CN114719647B - 一种基于氢氧化钙反应体系的热能储释装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于氢氧化钙反应体系的热能储释装置，包括聚光系统、反应系统、氮气输送系统、换热系统和水蒸气循环系统；反应系统包括反应器、原料储存罐和加料机，反应器包括进料口、蒸气入口、蒸气出口、出料口、氮气入口，反应器内设有反应腔和换热盘管，进料口、蒸气入口、蒸气出口、出料口和氮气入口均连通反应腔，原料储存罐经加料机连接进料口，换热盘管位于反应腔的外侧，换热系统通过换热盘管与反应腔之间进行换热；水蒸气循环系统连接蒸气入口和蒸气出口；氮气输送系统与氮气入口连接并向反应腔输送氮气，聚光系统用于将太阳光聚集于反应系统中。本发明光转换效率高、储释能反应效率高、循环利用率高，属于太阳能高温热化学储能技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能高温热化学储能技术领域，具体涉及一种基于氢氧化钙反应体系的热能储释装置及其工作方法。
背景技术
随着经济发展，工业对能源的需求也大幅增加，化石燃料的持续使用已经对环境造成了破坏。为了人类可持续发展的客观需要，推动能源消费革命、优化能源结构、推进能源科技创新则是内在要求。太阳能因具有清洁无污染、来源广泛、可再生的特点被视为人类理想的代替能源，然而太阳能也具有间歇性、低密度和不稳定等局限性。因此发展热能储存技术是发展太阳能热发电的关键。
目前太阳能的热储存主要有三种方式：显热储能，潜热储能和热化学储能。显热储能和潜热储能是当前使用最多的储能方式，但两者也具有储能容量小、能量损失大和无法远距离运输等不足。相比之下，热化学储能通过化学键的重新排列，将热能转化为化学能，具有储能容量大，储能密度大，能量损失小的特点。并且通过对生成物合理地分离，可以实现热能的远距离运输。因此，热化学储能是一种具有潜力的储能方法。
实际运用中的热化学储能体系有碳酸盐储能体系、金属氢化物储能体系、金属氧化物储能体系、氨基储能体系和氢氧化物储能体系。其中，氢氧化物储能体系的原料来源广泛，成本低廉，环境友好，是一种极具前景的储能体系。然而当前使用的反应器仍有储能密度低、能量损失大、光热转换效率低等缺点，因此制约了氢氧化物储能体系的发展。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种具有储释能反应效率高、循环利用率高特点的基于氢氧化钙反应体系的热能储释装置及其工作方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于氢氧化钙反应体系的热能储释装置，包括聚光系统、反应系统、氮气输送系统、换热系统和水蒸气循环系统；反应系统包括反应器、原料储存罐和加料机，反应器包括进料口、蒸气入口、蒸气出口、出料口、氮气入口，反应器内设有反应腔和换热盘管，进料口、蒸气入口、蒸气出口、出料口和氮气入口均连通反应腔，原料储存罐经加料机连接进料口，换热盘管位于反应腔的外侧，换热系统通过换热盘管与反应腔之间进行换热；水蒸气循环系统包括水箱、冷凝器、旋风分离器和蒸气输送泵，水箱包括水箱出口和水箱入口，水箱内设有加热器，旋风分离器包括分离器入口、气体出口和固体出口，水箱出口与蒸气输送泵的输入口连接，蒸气输送泵的输出口连接反应器的蒸气入口，蒸气出口与分离器入口连接，旋风分离器的气体出口经冷凝器连接水箱入口；氮气输送系统与氮气入口连接并向反应腔输送氮气，聚光系统用于将太阳光聚集于反应系统中。
作为一种优选，反应器内设有多条蒸气管道，蒸气管道的一端连接蒸气入口，蒸气管道的另一端连接蒸气出口，蒸气管道的外壁面设有多个通孔，通孔连通蒸气管道的内部。
作为一种优选，蒸气管道竖直设置，通孔的直径为5mm～10mm，竖直方向上相邻两个通孔之间的间隔为20～100mm，蒸气管道的高度为2000～2500mm。
作为一种优选，水蒸气循环系统还包括用于检测水箱内蒸气温度的第三温度传感器和用于检测水箱内蒸气压力的第五压力传感器。
