷，本发明将太阳能发电与Ca(OH)2/CaO热化学储能系统、蒸汽朗肯发电系统进行结合，提出一种可持续稳定运行的基于Ca(OH)2/CaO热化学储能的太阳能光热发电应用系统，有效地解决太阳能连续发电问题。
为实现上述目的，本发明提供一种氢氧化钙热化学储能系统，具有这样的特征：包括塔式太阳能集热装置、回转球磨储能装置和蒸汽朗肯发电装置；
所述塔式太阳能集热装置包括工质流体泵和塔式太阳能集热器；所述回转球磨储能装置包括CaO储罐、Ca(OH)2储罐和回转球磨反应器；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；
工质流体泵、塔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；
所述蒸汽朗肯发电装置包括通过循环管路顺次连接的蒸汽朗肯透平、蒸汽发电冷凝器、蒸汽发电水泵、蒸汽发电闸阀、第一蒸汽发电换热器和第二蒸汽发电换热器，构成发电循环路径；回转球磨反应器的上端上出口、第二蒸汽发电换热器和第一蒸汽发电换热器通过管路依次连接，构成第一储能发电热源路径；塔式太阳能集热器、第二蒸汽发电换热器和第一蒸汽发电换热器也通过管路依次连接，构成第二储能发电热源路径；塔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储能加热闸阀，塔式太阳能集热器与第二蒸汽发电换热器之间设有储能直接发电闸阀；第一发蒸汽电换热器连接通过储能管路与工质流体泵连接，构成储能工质循环路径；
蒸汽朗肯发电装置还包括水处理器；回转球磨反应器的蒸汽出口、第一蒸汽发电换热器、水处理器、蒸汽发电冷凝器通过管路依次连接，构成第三储能发电热源路径；回转球磨反应器的蒸汽出口与第一蒸汽发电换热器之间设有蒸汽余热发电闸阀；
工质流体泵与塔式太阳能集热器之间设有储能闸阀；
系统还包括备用热源装置；工质流体泵、备用热源装置、第二蒸汽发电换热器和第一蒸汽发电换热器通过管路依次连接，构成第一释能发电热源路径；工质流体泵与备用热源装置之间设有释能直接发电闸阀；蒸汽朗肯透平中间设有抽气装置，通过管路与回转球磨反应器的蒸汽进口连接，构成蒸汽生产路径；蒸汽朗肯透平与蒸汽进口之间设有释能蒸汽闸阀；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；工质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、第二蒸汽发电换热器和第一蒸汽发电换热器通过管路依次连接，构成第二释能发电热源路径；工质流体泵与下端上进口之间设有释能换热发电闸阀；第一发蒸汽电换热器连接通过释能管路与工质流体泵连接，构成释能工质循环路径。
进一步，本发明提供一种氢氧化钙热化学储能系统，还可以具有这样的特征：其中，所述回转球磨储能装置还包括储能换热器；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系统，还可以具有这样的特征：其中，所述回转球磨储能装置还包括释能换热器；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系统，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蒸汽余热发电闸阀之间；旋风分离器底部通过管路与储能换热器连接。
进一步，本发明提供一种氢氧化钙热化学储能系统，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系统，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。
进一步，本发明提供一种氢氧化钙热化学储能系统，还可以具有这样的特征：其中，所述回转球磨反应器采用314不锈钢材料。
本发明还提供上述氢氧化钙热化学储能系统的应用方法，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、第一储能发电热源路径、第二储能发电热源路径、第三储能发电热源路径、发电循环路径和储能工质循环路径；所述释能阶段包括第一释能发电热源路径、发电循环路径、蒸汽生产路径、释能路径、第二释能发电热源路径和释能工质循环路径。
进一步，本发明提供一种氢氧化钙热化学储能系统的应用方法，还可以具有这样的特征：其中，储能阶段：太阳辐照充足时，通过塔式太阳能集热器，将太阳辐射能转换为流体工质热能，流体工质经过储能加热闸阀，逆流进入回转球磨反应器加热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在第一蒸汽发电换热器预热蒸汽朗肯循环的给水，进入水处理器后流入蒸汽发电冷凝器，使得热量充分利用；并且，经过塔式太阳能集热器的流体工质也可经过储能直接发电闸阀，直接通过第二蒸汽发电换热器、第一蒸汽发电换热器加热蒸汽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系统的应用方法，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，打开释能直接发电闸阀，工质流体经过备用热源装置，通过第二蒸汽发电换热器、第一蒸汽发电换热器加热蒸汽朗肯循环工质进行发电；然后打开释能蒸汽闸阀抽取水蒸气，使其进入回转球磨反应器与流入反应器的CaO固体颗粒发生合成反应，释放大量热量；合成反应开始后，打开释能换热发电闸阀，关闭释能直接发电闸阀，工质流体热量来源从备用热源装置切换为回转球磨反应器中合成反应释放的热量，并将热量传递给蒸汽朗肯发电装置实现电力供应；初次释能后，利用合成产物Ca(OH)2固体颗粒反应余热在释能换热器加热后进料的CaO固体颗粒流。
