一种带化学提质蓄热的压缩空气储能系统
阅读说明：本技术 一种带化学提质蓄热的压缩空气储能系统 (Compressed air energy storage system with chemical upgrading and heat storage functions ) 是由 冉鹏 张森 陈宇彤 于 2021-07-24 设计创作，主要内容包括：一种带化学提质蓄热的压缩空气储能系统,属于储能领域。本发明基于化学提质蓄热原理,对部分在储能阶段产生的压缩热进行提质并储存；在释能阶段,使用经提质的压缩热来加热进入透平的空气,显著提高透平入口空气温度。本发明所述系统可实现能量的长时间储存而几乎没有损失,储能效率高,使得压缩空气储能系统的单位质量工质发电功率、发电量以及循环效率显著提升,具有良好的经济效益。(A compressed air energy storage system with chemical upgrading and heat storage belongs to the field of energy storage. The invention is based on the chemical quality-improving and heat-storing principle, and part of the compression heat generated in the energy storage stage is subjected to quality improvement and storage; in the energy release stage, the upgraded heat of compression is used to heat the air entering the turbine, significantly increasing the turbine inlet air temperature. The system can realize long-time energy storage without loss, has high energy storage efficiency, obviously improves the unit mass working medium power generation power, the generating capacity and the cycle efficiency of the compressed air energy storage system, and has good economic benefit.)
技术领域
本发明涉及一种带化学提质蓄热的压缩空气储能系统，属于储能技术领域。
背景技术
随着煤炭、石油以及天然气等一次能源的快速消耗以及由此带来的严重环境污染等问题，可再生能源诸如风力发电、光伏发电以及地热发电等快速发展，但是由于受到天气以及地理位置原因，可再生能源发电存在间歇性以及不稳定性两大固有缺陷，这给可再生能源的进一步发展造成了很大的挑战，并造成了严重的弃风、弃光现象。储能技术可在用能低谷期将电能转化为其他形式的能量，并在用能高峰期将这部分其他形式的能量重新转为电能，因此发展合适的储能技术来调节可再生能源发电以满足并网或者用户的需求是至关重要的。
压缩空气储能(CAES)由于其较大的储能容量、较高的储能效率以及较低的投资成本，是目前最有前途的电网级别储能技术之一。压缩空气储能可以回收空气压缩过程中产生的压缩热，并将压缩热储存在储热装置中，用于预热透平入口空气，在运行过程中无碳排放，绿色环保，而且由于压缩热的回收利用，系统效率较高。目前压缩空气储能中应用的储热技术主要是显热储热和潜热储热，其中显热储热应用最为广泛，显热储热主要以填充床储热和热罐储热为主，技术成熟，但放热不恒温、储热密度较小从而导致的储热装置非常庞大等缺点已经限制了其在压缩空气储能储热中的进一步应用；潜热储热即相变储热，主要以熔融盐相变储热为主，储热密度较大，但储热性能受储热材料相变温度影响较为明显而且技术难度较大；化学储热是利用一对正逆吸/放热的化学反应，将热能以化学能的形式储存起来，储能密度明显大于显热储热和潜热储热，而且能用催化剂或者反应物对反应过程进行控制，可实现热量长期储存而几乎没有损失，因此可基于化学储热原理对压缩热进行储存，但化学储热和显热储热以及潜热储热类似，会受到换热温差以及换热器面积的限制，在储存压缩热的过程中必然伴随着压缩热品位的降低，导致储热效率下降，从而导致压缩空气储能系统的发电量以及循环效率下降。
