CN113669942B - 一种基于化学提质蓄热的多级串联储热系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于化学提质蓄热的多级串联储热系统，属于储能技术领域。本发明包括低温储提储子系统和中温储提储子系统，可实现两次低温余热的化学热提质，从而两次提升低温余热品位并存储，形成了储‑提‑储‑提‑储的储能模式，将三种不同能量品位的热能存储于系统内；在释能放热阶段，有三种不同品味的热能释放，满足了不同热能需求的场合，扩大了原本低温余热的应用范围，与传统的储热方式相比，具有热能密度高，热损失小，系统热效率高，经济效益好的特点。

Description

一种基于化学提质蓄热的多级串联储热系统
技术领域
本发明涉及一种基于化学提质蓄热的多级串联储热系统，属于储能技术领域。
背景技术
能源是现代社会和生活的基础，也是国家经济发展的重要支柱；节能减排不仅是我国的基本国策，也是可持续发展的重大战略。以煤炭、石油、天然气为主的化学燃料的大量使用，在推动国家经济快速发展的同时也造成了严重的污染与生态破环，同时在一些工业生产过程中，废热或余热的存在十分广泛，数量十分惊人，尤其大量小于100℃的低温余热，由于不能被利用而白白浪费，此外，由于热能的供应与需求都有较强的时效性，很多情况下尚不能合理地加以利用而被当作废热排放掉，从而导致能源的极大浪费。热能储存技术不仅可用于解决热能供需在时间、空间上不相匹配的矛盾，而且可缩小相应能源系统的规模，节约初投资，是提高能源利用率及保护环境的重要技术和途径。因而，热能储存技术的发展对缓解能源压力及促进社会经济的可持续发展具有十分重要的意义。
储热方式有显热储热、潜热储热和化学储热，相比较而言，显热储热和潜热储热在实际应用中已经较为广泛，但两者也有其劣势，如：显热储热的储热密度比潜热储热和化学储热都小，在其放热阶段其系统温度不是恒定的；潜热储热的储热密度是显热储热的十倍以上，但比化学储热还要小很多，其放热阶段由于是相变过程，系统温度几乎不变，其最大的缺陷是在于相变材料的选取，相变材料的研究技术难度大，且热能长期储存时损失较大，导致储热效率下降。化学储热是利用化学变化中吸收、放出热量进行热能储存，是21纪最为重要的储热技术之一。化学储热技术通过可逆的化学反应来存储和释放热能，其储热密度远高于显热储存和相变热储存，不仅可以对热能进行长期储存几乎无热损失，而且可以实现冷热的复合储存。储热技术将成为未来能源系统中热电生产的一个重要组成部分，热化学储热在储能密度以及工作温度范围上的优势是显热储热和潜热(相变)储热方式无可比拟的。作为化学能与热能相互转换的核心技术，热化学储热在余热/废热回收及太阳能的利用等方面都具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷，提出一种基于化学提质蓄热的多级串联储热系统，基于化学提质蓄热原理，将化学储热与化学热提质相结合，依次进行低温余热存储、第一次化学热提质、中温余热存储、第二次化学热提质以及中高温蓄热，在储热的同时提升低温余热的品位，形成了储-提-储-提-储的模式，在放热阶段有三种不同品位的热能释放，即分别从低温热源，中温热源以及中高温热源中释放出来的热能，满足了不同热能需求的场合，扩大了热能的应用范围，而且与传统的储热方式相比，具有热能密度高，热损失小，热效率高，经济效益好的特点。
本发明的技术方案如下：
一种基于化学提质蓄热的多级串联储热系统，其特征在于：所述系统包括低温储提储子系统和中温储提储子系统。所述低温储提储子系统包括低温余热存储单元、吸收式热泵提质单元和中温余热存储单元；所述中温储提储子系统包括中温余热存储单元、化学热泵提质单元、中高温蓄热单元。其中所述中温余热存储单元既是低温储提储子系统的一部分，也是所述中温储提储子系统的一部分，两个子系统通过所述中温余热存储单元进行串联共享连接。本发明所述系统可实现低温余热存储，并对部分已储存的低温余热进行第一次化学热提质，随后将第一次热提质后的中温余热的部分热能以化学储热方式存储起来，剩余中温余热进行第二次化学热提质，最后将第二次提质后的中高温热能存储于系统内，从而将低品位的余热经两次提质后转变为高品位热能并储存。
一种基于化学提质蓄热的多级串联储热系统，其特征在于：所述低温储提储子系统与中温储提储子系统的连接方式为串联，其中由所述两个子系统中的中温余热存储单元为串联共享环节，前连低温储提储子系统中的吸收式热泵提质单元，后连中温储提储子系统的化学热泵提质单元。