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，实现热能的存储与释放。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蒸汽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携带的反应余热，并利用换热器对系统中的热能进行回收利用，实现能量的综合梯级利用，储能系统效率得到显著提高。
本发明提供的氢氧化钙热化学储能方法，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在其分解产物CaO和H2O中。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，能够解决太阳能光热电站发电不能连续高效运行的问题。
本发明提出的氢氧化钙热化学储能应用系统，结合塔式太阳能集热装置、备用热源装置、蒸汽朗肯发电装置，通过备用热源装置，启动释能过程，运行过程可以多种方式有效结合，提高系统的适用性和灵活性。
本发明提出的氢氧化钙热化学储能应用系统，可以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的低能源利用率。
附图说明
图1是本发明系统及其工作流程总示意图；
图2是本发明系统工作流程储能阶段示意图；
图3是本发明系统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系统，包括塔式太阳能集热装置、回转球磨储能装置和蒸汽朗肯发电装置。
塔式太阳能集热装置包括工质流体泵1和塔式太阳能集热器5。
回转球磨储能装置包括CaO储罐10、Ca(OH)2储罐9和回转球磨反应器13。
回转球磨反应器13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。其中，回转球磨反应器13采用球磨回转方式，减少团聚和烧结；回转球磨反应器13的内部配置若干钢球，其作用是促进固体颗粒充分破碎，使固体颗粒充分反应；回转球磨反应器13采用314不锈钢材料，以满足中高温储能的特殊性对系统的安全性、可靠性、可维护型、工艺性等要求。
工质流体泵1、塔式太阳能集热器5和回转球磨反应器13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9通过管路与回转球磨反应器13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10连接，构成储能路径。
优选的，回转球磨储能装置还包括储能换热器12。储能换热器12为粉体换热器。储能换热器12设置在Ca(OH)2储罐9与回转球磨反应器13的固体颗粒进料口之间、以及固体颗粒出料口与CaO储罐10之间，使CaO出料预热Ca(OH)2进料，回收利用反应余热。
蒸汽朗肯发电装置包括通过循环管路顺次连接的蒸汽朗肯透平17、蒸汽发电冷凝器18、蒸汽发电水泵19、蒸汽发电闸阀20、第一蒸汽发电换热器15和第二蒸汽发电换热器16，构成发电循环路径。
回转球磨反应器13的上端上出口、第二蒸汽发电换热器16和第一蒸汽发电换热器15通过管路依次连接，构成第一储能发电热源路径。塔式太阳能集热器5、第二蒸汽发电换热器16和第一蒸汽发电换热器15也通过管路依次连接，构成第二储能发电热源路径。塔式太阳能集热器5与回转球磨反应器13的下端下进口之间设有储能加热闸阀7，塔式太阳能集热器5与第二蒸汽发电换热器16之间设有储能直接发电闸阀8。第一发蒸汽电换热器连接通过储能管路与工质流体泵1连接，构成储能工质循环路径。
蒸汽朗肯发电装置还包括水处理器22。回转球磨反应器13的蒸汽出口、第一蒸汽发电换热器15、水处理器22、蒸汽发电冷凝器18通过管路依次连接，构成第三储能发电热源路径。回转球磨反应器13的蒸汽出口与第一蒸汽发电换热器15之间设有蒸汽余热发电闸阀21。
优选的，回转球磨储能单元还包括旋风分离器14。旋风分离器14设置在回转球磨反应器13的蒸汽出口与蒸汽余热发电闸阀21之间。旋风分离器14底部通过管路与储能换热器12连接，即将储能反应产物H2O中的蒸汽和CaO固体颗粒分离，分离出的蒸汽用于发电，CaO固体颗粒用于预热后进料的Ca(OH)2。
储能模式分别通过第一储能发电热源路径、第二储能发电热源路径、第三储能发电热源路径为蒸汽朗肯发电装置提供发电所需的能量。