发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供一种带化学提质蓄热的压缩空气储能系统，在储能阶段，基于化学提质蓄热原理，对在储能阶段产生的部分压缩热进行提质，并将经提质后的较高品位热能进行储存；在释能阶段，使用经提质后的较高品位热能来加热透平入口空气，显著提高透平入口空气温度，从而提高压缩空气储能系统的单位质量工质发电功率、发电量以及循环效率，具有良好的经济效益。
本发明的技术方案如下：
一种带化学提质蓄热的压缩空气储能系统，其特征在于：系统由电动机、压缩机组、基于化学提质的蓄热系统、储气室、透平机组以及发电机构成；所述电动机通过传动轴与压缩机组连接；所述压缩机组的排气口通过管道依次与基于化学提质的蓄热系统的热源空气通道及储气室进口连接；所述储气室的出口通过管道依次与基于化学提质的蓄热系统的冷源空气通道及透平机组的进气口连接；所述透平机组通过传动轴与发电机连接。
一种带化学提质蓄热的压缩空气储能系统，其特征在于系统按照如下步骤进行：
在储能阶段，利用来自可再生能源或者电网的低谷电能驱动电动机工作，电动机带动压缩机组工作，压缩机组将空气压缩成高压空气，同时空气在压缩过程中温度升高，随后载有压缩热的压缩空气进入基于化学提质的蓄热系统进行换热。
在储能阶段，压缩空气中的压缩热被所述基于化学提质的蓄热系统吸收、提质并存储，压缩空气温度降至环境温度并排出基于化学提质的蓄热系统，进入储气室进行储存。
在释能阶段，储气室中的压缩空气进入基于化学提质的蓄热系统进行换热，压缩空气吸收基于化学提质的蓄热系统释放的较高品位热能，压缩空气被加热至较高温度后进入透平机组膨胀做功，透平机组带动发电机发电。
一种带化学提质蓄热的压缩空气储能系统，其特征在于：所述基于化学提质的蓄热系统包括化学热泵提质单元和中高温蓄热单元两部分；在储能阶段，载有较低品位压缩热的压缩空气进入所述化学热泵提质单元，其热量被所述化学热泵提质单元吸收，并由所述化学热泵提质单元完成提质过程，在此过程中部分较低品位的压缩热经化学提质转换为较高品位的热能；随后由所述中高温蓄热单元完成较高品位热能的存储过程；在释能阶段，所述储气室中的压缩空气进入所述中高温蓄热单元，压缩空气吸收所述中高温蓄热单元释放的较高品位热能，被加热至较高温度。
其中，所述化学热泵提质单元包括吸热反应装置、中低温储热装置、精馏塔、分离装置、回热器和中高温热能化学存储装置，所述吸热反应装置内部填充基于化学储热原理的反应原料，该反应原料可在低温环境中发生正向吸热反应(在高温环境中发生逆向反应，该逆向反应为放热反应)。
其中，所述中高温蓄热单元包括中高温热能化学存储装置、中高温储热装置、中高温生成物储罐、压气机和阀门，所述中高温热能化学存储装置内部填充基于化学储热原理的反应原料，该反应原料可发生正向吸热反应(其逆向反应为放热反应)。
其中，所述基于化学提质的蓄热系统的热源空气通道入口通过管道与所述化学热泵提质单元的吸热反应装置的内部换热器入口连接；所述化学热泵提质单元的吸热反应装置的内部换热器出口通过管道与所述化学热泵提质单元的中低温储热装置的热源空气入口连接；所述化学热泵提质单元的中低温储热装置的热源空气出口通过管道与所述基于化学提质的蓄热系统的热源空气通道出口连接；所述基于化学提质的蓄热系统的冷源空气通道入口通过管道与所述化学热泵提质单元的中低温储热装置的冷源空气入口连接；所述化学热泵提质单元的中低温储热装置的冷源空气出口通过管道与所述中高温蓄热单元的中高温热能化学存储装置的内部换热器入口连接；所述中高温蓄热单元的中高温热能化学存储装置的内部换热器出口通过管道与所述基于化学提质的蓄热系统的冷源空气通道出口连接。
其中，所述化学热泵提质单元的吸热反应装置的反应原料-反应产物出口通过管道经精馏塔的反应原料-反应产物通道与分离装置的反应原料-反应产物入口连接；所述分离装置的反应产物出口通过管道经回热器的反应产物通道与中高温热能化学存储装置的内部反应器管道入口连接；所述中高温热能化学存储装置的内部反应器管道出口通过管道经回热器的反应原料通道与吸热反应装置的反应原料入口连接；所述分离装置的反应原料出口通过管道与精馏塔的反应原料入口连接；所述精馏塔的反应原料出口通过管道与吸热反应装置的反应原料入口连接。