一种基于化学提质蓄热的多级串联储热系统，其特征在于：首先，由所述低温储提储子系统中的低温余热存储单元完成低温余热存储过程；然后，由所述低温储提储子系统中的吸收式热泵提质单元完成低温余热的第一次化学热提质过程；接着，由所述串联共享环节中温余热存储单元完成中温余热存储过程；然后，由所述中温储提储子系统中的化学热泵提质单元完成第二次化学热提质过程；最后，由所述中温储提储子系统中的中高温蓄热单元完成中高温蓄热过程。
其中，所述低温储提储子系统中的低温余热存储单元包括低温余热存储装置、低温生成物储罐、蒸发器和发生器，所述低温余热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，所述低温储提储子系统中的吸收式热泵提质单元包括蒸发器、冷凝器、吸收器、溶液换热器、发生器和传热介质储罐，所述发生器内部填充实现吸收式热泵提质的高浓度的溶液，该溶液在稀释过程中可放出热量。
其中，所述低温储提储子系统和中温储提储子系统的串联共享环节，即所述中温余热存储单元包括中温余热化学存储装置、中温储热装置、中温生成物储罐、吸热反应装置和压气机；所述中温余热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，所述中温储提储子系统中的化学热泵提质单元包括吸热反应装置、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，该反应原料可在中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，所述中温储提储子系统中的中高温蓄热单元，包括中高温热能化学存储装置、中高温储热装置、中高温生成物储罐和压气机；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，所述低温储提储子系统中的低温余热存储单元的低温余热存储装置中的反应产物离开低温余热存储装置，分别与蒸发器内部换热器和发生器内部换热器换热后进入低温生成物储罐。
其中，所述低温储提储子系统中的吸收式热泵提质单元的发生器的溶液出口通过管道经溶液泵、溶液换热器与吸收器的溶液入口连接，发生器的水蒸汽出口通过管道与冷凝器的水蒸汽入口连接；所述冷凝器的冷凝水出口通过管道经溶液泵与蒸发器的冷凝水入口连接；所述蒸发器的水蒸汽出口通过管道与吸收器的水蒸汽入口连接；所述吸收器的溶液出口通过管道、溶液换热器与发生器的溶液入口连接，吸收器的热源入口通过管道与传热介质储罐的出口连接，吸收器的热源出口通过管道与中温余热存储装置的内部换热器连接。
其中，所述低温储提储子系统和中温储提储子系统的串联共享环节中温余热存储单元的中温余热化学存储装置的内部换热器出口通过管道与中温储热装置的载余热介质热源入口连接；所述中温余热化学存储装置的反应产物出口通过管道经吸热反应装置的内部换热器、中温储热装置及压气机与中温生成物储罐的入口连接；所述中温生成物储罐的出口通过管道、阀门经中温储热装置与中温余热化学存储装置的反应产物入口连接。
其中，所述中温储提储子系统中的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，所述中温储提储子系统中的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。
一种基于化学提质蓄热的多级串联储热系统，其特征在于包括储热和释热两种运行模式：
在储热模式下，所述低温储提储子系统中的低温余热存储单元、吸收式热泵提质单元和中温余热存储单元分别完成了对低温余热的低温余热存储、第一次化学热提质过程以及中温余热的存储过程；所述中温储提储子系统中的中温余热存储单元、化学热泵提质单元、以及中高温蓄热单元完成了对部分中温余热的第二次化学热提质过程和中高温蓄热过程。
在储热模式下，所述低温余热存储单元中，低温余热存储装置内部的反应原料通过换热器吸收具有一定温度的外部低品位余热资源的热量，在合适的温度及压力环境中发生正向吸热反应，生成相态与密度不同的反应产物。密度大的固态反应产物留在低温余热存储装置中，而带有一定温度且密度小的气态或液态的反应产物则排出低温余热存储装置；所述低温余热存储装置排出的反应产物分别经过蒸发器的内部换热器和发生器的内部换热器换热降温后，进入低温生成物储罐中储存，从而完成低温余热的存储过程。
在储热模式下，所述吸收式热泵提质单元中，发生器内部的浓溶液被溶液泵增压，经溶液换热器进入吸收器；在所述吸收器中，浓溶液吸收来自蒸发器的水蒸汽，变为稀溶液，然后稀溶液经溶液换热器回到发生器；所述发生器中，稀溶液通过内部换热器吸收低温余热存储装置排出的反应产物的热量，稀溶液中部分的水受热蒸发为水蒸汽并进入冷凝器，发生器中溶液变为浓溶液；所述冷凝器中，在冷却水的作用下，水蒸汽被冷凝成液态水，然后经溶液泵加压进入蒸发器；所述蒸发器中，液态水通过内部换热器吸收低温余热存储装置排出的反应产物的热量汽化成水蒸汽，然后进入吸收器；所述吸收器中，浓溶液吸收水蒸汽，释放出热量并被传热介质储罐中的传热介质吸收，传热介质吸热后升温，从而完成利用吸收式热泵提质单元进行的第一次化学热提质的过程。