工质流体泵1与塔式太阳能集热器5之间设有储能闸阀2，控制储能阶段。
系统还包括备用热源装置6。
工质流体泵1、备用热源装置6、第二蒸汽发电换热器16和第一蒸汽发电换热器15通过管路依次连接，构成第一释能发电热源路径。工质流体泵1与备用热源装置6之间设有释能直接发电闸阀3。
蒸汽朗肯透平17中间设有抽气装置，通过管路与回转球磨反应器13的蒸汽进口连接，构成蒸汽生产路径。蒸汽朗肯透平17与蒸汽进口之间设有释能蒸汽闸阀23。
CaO储罐10通过管路与回转球磨反应器13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9连接，构成释能路径。
优选的，回转球磨储能装置还包括释能换热器11。释能换热器11为粉体换热器。释能换热器11设置在CaO储罐10与回转球磨反应器13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9之间，使Ca(OH)2出料预热CaO进料，回收利用反应余热。
工质流体泵1通过管路与回转球磨反应器13的下端上进口连接，回转球磨反应器13的上端下出口、第二蒸汽发电换热器16和第一蒸汽发电换热器15通过管路依次连接，构成第二释能发电热源路径。工质流体泵1与下端上进口之间设有释能换热发电闸阀4。
释能模式分别通过第一释能发电热源路径、第二释能发电热源路径为蒸汽朗肯发电装置提供发电所需的能量。
第一发蒸汽电换热器连接通过释能管路与工质流体泵1连接，构成释能工质循环路径。
本系统中，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。
本氢氧化钙热化学储能系统的应用方法，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、第一储能发电热源路径、第二储能发电热源路径、第三储能发电热源路径、发电循环路径和储能工质循环路径。释能阶段包括第一释能发电热源路径、发电循环路径、蒸汽生产路径、释能路径、第二释能发电热源路径和释能工质循环路径。
具体的，本系统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释能，储能化学反应过程和释能化学反应过程均在回转球磨反应器13中实现。当太阳辐照充足时，Ca(OH)2固体颗粒与流经塔式太阳能集热器5的高温流体工质进行间壁换热，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发生逆向合成反应，将CaO和H2O中所储存的化学能逆转成热能并释放出来。
如图2所示，储能阶段：太阳辐照充足时，通过塔式太阳能集热器5，将太阳辐射能转换为流体工质热能，流体工质经过储能加热闸阀7，逆流进入回转球磨反应器13加热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12与后进料的Ca(OH)2固体颗粒流充分换热，最后进入CaO储罐10。分解产物H2O首先进入旋风分离器14以去除其中可能存在的固体颗粒，为了充分利用反应余热，H2O随后在第一蒸汽发电换热器15预热蒸汽朗肯循环的给水，进入水处理器22后流入蒸汽发电冷凝器18，使得热量充分利用。并且，经过塔式太阳能集热器5的流体工质也可经过储能直接发电闸阀8，直接通过第二蒸汽发电换热器16、第一蒸汽发电换热器15加热蒸汽朗肯循环工质进行发电。通过控制储能加热闸阀7和储能直接发电闸阀8，储能和蒸汽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，打开释能直接发电闸阀3，工质流体经过备用热源装置6，通过第二蒸汽发电换热器16、第一蒸汽发电换热器15加热蒸汽朗肯循环工质进行发电。然后打开释能蒸汽闸阀23抽取水蒸气，使其进入回转球磨反应器13与流入反应器的CaO固体颗粒发生合成反应，释放大量热量。合成反应开始后，打开释能换热发电闸阀4，关闭释能直接发电闸阀3，工质流体热量来源从备用热源装置6切换为回转球磨反应器13中合成反应释放的热量，并将热量传递给蒸汽朗肯发电装置实现电力供应。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11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。
白天太阳辐照充足时，塔式太阳能集热器5吸热，通过换热流体工质，蒸汽朗肯发电装置和回转球磨储能装置直接完成光热发电过程和储能过程。夜晚系统采用备用热源装置6启动机组，抽取水蒸气通入回转球磨反应器13，完成释能过程，将所储存的化学能逆转成热能并释放出来发电，采用备用热源装置6和回转球磨储能装置联合稳定发电。三种热源灵活分配调节，实现太阳能热电站连续高效地运行。
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。
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