CN110332835A - 颗粒/超临界co2流化床换热系统及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了颗粒/超临界CO2流化床换热系统及其应用。该系统包括流化床、固气分离装置和蜂窝陶瓷蓄热体，流化床设有超临界CO2管路、高温颗粒入口、第一流化风入口、高温混合气体出口；固气分离装置与高温混合气体出口相连，其固体颗粒出口与流化床相连；蜂窝陶瓷蓄热体具有高温气体入口、低温气体出口、低温空气入口和预热空气出口，预热空气出口与第一流化风入口相连，固气分离装置的高温气体出口向第一蜂窝陶瓷蓄热体和第二蜂窝陶瓷蓄热体中的其中一个供给高温气体时，通过风机向第一蜂窝陶瓷蓄热体和第二蜂窝陶瓷蓄热体中的另一个供给低温空气。采用该系统进行换热不仅能显著降低热损失，还能大幅提高颗粒/超临界CO2流化床的换热效率及效果。

Description

颗粒/超临界CO2流化床换热系统及其应用
技术领域
本发明属于高温太阳能热发电领域，具体而言，涉及颗粒/超临界CO2流化床换热系统及其应用。
背景技术
以超临界CO2为循环做功工质高温太阳能发电系统的运行压力大于15MPa，温度高于 600℃，具有高效低成本潜力，是目前国际太阳能热发电研究热点。欧盟和美国DOE从2018 年启动该项技术研究计划。限于当前材料和加工技术的发展水平，直接利用太阳能加热超临界CO2进行热发电的危险系数极大，而通常引入第二介质如颗粒、熔盐等吸收聚光太阳能的高热流密度，然后对超临界CO2进行加热。固体颗粒如沙粒、陶瓷颗粒、灰粉粒等具有吸热温度高、无腐蚀、耐用和廉价等特点，因此，采用固体颗粒作为高温太阳能的热载体具有其它工质无法比拟的天然优势。美国能源局也将颗粒/超临界CO2换热器列为新一代聚光太阳能发电系统重点研发的关键部件之一。
颗粒/超临界CO2换热器可分为移动床和流化床两种。移动床换热器利用颗粒的重力作用自由沉降，通过辐射和接触导热加热管内超临界CO2。但由于颗粒流速低、颗粒与超临界CO2管壁的接触面小，换热器内几乎无气流扰动，换热器内的传热系数非常低，导致相同换热量条件下所需要的换热面积较大。且此类换热器容易出现颗粒的堆积堵塞和粘结现象，上述因素很大程度上限制了此类换热器的推广应用。相比而言，颗粒流化床式换热器采用空气作为流化介质对高温颗粒进行流化，气体吸收颗粒热量变成高温气体，流化后的颗粒增加了与管壁的接触频次和面积，颗粒的流化和扰动作用破坏了管壁气体边界层，大大增加了管壁侧高温气体对流换热系数，这些因素使得颗粒携带的热量能够快速高效的传递给超临界CO2，实现超临界CO2的快速吸热升温。但颗粒流化床式换热器的缺点是排放的高温流化空气容易造成系统的热损失增大。高效回收高温流化空气的热量，降低系统热损失，提高换热效率，是颗粒/超临界CO2换热器急需解决的关键问题。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出颗粒/超临界CO2流化床换热系统及其应用，采用该系统进行换热不仅能显著降低热损失，还能大幅提高颗粒/超临界CO2流化床的换热效率及效果，对实现太阳能的高效热利用具有重要意义。
根据本发明的第一个方面，本发明提出了一种颗粒/超临界CO2流化床换热系统。根据本发明的实施例，该系统包括：
流化床，所述流化床设有超临界CO2管路、高温颗粒入口、换热后颗粒出口、第一流化风入口、高温混合气体出口，所述超临界CO2管路具有低温超临界CO2入口和高温超临界CO2出口；
固气分离装置，所述固气分离装置设有高温混合气体入口、高温气体出口和固体颗粒出口，所述高温混合气体入口与所述高温混合气体出口相连，所述固体颗粒出口与所述流化床相连；
蜂窝陶瓷蓄热体，所述蜂窝陶瓷蓄热体包括第一蜂窝陶瓷蓄热体和第二蜂窝陶瓷蓄热体，所述第一蜂窝陶瓷蓄热体设有第一高温气体入口、第一低温气体出口、第一低温空气入口和第一预热空气出口，所述第二蜂窝陶瓷蓄热体设有第二高温气体入口、第二低温气体出口、第二低温空气入口和第二预热空气出口，所述第一高温气体入口和所述第二高温气体入口与所述高温气体出口相连，所述第一预热空气出口和所述第二预热空气出口与所述第一流化风入口相连；