在储热模式下，所述中温余热存储单元中，具有一定温度的载余热介质进入中温余热化学存储装置的内部换热器进行换热，换热后载余热介质温度降低并进入中温储热装置进一步释放热量，最终送至传热介质储罐中。中温余热化学存储装置内部存储的反应原料通过内部换热器吸收来自载余热介质的热量，反应原料吸热升温，在合适的温度及压力下发生正向吸热反应，反应产物中包含有固态、气态或液态的生成物，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温余热化学存储装置中；具有一定温度且密度小的气态或液态生成物进入吸热反应装置的内部换热器进行换热，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进入中温储热装置进一步释放热量，随后经压气机送入中温生成物储罐进行储存，从而完成中温余热存储过程。
在储热模式下，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具有一定温度且密度小的气态或液态生成物的热量，反应原料吸热升温，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；来自分离装置的高纯度反应产物吸热升温并进入中高温热能化学存储装置的内部反应器管道，从而完成第二次化学热提质过程。
在储热模式下，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，从而完成中高温蓄热过程。
在释热模式下，所述低温储提储子系统中的低温余热存储单元完成低温热能的释放利用；所述低温储提储子系统和中温储提储子系统的串联共享环节中温余热存储单元完成中温热能的释放利用；所述中温储提储子系统中的中高温蓄热单元完成中高温热能的释放利用。
在释热模式下，所述低温余热存储单元中，低温生成物储罐中的气态或液态的反应产物排出，经过中温储热装置换热后进入低温余热存储装置，在合适的温度及压力环境中与低温余热存储装置中原有的反应产物发生逆向放热反应，释放出热量通过内部换热器被外部循环工质吸收，用于其他工业生产或日常生活用途；同时，所述中温余热存储单元中，中温生成物储罐中的气态或液态的反应产物排出，经过中温储热装置换热后进入中温余热存储装置，在合适的温度及压力环境中与中温余热存储装置中原有的反应产物发生逆向放热反应，释放出热量通过内部换热器被外部循环工质吸收，用于其他工业生产或日常生活用途。
在释热模式下，所述中高温蓄热单元中，中高温生成物储罐中的气态或液态的生成物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，外部循环工质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热量，然后用于其他工业生产或日常生活用途。
本发明具有以下优点及突出性技术效果：
1.本发明所述系统基于化学储热原理，可以实现热量长期存储且几乎没有损失，其储热密度也比显热储热和潜热储热要高。
2.本发明所述系统利用吸收式热泵提质单元和化学热泵提质单元对低品位余热进行两次热提质，依次进行低温余热存储、第一次化学热提质、中温余热存储、第二次化学热提质以及中高温蓄热，热能品位得到提升，并将提质后的中高温热能进行储存，扩大了热能的应用范围。
3.本发明所述系统基于吸收式热泵提质单元和化学热泵提质单元，利用化学反应过程中的吸收和放热，对低品位余热进行提质，热能品位得到提高，扩大了热能的应用范围。
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。
附图1为本发明的提供的一种基于化学提质蓄热的多级串联储热系统的原理结构示意图。
图中各标号清单为：1-低温余热存储装置；2-低温生成物储罐；3-蒸发器；4-冷凝器； 5-溶液换热器；6-吸收器；7，8-溶液泵；9-发生器；10-传热介质储罐；11-中温余热化学存储装置；12-中温储热装置；13-中温生成物储罐；14-吸热反应装置；15-精馏塔；16-分离装置； 17-回热器；18-中高温热能化学存储装置；19-中高温储热装置；20-中高温生成物储罐；①，②，③，④-阀门；A，B，C，D-内部换热器；I，II，III，IV-换热器；G，H-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作进一步的说明。