作为一种优选，反应器包括从外到内依次设置的不锈钢外壳、硅酸钙绝热层和铜导热层，换热盘管镶嵌于铜导热层中，换热盘管为蛇形盘管并环绕于反应腔的外侧。
作为一种优选，换热系统包括高温储油罐和低温储油罐，换热盘管包括高温重油出口和低温重油入口，高温储油罐通过高温重油输出管道连接高温重油出口，低温储油罐通过低温重油输入管道连接低温重油入口，高温重油输出管道上设有第一截止阀，低温重油输入管道上设有第二截止阀。
作为一种优选，高温重油输出管道上连接有第一温度传感器和第一压力传感器，低温重油输入管道上连接有第二温度传感器和第二压力传感器。
作为一种优选，氮气输送系统包括氮气瓶和膨胀罐，氮气瓶与膨胀罐连接，膨胀罐与反应器的氮气入口连接，反应腔的底部设有气体分布板，氮气入口经气体分布板连通反应腔，氮气瓶与膨胀罐之间设有过滤器和第三截止阀，膨胀罐与反应器之间设有第四截止阀。
作为一种优选，聚光系统包括第一聚光镜和第二聚光镜，反应器包括聚光通道，第二聚光镜位于聚光通道的顶端，第一聚光镜位于聚光通道的斜上方，从而太阳光依次经第一聚光镜、第二聚光镜和聚光通道进入反应腔中。
一种基于氢氧化钙反应体系的热能储释装置的工作方法，采用上述一种基于氢氧化钙反应体系的热能储释装置，包括如下步骤：
S1，氮气保护：通过氮气输送系统将氮气送入反应器中；
S2，释能反应：打开加料机使氧化钙颗粒进入反应器中，打开加热器和蒸气输送泵使水蒸气进入反应器中；
S3，储能反应：启动旋风分离器和冷凝器，通过聚光系统将太阳光聚集后入射到反应器中，使系统中的氢氧化钙被加热分解。
总的说来，本发明具有如下优点：1、储能反应与释能反应在同一个反应系统内发生，效率更高；2、阳光经过聚光系统聚集之后直接进入反应器，提高了光热转换效率；3、反应过程中反应物损失少，循环利用率高。
附图说明
图1为一种基于氢氧化钙反应体系的热能储释装置的结构示意图。
图2为反应器的结构示意图。
图3为蒸气管道的结构示意图。
其中，1为太阳，2为聚光系统，3为反应器，4为高温储油罐，5为低温储油罐，6为氮气瓶，7为膨胀罐，8为旋风分离器，9为冷凝器，10为斗式加料器，11为氧化钙储存罐，13为水箱，14加热器，15为蒸气输送泵。
1601为第一压力传感器，1602为第二压力传感器，1603为第三压力传感器，1604为第四压力传感器，1605为第五压力传感器，1701为第一温度传感器，1702为第二温度传感器，1703为第三温度传感器，1801为第一截止阀，1802为第二截止阀，1803为第三截止阀，1804为第四截止阀，1805为第五截止阀，1806为第六截止阀，19为过滤器。
301为第一聚光镜，302为水蒸气出口，303为不锈钢外壳，304为硅酸钙绝热层，305为铜导热层，306为反应腔，307为出料口，308为气体分布板，309为高温重油出口，310为蒸气运输管道，311为低温重油入口，312为氮气入口，313为水蒸气入口，d为通孔的直径，h为竖直方向上相邻两个通孔之间的间隔，H为蒸气管道的高度。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
实施例一
如图1～图3所示，一种基于氢氧化钙反应体系的热能储释装置，包括聚光系统、反应系统、氮气输送系统、换热系统和水蒸气循环系统；反应系统包括反应器、原料储存罐和加料机，反应器包括进料口、蒸气入口、蒸气出口、出料口、氮气入口，反应器内设有反应腔和换热盘管，进料口、蒸气入口、蒸气出口、出料口和氮气入口均连通反应腔，原料储存罐经加料机连接进料口，换热盘管位于反应腔的外侧，换热系统通过换热盘管与反应腔之间进行换热；水蒸气循环系统包括水箱、冷凝器、旋风分离器和蒸气输送泵，水箱包括水箱出口和水箱入口，水箱内设有加热器，旋风分离器包括分离器入口、气体出口和固体出口，水箱出口与蒸气输送泵的输入口连接，蒸气输送泵的输出口连接反应器的蒸气入口，蒸气出口与分离器入口连接，旋风分离器的气体出口经冷凝器连接水箱入口；氮气输送系统与氮气入口连接并向反应腔输送氮气，聚光系统用于将太阳光聚集于反应系统中。