其中，所述高温气体出口向所述第一蜂窝陶瓷蓄热体和所述第二蜂窝陶瓷蓄热体中的其中一个供给高温气体时，通过风机向所述第一蜂窝陶瓷蓄热体和所述第二蜂窝陶瓷蓄热体中的另一个供给低温空气。
根据本发明上述实施例的颗粒/超临界CO2流化床换热系统，通过利用高温颗粒和流化风对超临界CO2进行间接加热，利用蜂窝陶瓷蓄热体吸收流化床排出的高温气体的热量来预热流化风，提高流化风进入流化床时的温度，进而提高流化床内的整体温度和对超临界 CO2的加热效率及效果；其中，将高温气体供给至第一蜂窝陶瓷蓄热体和第二蜂窝陶瓷蓄热体中的其中一个时，向第一蜂窝陶瓷蓄热体和第二蜂窝陶瓷蓄热体中的另一个供给低温空气，从而不仅可以高效回收高温流化空气的热量，降低系统热损失，还可以使蜂窝陶瓷蓄热体的吸热和放热过程能够单独进行，实现高温气体的连续放热和低温空气的连续吸热，提高换热效率。由此，采用该系统不仅能够显著降低热损失，还能大幅提高颗粒/超临界CO2流化床的换热效率及效果，对于实现太阳能的高效热利用具有重要意义。
另外，根据本发明上述实施例的颗粒/超临界CO2流化床换热系统还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述换热系统进一步包括第一电子气体换向阀和第二电子气体换向阀，所述第一电子气体换向阀分别与所述高温气体出口、所述第一高温气体入口和所述第二高温气体入口相连，所述第二电子气体换向阀分别与所述风机、所述第一低温空气入口和所述第二低温空气入口相连。
在本发明的一些实施例中，所述超临界CO2管路沿着所述流化床的长度方向曲线和/或折线设置。
在本发明的一些实施例中，所述流化床内限定有流化空间，所述超临界CO2管路的最高点不高于所述流化空间高度的2/3，最低点不低于所述流化空间高度的1/4。
在本发明的一些实施例中，所述流化空间的上表面设有向所述流化空间下表面延伸的第一隔板，所述流化空间的下表面设有向所述流化空间上表面延伸的第二隔板，所述第一隔板和所述第二隔板交错分别；并且，所述第一隔板与所述第二隔板在所述流化床长度方向上的投影具有重叠区域，所述超临界CO2管路避开所述第一隔板和所述第二隔板设置。
在本发明的一些实施例中，所述第一低温气体出口和所述第二低温气体出口与所述风机入口相连。
在本发明的一些实施例中，所述换热系统进一步包括冷罐，所述冷罐设有换热后颗粒入口和颗粒出口，所述换热后颗粒入口与所述换热后颗粒出口相连。
在本发明的一些实施例中，所述冷罐设有预热空气入口和第三预热空气出口，所述预热空气入口与所述第一预热空气出口和所述第二预热空气出口中的至少之一相连，所述第三预热空气出口与所述第一流化风入口相连。
在本发明的一些实施例中，所述冷罐内设有预热空气管路，所述预热空气管路与所述预热空气入口和所述第三预热空气出口相连。
在本发明的一些实施例中，所述换热系统进一步包括太阳能吸热装置，所述太阳能吸热装置设有低温颗粒入口和高温颗粒出口，所述低温颗粒入口通过提升装置与所述换热后颗粒出口或所述冷罐的颗粒出口相连，所述高温颗粒出口与所述高温颗粒入口相连。
在本发明的一些实施例中，所述换热系统进一步包括热罐，所述高温颗粒出口通过所述热罐与所述高温颗粒入口相连；
在本发明的一些实施例中，所述换热系统进一步包括发电装置，所述发电装置设有高温超临界CO2入口和CO2出口，所述高温超临界CO2入口与所述高温超临界CO2出口相连，所述CO2出口通过透平、回热器、冷却器和压缩机与所述低温超临界CO2入口相连。
根据本发明的第二个方面，本发明提出了一种采用上述颗粒/超临界CO2流化床换热系统进行换热的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：
(1)将高温颗粒和流化风供给至所述流化床中对低温超临界CO2进行流化加热，以便得到高温超临界CO2、高温混合气体和换热后颗粒；