其中，所述中高温蓄热单元的中高温热能化学存储装置的反应产物出口通过管道经中高温储热装置的反应产物通道、压气机与中高温生成物储罐的入口连接；所述中高温生成物储罐的出口通过管道、阀门经中高温储热装置的反应产物通道与中高温热能化学存储装置的反应产物入口连接。
所述基于化学提质的蓄热系统，其特征在于系统具体按如下步骤进行：
在储能阶段，所述化学热泵提质单元中，吸热反应装置内部的反应原料通过内部换热器吸收来自压缩空气的部分压缩热，换热后的压缩空气温度降低并进入中低温储热装置进一步释放压缩热，最后压缩空气的温度降至环境温度并进入储气室进行储存。吸收压缩热后的所述吸热反应装置内部的反应原料升温，在合适的温度及压力下发生正向吸热反应，反应产物与部分未反应的反应原料被输送至精馏塔。在所述精馏塔中，根据反应产物和反应原料沸点的不同，将反应产物与反应原料进行分离，沸点较高的大部分反应原料留在精馏塔中，随后被排回至吸热反应装置；经分离得到的具有一定温度且沸点较低的反应产物和少量反应原料温度降低并进入分离装置。在所述分离装置中，将反应原料和反应产物进行进一步分离，得到高纯度反应产物，被分离出的反应原料回到精馏塔，高纯度反应产物进入回热器。在所述回热器中，高纯度反应产物吸热升温，随后进入中高温热能化学存储装置的内部反应器管道。在所述中高温热能化学存储装置的内部反应器管道中，高纯度反应产物在合适的温度及压力下发生逆向放热反应，放出的热量被中高温热能化学存储装置的内部反应器管道外部填充的反应原料吸收，同时逆向放热反应生成的具有一定温度的反应原料以及未反应的反应产物排回至回热器。在所述回热器中，具有一定温度的反应原料以及未反应的反应产物与来自分离装置的高纯度反应产物进行换热，具有一定温度的反应原料以及未反应的反应产物放热降温并排回至吸热反应装置。
在储能阶段，所述中高温蓄热单元中，中高温热能化学存储装置的内部反应器管道外部填充的反应原料吸收热量后升温，在合适的温度及压力下发生正向吸热反应，反应产物中包含固态、气态或液态的生产物，随后根据生成物相态及密度的不同，将生成物分离，密度大的固态生成物留在中高温热能化学存储装置中；具有一定温度且密度小的气态或液态的生成物在压气机的作用下进入中高温储热装置进行换热，换热后具有一定温度且密度小的气态或液态生成物温度降低并经压气机送入中高温生成物储罐进行储存。
在释能阶段，所述储气室中的之前储存的压缩空气释放并进入所述化学热泵提质单元中的中低温储热装置进行换热，压缩空气被预热至一定温度后进入所述中高温蓄热单元的中高温热能化学存储装置的内部换热器继续换热；同时所述中高温蓄热单元中，中高温生成物储罐中之前储存的气态或液态的生成物释放并进入中高温储热装置进行换热，被预热至一定温度后进入中高温热能化学存储装置，在合适的温度及压力下与中高温热能化学存储装置中原有的固态生成物发生逆向放热反应，压缩空气通过中高温热能化学存储装置的内部换热器吸收化学反应放出的较高品位热能，压缩空气被加热至一定温度后进入透平机组膨胀做功。
其中，所述压缩机组不限于单级压缩机及冷却系统，可为多级压缩机带级间冷却器和级后冷却器的压缩机组，在储能阶段，压缩空气中的压缩热被级间冷却器和级后冷却器回收并储存在基于化学提质的蓄热系统中；同理，所述透平机组不限于单级透平及加热系统，可为多级透平带级间加热器和级前加热器的透平机组，在释能阶段，基于化学提质的蓄热系统释放的较高品位热能通过级间加热器和级前加热器被压缩空气吸收。
本发明具有以下优点及突出性技术效果：
1.本发明与现有的压缩空气储能系统相比，采用“较低品位热能吸收提质-较高品位热能存储”的化学提质蓄热系统替代原有的显热、潜热或单级化学储热系统，首先，对在储能阶段产生的部分压缩热进行提质，提升热能品位，然后将经提质后的较高品位热能进行储存，储热密度明显高于显热储热和潜热储热，可以实现热量长时间储存而几乎没有损失，储热效率高。
2.本发明与现有的压缩空气储能系统相比，系统使用经提质的较高品位热能来加热透平入口空气，显著提高透平入口空气的温度，从而提高压缩空气储能系统的单位质量工质发电功率、发电量以及循环效率，具有良好的经济效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种带化学提质蓄热的压缩空气储能系统的原理结构示意图。
图2为本发明提供的基于化学提质的蓄热系统的原理结构示意图。