原料储存罐内装有氧化钙颗粒，反应系统还包括用于检测反应腔内压力的第四压力传感器。原料储存罐和加料机之间设有第六截止阀。反应系统还包括连接出料口的出料管道，出料口设于反应器的下部，出料管道的一端连接出料口，另一端连接外界。出料管道上设有第七截止阀。加料机为斗式加料机。蒸气输送泵与水箱之间设有第五截止阀。
反应器内设有多条蒸气管道，蒸气管道的一端连接蒸气入口，蒸气管道的另一端连接蒸气出口，蒸气管道的外壁面设有多个通孔，通孔连通蒸气管道的内部。
蒸气管道竖直设置，通孔的直径为5mm～10mm，竖直方向上相邻两个通孔之间的间隔为20～100mm，蒸气管道的高度为2000～2500mm。
蒸气管道的底端连接蒸气入口，蒸气管道的顶端连接蒸气出口。
水蒸气循环系统还包括用于检测水箱内蒸气温度的第三温度传感器和用于检测水箱内蒸气压力的第五压力传感器。
反应器包括从外到内依次设置的不锈钢外壳、硅酸钙绝热层和铜导热层，换热盘管镶嵌于铜导热层中，换热盘管为蛇形盘管并环绕于反应腔的外侧。
换热系统包括高温储油罐和低温储油罐，换热盘管包括高温重油出口和低温重油入口，高温储油罐通过高温重油输出管道连接高温重油出口，低温储油罐通过低温重油输入管道连接低温重油入口，高温重油输出管道上设有第一截止阀，低温重油输入管道上设有第二截止阀。
高温重油输出管道上连接有第一温度传感器和第一压力传感器，低温重油输入管道上连接有第二温度传感器和第二压力传感器。
氮气输送系统包括氮气瓶和膨胀罐，氮气瓶与膨胀罐连接，膨胀罐与反应器的氮气入口连接，反应腔的底部设有气体分布板，氮气入口经气体分布板连通反应腔，氮气瓶与膨胀罐之间设有过滤器和第三截止阀，膨胀罐与反应器之间设有第四截止阀。
氮气瓶为高压氮气瓶。
氮气输送系统还包括用于检测膨胀罐内压力的第三压力传感器。
聚光系统包括第一聚光镜和第二聚光镜，反应器包括聚光通道，第二聚光镜位于聚光通道的顶端，第一聚光镜位于聚光通道的斜上方，从而太阳光依次经第一聚光镜、第二聚光镜和聚光通道进入反应腔中。
第一聚光镜可安装于现有的聚光器支架上，通过调节聚光器支架上的转轴，调整第一聚光镜的角度，使太阳光尽可能地聚集于第二聚光镜上并经聚光通道进入反应器中，以提高太阳能利用率。
一种基于氢氧化钙反应体系的热能储释装置的工作方法，采用上述一种基于氢氧化钙反应体系的热能储释装置，包括如下步骤：
S1，氮气保护：通过氮气输送系统将氮气送入反应器中；
S2，释能反应：打开加料机使氧化钙颗粒进入反应器中，打开加热器和蒸气输送泵使水蒸气进入反应器中；
S3，储能反应：启动旋风分离器和冷凝器，通过聚光系统将太阳光聚集后入射到反应器中，使系统中的氢氧化钙被加热分解。
在上述热能储释装置使用前，需进行步骤S1的氮气保护，具体为，打开第三截止阀，高压氮气通过过滤器进入膨胀罐，防止氮气过快进入导致反应系统压力迅速升高，待第三压力传感器读数稳定之后，打开第四截止阀，氮气进入反应系统中，通入氮气5～10min后关闭第四截止阀，氮气保护操作完成。
当需要利用氧化钙储存的热能时，可进行步骤S2，具体为，打开第六截止阀与斗式加料机，氧化钙固体颗粒进入反应系统。打开第二截止阀，低温重油进入反应系统的蛇形盘管中，打开加热器将水箱中的水加热为水蒸气，再打开第五截止阀，水蒸气通过蒸气输送泵进入反应系统，此时反应系统中的氧化钙与水蒸气反应生成氢氧化钙并释放出大量热量并将蛇形盘管中的低温重油加热，待第一温度传感器的读数稳定后，打开第一截止阀，高温重油进入高温储油罐中。
上述释能反应产生的高温重油可应用于食品工业、精细化工、能源工业和石化产品加工等多种工业生产领域。比如，将反应产生的高温重油加入管壳式换热器中，对煤粉气流进行加热促进煤粉燃烧。
白天时，可进行步骤S3的储能反应，打开旋风分离器与冷凝器。根据白天太阳的位置调节第一聚光镜和第二聚光镜之间的角度，尽可能多地提高太阳能利用率，阳光经过聚集，将反应系统内的氢氧化钙加热分解为氧化钙与水蒸气，在这个反应过程中太阳能转化为氧化钙与水的化学能。反应产生的水蒸气通过通孔进入蒸气运输管道并汇聚于水蒸气出口。旋风分离器把水蒸气中的氢氧化钙或氧化钙固体杂质除去，水蒸气经过冷凝器冷却后回到水箱中。分离出的氧化钙可以留在反应系统中。
