CN106943959A - 一种固定床式高温热能与化学能相互转换储能反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固定床式高温热能与化学能相互转换储能反应器，主要包括传热流体H换热管、反应物颗粒床层和输水W换热管。储热过程是，高温传热流体由H换热管输送，流经反应物颗粒床层之间的传热管段时，对反应物颗粒床层进行加热，使床层中的金属氢氧化物发生脱水分解反应，实现高温热能转换为化学能，并以金属氧化物的形式储存。释热过程是，从水蒸汽入口向反应器内输入水蒸汽，并通过蒸汽分配器进行蒸汽的均匀分配以调压；水蒸汽与反应物颗粒床层中的金属氧化物发生水合放热反应，产生的热量将W换热管中的水加热汽化为水蒸汽，并将水蒸汽输送出去，供给蒸汽轮机发电或作其他用途。本发明储能密度高、储存周期长、储存过程高效稳定。
Description
技术领域
本发明属于高温热能储能技术领域，特别涉及一种采用金属氢氧化物作为储能介质的、高温热能与化学能相互转换的储能反应器。
背景技术
热能储存技术是用于提高聚焦式高温太阳热能电站效率的关键因素。聚焦式高温太阳热能发电将太阳热能转化为电能，可以通过配置高温(400～1000℃)热能储存系统来实现连续发电。主要的高温热储存方式有：显热储能、潜热储能和热化学储能。
显热储能是指通过储能介质温度的变化来实现热量的储存，可分为固体显热储能、液体显热储能以及液-固联合显热储能等。显热储能成本低、技术成熟，但也存在长时间储存时热损失大、储能密度低、所需储热装置庞大等缺点，因而不适用于大规模热力发电。潜热储能又称相变储能，主要是通过储能材料发生相变时吸收或释放热量来进行热量的存储与释放。潜热储能密度比显热较大，储能系统体积比显热较小，但潜热储能存在热导率小、储热温度低、热损失大、储能周期有限等不足。
热化学储能主要是基于一种可逆的热化学反应，如C+ΔH＝A+B，该反应中储能材料C吸收热量(如太阳热能)分解为A和B，并且A、B可单独储存起来。当需要供热时，把A、B充分混合后发生放热反应生成C，将储存的化学能以热能的方式释放出来。热化学储能具有储能密度高(100～500kW·h/m3)、产热温度高(高达500℃)等特点，同时，只要将储能介质构成闭式循环，并妥善储存，就可实现长期(24小时至数个月)无热损的储能。因此，使用可逆化学反应进行的热能储存是一种非常有前景的高温储能技术。
与其他储能方式相比，热化学储能具有的储能密度大、能在环境温度下实现长期无热损储存、适合长距离运输等优点特性，为太阳热能的高温高效转换、储存及传输提供了一种极具发展前景的方法。热化学储能能够克服太阳能的间歇性，实现热量的持续供给，特别适用于电厂峰谷负荷调节，并于尖峰发电时释放出热能，推动汽轮机发电。
目前已经研究过70多种热化学储能反应，但很理想的反应体系并不多。典形的热化学储能体系有金属氢氧化物热分解，主要是Ca(OH)2/CaO+H2O或Mg(OH)2/MgO+H2O。此外还有氨的分解、碳酸化合物分解、甲烷-二氧化碳催化重整、铵盐热分解、有机物的氢化和脱氢反应等。为了使热化学储能系统更高效稳定地进行，除了储能材料的合理选取，对储能装置的设计研究也是亟待解决的关键技术。对于储能反应器的设计，必须明确反应床体的特性，保证反应器内气体、固体等反应物介质的导热及传质稳定性，可以有效控制储/释能反应的发生，实现储-释能循环的最佳运行效率。
发明内容
本发明的目的在于避免上述背景中的不足之处，设计了一种固定床式高温热能与化学能相互转换储能反应器，以有效地将太阳热能或其他高温热能(工业余热、废热)通过可逆的化学反应以化学能形式储存起来，当需要高温热能时，再通过逆向放热反应将化学能转化成热能释放出来，实现能量高效储存和利用。