图中各标号清单为：1-电动机；2-压缩机组；3-基于化学提质的蓄热系统；4-储气室；5-透平机组；6-发电机；7-吸热反应装置；8-中低温储热装置；9-精馏塔；10-分离装置；11-回热器；12-中高温热能化学存储装置；13-中高温储热装置；14-中高温生成物储罐；15-阀门；I、II-内部换热器；A-压气机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理和具体实施方式作进一步的说明。
图1为本发明提供的一种带化学提质蓄热的压缩空气储能系统的原理结构示意图。本发明所述系统组成实现及连接方式如下：所述系统包括电动机1、压缩机组2、基于化学提质的蓄热系统3、储气室4、透平机组5和发电机6；所述电动机1通过传动轴与压缩机组2连接；所述压缩机组2的排气口通过管道与基于化学提质的蓄热系统3的热源空气通道入口3a连接；所述基于化学提质的蓄热系统3的热源空气通道出口3b通过管道与储气室4的入口连接；所述储气室4的出口通过管道与基于化学提质的蓄热系统3的冷源空气通道入口3c连接；所述基于化学提质的蓄热系统3的冷源空气通道出口3d通过管道与透平机组5的进气口连接；所述透平机组5通过传动轴与发电机6连接。
图2为本发明提供的基于化学提质的蓄热系统的原理结构示意图。所述基于化学提质的蓄热系统3包括化学热泵提质单元和中高温蓄热单元。
其中，所述化学热泵提质单元包括吸热反应装置7、中低温储热装置8、精馏塔9、分离装置10、回热器11和中高温热能化学存储装置12，所述吸热反应装置7内部填充基于化学储热原理的反应原料，该反应原料可在低温环境中发生正向吸热反应(在高温环境中发生逆向反应，该逆向反应为放热反应)。
其中，所述中高温蓄热单元包括中高温热能化学存储装置12、中高温储热装置13、中高温生成物储罐14、阀门15和压气机A，所述中高温压缩热存储装置12内部填充基于化学储热原理的反应原料，该反应原料可发生正向吸热反应(其逆向反应为放热反应)。
其中，所述基于化学提质的蓄热系统3的热源空气通道入口3a通过管道与所述化学热泵提质单元的吸热反应装置7的内部换热器I的入口连接；所述化学热泵提质单元的吸热反应装置7的内部换热器I的出口通过管道与所述化学热泵提质单元的中低温储热装置8的热源空气入口8a连接；所述化学热泵提质单元的中低温储热装置8的热源空气出口8b通过管道与所述基于化学提质的蓄热系统3的热源空气通道出口3b连接；所述基于化学提质的蓄热系统的冷源空气通道入口3c通过管道与所述化学热泵提质单元的中低温储热装置8的冷源空气入口8c连接；所述化学热泵提质单元的中低温储热装置8的冷源空气出口8d通过管道与所述中高温蓄热单元的中高温热能化学存储装置12的内部换热器II的入口连接；所述中高温蓄热单元的中高温热能化学存储装置12的内部换热器II的出口通过管道与所述基于化学提质的蓄热系统3的冷源空气通道出口3d连接。
其中，所述化学热泵提质单元的吸热反应装置7的反应原料-反应产物出口7a通过管道与精馏塔9的反应原料-反应产物入口9a连接；所述精馏塔9的反应原料出口9b通过管道与吸热反应装置7的反应原料入口7b连接，精馏塔9的反应原料-反应产物出口9c通过管道与分离装置10的反应原料-反应产物入口10a连接；所述分离装置10的反应产物出口10b通过管道与回热器11的反应产物入口11a连接，分离装置10的反应原料出口10c通过管道与精馏塔9的反应原料入口9d连接；所述回热器11的反应原料出口11d通过管道与吸热反应装置7的反应原料入口7c连接，回热器11的反应产物出口11b通过管道与中高温热能化学存储装置12的内部反应器管道入口12a连接；所述中高温热能化学存储装置12的内部反应器管道出口12b通过管道与回热器11的反应原料入口11c连接。
其中，所述中高温蓄热单元的中高温热能化学存储装置12的反应产物出口12c通过管道与中高温储热装置13的热源入口13a连接；所述中高温储热装置13的热源出口13b通过管道与压气机A的入口连接；所述压气机A的出口通过管道与中高温生成物储罐14的入口连接；所述中高温生成物储罐14的出口通过管道、阀门15与中高温储热装置13的冷源入口13c连接；所述中高温储热装置13的冷源出口13d通过管道与中高温热能化学存储装置12的反应产物入口12d连接。
本发明提供的一种带化学提质蓄热的压缩空气储能系统，其特征在于系统按如下步骤进行：
在储能阶段，利用来自可再生能源或者电网的低谷电能驱动电动机1工作，电动机1带动压缩机组2工作，压缩机组2将空气压缩成高压空气，同时压缩空气的温度升至120℃左右，随后压缩空气进入所述基于化学提质的蓄热系统3的化学热泵提质单元的吸热反应装置7的内部换热器I进行换热。