附图为本发明提供的一种基于化学提质蓄热的多级串联储热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：本发明所述系统包括低温储提储子系统和中温储提储子系统两部分，两个子系统串联连接，从而实现低品位热能到高品位热能的两次提质存储；低温储提储子系统包括低温余热存储单元、吸收式热泵提质单元、中温余热存储单元；中温储提储子系统包括中温余热存储单元、化学热泵提质单元和中高温蓄热单元，其中中温余热存储单元是所述两个子系统的串联共享环节。
其中，所述低温余热存储单元，包括低温余热存储装置1、低温生成物储罐2、蒸发器3和发生器9，所述低温余热存储装置1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，所述吸收式热泵提质单元，包括蒸发器3、冷凝器4、溶液换热器5、吸收器6、发生器9和传热介质储罐10，所述发生器9内部填充基于吸收式热泵提质的高浓度溶液，该溶液在稀释过程中可放出热量。
其中，所述中温余热存储单元，包括中温余热化学存储装置11、中温储热装置12、中温生成物储罐13和吸热反应装置14和压气机G，所述中温余热化学存储装置11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，所述化学热泵提质单元，包括吸热反应装置14、精馏塔15、分离装置16、回热器17和中高温热能化学存储装置18，所述吸热反应装置14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18、中高温储热装置19、中高温生成物储罐20和压气机H，所述中高温热能化学存储装置18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，所述低温余热存储单元的低温余热存储装置1的反应产物出口分为两路，通过管道分别与蒸发器3内部换热器C的入口和发生器9内部换热器D的入口连接；所述蒸发器3内部换热器C的出口和发生器9内部换热器D的出口通过管道与低温生成物储罐2的入口连接。
其中，所述低温余热存储单元的低温生成物储罐2的出口通过管道与中温储热装置 12的低温反应产物入口12d连接；所述中温储热装置12的低温反应产物出口12g通过管道与低温余热存储装置1的反应产物入口连接。
其中，所述吸收式热泵提质单元的发生器9的溶液出口9c通过管道经溶液泵7、溶液换热器5与吸收器6的溶液入口6d连接，发生器9的水蒸汽出口9a通过管道与冷凝器4 的水蒸汽入口4d连接；所述冷凝器4的冷凝水出口4c通过管道经溶液泵8与蒸发器3的冷凝水入口连接；所述蒸发器3的水蒸汽出口通过管道与吸收器6的水蒸汽入口6a连接；所述吸收器6的溶液出口6e通过管道、溶液换热器5与发生器9的溶液入口9b连接，吸收器6 的热源入口6c通过管道与传热介质储罐10的出口10b连接。
其中，所述吸收器6的热源出口6b通过管道与中温余热存储装置11的内部换热器I连接。
其中，所述中温余热存储单元的中温余热化学存储装置11的内部换热器I的出口通过管道与中温储热装置12的载余热介质热源入口12a连接；所述中温余热化学存储装置11 的反应产物出口通过管道与吸热反应装置14的内部换热器II的入口连接；所述吸热反应装置 14的内部换热器II的出口通过管道与中温储热装置12的反应产物热源入口12c连接；所述中温储热装置12的反应产物热源出口通过管道与压气机G的入口连接；所述压气机G的出口通过管道与中温生成物储罐13的入口连接；所述中温生成物储罐13的出口通过管道、阀门④与中温储热装置12的反应产物冷源入口12e连接；所述中温储热装置12的反应产物冷源出口12f通过管道与中温余热化学存储装置11的反应产物入口连接。
其中，所述化学热泵提质单元的吸热反应装置14的反应原料-反应产物出口14a通过管道与精馏塔15的反应原料-反应产物入口15a连接；所述精馏塔15的反应原料出口15b通过管道与吸热反应装置14的反应原料入口14b连接，精馏塔15的反应原料-反应产物出口15c 通过管道与分离装置16的反应原料-反应产物入口16a连接；所述分离装置16的反应产物出口16b通过管道与回热器17的反应产物入口17a连接，分离装置16的反应原料出口16c通过管道与精馏塔15的反应原料入口15d连接；所述回热器17的反应原料出口17d通过管道与吸热反应装置14的反应原料入口14c连接，回热器17的反应产物出口17b通过管道与中高温热能化学存储装置18的内部反应器管道入口18a连接；所述中高温热能化学存储装置 18的内部反应器管道出口18b通过管道与回热器17的反应原料入口17c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18的反应产物出口18c通过管道与中高温储热装置19的热源入口19a连接；所述中高温储热装置19的热源出口19b通过管道与压气机H的入口连接；所述压气机H的出口通过管道与中高温生成物储罐20的入口连接；所述中高温生成物储罐20的出口通过管道、阀门③与中高温储热装置19的冷源入口19c连接；所述中高温储热装置19的冷源出口19d通过管道与中高温热能化学存储装置 18的反应产物入口18d连接。
