CN115451743A - 一种热化学梯级储能系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热化学梯级储能方法及系统，涉及储能技术领域，包括根据反应温度依次串联的N个可逆热化学反应子系统，N个可逆热化学反应子系统中有不同的热化学储能材料，分别吸收传热介质对应温度区间段的热能进行储能；当需要能量时，N个可逆热化学反应子系统中发生逆向化学反应释放热能用于发电或者其他生产生活过程。本发明通过梯级储能和释能，梯次配置能量，减小了能量品质损耗，为实现热能高效利用提供了一种可行方案。
Description
技术领域
本发明涉及储能技术领域，具体涉及一种热化学梯级储能系统及方法。
背景技术
随着能源危机的出现，世界各国在积极探寻合适的新能源利用方案的同时也在优化现有的能源利用方式以不断提高现有能源利用效率。然而在现有的热能开发利用过程中存在着热能供应与需求不匹配的问题，因此需要通过热能存储的方式解决上述问题。现有的热能存储方法主要有显热储能、潜热储能和热化学储能，在这些储能技术中热化学储能因其能量密度高、充放热反应温度高以及热损失小等优点而被认为具有广阔的发展潜力。热化学储能方式是通过可逆的热化学反应来实现，通过吸热反应储能，需要热能时则通过逆向的放热反应放出热能。然而对于特定的热化学储能体系，其都有一定的反应温度区间，当传热工质温度降低至反应温度下限以下该热化学储能体系就无法进行储能了，因此传热工质在该温度下限以下的热能无法利用，会造成热能的浪费。为了充分利用热能实现能源利用效率的最大化，解决热能利用温度区间大于单一热化学储能体系反应温度区间而造成的热能大量浪费问题，本发明提出一种热化学梯级储能系统及方法，通过串联不同反应温度区间的热化学储能体系，将热源热能梯级吸收进行储能。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了提供一种热化学梯级储能方法及系统，用以解决单一热化学储能体系储释能温度区间小于热源温度区间而无法充分吸收热源热能的问题。
技术方案：一种热化学梯级储能系统，其特征在于：包括根据反应温度依次串联的N个可逆热化学反应子系统，所述N个可逆热化学反应子系统中有不同的热化学储能材料，各子系统中储能材料吸热反应温度按照传热介质流经子系统顺序逐渐递减，传热介质依次经过N个可逆热化学反应子系统逐级释放热量，各子系统中储能材料发生吸热反应分别吸收传热介质对应温度区间段的热能，反应生成热化学反应生成物，将热能存储在化学键之中，其中N≥2。
进一步，所述N个可逆热化学反应子系统包括吸热反应器、放热反应器、吸热反应物储罐、吸热反应产物储罐。
进一步，所述N个可逆热化学反应子系统中的储能材料为氢氧化物、金属碳酸盐、金属氧化物、金属氢化物中的一种或几种组合。
进一步，所述传热介质为流体反应物或不参与反应的传热介质。
进一步，所述N个可逆热化学反应子系统中的吸热反应器中进行吸热化学反应进行储能；所述可逆热化学反应子系统中的放热反应器中进行放热化学反应释放存储的能量；所述吸热反应器和放热反应器均满足反应所需温度压力条件。
进一步，所述N个可逆热化学反应子系统中的吸热反应器与气体反应产物储罐之间设有换热器和压缩机；所述N个可逆热化学反应子系统中的放热反应器与气体反应产物储罐之间设有透平和换热器。
进一步，所述N个可逆热化学反应子系统中相同的气体产物存储于同一个气体储罐。
进一步，所述N个可逆热化学反应子系统中的反应器和储罐进出口都设有控制阀用以控制物料输送。
进一步，所述N个可逆热化学反应子系统中的固体储能材料为固体颗粒形式，采用气动输运方式。