(2)将所述高温混合气体供给至所述固气分离装置中进行固气分离处理，以便得到高温气体和固体颗粒；
(3)将所述固体颗粒返回至所述流化床中；
(4)将所述高温气体供给至所述蜂窝陶瓷蓄热体使所述蜂窝陶瓷蓄热体升温，并将所述风机提供的低温空气供给至升温后的所述蜂窝陶瓷蓄热体使升温后的所述蜂窝陶瓷蓄热体降温，以便得到低温气体和预热空气；
(5)将所述预热空气供给至所述流化床中作为流化风使用，
其中，将所述高温气体供给至所述第一蜂窝陶瓷蓄热体和所述第二蜂窝陶瓷蓄热体中的其中一个时，通过所述风机向所述第一蜂窝陶瓷蓄热体和所述第二蜂窝陶瓷蓄热体中的另一个供给所述低温空气。
根据本发明上述实施例的利用颗粒/超临界CO2流化床换热系统进行换热的方法，通过利用高温颗粒和流化风对超临界CO2进行间接加热，利用蜂窝陶瓷蓄热体吸收流化床排出的高温气体的热量来预热流化风，提高流化风进入流化床时的温度，进而提高流化床内的整体温度和对超临界CO2的加热效率及效果；其中，将高温气体供给至第一蜂窝陶瓷蓄热体和第二蜂窝陶瓷蓄热体中的其中一个时，向第一蜂窝陶瓷蓄热体和第二蜂窝陶瓷蓄热体中的另一个供给低温空气，从而不仅可以高效回收高温流化空气的热量，降低系统热损失，还可以使蜂窝陶瓷蓄热体的吸热和放热过程能够单独进行，实现高温气体的连续放热和低温空气的连续吸热，提高换热效率。由此，采用该方法对高温颗粒和超临界CO2进行换热不仅能够显著降低热损失，还能大幅提高颗粒/超临界CO2流化床的换热效率及效果，对于实现太阳能的高效热利用具有重要意义。
在本发明的一些实施例中，步骤(4)中，将所述低温气体作为一部分低温空气使用。
在本发明的一些实施例中，在进行步骤(5)之前进一步包括：将所述高温空气供给至所述冷罐中进行二次预热。
根据本发明的第三个方面，本发明提出了一种太阳能发电系统。根据本发明的实施例，该太阳能发电系统具有上述颗粒/超临界CO2流化床换热系统。本发明上述实施例的太阳能发电系统采用太阳能作为高温颗粒的热源，并利用超临界CO2进行发电，进而实现太阳能对超临界CO2的间接加热，具有换热效率高、换热效果好且太阳能利用效率高等的优点。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的颗粒/超临界CO2流化床换热系统的结构示意图。
图2是根据本发明再一个实施例的颗粒/超临界CO2流化床换热系统的结构示意图。
图3是根据本发明又一个实施例的颗粒/超临界CO2流化床换热系统的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
根据本发明的第一个方面，本发明提出了一种颗粒/超临界CO2流化床换热系统。根据本发明的实施例，如图1所示，该系统包括流化床100、固气分离装置200和蜂窝陶瓷蓄热体300。其中，流化床100设有超临界CO2管路110、高温颗粒入口120、换热后颗粒出口130、第一流化风入口140、高温混合气体出口150，超临界CO2管路110具有低温超临界CO2入口111和高温超临界CO2出口112，优选低温超临界CO2入口111与换热后颗粒出口130位于流化床100的一侧且邻近设置，低温超临界CO2出口112与高温颗粒入口120 位于流化床100的一侧且邻近设置；固气分离装置200设有高温混合气体入口210、高温气体出口220和固体颗粒出口230，高温混合气体入口210与高温混合气体出口150相连，固体颗粒出口230与流化床100相连；蜂窝陶瓷蓄热体300包括第一蜂窝陶瓷蓄热体310 和第二蜂窝陶瓷蓄热体320，第一蜂窝陶瓷蓄热体310设有第一高温气体入口311、第一低温气体出口312、第一低温空气入口313和第一预热空气出口314，第二蜂窝陶瓷蓄热体 320设有第二高温气体入口321、第二低温气体出口322、第二低温空气入口323和第二预热空气出口324，第一高温气体入口311和第二高温气体入口321与高温气体出口相连220，第一预热空气出口314和第二预热空气出口324与第一流化风入口140相连；其中，高温气体出口220向第一蜂窝陶瓷蓄热体310和第二蜂窝陶瓷蓄热体320中的其中一个供给高温气体时，通过风机400向第一蜂窝陶瓷蓄热体310和第二蜂窝陶瓷蓄热体320中的另一个供给低温空气。