一种基于化学提质蓄热的多级串联储热系统，特征在于包括储热和释热两种运行模式：
在储热模式下，所述低温余热存储单元中，载有80℃-95℃的余热的工质(水、烟气等)进入低温余热存储装置1的内部换热器A进行换热，换热完成后，所述载余热的工质(水、烟气等)温度降低并被排出；所述载有80℃-95℃的低品位余热的工质(水、烟气等)的热量被低温余热存储装置1中填充的CuSO4·5H2O吸收，CuSO4·5H2O吸收热量后在75℃的环境下发生正向吸热分解反应，反应公式为：
CuSO4·5H2O(s)→CuSO4·3H2O(s)+2H2O(l) ΔH＝99.64kJ/mol
CuSO4·5H2O发生脱水反应后，脱出的75℃左右的水排出低温余热存储装置1后，分为两路，一路经过蒸发器3内部换热器C进行换热，另一路经过发生器9内部换热器D换热；换热后的两路脱出水降温至65℃左右进入低温生成物储罐2储存，从而完成低温余热存储过程。热量被发生器9中浓度为54％的溴化锂溶液吸收，54％的溴化锂溶液吸热后蒸发出水蒸汽，浓度变为59％。
在储热模式下，所述吸收式热泵提质单元中，发生器9中浓度为54％的溴化锂溶液通过内部换热器D吸收来自低温余热存储装置1脱出的75℃左右的水的热量后，溶液被加热至 58℃左右并蒸发出水蒸汽，水蒸汽压力12kPa、温度50℃左右，溴化锂溶液浓度变为59％。
温度58℃左右、浓度59％溴化锂溶液被溶液泵7增压后，经溶液换热器5预热至92℃进入吸收器6。在所述吸收器6中，浓度为59％溴化锂溶液吸收来自蒸发器3的水蒸汽并放出热量，将溴化锂溶液加热至100℃左右，浓度稀释至54％。随后，浓度为54％溴化锂溶液经液换热器5，节流阀①换热降温至50℃左右，回到发生器9。
12kPa、50℃左右的水蒸汽在发生器9中被蒸发出来后进入冷凝器4；在所述冷凝器4 中，水蒸汽在12kPa的压力下被冷却为50℃左右的液态水，液态水通过溶液泵8排出冷凝器 4后，加压后进入蒸发器3。在所述蒸发器3中，液态水通过内部换热器C吸收来自低温余热存储装置1脱出的75℃水的热量后，在20kPa的压力下汽化成60℃左右的水蒸汽，随后60℃左右的水蒸汽进入吸收器6；在所述吸收器6中，水蒸汽被浓度为59％溴化锂溶液吸收，放出热量；放出的热量被传热介质储罐10中通来的热媒水吸收，热媒水吸热后温度升至95℃左右，随后进入中温余热存储装置11的内部换热器I换热，从而完成利用吸收式热泵提质单元进行的第一次化学热提质的过程。
在储热模式下，所述中温余热存储单元中，95℃-110℃的来自传热介质储罐10的热媒水进入中温余热化学存储装置11的内部换热器I进行换热，换热后载余热介质温度降低并进入中温储热装置12中进一步释放热量，通过12b运输至传热介质储罐10。中温余热化学存储装置11内部存储的化学储热介质(储氢合金NaAlH4)通过内部换热器I吸收来自载余热介质的热量，储氢合金NaAlH4在105℃的温度下发生正向吸热分解反应，反应公式为：
Figure BSA0000248316930000101
ΔH＝37kJ/mol
反应生成105℃左右的氢气，随后氢气在压气机G的作用下进入吸热反应装置14的内部换热器II进行换热，换热后氢气温度降低并进入中温储热装置12进一步释放热量，随后经压气机 G送入中温生成物储罐13进行储存，从而完成中温余热存储过程。
在储热模式下，所述化学热泵提质单元中，吸热反应装置14中的化学储热介质(液态异丙醇)通过内部换热器II吸收来自氢气的热量，液态异丙醇吸热升温蒸发，在90℃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15。在所述精馏塔15中，根据丙醇、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14；经分离得到的氢气、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16。在所述分离装置16中，剩余气态异丙醇被分离并排回至精馏塔15；同时得到高纯度丙酮、氢气混合气体，随后，高纯度丙酮、氢气混合气体进入回热器17。在所述回热器17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18的内部反应器管道。