进一步，所述的N个可逆热化学反应子系统中有不同的热化学储能材料，本发明中列举第1级可逆热化学反应子系统中的热化学储能材料为CaCO3；第1级可逆热化学反应子系统包括第一吸热反应器、第一放热反应器；第1级可逆热化学反应子系统的吸热反应物储罐为高温CaCO3储罐，吸热反应产物储罐为高温CaO储罐；所述的所述第1级可逆热化学反应子系统的第一吸热反应器包括物料进口以及物料出口，所述第一吸热反应器物料进口与高温CaCO3储罐相连，第一吸热反应器混合物料出口分别与高温CaO储罐、第2级可逆热化学反应子系统的吸热反应器相连；所述第1级可逆热化学反应子系统的第一放热反应器包括物料进口以及物料出口，第一放热反应器的物料进口分别与高温CaO储罐、第2级可逆热化学反应子系统的放热反应器相连；所述第一放热反应器物料出口与高温CaCO3储罐相连。
进一步，所述的第2级可逆热化学反应子系统中的热化学储能材料为MgCO3储能，第2级可逆热化学反应子系统包括第二吸热反应器、第二放热反应器；第2级可逆热化学反应子系统的吸热反应物储罐为高温MgCO3储罐，吸热反应产物储罐为高温MgO储罐，第2级可逆热化学反应子系统中还包括第一换热器、压缩机、CO2储罐、第二换热器、透平；第2级可逆热化学反应子系统的第二吸热反应器包括物料进口以及物料出口，物料进口分别与与第1级可逆热化学反应子系统吸热反应器物料出口、高温MgCO3储罐相连；所述的第二吸热反应器物料进口分别与第二吸热反应器物料出口、高温MgCO3储罐相连；所述吸热反应器物料出口与高温MgO储罐和CO2储罐相连，其中第二吸热反应器与CO2储罐之间依次设有第一换热器、第一压缩机；所述第二放热反应器物料进口分别与高温MgO储罐、CO2储罐相连，其中第二放热反应器与CO2储罐之间设有第二换热器、透平，所述第二放热反应器物料出口与高温MgCO3储罐和第一放热反应器相连。
本发明的一种热化学梯级储能方法，其特征在于，包括以下过程：
梯级储热过程：传热介质依次通过串联的N个可逆热化学反应子系统的吸热反应器，传热介质温度依次降低；在串联N个可逆热化学反应子系统中吸热反应物从吸热反应物储罐输运至吸热反应器中发生吸热反应，吸收传热介质对应温度区间段的热能使传热介质温度降低，进行储能；N个可逆热化学反应子系统中吸热反应的反应产物输运至对应的储罐中存储。
放能过程：在N个可逆热化学反应子系统中放热反应的反应物从吸热反应产物储罐中输运至放热反应器中发生逆向放热反应释放热能，各个反应器反应放热温度不同，能够实现梯级释放热能。
有益效果：本发明利用不同反应温度区间的热化学反应子系统串联，通过各个子系统中不同温度的吸热化学反应梯级吸收传热介质热能实现梯级储能，提升了热能存储效率；而在放能过程各个子系统中通过逆向放热化学反应释放存储的热能，各个子系统中放热温度不同，释放的热能品位不同，适应不同温度水平用户的需求，减小了
损失，提升了能量利用效率。
附图说明
图1为本发明热化学梯级储能示意图；
图2为本发明热化学梯级储能传热介质温度梯度图；
图3为本发明热化学梯级储能实例图。