根据本发明上述实施例的颗粒/超临界CO2流化床换热系统，通过利用高温颗粒和流化风对超临界CO2进行间接加热，利用蜂窝陶瓷蓄热体吸收流化床排出的高温气体的热量来预热流化风，提高流化风进入流化床时的温度，进而提高流化床内的整体温度和对超临界 CO2的加热效率及效果；其中，将高温气体供给至第一蜂窝陶瓷蓄热体和第二蜂窝陶瓷蓄热体中的其中一个时，向第一蜂窝陶瓷蓄热体和第二蜂窝陶瓷蓄热体中的另一个供给低温空气，从而不仅可以高效回收高温流化空气的热量，降低系统热损失，还可以使蜂窝陶瓷蓄热体的吸热和放热过程能够单独进行，实现高温气体的连续放热和低温空气的连续吸热，提高换热效率。由此，采用该系统不仅能够显著降低热损失，还能大幅提高颗粒/超临界CO2流化床的换热效率及效果，对于实现太阳能的高效热利用具有重要意义。
需要说明的是，本发明中第一蜂窝陶瓷蓄热体310和第二蜂窝陶瓷蓄热体320为两路并列设置的余热回收支路，第一蜂窝陶瓷蓄热体310和第二蜂窝陶瓷蓄热体320可以分别独立地包括一个或多个串联的蜂窝陶瓷蓄热体。
下面参考图1-3对本发明上述实施例的颗粒/超临界CO2流化床换热系统进行详细描述。
根据本发明的一个具体实施例，上述颗粒/超临界CO2流化床换热系统的工作原理包括：在流化床内高温颗粒与流化气流动掺混将热量传递给位于超临界CO2管路内的超临界CO2；在颗粒和流化风的联合循环过程中，流化床内的高温混合气体经固气分离装置进行分离后，高温混合气体携带的固体颗粒再次流回流化床，高温气体则流入一个或多个蜂窝陶瓷蓄热体，然后直接排入大气环境、或供给至气体余热回收装置、或作为一部分低温空气使用，蜂窝陶瓷蓄热体吸收并存储高温气体携带的热量，使得输出的低温气体的温度大幅降低，当输出的低温气体的温度降低到一定值时，将高温气体流入另一路蜂窝陶瓷蓄热体，同时将低温空气通过风机供给至吸热完成后的蜂窝陶瓷蓄热体进行预热，并将预热后的空气作为流化风使用。
根据本发明的再一个具体实施例，采用颗粒/超临界CO2流化床换热系统进行换热时，高温颗粒的温度可达到800～1200摄氏度、超临界CO2可被加热至600℃左右，排出的高温混合气体的温度也在600℃左右，高温气体经蜂窝陶瓷蓄热体回收热量后的排出温度不超过150摄氏度，低温空气经蜂窝陶瓷蓄热体蓄热后的温度可上升至300℃以上，高温混合气体的余热回收率不低于80％。
根据本发明的又一个具体实施例，发明人发现，从流化床中排出的高温混合气体经固气分离装置分离后气体的温度较高(600℃左右)且流速较低，需要经风机提速后才能供给至流化床中作为流化风使用，但高温风机的承受温度大多为100～180℃，性能较好的高温风机的承受温度也只有200～300℃，若将高温气体经蜂窝陶瓷蓄热体降温至200～300℃后经风机加速直接供给至流化床中，会导致蜂窝陶瓷蓄热体的热量得不到及时利用，而若将高温气体经蜂窝陶瓷蓄热体降温后再经风机提速和蜂窝陶瓷蓄热体预热，然后供给至流化床中，使流化风全部循环再利用，又会导致蜂窝陶瓷蓄热体排出的低温气体的温度不断上升，最终超越风机的最高承受温度。由此，本发明中通过利用高温陶瓷蓄热体吸收的热量对风机提供的低温空气(例如常温空气)进行预热，不仅可以有效避免由于蜂窝陶瓷蓄热体排出的低温气体的温度持续上升而对风机造成损害，还可以使蜂窝陶瓷蓄热体吸收的热量能够及时回用至流化床内的换热过程中，从而能够显著降低系统的热损失，大幅提高颗粒/超临界CO2流化床的换热效率及效果。