所述中高温热能化学存储装置18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，在200℃的温度下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18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17。在所述回热器17中，气态异丙醇和未反应的氢气、丙酮与来自分离装置16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、丙酮混合气体温度降至80℃左右并排回至吸热反应装置14；高纯度氢气、丙酮的混合气体温度升至200℃左右并进入中高温热能化学存储装置18的内部反应器管道，从而完成第二次化学热提质过程。
在储热模式下，所述中高温蓄热单元中，中高温热能化学存储装置18的内部反应器管道外部填充的反应原料(储氢合金Mg2NiH4)吸收热量后逐渐升温，在240℃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H的作用下进入中高温储热装置19进行换热，换热后氢气温度降低并经压气机H送入中高温生成物储罐20进行储存，从而完成中高温蓄热过程。
在释热模式下，所述低温余热存储单元中，低温生成物储罐2中的脱出水进入中温储热装置12换热，换热完成后，脱出水被预热至75℃左右并进入低温余热存储装置1，在75℃的温度下被反应产物CuSO4·3H2O吸附，发生逆向化合放热反应，反应公式为：
CuSO4·3H2O(s)+2H2O(l)→CuSO4·5H2O(s) ΔH＝-99.64kJ/mol
放热反应释放出的75℃的低温热能通过内部换热器B传递给外部循环工质，用于日常加热供暖。
在释热模式下，所述中温余热存储单元中，中温生成物储罐13中的氢气进入中温储热装置12进行换热，换热后氢气被预热至95℃左右并进入中温余热化学存储装置11，在90℃的温度下与其中原有的固态生成物Na3AlH6、Al发生逆向化合放热反应，反应公式为：
Figure BSA0000248316930000121
ΔH＝-37kJ/mol
放热反应释放出的90℃的中温热能通过中温余热化学存储装置11的内部换热器III传递给外部循环工质，用于日常加热供暖及部分工业用热环节；所述中高温蓄热单元中，中高温生成物储罐20中的氢气进入中高温储热装置19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18，在210℃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
放热反应释放出的200℃的中高温热能通过中高温热能化学存储装置18的内部换热器IV传递给外部循环工质，用于工业用热环节。
在释热模式下，系统可释放三种不同品位的热能，200℃左右的余热可用于工业生产中的干燥物料、制冷、余热发电等，75℃及90℃左右的余热作日常生活用水及供暖加热用途。
最后说明的是，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。

Claims (2)

1.一种基于化学提质蓄热的多级串联储热系统，其特征在于包含低温储提储子系统和中温储提储子系统，两个子系统串联连接，从而实现低品位热能到高品位热能的两次提质存储；其中所述低温储提储子系统包括低温余热存储单元、吸收式热泵提质单元和中温余热存储单元；所述中温储提储子系统包括中温余热存储单元、化学热泵提质单元、中高温蓄热单元；
所述低温储提储子系统与中温储提储子系统的连接方式为串联，其中所述中温余热存储单元既是低温储提储子系统的一部分，也是所述中温储提储子系统的一部分，低温储提储子系统与中温储提储子系统通过所述中温余热存储单元进行串联共享连接；所述中温余热存储单元前连低温储提储子系统中的吸收式热泵提质单元，后连中温储提储子系统的化学热泵提质单元；
所述低温余热存储单元完成外部低温余热的存储，所述吸收式热泵提质单元完成对低温余热的第一次化学热提质，所述中温余热存储单元完成中温余热的存储，所述化学热泵提质单元对部分已存储的中温余热完成第二次化学热提，所述中高温蓄热单元完成经提质的中高温热能的存储，从而实现低品位余热转变为高品位热能并储存；
