CN109550469B - 一种双腔式热化学法储能反应装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种双腔式热化学法储能反应装置，包括聚光器、反应腔、分隔盘、水蒸气供应系统，分隔盘上部的反应腔为储能反应腔，分隔盘下部的反应腔为释能反应腔；储能反应腔的两侧设有氢氧化钙进料口，吸热盘安装于储能反应腔内，且吸热盘外端从氢氧化钙进料口伸出；反应腔的上方设有用于聚集太阳光并反射入储能反应腔内的吸热盘上的聚光器；释能反应腔内设有盘管、气体分布板，盘管两端分别为热流体入口和热流体出口，盘管两端均伸出释能反应腔外，气体分布板安装于盘管下方。一种双腔式热化学法储能反应方法，采用上述一种双腔式热化学法储能反应装置。本发明具有物料循环利用率高、结构简单、操作简便等优点。本发明太阳热能高温储存技术领域。

Description

一种双腔式热化学法储能反应装置及方法

技术领域

本发明太阳热能高温储存技术领域，具体涉及一种双腔式热化学法储能反应装置及方法。

背景技术

随着当今社会的高速发展，经济增长对能源的要求激增，有限的化石燃料日益匮乏，不能满足现代工业发展的需求，并且化石燃料的燃烧对生态环境造成了极大的压力，世界正面临着诸多能源紧缺、全球气候变暖、环境污染等一系列严峻的问题。能源结构改革的新方向主要是开发新能源以及采用新型技术提高燃料的利用率。太阳能发电由于具有费用低、来源广、不污染环境等优点而成为人类理想的替代能源。大力开发利用太阳能，将会有效缓解能源紧缺的问题，并改变我国不合理的能源结构，使能源供应多样化。然而，由于太阳能具有间歇性、低密度和不稳定性、难以持续供应等缺点，因此提高热能存储技术是大规模发展太阳能热力发电的关键。

目前，研究运用最多的就是利用热化学储能来储能太阳能。热化学储能具有的储能密度大(100～500kW·h/m³),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、储存及运输提供了一种极具发展前景的方法。一般运用的热化学储能体系主要有：金属氧化物的热分解、氧化物和过氧化物的分解、氢氧化钙和氧化钙的转换等反应体系。然而目前的反应器的储能密度低，能损大，光热转化效率低；将储能和释能过程分开设置运行，储能后的物质需要输送至另一组件才能进行释能反应，结构及流程较为复杂，能耗较高；现有的反应器还存在对物料的循环利用率低，成本较高等缺点。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种物料循环利用率高的双腔式热化学法储能反应装置，它还具有结构较为简单、操作简便、可实现控制释能反应速率等优点。

本发明的另一目的是提供一种物料循环利用率高、操作简便的双腔式热化学法储能反应方法。

一种双腔式热化学法储能反应装置，包括聚光器、反应腔、分隔盘、水蒸气供应系统，反应腔内安装有分隔盘，分隔盘将反应腔一分为二，分隔盘上部的反应腔为储能反应腔，分隔盘下部的反应腔为释能反应腔；储能反应腔的两侧设有氢氧化钙进料口，吸热盘安装于储能反应腔内，且吸热盘外端从氢氧化钙进料口伸出；反应腔的上方设有用于聚集太阳光并反射入储能反应腔内的吸热盘上的聚光器；释能反应腔内设有盘管、气体分布板，盘管两端分别为热流体入口和热流体出口，盘管两端均伸出释能反应腔外，气体分布板安装于盘管下方；释能反应腔一侧开设有氧化钙进料口，释能反应腔一侧设有出口，出口和外部的螺旋输送机连接，螺旋输送机的上部设有出料口，出料口对着吸热盘外端；水蒸气供应系统和释能反应腔的底部连接。

作为一种优选，释能反应腔的出口通过输出管道和螺旋输送机连接，输出管道上设有分支管道，分支管道上设有止回阀，输出管道上在分支管道后也设有止回阀。

作为一种优选，还包括旋风分离器，两个旋风分离器的一端分别和储能反应腔、释能反应腔连接，两个旋风分离器的另一端并联后和水蒸气冷凝器连接，水蒸气冷凝器和水蒸气供应系统连接。