根据本发明的又一个具体实施例，如图2所示，颗粒/超临界CO2流化床换热系统可以进一步包括第一电子气体换向阀50和第二电子气体换向阀60，第一电子气体换向阀50分别与高温气体出口220、第一高温气体入口311和第二高温气体入口321相连，第二电子气体换向阀600分别与风机400、第一低温空气入口313和第二低温空气入口323相连，第一电子气体换向阀50用于调节高温气体流经不同的蜂窝陶瓷蓄热体，第二电子气体换向阀60用于调节风机提供的低温空气流经不同的蜂窝陶瓷蓄热体，由此可以更有利于实现高温气体的连续放热和低温空气的连续吸热，例如，当流出第一蜂窝陶瓷蓄热体的低温气体的温度达到某一数值时，第一蜂窝陶瓷蓄热体蓄热完毕，第一电子气体换向阀动作，关闭流向第一蜂窝陶瓷蓄热体的气体管路，开启流向第二蜂窝陶瓷蓄热体的气体管路，对第二蜂窝陶瓷蓄热体进行充热，同时第二电子气体换向阀开始动作，使低温空气(例如常温空气)供给至第一蜂窝陶瓷蓄热体进行预热。
根据本发明的又一个具体实施例，流化床中超临界CO2管路110可以沿着流化床100 的长度方向曲线和/或折线设置，由此可以进一步提高超临界CO2在流化床中的停留时间和超临界CO2管路与高温流化颗粒的接触面积及接触次数，从而进一步提高对超临界CO2的加热效果。需要说明的是，本发明中所述的流化床的长度方向如图1所示的长度方向为准。
根据本发明的又一个具体实施例，流化床100内限定有流化空间160，超临界CO2管路110的最高点可以不高于流化空间160高度的2/3，最低点可以不低于流化空间高度的 1/4。发明人发现，若超临界CO2管路的最高点与流化空间上表面距离过小，或超临界CO2管路的最低点与流化空间下表面之间的距离过小，会导致高温颗粒的流化空间过小，使高温颗粒在流化过程中不能在超临界CO2管路表面形成稳定的包覆层，进而影响对超临界 CO2的加热效果；本发明中通过采用上述设置，可以为高温颗粒提供足够的流化空间，有效增加流化颗粒与超临界CO2管路接触频次和面积，从而显著增加管壁侧高温气体对流换热系数。需要说明的是，本发明中所述的流化床的高度方向如图1所示的高度方向为准。
根据本发明的又一个具体实施例，流化空间160的上表面可以设有向流化空间下表面延伸的第一隔板161，流化空间160的下表面设有向流化空间上表面延伸的第二隔板162，第一隔板161和第二隔板162交错分别；并且，第一隔板161与第二隔板162在流化床100长度方向上的投影具有重叠区域(即在流化床的高度方向上，第二隔板162的最低点低于第一隔板161的最高点)，超临界CO2管路110避开第一隔板161和第二隔板162设置(即超临界CO2管路与第一隔板161的最低点和第二隔板162的最高点均不接触)，优选地，第一隔板161与第二隔板162可以为微孔透气隔板。本发明中通过采用上述设置，可以进一步提高高温颗粒在流化床中的流程和流动效果，从而进一步增加流化颗粒与超临界CO2管路接触频次和面积，提高对超临界CO2的加热效率及效果。
根据本发明的又一个具体实施例，如图2所示，第一低温气体出口314和第二低温气体出口324可以与风机400的入口相连，发明人发现，可以将蜂窝陶瓷蓄热体输出的低温气体与常温空气混合后共同作为低温空气使用，由此可以进一步提高流化床排出的高温混合气体的余热回收率。
根据本发明的又一个具体实施例，如图2所示，颗粒/超临界CO2流化床换热系统可以进一步包括冷罐700，冷罐700设有换热后颗粒入口710和颗粒出口720，换热后颗粒入口710与换热后颗粒出口130相连。本发明中设置的冷罐不仅可以用于接收、存储流化床流出的固体颗粒，还可以缓冲供气管道内的压力波动，特别是电子气体换向阀在换向过程造成的管道内气体的压力波动。进一步地，冷罐700还可以设有预热空气入口730和第三预热空气出口740，预热空气入口730与第一预热空气出口314和第二预热空气出口324中的至少之一相连，第三预热空气出口740与第一流化风入口140相连，由此当第一预热空气和/或第二预热空气与冷罐内固体颗粒的温差过大时(例如冷罐内颗粒的温度比第一预热空气和/或第二预热空气高50℃以上时)，可以将预热后的空气通入冷罐内，通过渗流或流化的方式吸收颗粒热量，实现第二次预热，使经过二次预热后的空气温度更接近流化床的排气温度，从而进一步提高高温混合气体的余热回收率。任选地，冷罐700内可以设有预热空气管路(未示出)，预热空气管路与预热空气入口730和第三预热空气出口740相连，优选地，预热空气管路可以沿冷罐700的高度方向曲线和/或折线设置(未示出)，由此可以通过间接加热的方式对经蜂窝陶瓷蓄热体预热后的空气进行第二次预热，从而不仅可以进一步提高流化风的温度，还可以避免冷罐内固体颗粒过多时对气体流速造成的不利影响。