其中，1-第1级可逆热化学反应子系统，2-第2级可逆热化学反应子系统，3-第N级可逆热化学反应子系统，4-吸热反应器，5-吸热反应物储罐，6-第一吸热反应产物储罐，7-第二吸热反应产物储罐，8-放热反应器，9-第一吸热反应器，10-高温CaCO3储罐，11-高温CaO储罐，12-第一放热反应器，13-第二放热反应器，14-高温MgCO3储罐，15-高温MgO储罐，16-第二吸热反应器，17-第一换热器，18-第一压缩机，19-CO2储罐，20-第二换热器，21-透平。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示的一种热化学梯级储能系统，包括N个依次串联的可逆热化学反应子系统，其中虚线框1中的为第1级可逆热化学反应子系统，虚线框2中的为第2级可逆热化学反应子系统，虚线框3中的为第N级可逆热化学反应子系统。其中带箭头的实线表示储能过程中物质流，带箭头的虚线的表示放能过程中的物质流。
如图2所示，梯级储能时，传热介质流经第1个可逆热化学反应子系统时，传热介质释放热量Q1，温度降低至T1，在第1个子系统中进行第1级储能；之后传热介质进入第2个子系统，释放热量Q2，温度降至T2，在第2个子系统中进行第2级储能；如此直至传热介质流过第N个子系统，完成第N级储能，从而实现梯级储能过程。
其中的每一个可逆热化学反应子系统都包含吸热反应器、放热反应器、吸热反应物储罐、吸热反应产物储罐。在图1中第1级可逆热化学反应子系统包括吸热反应器4、放热反应器8、吸热反应物储罐5、第一吸热反应产物储罐6、第二吸热反应产物储罐7(吸热反应产物储罐根据不同的热化学储能材料的产物分情况进行设置；这两个反应产物储罐是不一样的，对于本发明中所采用的储能材料反应都为气固反应，分解产生一种气体产物和一种固体产物，需要分别存储。)。储能时传热介质依次流经N个可逆热化学反应子系统的吸热反应器，并逐步释放热能，传热介质温度依次降低，在子系统的吸热反应器中发生吸热化学反应，反应物吸热分解，反应产物分别存储在储罐中。当需要热能时，存储于吸热反应产物储罐中的分解产物输运至放热反应器中发生放热合成反应，释放热能，各个子系统中放热反应温度不同，释放的热能品位不同，适应不同温度的用户需求。释放的热能可以用于梯级加热工质以用于发电或者用于其他需要热能的生产生活过程。
实施例1：如图3所示的热化学梯级储能系统包括第1级可逆热化学反应子系统(CaCO3储能)和第2级可逆热化学反应子系统(MgCO3储能)，其中第1级可逆热化学反应子系统：包括第一吸热反应器9、第一放热反应器12、高温CaCO3储罐10、高温CaO储罐11；所述第一吸热反应器9物料进口与高温CaCO3储罐10相连。所述第一吸热反应器9混合物料出口与高温CaO储罐11和第二吸热反应器16相连。所述第一放热反应器12物料进口与高温CaO储罐11和第二放热反应器13相连；所述第一放热反应器12物料出口与高温CaCO3储罐10相连。第2级可逆热化学反应子系统：包括第二吸热反应器16、第二放热反应器13、高温MgCO3储罐14、高温MgO储罐15、第一换热器17、第一压缩机18、CO2储罐19、第二换热器20、透平21；所述第二吸热反应器16物料进口与第一吸热反应器9物料出口和高温MgCO3储罐14相连；所述第二吸热反应器16物料出口与高温MgO储罐15和CO2储罐19相连，其中第二吸热反应器16与CO2储罐19之间依次设有第一换热器17、压缩机18；所述第二放热反应器13物料进口与高温MgO储罐15和CO2储罐19相连，其中第二放热反应器13与CO2储罐19之间设有第二换热器20、透平21；所述第二放热反应器13物料出口与高温MgCO3储罐14和第一放热反应器12相连。