所述低温储提储子系统中的低温余热存储单元，包括低温余热存储装置(1)、低温生成物储罐(2)、蒸发器(3)和发生器(9)；所述低温储提储子系统中的吸收式热泵提质单元，包括蒸发器(3)、冷凝器(4)、溶液换热器(5)、吸收器(6)、发生器(9)和传热介质储罐(10)；所述两个子系统的串联共享环节中温余热存储单元，包括中温余热化学存储装置(11)、中温储热装置(12)、中温生成物储罐(13)和吸热反应装置(14)和压气机G；所述中温储提储子系统的化学热泵提质单元，包括吸热反应装置(14)、精馏塔(15)、分离装置(16)、回热器(17)和中高温热能化学存储装置(18)；所述中温储提储子系统的中高温蓄热单元，包括中高温热能化学存储装置(18)、中高温储热装置(19)、中高温生成物储罐(20)和压气机H；
所述低温余热存储单元的低温余热存储装置(1)中的反应产物离开低温余热存储装置(1)，分别与蒸发器(3)内部换热器C和发生器(9)内部换热器D换热后进入低温生成物储罐(2)；
所述吸收式热泵提质单元的发生器(9)的溶液出口一(9c)通过管道经溶液泵(7)、溶液换热器(5)与吸收器(6)的溶液入口一(6d)连接，发生器(9)的水蒸汽出口(9a)通过管道与冷凝器(4)的水蒸汽入口一(4d)连接；所述冷凝器(4)的冷凝水出口(4c)通过管道经溶液泵(8)与蒸发器(3)的冷凝水入口连接；所述蒸发器(3)的水蒸汽出口通过管道与吸收器(6)的水蒸汽入口二(6a)连接；所述吸收器(6)的溶液出口二(6e)通过管道、溶液换热器(5)与发生器(9)的溶液入口二(9b)连接，吸收器(6)的热源入口(6c)通过管道与传热介质储罐(10)的出口(10b)连接，吸收器(6)的热源出口(6b)通过管道与中温余热存储装置(11)的内部换热器I连接；
所述中温余热存储单元的中温余热化学存储装置(11)的内部换热器I的出口通过管道与中温储热装置(12)的载余热介质热源入口连接；所述中温余热化学存储装置(11)的反应产物出口通过管道经吸热反应装置(4)的内部换热器II、中温储热装置(12)及压气机G与中温生成物储罐(13)的入口连接；所述中温生成物储罐(13)的出口通过管道、阀门经中温储热装置(12)与中温余热化学存储装置(11)的反应产物入口连接；
所述化学热泵提质单元的吸热反应装置(14)的反应原料-反应产物出口通过管道经精馏塔(15)的反应原料-反应产物通道与分离装置(16)的反应原料-反应产物入口连接；所述分离装置(16)的反应产物出口通过管道经回热器(17)的反应产物通道与中高温热能化学存储装置(18)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(18)的内部反应器管道出口通过管道经回热器(17)的反应原料通道与吸热反应装置(14)的反应原料入口连接；所述分离装置(16)的反应原料出口通过管道与精馏塔(15)的反应原料入口连接；所述精馏塔(15)的反应原料出口通过管道与吸热反应装置(14)的反应原料入口连接；
所述中高温蓄热单元的中高温热能化学存储装置(18)的反应产物出口通过管道经中高温储热装置(19)的反应产物通道、压气机H与中高温生成物储罐(20)的入口连接；所述中高温生成物储罐(20)的出口通过管道、阀门经中高温储热装置(19)的反应产物通道与中高温热能化学存储装置(18)的反应产物入口连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于化学提质蓄热的多级串联储热系统，其特征在于包括储热和释热两种运行模式：
在储热模式下，所述低温余热存储单元中，低温余热存储装置(1)内部的反应原料通过换热器A吸收具有一定温度的外部低品位余热资源的热量，在合适的温度及压力环境中发生正向吸热反应，生成相态与密度不同的反应产物；密度大的固态反应产物留在低温余热存储装置中，而带有一定温度且密度小的气态或液态的反应产物则排出低温余热存储装置(1)；所述低温余热存储装置(1)排出的反应产物分别经过蒸发器(3)的内部换热器C和发生器(9)的内部换热器D换热降温后，进入低温生成物储罐(2)中储存，从而完成低温余热的存储过程；
在储热模式下，所述吸收式热泵提质单元中，发生器(9)内部的浓溶液被溶液泵(7)增压，经溶液换热器(5)进入吸收器(6)；在所述吸收器(6)中，浓溶液吸收来自蒸发器(3)的水蒸汽，变为稀溶液，然后稀溶液经溶液换热器(5)回到发生器(9)；所述发生器(9)中，稀溶液通过内部换热器D吸收低温余热存储装置(1)排出的反应产物的热量，稀溶液中部分的水受热蒸发为水蒸汽并进入冷凝器(4)，发生器(9)中溶液变为浓溶液；所述冷凝器(4)中，在冷却水的作用下，水蒸汽被冷凝成液态水，然后经溶液泵(8)加压进入蒸发器(3)；所述蒸发器(3)中，液态水通过内部换热器C吸收低温余热存储装置(1)排出的反应产物的热量汽化成水蒸汽，然后进入吸收器(6)；所述吸收器(6)中，浓溶液吸收水蒸汽，释放出热量并被传热介质储罐(10)中的传热介质吸收，传热介质吸热后升温，从而完成利用吸收式热泵提质单元进行的第一次化学热提质的过程；