根据本发明的又一个具体实施例，如图3所示，颗粒/超临界CO2流化床换热系统可以进一步包括太阳能吸热装置800，太阳能吸热装置800设有低温颗粒入口810和高温颗粒出口820，低温颗粒入口810通过提升装置(未示出)与换热后颗粒出口130或冷罐700 的颗粒出口720相连，高温颗粒出口820与高温颗粒入口120相连，由此不仅可以利用太阳能对固体颗粒进行加热，还可以使固态颗粒介质能够循环使用，以进一步降低系统的热损失；优选地，颗粒/超临界CO2流化床换热系统可以进一步包括热罐(未示出)，高温颗粒出口820可以通过热罐与高温颗粒入口120相连，本发明中通过设置热罐不仅可以用于接收、存储高温固体颗粒，同样也可以缓冲供气管道内的压力波动。
根据本发明的又一个具体实施例，如图3所示，颗粒/超临界CO2流化床换热系统可以进一步包括发电装置900，发电装置900可以设有高温超临界CO2入口910和CO2出口920，高温超临界CO2入口910与高温超临界CO2出口112相连，CO2出口920通过透平、回热器、冷却器和压缩机(未示出)等与低温超临界CO2入口111相连。由此不仅可以利用升温后的超临界CO2进行发电，还可以使CO2也能得到循环利用。
根据本发明的又一个具体实施例，本发明中固气分离装置的类型并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如，固气分离装置可以为旋风分离器。
根据本发明的又一个具体实施例，将流化床内输出的高温混合气体经蜂窝陶瓷蓄热体进行余热回收后再排放无论是对于设备损耗，还是对于环境保护、降低大气的温室效应而言，都是有很大积极意义的；并且，蜂窝陶瓷蓄热体具有耐高温、抗腐蚀、热震稳定性好、强度高、蓄放热量大、导热性能好等特点，且蜂窝陶瓷的比表面积是球体的5倍以上，传热能力大于4～5倍，气流阻力只有球体的1/3，且透热深度小，换热效率较高；并且，采用热风流化颗粒会使得颗粒侧的传热系数更高，整个流化床体温度更高，流化床加热超临界CO2的效率会更高。此外，进一步对冷罐内固体颗粒的余热进行回收利用可以使供给至流化床的流化风温更高，相对热损失会更小。
根据本发明的第二个方面，本发明提出了一种采用上述颗粒/超临界CO2流化床换热系统进行换热的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(1)将高温颗粒和流化风供给至流化床中对低温超临界CO2进行流化加热，以便得到高温超临界CO2、高温混合气体和换热后颗粒；(2)将高温混合气体供给至固气分离装置中进行固气分离处理，以便得到高温气体和固体颗粒；(3)将固体颗粒返回至流化床中；(4)将高温气体供给至蜂窝陶瓷蓄热体使蜂窝陶瓷蓄热体升温，并将风机提供的低温空气供给至升温后的蜂窝陶瓷蓄热体使升温后的蜂窝陶瓷蓄热体降温，以便得到低温气体和预热空气；(5)将预热空气供给至流化床中作为流化风使用，其中，将高温气体供给至第一蜂窝陶瓷蓄热体和第二蜂窝陶瓷蓄热体中的其中一个时，通过风机向第一蜂窝陶瓷蓄热体和第二蜂窝陶瓷蓄热体中的另一个供给低温空气。
根据本发明上述实施例的利用颗粒/超临界CO2流化床换热系统进行换热的方法，通过利用高温颗粒和流化风对超临界CO2进行间接加热，利用蜂窝陶瓷蓄热体吸收流化床排出的高温气体的热量来预热流化风，提高流化风进入流化床时的温度，进而提高流化床内的整体温度和对超临界CO2的加热效率及效果；其中，将高温气体供给至第一蜂窝陶瓷蓄热体和第二蜂窝陶瓷蓄热体中的其中一个时，向第一蜂窝陶瓷蓄热体和第二蜂窝陶瓷蓄热体中的另一个供给低温空气，从而不仅可以高效回收高温流化空气的热量，降低系统热损失，还可以使蜂窝陶瓷蓄热体的吸热和放热过程能够单独进行，实现高温气体的连续放热和低温空气的连续吸热，提高换热效率。由此，采用该方法对高温颗粒和超临界CO2进行换热不仅能够显著降低热损失，还能大幅提高颗粒/超临界CO2流化床的换热效率及效果，对于实现太阳能的高效热利用具有重要意义。需要说明的是，上述针对颗粒/超临界CO2流化床换热系统所描述的特征和效果同样适用于该利用颗粒/超临界CO2流化床换热系统进行换热的方法，此处不再赘述。