作为一种优选，氧化钙进料口处安装有氧化钙螺旋加料机，氧化钙加料箱安装预氧化钙螺旋加料机上方。

作为一种优选，分隔盘包括四个规格相同的弧度板，弧度板的圆心角为90度；四块弧度板在圆心处通过转轴安装，四块弧度板安装后呈一个完整的圆盘；圆心角相对的弧度板称为一对弧度板，两对弧度板在高度上错开设置；并在上面一对弧度板上通过转轴安装毛刷。

作为一种优选，储能反应腔顶端设有开孔，开孔的上端安装有二次聚光器，二次聚光器内壁面为抛光镜面，且二次聚光器内壁面涂有反射涂层。

作为一种优选，反应腔由外至内依次包括外壳、保温层、内壁，内壁和外壳均采用不锈钢材质制成，保温层填充保温隔热材料。

作为一种优选，水蒸气供应系统包括蒸汽发生器、加热器、蒸汽输送泵、蒸汽管道、输水管道、水泵，蒸汽发生器通过蒸汽管道、蒸汽输送泵和释能反应腔的底部连接；蒸汽发生器下方设有输水管道，输水管道经水泵和蒸汽发生器连接；输水管道设有止回阀，蒸汽管道上设有流量控制阀。

作为一种优选，水泵还经热感应开关、过热保护器和蒸汽发生器连接。

一种双腔式热化学法储能反应方法，采用上述一种双腔式热化学法储能反应装置，通过氢氧化钙进料口向储能反应腔内加入氢氧化钙，氢氧化钙沿着吸热盘下滑；太阳光经聚光器聚集、反射入储能反应腔内的吸热盘上，吸热盘吸收太阳光能以加热吸热盘上的氢氧化钙，氢氧化钙受热分解成氧化钙与水蒸气，氧化钙落入到分隔盘上；打开分隔盘，氧化钙落到气体分布板上；通过蒸汽输送泵将水蒸汽输送到释能反应腔，氧化钙与水蒸汽反应放热并生成氢氧化钙，放出的热量对盘管中的冷流体进行加热，完成热交换，新生成的氢氧化钙再经螺旋输送机输送入储能反应腔，以进行下一轮的可逆反应。

本发明的有益效果：

1、采用双腔式结构，利用分隔盘将反应腔分隔成储能反应腔和释能反应腔，并在储能反应腔的两侧设置氢氧化钙进料口，在释能反应腔开设出口，并将出口和螺旋输送机连接，螺旋输送机的出料口对着吸热盘，因此本发明能实现在一个装置内实现氢氧化钙/氧化钙的脱水-水合过程的循环操作，且可以循环利用物料，能量和物料利用率高，且结构简单。

2、在输出管道上设置分支管道，并在输出管道、分支管道上设置止回阀，因此除了能对物料实现循环利用，还能在物料有效成分低的情况下，关闭输出管道上的止回阀，再打开分支管道上的止回阀，从而将物料排出系统外，以便于添加新物料进入装置，实现可逆反应的连续。

3、本发明在蒸汽输送管道上设置流量控制阀，通过对水蒸气流速的调节，实现对释能反应腔中的反应速率的调节，进而实现对热量交换速率和热利用效率的控制。

4、本发明在储能反应腔顶端安装有二次聚光器，且二次聚光器内壁面为抛光镜面，且二次聚光器内壁面涂有反射涂层，因此可以将更多的太阳光反射进入储能反应腔内，进一步提高光能利用率，增加储能密度，提高光热转换效率。

5、分隔盘包括四个规格相同的弧度板，并将四个弧度板同心安装，两对弧度板高度错开，因此在弧度板全部摊开上时将两个腔式隔开，便于各腔室的独立反应，当要将上部的储能物料输送至下部时，将下方的一对弧度板移动至上方的一对弧度下方，以便于物料从一个反应腔室输送至另一个反应腔室，物料转移较快，流程简单，操作方便，且成本较低。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的分隔盘闭合时的结构示意图。