一种固定床式高温热能与化学能相互转换储能反应器，其包括：包括壳体、保温层、反应物颗粒床层、蒸汽分配器、排水口、水蒸汽入口、水蒸汽出口、输水管即W换热管、W换热管入口、传热流体输送管即H换热管、W换热管出口、H换热管入口、H换热管出口；
保温层包覆在壳体外部，壳体内部设置有所述H换热管、W换热管、反应物颗粒床层、蒸汽分配器和水蒸汽压力调节器；H换热管与W换热管的传热段分别分布在反应物颗粒床层的两侧并紧密贴靠着反应物颗粒床层的两个较大侧面，呈H换热管-颗粒床层-W换热管-颗粒床层-H换热管的方式依次排布，反应物颗粒床层可设置多层，相应地形成多层H换热管层和多层W换热管层，H换热管层和W换热管层交错排布，且H换热管层与W换热管层管路方向垂直；H换热管入口、H换热管出口位于壳体的一侧，W换热管入口、W换热管出口位于壳体的另一侧；
蒸汽分配器位于壳体内底部，排水口位于壳体底部下端，水蒸汽入口位于壳体底部侧边且与蒸汽分配器连接；水蒸汽出口位于壳体上部侧面；
储热过程是：反应物颗粒床层中的金属氢氧化物吸收H换热管内传热流体输入的热量发生脱水分解反应，实现热能向化学能的转换，产生的水蒸汽从水蒸汽出口排出；释热过程是：从水蒸汽入口向固定床式储能反应器底部的蒸汽分配器通入水蒸汽，进行蒸汽的分配；反应物颗粒床层中的金属氧化物与水蒸汽发生水合的放热反应，W换热管中的水吸收反应产生的热量汽化为水蒸汽，输出的水蒸汽供蒸汽轮机发电或其他高温场合使用；排水口用于排出反应器内冷凝的液态水；紧靠最底层(D)W传热管段的底部设置有三根方钢，H换热管除最底层外的其它各层传热段两端均有方钢支撑，支撑方钢的楔形支架固定在器壳体内部。
进一步优化的，所述反应物颗粒床层与H换热管、W换热管都是紧密贴连，以减少传热热阻。
进一步优化的，所述W换热管采用当量直径DN为30～50mm，承压能力PN为20～30MPa的不锈钢金属管，位于同一层的W换热管的传热段部分用U形接头连接并呈连续U形排列，相邻两换热管中心间距L1为45～80mm；管间空隙用蜂窝状不锈钢网填充，用于提高反应物颗粒床层和W换热管间的导热性能，并作为水蒸汽的出入通道。
进一步优化的，所述反应物颗粒床层由金属氢氧化物/氧化物颗粒填充，并由不锈钢网包裹，以防止反应物颗粒脱落。该反应器既可用于储热，也可用于释热。
进一步优化的，所述储能反应器内部的反应物颗粒床层为长方体形，反应物颗粒里面掺杂有膨化石墨和SiO2或Al2O3颗粒。SiO2或Al2O3颗粒用来保证反应物颗粒之间的孔隙率在0.2～0.8，以增加颗粒床层中反应物的反应分数；添加膨化石墨则为增强床层内部的热量传导。反应物颗粒床层的长度和宽度根据H换热管和W换热管的具体排列情况确定，床层厚度L3设定为20～40mm。
进一步优化的，所述H换热管采用当量直径DN50～70mm，承压能力PN1.5～2.5MPa的不锈钢金属管，每层设置4个传热管段，层与层之的传热管段呈S形联接，各层中相邻的传热管段之间保留有间隙且中心间距L2为90～120mm，换热管间隙用蜂窝状不锈钢网填充，作为水蒸汽的进出通道和热量传导的载体。
进一步优化的，H换热管的进口管与H换热管入口相连接，H换热管的出口管与H换热管出口连接；H换热管的进口管与出口管相邻，保证反应物颗粒床层各部分受热温度均匀。
所述蒸汽出口设置在壳体侧面上部，蒸汽入口设置在壳体侧面的下部；排水口设置在壳体的底部，通过阀门控制，便于排出部分蒸汽冷凝产生的液态水。