根据本发明的一个具体实施例，步骤(4)中，可以将低温气体作为一部分的低温空气使用，例如可以将蜂窝陶瓷蓄热体输出的低温气体与常温空气混合后共同作为低温空气使用，由此可以进一步提高流化床排出的高温混合气体的余热回收率。
根据本发明的再一个具体实施例，在进行步骤(5)之前可以进一步包括：将高温空气供给至冷罐中进行二次预热，当预热空气与冷罐内固体颗粒的温差过大时(例如冷罐内颗粒的温度比预热空气高80℃以上时)，可以将预热后的空气通入冷罐内，通过渗流或流化的方式吸收颗粒热量，实现第二次预热，使经过二次预热后的空气温度更接近流化床的排气温度，从而进一步提高高温混合气体的余热回收率。任选地，可以采用间接加热的方式对预热后的空气进行二次预热，从而不仅可以进一步提高流化风的温度，还可以避免冷罐内固体颗粒过多时对气体流速造成的不利影响。
根据本发明的又一个具体实施例，本发明中所采用的固体换热介质(即高温颗粒)的类型并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如可以为沙粒、陶瓷颗粒、灰粉粒等。
根据本发明的第三个方面，本发明提出了一种太阳能发电系统。根据本发明的实施例，该太阳能发电系统具有上述颗粒/超临界CO2流化床换热系统。本发明上述实施例的太阳能发电系统采用太阳能作为高温颗粒的热源，并利用超临界CO2进行发电，进而实现太阳能对超临界CO2的间接加热，具有换热效率高、换热效果好且太阳能利用效率高等的优点。需要说明的是，上述针对颗粒/超临界CO2流化床换热系统和利用该系统进行换热的方法所描述的特征和效果同样适用于该太阳能发电系统，此处不再赘述。
下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
实施例1
利用颗粒/超临界CO2流化床换热系统进行换热，其中，颗粒/超临界CO2流化床换热系统包括流化床、旋风分离器和蜂窝陶瓷蓄热体。流化床超临界CO2进口温度为390℃，出口温度为550℃；高温颗粒进口温度为800℃，出口温度为500℃，流化床内温度为 600～700℃，供给至蜂窝陶瓷蓄热体的高温气体的温度为600℃，蜂窝陶瓷蓄热体排出的低温气体的温度不高于150℃，供给至蜂窝陶瓷蓄热体的低温空气为35℃，经蜂窝陶瓷蓄热体预热后的空气温度为495℃。
对比例1
与实施例1的区别仅在于：颗粒/超临界CO2流化床换热系统不包括蜂窝陶瓷蓄热体，高温流化气体经旋风分离器直接排放进大气环境，排放温度为600℃。
由于实施例1和对比例1中流化风的质量流量相等(以qm表示)，假设实施例1中流化气体的热损失为Q1，对比例1中流化气体的热损失为Q2，流化气体的焓值为h。实施例 1和对比例1的热损失比值为：
即，实施例1的热损失只有对比例1中热损失的1/5，流化风的热损失大幅降低。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种颗粒/超临界CO2流化床换热系统，其特征在于，包括：
流化床，所述流化床设有超临界CO2管路、高温颗粒入口、换热后颗粒出口、第一流化风入口、高温混合气体出口，所述超临界CO2管路具有低温超临界CO2入口和高温超临界CO2出口；
固气分离装置，所述固气分离装置设有高温混合气体入口、高温气体出口和固体颗粒出口，所述高温混合气体入口与所述高温混合气体出口相连，所述固体颗粒出口与所述流化床相连；
蜂窝陶瓷蓄热体，所述蜂窝陶瓷蓄热体包括第一蜂窝陶瓷蓄热体和第二蜂窝陶瓷蓄热体，所述第一蜂窝陶瓷蓄热体设有第一高温气体入口、第一低温气体出口、第一低温空气入口和第一预热空气出口，所述第二蜂窝陶瓷蓄热体设有第二高温气体入口、第二低温气体出口、第二低温空气入口和第二预热空气出口，所述第一高温气体入口和所述第二高温气体入口与所述高温气体出口相连，所述第一预热空气出口和所述第二预热空气出口与所述第一流化风入口相连；