上述装置在连续使用约三个月后，反应器中的氢氧化钙产生烧结，储热性能下降。打开第七截止阀将反应系统内的物料排出，经过高温煅烧分解后可循环使用。
上述实施例为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 (9)
1.一种基于氢氧化钙反应体系的热能储释装置，其特征在于：包括聚光系统、反应系统、氮气输送系统、换热系统和水蒸气循环系统；
反应系统包括反应器、原料储存罐和加料机，反应器包括进料口、蒸气入口、蒸气出口、出料口、氮气入口，反应器内设有反应腔和换热盘管，进料口、蒸气入口、蒸气出口、出料口和氮气入口均连通反应腔，原料储存罐经加料机连接进料口，换热盘管位于反应腔的外侧，换热系统通过换热盘管与反应腔之间进行换热；
水蒸气循环系统包括水箱、冷凝器、旋风分离器和蒸气输送泵，水箱包括水箱出口和水箱入口，水箱内设有加热器，旋风分离器包括分离器入口、气体出口和固体出口，水箱出口与蒸气输送泵的输入口连接，蒸气输送泵的输出口连接反应器的蒸气入口，蒸气出口与分离器入口连接，旋风分离器的气体出口经冷凝器连接水箱入口；
氮气输送系统与氮气入口连接并向反应腔输送氮气，聚光系统用于将太阳光聚集于反应系统中；
氮气输送系统包括氮气瓶和膨胀罐，氮气瓶与膨胀罐连接，膨胀罐与反应器的氮气入口连接，反应腔的底部设有气体分布板，氮气入口经气体分布板连通反应腔，
氮气瓶与膨胀罐之间设有过滤器和第三截止阀，膨胀罐与反应器之间设有第四截止阀。
2.按照权利要求1所述的一种基于氢氧化钙反应体系的热能储释装置，其特征在于：反应器内设有多条蒸气管道，蒸气管道的一端连接蒸气入口，蒸气管道的另一端连接蒸气出口，蒸气管道的外壁面设有多个通孔，通孔连通蒸气管道的内部。
3.按照权利要求2所述的一种基于氢氧化钙反应体系的热能储释装置，其特征在于：蒸气管道竖直设置，通孔的直径为5mm～10mm，竖直方向上相邻两个通孔之间的间隔为20～100mm，蒸气管道的高度为2000～2500mm。
4.按照权利要求1所述的一种基于氢氧化钙反应体系的热能储释装置，其特征在于：水蒸气循环系统还包括用于检测水箱内蒸气温度的第三温度传感器和用于检测水箱内蒸气压力的第五压力传感器。
5.按照权利要求1所述的一种基于氢氧化钙反应体系的热能储释装置，其特征在于：反应器包括从外到内依次设置的不锈钢外壳、硅酸钙绝热层和铜导热层，换热盘管镶嵌于铜导热层中，换热盘管为蛇形盘管并环绕于反应腔的外侧。
6.按照权利要求1所述的一种基于氢氧化钙反应体系的热能储释装置，其特征在于：换热系统包括高温储油罐和低温储油罐，换热盘管包括高温重油出口和低温重油入口，高温储油罐通过高温重油输出管道连接高温重油出口，低温储油罐通过低温重油输入管道连接低温重油入口，高温重油输出管道上设有第一截止阀，低温重油输入管道上设有第二截止阀。
7.按照权利要求6所述的一种基于氢氧化钙反应体系的热能储释装置，其特征在于：高温重油输出管道上连接有第一温度传感器和第一压力传感器，低温重油输入管道上连接有第二温度传感器和第二压力传感器。
8.按照权利要求1所述的一种基于氢氧化钙反应体系的热能储释装置，其特征在于：聚光系统包括第一聚光镜和第二聚光镜，反应器包括聚光通道，第二聚光镜位于聚光通道的顶端，第一聚光镜位于聚光通道的上方，从而太阳光依次经第一聚光镜、第二聚光镜和聚光通道进入反应腔中。
9.一种基于氢氧化钙反应体系的热能储释装置的工作方法，采用权利要求1-8任一项所述的一种基于氢氧化钙反应体系的热能储释装置，其特征在于：包括如下步骤：
S1，氮气保护：通过氮气输送系统将氮气送入反应器中；
S2，释能反应：打开加料机使氧化钙颗粒进入反应器中，打开加热器和蒸气输送泵使水蒸气进入反应器中；
S3，储能反应：启动旋风分离器和冷凝器，通过聚光系统将太阳光聚集后入射到反应器中，使系统中的氢氧化钙被加热分解。
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