进一步优化的，所述壳体的承压能力在0.2～0.4MPa，上部安装有压力表，通过压力表监测反应器内部水蒸汽的压力。通过水蒸汽压力调节器来调节反应器内蒸汽压力，以控制化学反应的反应速率及反应温度。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、可充分利用太阳热能来驱动可逆的化学反应的发生，实现太阳热能以化学能的形式长期、高效、稳定的无热损储存。当需要热能时，可以通过发生放热反应提供高品位热能，并可通过调节水蒸汽压力来控制反应温度。
2、反应颗粒床层之间同一层次的W换热管传热段采用U形连接方式，H换热管相邻层次的传热段呈S形连接，且管与管之间均有蜂窝状不锈钢网填充，强化传热，提高导热效率。
3、根据需要，可以模块化组合该反应器，以适应不同功率的热力发电需要。操作简单，安装方便，便于日后的维修清洁。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的壳体内部传热管段连接及颗粒床层立体图示。
图3是本发明的内部主视剖面图。图4是本发明的内部左视剖面图。
图5是W换热管A层传热段俯视剖面图。图6是W换热管B层传热段俯视剖面图。
图7是W换热管C层传热段俯视剖面图。图8是W换热管D层传热段俯视剖面图。
图9是H换热管a层传热段俯视剖面图。图10是H换热管b层传热段俯视剖面图。
图11是H换热管c层传热段俯视剖面图。
附图中：1-H换热管入口；2-H换热管出口；3-保温层；4-颗粒床层；5-蜂窝状不锈钢网；6-蒸汽分配器；7-排水口；8-水蒸汽入口；9-水蒸汽压力调节器；10-W换热管入口；11-W换热管；12-H换热管；13-W换热管出口；14-水蒸汽出口；15-压力表；16-壳体；17-方钢；18-楔形支架。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的结构和具体工作过程作详细描述，但本发明的实施和保护不限于此。
方案实施所需部分设备材料安装参数详见表1。
表1
如图1，一种固定床式高温热能与化学能相互转换储能反应器，包括：H换热管入口1、H换热管出口2、保温层3、反应物颗粒床层4、蜂窝状不锈钢网5、蒸汽分配器6、排水口7、水蒸汽入口8、水蒸汽压力调节器9、W换热管入口10、W换热管11、H换热管12、W换热管出口13、水蒸汽出口14、压力表15、壳体16。壳体16外部包覆有保温层3，壳体16内部设置有传热流体输送管即H换热管、输水管即W换热管、反应物颗粒床层4、蒸汽分配器6和水蒸汽压力调节器9。H换热管12与W换热管11之间设置为反应物颗粒床层4，水蒸汽出口14用于储热过程中分解反应产生的水蒸汽的输出。蒸汽出口14设置在壳体16侧面上部，蒸汽入口8设置在壳体16侧面的下部，水蒸汽分配器6在反应器内部底端与蒸汽入口8相连。排水口7设置在壳体16的底部，便于排出部分蒸汽冷凝产生的液态水。用压力表15实时监测反应器内部水蒸汽的压力，并通过水蒸汽压力调节器9进行压力的控制。
如图2、图3、图4所示，储能反应器内部是用不锈钢网包裹的反应物颗粒床层4、H换热管12和W换热管11，H换热管与W换热管的传热段分别分布在反应物颗粒床层4两侧，且H换热管层与W换热管层管路方向垂直；用不锈钢网包裹的反应物颗粒床层4位于H换热管与W换热管的各传热段之间，且H换热管水平层和W换热管水平层之间的空隙均用蜂窝状不锈钢网5填充。紧靠W换热管的D层底部设置有三根方钢，H换热管12的a、b层两端均有方钢17支撑，支撑方钢17的楔形支架18固定在壳体16上。
如图5、图6、图7、图8所示，是固定床式高温热能与化学能相互转换储能反应器内部W换热管A、B、C、D层传热段俯视剖面图；各层传热管段分布相同，均呈U形排列，A、B、C、D分别对应于图2及图3中各层W换热管11的走向，W1为W换热管11中液态水入口，用弯头和直管将各层的W换热管传热段连接，其中W2与W3相连，W4与W5相连，W6与W7相连，W8与W换热管出口13相连，即W换热管11内的水被加热后产生的水蒸汽从W换热管出口13输出。