图3是本发明的分隔盘打开时的结构示意图。

其中，1-太阳；2-聚光器；3-二次聚光器；4-氧化铪陶瓷层；5-保温层；6-旋风分离器；7-止回阀i；8-氢氧化钙进料口；9-吸热盘；10-分隔盘；11-热流体出口；12-热流体进口；13-止回阀j；14-水蒸汽冷凝器；15-氧化钙螺旋加料机；16-气体分布板；17-蒸汽输送泵；18-流量调节阀；19-温度控制器；20-温度感应器；21-加热器；22-蒸汽发生器；23-过热感应开关；24-过热保护器；25-水泵；26-止回阀k；27-螺旋输送机；28-排水口；29-氧化钙加料箱；30-毛刷；31-释能反应腔；32-水蒸汽供应系统；33-外壳；34-盘管；35-开孔；36-储能反应腔；37-止回阀m；38-止回阀n；39-弧形板；40-转轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的具体说明。

一种双腔式热化学法储能反应装置，它包括聚光器、反应腔、水蒸汽供应系统；反应腔内部通过分隔盘隔离成两部分，上部为储能反应腔，下部为释能反应腔；水蒸汽供应系统和反应腔的下部(即释能反应腔)连接，以为释能反应提供水蒸汽。聚光器为槽式太阳能聚光器。

反应腔上部呈圆柱状，反应腔底部呈锥体状。反应腔由外至内依次为外壳、保温层、内壁，内壁和外壳均采用不锈钢材质制成。保温层处于内壁和外壳中间，保温层填充保温隔热材料。分隔盘安装于反应腔的中部，将反应腔一分为二，分成储能反应腔和释能反应腔。储能反应腔的顶部设有开孔，开孔的上端安装有二次聚光器，二次聚光器内壁面采用镜面抛光，并在二次聚光器内壁面涂有反射涂层。吸热盘倾斜安装于储能反应腔的中下部，两吸热盘对称安装于储能反应腔两侧，吸热盘向下倾斜。两吸热盘的内端之间留有一定距离，以便于反应后的物料从两吸热盘之间滑落到分隔盘上。太阳光经聚光器发射进入二次聚光器，再通过二次聚光器反射经通孔射入储能反应腔内的吸热盘上。

储能反应腔的两侧开设有氢氧化钙进料口，吸热盘外端从氢氧化钙进料口伸出，且吸热盘和氢氧化钙进料口焊接在一起。吸热盘外端的上方设有旋风分离器；旋风分离器一端和储能反应腔的上端相连接，旋风分离器另一端通过水蒸气冷凝器和水蒸汽供应系统连接。该旋风分离器和水蒸气冷凝器连接的管道上设有止回阀i。储能反应腔反应时的水份通过储能反应腔的上端的通道，再经旋风分离器输送至水蒸汽经冷凝器冷凝，最终输送至水蒸汽供应系统。旋风分离器将反应时夹带出的物料进行干燥，并回收下放至集热盘外端，从而将回收的干燥的氢氧化钙物料通过氢氧化钙进料口加入储能反应腔内。储能反应腔内壁涂有氧化铪陶瓷层，耐高温材料二氧化铪熔点高，具有较高的反射率，能提高腔体内的反射率，降低吸热反应时腔内的导热损失。

释能反应腔内安装有盘管、气体分布板，盘管两端均从释能反应腔内伸出，盘管一端为热流体进口，盘管另一端为热流体出口。盘管下方安装有气体分布板，气体分布板用于承接储能反应腔下放的氧化钙；高温水蒸气和氧化钙反应，释放的热量加热盘管，盘管内流动的流体在释能反应腔内进行热交换。释能反应腔一侧下端开设有氧化钙进料口，氧化钙进料口安装有氧化钙螺旋加料机，氧化钙螺旋加料机和氧化钙加料箱连接。氧化钙加料箱上方设有旋风分离器。旋风分离器一端通过管道和释能反应腔上端连接，旋风分离器另一端通过水蒸气冷凝器和水蒸汽供应系统连接。该旋风分离器和水蒸气冷凝器连接的管道上设有止回阀j。旋风分离器将反应时夹带出的物料进行分离干燥，并回收至氧化钙加料箱。氧化钙加料箱再将物料经氧化钙螺旋加料机输送入释能反应腔内部。释能反应腔另一侧的外部设有螺旋输送机，螺旋输送机和释能反应腔通过输出管道连接，螺旋输送机上部设有出口，出口对向储能反应腔的一吸热盘外端。输出管道上设有分支管道，分支管道向下，分支管道上设有止回阀m。在输出管道上且在分支管道后设有止回阀n。从释能反应腔反应出来的氢氧化钙经输出管道，再通过螺旋输送机，回输至储能反应腔，从而实现物料的循环利用。当氢氧化钙不能再循环使用了，关闭止回阀m，打开止回阀n，物料通过分支管道排出循环体系。在释能反应腔的下部设有排水口，用以排出释能反应腔内多余的水分。