其中，所述高温气体出口向所述第一蜂窝陶瓷蓄热体和所述第二蜂窝陶瓷蓄热体中的其中一个供给高温气体时，通过风机向所述第一蜂窝陶瓷蓄热体和所述第二蜂窝陶瓷蓄热体中的另一个供给低温空气。
2.根据权利要求1所述的换热系统，其特征在于，进一步包括第一电子气体换向阀和第二电子气体换向阀，所述第一电子气体换向阀分别与所述高温气体出口、所述第一高温气体入口和所述第二高温气体入口相连，所述第二电子气体换向阀分别与所述风机、所述第一低温空气入口和所述第二低温空气入口相连。
3.根据权利要求1或2所述的换热系统，其特征在于，所述超临界CO2管路沿着所述流化床的长度方向曲线和/或折线设置，
任选地，所述流化床内限定有流化空间，所述超临界CO2管路的最高点不高于所述流化空间高度的2/3，最低点不低于所述流化空间高度的1/4，
任选地，所述流化空间的上表面设有向所述流化空间下表面延伸的第一隔板，所述流化空间的下表面设有向所述流化空间上表面延伸的第二隔板，所述第一隔板和所述第二隔板交错分布；并且，所述第一隔板与所述第二隔板在所述流化床长度方向上的投影具有重叠区域，所述超临界CO2管路避开所述第一隔板和所述第二隔板设置。
4.根据权利要求3所述的换热系统，其特征在于，所述第一低温气体出口和所述第二低温气体出口与所述风机入口相连。
5.根据权利要求1或4所述的换热系统，其特征在于，进一步包括冷罐，所述冷罐设有换热后颗粒入口和颗粒出口，所述换热后颗粒入口与所述换热后颗粒出口相连。
6.根据权利要求5所述的换热系统，其特征在于，所述冷罐设有预热空气入口和第三预热空气出口，所述预热空气入口与所述第一预热空气出口和所述第二预热空气出口中的至少之一相连，所述第三预热空气出口与所述第一流化风入口相连；
任选地，所述冷罐内设有预热空气管路，所述预热空气管路与所述预热空气入口和第三预热空气出口相连。
7.根据权利要求1或6所述的换热系统，其特征在于，所述换热系统进一步包括太阳能吸热装置，所述太阳能吸热装置设有低温颗粒入口和高温颗粒出口，所述低温颗粒入口通过提升装置与所述换热后颗粒出口或所述冷罐的颗粒出口相连，所述高温颗粒出口与所述高温颗粒入口相连，
任选地，所述换热系统进一步包括热罐，所述高温颗粒出口通过所述热罐与所述高温颗粒入口相连；
任选地，所述换热系统进一步包括发电装置，所述发电装置设有高温超临界CO2入口和CO2出口，所述高温超临界CO2入口与所述高温超临界CO2出口相连，所述CO2出口通过透平、回热器、冷却器和压缩机与所述低温超临界CO2入口相连。
8.一种采用权利要求1-7中任一项所述的换热系统进行换热的方法，其特征在于，包括：
(1)将高温颗粒和流化风供给至所述流化床中对低温超临界CO2进行流化加热，以便得到高温超临界CO2、高温混合气体和换热后颗粒；
(2)将所述高温混合气体供给至所述固气分离装置中进行固气分离，以便得到高温气体和固体颗粒；
(3)将所述固体颗粒返回至所述流化床中；
(4)将所述高温气体供给至所述蜂窝陶瓷蓄热体使所述蜂窝陶瓷蓄热体升温，并将所述风机提供的低温空气供给至升温后的所述蜂窝陶瓷蓄热体使升温后的所述蜂窝陶瓷蓄热体降温，以便得到低温气体和预热空气；
(5)将所述预热空气供给至所述流化床中作为流化风使用，
其中，将所述高温气体供给至所述第一蜂窝陶瓷蓄热体和所述第二蜂窝陶瓷蓄热体中的其中一个时，通过所述风机向所述第一蜂窝陶瓷蓄热体和所述第二蜂窝陶瓷蓄热体中的另一个供给所述低温空气。
9.根据权利要求8所述的换热方法，其特征在于，步骤(4)中，将所述低温气体作为一部分低温空气使用，
任选地，在进行步骤(5)之前进一步包括：将所述高温空气供给至所述冷罐中进行二次预热。
10.一种太阳能发电系统，其特征在于，具有权利要求1-8中任一项所述的颗粒/超临界CO2流化床换热系统。
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