如图9、图10、图11所示，是固定床式高温热能与化学能相互转换储能反应器内部H换热管a、b、c层传热段俯视剖面图；位于最底层(c层)的4支H换热管，中间相邻的两段管(H32与H33)右端用90°弯头连接，最外侧的两段管(H31、H34)右端用90°弯头连接；最底层(c层)的4支H换热管(H31、H32、H33、H34)的左端分别用弯头对应连接正上方中间层(b层)的4支H换热管的左端(H21、H22、H23、H24)，中间层(b层)的4支H换热管(H21、H22、H23、H24)的右端分别用弯头对应连接正上方顶层(a层)的4支H换热管(H11、H12、H13、H14)的右端；位于顶层(a层)的4支H换热管，选择其中边上的一支H换热管(H14)，将其左端和与其相邻的H换热管(H13)的左端用弯头连接，其余两支H换热管(H11与H12)的左端则分别连接H换热管入口1和H换热管出口2。
本装置的具体工作方式为：
储热过程：高温传热流体从H换热管入口1流入固定床式储能反应器内H换热管传热管段，对反应物颗粒床层4进行加热，反应物颗粒床层4中的金属氢氧化物受热分解成金属氧化物和水蒸汽，实现热能向化学能的转换，并以金属氧化物的形式进行储存。产生的水蒸汽透过颗粒间的空隙和换热管间的蜂窝状不锈钢网5孔隙从蒸汽出口14排出，实现分解产物的分离。
释热过程：从水蒸汽入口8向固定床式储能反应器底部的蒸汽分配器6通入水蒸汽，进行蒸汽的分配；通过压力表15实时监测反应器内部水蒸汽的压力；通过水蒸汽压力调节器8来调节反应器内蒸汽压力，以控制化学反应的反应速率及反应温度。反应物颗粒床层4中的金属氧化物与水蒸汽发生水合放热反应。常温水从W换热管入口8输入，W换热管中的水吸收反应产生的热量汽化为水蒸汽，从W换热管出口13输出的水蒸汽供蒸汽轮机发电或其他高温场合使用。
如上所述,便可较好地实现本发明,上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，均为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。
Claims (9)
1.一种固定床式高温热能与化学能相互转换储能反应器，其特征在于，包括壳体(16)、保温层(3)、反应物颗粒床层(4)、蒸汽分配器(6)、排水口(7)、水蒸汽入口(8)、水蒸汽出口(14)、输水管即W换热管(11)、W换热管入口(10)、传热流体输送管即H换热管(12)、W换热管出口(13)、H换热管入口(1)、H换热管出口(2)；
保温层(3)包覆在壳体(16)外部，壳体(16)内部设置有所述H换热管(12)、W换热管(11)、反应物颗粒床层(4)、蒸汽分配器(6)和水蒸汽压力调节器(9)；H换热管与W换热管的传热段分别分布在反应物颗粒床层(4)的两侧并紧密贴靠着反应物颗粒床层的两个较大侧面，呈H换热管-颗粒床层-W换热管-颗粒床层-H换热管的方式依次排布，反应物颗粒床层(4)可设置多层，相应地形成多层H换热管层和多层W换热管层，H换热管层和W换热管层交错排布，且H换热管层与W换热管层管路方向垂直；H换热管入口(1)、H换热管出口(2)位于壳体(16)的一侧，W换热管入口(10)、W换热管出口(13)位于壳体(16)的另一侧；
蒸汽分配器(6)位于壳体(16)内底部，排水口(7)位于壳体(16)底部下端，水蒸汽入口(8)位于壳体(16)底部侧边且与蒸汽分配器(6)连接；水蒸汽出口(14)位于壳体(16)上部侧面；