在储能阶段，所述基于化学提质的蓄热系统3的化学热泵提质单元中，吸热反应装置7内部的反应原料通过内部换热器I吸收来自压缩空气的部分压缩热；换热后的压缩空气的温度降低并进入中低温储热装置8进一步放热，最后压缩空气的温度降至环境温度并进入储气室4进行储存。吸收压缩热后的吸热反应装置7中的化学储热介质液态异丙醇升温蒸发，然后在90℃左右的温度下发生正向吸热分解反应，催化剂为ZnO/CuO复合催化剂，反应公式为：
(CH3)2CHOH(l)→(CH3)2CHOH(g) ΔH＝45.4kJ/mol
(CH3)2CHOH(g)→(CH3)2CO(g)+H2(g) ΔH＝55.0kJ/mol
反应生成90℃左右的丙酮和氢气，随后丙酮、氢气的混合气体以及部分未反应的气态异丙醇进入精馏塔9。在所述精馏塔9中，根据丙酮、氢气的混合气体和气态异丙醇沸点的不同，将大部分气态异丙醇冷凝液化从而与丙酮、氢气的混合气体进行分离，经冷凝液化得到的液态异丙醇随后被排回至吸热反应装置7；氢气、丙酮的混合气体以及少量未被冷凝液化的气态异丙醇温度降至80℃左右并进入分离装置10。在所述分离装置10中，剩余气态异丙醇被分离并排回至精馏塔9；同时得到80℃左右的高纯度丙酮、氢气混合气体，随后高纯度丙酮、氢气混合气体进入回热器11。在所述回热器11中，高纯度丙酮、氢气混合气体吸收热量，升温至200℃左右，随后进入中高温热能化学存储装置12的内部反应器管道。所述中高温热能化学存储装置12的内部反应器管道中填充固体催化剂(雷尼镍)，高纯度丙酮、氢气混合气体通过固体催化剂(雷尼镍)催化，发生逆向放热化合反应，反应生成250℃左右的气态异丙醇，反应公式为：
(CH3)2CO(g)+H2(g)→(CH3)2CHOH(g) ΔH＝-55.0kJ/mol
反应放出的热量被中高温热能化学存储装置12的内部反应器管道外部填充的反应原料储氢合金Mg2NiH4吸收，随后气态异丙醇和未反应的氢气、丙酮混合气体排回至回热器11。在所述回热器11中，气态异丙醇和未反应的氢气、丙酮与来自分离装置10的高纯度丙酮、氢气混合气体进行换热，换热后气态异丙醇和未反应的氢气、丙酮混合气体的温度降至90℃左右并排回至吸热反应装置7。
在储能阶段，所述基于化学提质的蓄热系统3的中高温蓄热单元中，中高温热能化学存储装置12的内部反应器管道外部的填充反应物Mg2NiH4吸收热量后逐渐升温，在240℃左右的温度下发生正向吸热分解反应，反应公式为：
Mg2NiH4(s)→Mg2Ni(s)+2H2(g) ΔH＝65kJ/mol
反应生成240℃左右的氢气，随后氢气在压气机A的作用下进入中高温储热装置13进行换热，换热后氢气温度降低并经压气机A送入中高温生成物储罐14进行储存。
在释能阶段，所述储气室4中之前储存的压缩空气释放并进入所述基于化学提质的蓄热系统3的化学热泵提质单元的中低温储热装置8进行换热，换热后压缩空气被预热至一定温度并进入所述基于化学提质的蓄热系统3的中高温蓄热单元的中高温热能化学存储装置12的内部换热器II继续换热；同时在所述基于化学提质的蓄热系统3的中高温蓄热单元中，中高温生成物储罐14中之前储存的氢气释放并进入中高温储热装置13进行换热，换热后氢气被预热至220℃左右并进入中高温热能化学存储装置12，在210℃左右的温度下与其中原有的固态生成物Mg2Ni发生逆向化合放热反应，反应公式为：
Mg2Ni(s)+2H2(g)→Mg2NiH4(s) ΔH＝-65kJ/mol
压缩空气通过中高温热能化学存储装置12的内部换热器II吸收化学反应放出的热量，压缩空气被预热至200℃左右并进入透平机组5膨胀做功。透平机组5旋转带动发电机6进行发电。
需要特别说明的是：上述运行参数是依据单级压缩机及单级透平为例而获得，本发明所述系统压缩机组及透平机组均不限于单级，可为多级带中间冷却(或加热)结构，具体参数仅供参考，但不受限与上述参数约束。
最后需要说明的是：以上实施例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方案及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本发明说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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