水蒸汽供应系统包括蒸汽发生器、加热器、蒸汽输送泵、蒸汽输送泵。加热器设于蒸汽发生器内。蒸汽发生器通过蒸汽管道、蒸汽输送泵和释能反应腔的底部连接，通过蒸汽输送泵的动力将水蒸气通过蒸汽管道输送至释能反应腔内。同时，蒸汽发生器上部还和水蒸气冷凝器连接，水蒸气冷凝器将旋风分离器分离出来的水份冷凝。蒸汽发生器下方设有输水管道，输水管道经水泵和蒸汽发生器连接，输水管道上设有止回阀k，止回阀k用以控制打开或关闭输水管道。水泵还经热感应开关、过热保护器和蒸汽发生器连接，当蒸汽发生器温度超过极限高值时，打开过热感应开关、过热保护器，从而关闭水泵。蒸汽管道上设有流量调节阀，流量调节还经温度控制器和蒸汽发生器连接，温度控制器又和温度感应器连接。当温度感应器感受到温度值时，将温度值传递给温度控制器，温度控制器根据温度的高低控制流量控制阀的开闭，从而实现对蒸汽发生器内的温度调控。

分隔盘包括四个弧度板，四块弧度板规格一致，每个弧度板的圆心角为90度。四块弧度板通过中心处的转轴安装连接。圆心角相对的一对弧度板高度一致，两对弧度板一高一低设置。四块弧度板安装后是一个完整的圆盘，俯视时呈一圆形状，且四块弧度板将储能反应腔的下部封住。分隔盘上还安装有毛刷，毛刷通过转轴和弧度板一起安装，毛刷长度和弧度板半径相同。把储能反应腔内氢氧化钙受热分解的产物氧化钙输入至释能反应腔时，打开分隔盘，其中一对圆心角相对的弧度板移动至另一对弧度板下面，此时原本相邻的弧度板两两重合，氧化钙便从空隙处落入释能反应腔内，然后用毛刷将处于略高一对的弧度板上的氧化钙扫入释能反应腔内。

本发明的工作过程：

储能反应腔中的操作过程：氢氧化钙颗粒从氢氧化钙加料口进入储能反应腔，流经吸热盘；太阳光经过槽式太阳能聚光器入射到储能反应腔内，加热氢氧化钙颗粒，氢氧化钙颗粒受热分解成氧化钙与水蒸气；水蒸气从储能反应器上部的旋风分离器排出，再经水蒸气冷凝器冷凝后输送入水蒸气供应系统，氧化钙落入到分隔盘上。

释能反应腔中的操作过程：打开分隔盘，氧化钙落到气体分布板上；启动水蒸气供应系统，将水输送到蒸汽发生器里，用加热器加热生成水蒸气，然后用蒸汽输送泵将水蒸汽输送到释能反应腔，氧化钙与水蒸汽反应，放出热量；盘管中通入需加热的冷流体或冷空气，用氧化钙与水蒸气反应放出的热量进行加热，得到高温流体或高温蒸汽用于发电工业等。

释能反应完成后，打开止回阀n，螺旋输送机将生成的氢氧化钙输送到氢氧化钙加料口，进行新一轮得循环反应。高纯度氢氧化钙的脱水及再水化可循环100次。当氢氧化钙的活性下降时，打开止回阀m排出氢氧化钙，高温分解再生后，可送回再循环利用。重新从氢氧化钙加料口加入新的或再生后的氢氧化钙或者从氧化钙螺旋输送机输入氧化钙，进行新一轮的可逆反应。