在储热模式下，所述中温余热存储单元中，具有一定温度的载余热介质进入中温余热化学存储装置(11)的内部换热器I进行换热，换热后载余热介质温度降低并进入中温储热装置(12)进一步释放热量，最终送至传热介质储罐中；中温余热化学存储装置(11)内部存储的反应原料通过内部换热器I吸收来自载余热介质的热量，反应原料吸热升温，在合适的温度及压力下发生正向吸热反应，反应产物中包含有固态、气态或液态的生成物，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温余热化学存储装置(11)中；具有一定温度且密度小的气态或液态生成物进入吸热反应装置(14)的内部换热器II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进入中温储热装置(12)进一步释放热量，随后经压气机G送入中温生成物储罐(13)进行储存，从而完成中温余热存储过程；
在储热模式下，所述化学热泵提质单元中，吸热反应装置(14)内部的反应原料通过内部换热器II吸收来自具有一定温度且密度小的气态或液态生成物的热量，反应原料吸热升温，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(15)；在所述精馏塔(15)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(15)中，随后被排回至吸热反应装置(14)；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(16)；在所述分离装置(16)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(15)；高纯度反应产物进入回热器(17)；在所述回热器(17)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(18)的内部反应器管道；在所述中高温热能化学存储装置(18)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(18)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(17)；在所述回热器(17)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(16)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(14)；来自分离装置(16)的高纯度反应产物吸热升温并进入中高温热能化学存储装置(18)的内部反应器管道，从而完成第二次化学热提质过程；
在储热模式下，所述中高温蓄热单元中，中高温热能化学存储装置(18)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(18)中；具有一定温度且密度小的气态或液态的生成物进入中高温储热装置(19)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H送入中高温生成物储罐(20)进行储存，从而完成中高温蓄热过程；
在释热模式下，所述低温余热存储单元中，低温生成物储罐(2)中的气态或液态的反应产物排出，经过中温储热装置(12)换热后进入低温余热存储装置(1)，在合适的温度及压力环境中与低温余热存储装置(1)中原有的反应产物发生逆向放热反应，释放出热量通过内部换热器B被外部循环工质吸收，用于其他工业生产或日常生活用途；
在释热模式下，所述中温余热存储单元中，中温生成物储罐(13)中的气态或液态的反应产物排出，经过中温储热装置(12)换热后进入中温余热存储装置(11)，在合适的温度及压力环境中与中温余热存储装置(11)中原有的反应产物发生逆向放热反应，释放出热量通过内部换热器III被外部循环工质吸收，用于其他工业生产或日常生活用途；
在释热模式下，所述中高温蓄热单元中，中高温生成物储罐(20)中的气态或液态的生成物进入中高温储热装置(19)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(18)，在合适的温度及压力下与中高温热能化学存储装置(18)中原有的固态生成物发生逆向放热反应，外部循环工质通过中高温热能化学存储装置(18)的内部换热器IV吸收化学反应放出的热量，然后用于其他工业生产或日常生活用途。
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