储热过程是：反应物颗粒床层(4)中的金属氢氧化物吸收H换热管(12)内传热流体输入的热量发生脱水分解反应，实现热能向化学能的转换，产生的水蒸汽从水蒸汽出口(14)排出；释热过程是：从水蒸汽入口(8)向固定床式储能反应器底部的蒸汽分配器(6)通入水蒸汽，进行蒸汽的分配；反应物颗粒床层(4)中的金属氧化物与水蒸汽发生水合的放热反应，W换热管(11)中的水吸收反应产生的热量汽化为水蒸汽，输出的水蒸汽供蒸汽轮机发电或其他高温场合使用；排水口(7)用于排出反应器内冷凝的液态水；紧靠最底层（D）W传热管段的底部设置有三根方钢(17)，H换热管除最底层外的其它各层传热段两端均有方钢(17)支撑，支撑方钢的楔形支架(18)固定在器壳体(16)内部。
2.根据权利要求1所述的一种固定床式高温热能与化学能相互转换储能反应器，其特征在于，所述反应物颗粒床层(4)分别与H换热管(12)、W换热管(11)都是紧密贴连，以减少传热热阻。
3.根据权利要求1或2所述的一种固定床式高温热能与化学能相互转换储能反应器，其特征在于，所述W换热管(11)采用当量直径DN为30～50mm，承压能力PN为20～30MPa的不锈钢金属管，位于同一层的W换热管(11)的传热段部分用U形接头连接并呈连续U形排列，相邻两换热管中心间距L1为45~80mm；管间空隙用蜂窝状不锈钢网(5)填充，用于提高反应物颗粒床层(4)和W换热管间的导热性能，并作为水蒸汽的出入通道。
4.根据权利要求1所述的一种固定床式高温热能与化学能相互转换储能反应器，其特征在于，所述反应物颗粒床层(4)由金属氢氧化物/氧化物颗粒填充，并由不锈钢网包裹，以防止反应物颗粒脱落；该反应器既可用于储热，也可用于释热。
5.根据权利要求1或4所述的一种固定床式高温热能与化学能相互转换储能反应器，其特征在于，储能反应器内部的反应物颗粒床层(4)为长方体形，反应物颗粒里面掺杂有膨化石墨，还掺有SiO2或Al2O3颗粒；SiO2或Al2O3颗粒用来保证反应物颗粒之间的孔隙率在0.2~0.8，以增加颗粒床层中反应物的反应分数；添加膨化石墨则为增强床层内部的热量传导；反应物颗粒床层(4)的床层厚度L3设定为20~40mm。
6.根据权利要求1、3或4所述的一种固定床式高温热能与化学能相互转换储能反应器，其特征在于，H换热管的当量直径DN为50～70mm，承压能力PN为1.5～2.5MPa的不锈钢金属管，H换热管每层设置4个传热管段，层与层之的传热管段呈S形联接，各层中相邻的传热管段之间保留有间隙且中心间距L2为90~120mm，换热管间隙用蜂窝状不锈钢网(5)填充，作为水蒸汽的进出通道和热量传导的载体。
7.根据权利要求1或6所述的一种固定床式高温热能与化学能相互转换储能反应器，其特征在于，H换热管(12)的进口管(H11)与H换热管入口(1)相连接，H换热管(12)的出口管(H12)与H换热管出口(2)连接；H换热管(12)的进口管(H11)与出口管(H12)相邻，保证反应物颗粒床层(4)各部分受热温度均匀。
8.根据权利要求1所述的一种固定床式高温热能与化学能相互转换储能反应器，其特征在于，壳体(16)的承压能力在0.2～0.4MPa，上部安装有压力表(15)，通过压力表(15)监测反应器内部水蒸汽的压力。
9.根据权利要求1所述的一种固定床式高温热能与化学能相互转换储能反应器，其特征在于，水蒸汽入口(8)设有水蒸汽压力调节器(9)，通过蒸汽压力调节器(9)来调节反应器内蒸汽压力，以控制化学反应的反应速率及反应温度。
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