上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双腔式热化学法储能反应装置，其特征在于：包括聚光器、反应腔、分隔盘、水蒸汽供应系统，反应腔内安装有分隔盘，分隔盘将反应腔一分为二，分隔盘上部的反应腔为储能反应腔，分隔盘下部的反应腔为释能反应腔，分隔盘包括四个规格相同的弧度板，弧度板的圆心角为90度；四块弧度板在圆心处通过转轴安装，四块弧度板安装后呈一个完整的圆盘；圆心角相对的弧度板称为一对弧度板，两对弧度板在高度上错开设置；并且在上面一对弧度板上通过转轴安装毛刷；储能反应腔的两侧设有氢氧化钙进料口，吸热盘安装于储能反应腔内，且吸热盘外端从氢氧化钙进料口伸出，吸热盘的底部设有开口；氧化钙进料口处安装有氧化钙螺旋加料机，氧化钙加料箱安装于氧化钙螺旋加料机上方；反应腔的上方设有用于聚集太阳光并反射入储能反应腔内的吸热盘上的聚光器；释能反应腔内设有盘管、气体分布板，盘管两端分别为热流体入口和热流体出口，盘管两端均伸出释能反应腔外，气体分布板安装于盘管下方；释能反应腔一侧开设有氧化钙进料口，释能反应腔一侧设有出口，出口和外部的螺旋输送机连接，螺旋输送机的上部设有出料口，出料口对着吸热盘外端；水蒸汽供应系统和释能反应腔的底部连接。

2.根据权利要求1所述一种双腔式热化学法储能反应装置，其特征在于：释能反应腔的出口通过输出管道和螺旋输送机连接，输出管道上设有分支管道，分支管道上设有止回阀，输出管道上在分支管道后也设有止回阀。

3.根据权利要求1所述一种双腔式热化学法储能反应装置，其特征在于：还包括旋风分离器，两个旋风分离器的一端分别和储能反应腔、释能反应腔连接，两个旋风分离器的另一端并联后和水蒸汽冷凝器连接，水蒸汽冷凝器和水蒸汽供应系统连接。

4.根据权利要求1所述一种双腔式热化学法储能反应装置，其特征在于：储能反应腔顶端设有开孔，开孔的上端安装有二次聚光器，二次聚光器内壁面为抛光镜面，且二次聚光器内壁面涂有反射涂层。

5.根据权利要求1所述一种双腔式热化学法储能反应装置，其特征在于：反应腔由外至内依次包括外壳、保温层、内壁，内壁和外壳均采用不锈钢材质制成，保温层填充保温隔热材料。

6.根据权利要求1所述一种双腔式热化学法储能反应装置，其特征在于：水蒸汽供应系统包括蒸汽发生器、加热器、蒸汽输送泵、蒸汽管道、输水管道、水泵，蒸汽发生器通过蒸汽管道、蒸汽输送泵和释能反应腔的底部连接；蒸汽发生器下方设有输水管道，输水管道经水泵和蒸汽发生器连接；输水管道设有止回阀，蒸汽管道上设有流量控制阀。

7.根据权利要求6所述一种双腔式热化学法储能反应装置，其特征在于：水泵还经热感应开关、过热保护器和蒸汽发生器连接。

8.一种双腔式热化学法储能反应方法，采用权利要求1-7任一所述一种双腔式热化学法储能反应装置，其特征在于：通过氢氧化钙进料口向储能反应腔内加入氢氧化钙，氢氧化钙沿着吸热盘下滑；太阳光经聚光器聚集、反射入储能反应腔内的吸热盘上，吸热盘吸收太阳光能以加热吸热盘上的氢氧化钙，氢氧化钙受热分解成氧化钙与水蒸汽，氧化钙落入到分隔盘上；打开分隔盘，氧化钙落到气体分布板上；通过蒸汽输送泵将水蒸汽输送到释能反应腔，氧化钙与水蒸汽反应放热并生成氢氧化钙，放出的热量对盘管中的冷流体进行加热，完成热交换，新生成的氢氧化钙再经螺旋输送机输送入储能反应腔，以进行下一轮的可逆反应。