当处于梯级储能过程时，CaCO3固体颗粒在第一吸热反应器9中吸收传热介质热能达到反应温度分解，反应温度在900-1100℃，分解为CaO和CO2，进行第1级储能，反应产物CaO固体颗粒输运至高温CaO储罐11存储；传热介质流经第一吸热反应器9后温度降低，之后传热介质流经第二吸热反应器16进一步释放热量，使MgCO3固体颗粒吸热分解，同时，CaCO3固体颗粒分解产物CO2余热也用于MgCO3固体颗粒分解反应；在第二吸热反应器16中MgCO3固体颗粒吸收热量达到反应温度，发生分解反应，反应温度在400-700℃，生成MgO和CO2进行第2级储能，反应产物MgO固体颗粒输运至高温MgO储罐15存储，而CO2则经过第一换热器17放热以及第一压缩机18压缩后存储至CO2储罐19；在放能过程时，存储于CO2储罐19的压缩CO2先经过第二换热器20加热后再经过透平21膨胀后进入第二放热反应器13，同时MgO固体颗粒从储罐15中输运至第二放热反应器13，一部分CO2与MgO固体颗粒在第二放热反应器13中发生放热反应生成MgCO3固体颗粒，反应温度在300-500℃，生成的MgCO3固体颗粒输运至高温MgCO3储罐14存储，释放的热量一部分用于预热后来的CO2，剩余的经过预热的CO2进入第一放热反应器12与CaO固体颗粒反应生成CaCO3固体颗粒，反应温度在700-1000℃，释放大量热量，反应生成的CaCO3固体颗粒输运至高温CaCO3储罐10存储。两个放热反应器释放的热量可以用于梯级加热流体工质以用于发电，或者用于其他需要热能的生产生活过程，以适应不同温度水平用户的需求。
在梯级储能过程中，相比于单一的CaO/CaCO3储能体系只能存储900℃以上热能，本实施例通过2级梯级储能将储能温度区间扩大至400℃以上，将单一CaO/CaCO3储能体系不能存储的400-900℃区间的热能进一步吸收存储，提高了总体的热能存储效率。在放能过程中，第一放热反应器12即CaO酸化器释放的热量可以供给需要700-1000℃热能的用户，第二放热反应器13即MgO酸化器释放的热量可以供给需要300-500℃热能，实现按需分配不同品位的热能，从而避免了只有单一的CaO/CaCO3储能体系时，释放的700-1000℃的高品质热能用于满足300-500℃热能需求而导致的热能品质损耗较大的问题。
本发明的是适用不同储能材料的热化学梯级储能系统，包括实施例中的CaCO3加MgCO3两级热化学储能系统，除了这个实施例之外还可以是其他储能材料串联比如Co3O4/CoO和Mn2O3/Mn3O4串联梯级储能以及其他的两级及两级以上热化学梯级储能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种热化学梯级储能系统，其特征在于，所述的系统根据反应温度依次串联的N个可逆热化学反应子系统，所述N个可逆热化学反应子系统中有不同的热化学储能材料；
各子系统中储能材料吸热反应温度按照传热介质流经子系统顺序逐渐递减，传热介质依次经过N个可逆热化学反应子系统逐级释放热量，各子系统中储能材料发生吸热反应分别吸收传热介质对应温度区间段的热能，反应生成热化学反应生成物，将热能存储在化学键之中，其中N≥2。
2.根据权利要求1所述的一种热化学梯级储能系统，其特征在于，所述的N个可逆热化学反应子系统均包括吸热反应器(4)、放热反应器(8)、吸热反应物储罐(5)、第一吸热反应产物储罐(6)、第二吸热反应产物储罐(7)；
储能时传热介质依次流经N个可逆热化学反应子系统的吸热反应器(4)，并逐步释放热能，传热介质温度依次降低，在子系统的吸热反应器(4)中发生吸热化学反应，反应物吸热分解，反应产物分别存储在第一吸热反应产物储罐(6)、第二吸热反应产物储罐(7)中；
当需要热能时，N个可逆热化学反应子系统中存储于吸热反应产物储罐中的分解产物输运至放热反应器(8)中发生放热合成反应，释放热能，各个子系统中放热反应温度不同，释放的热能品位不同，适应不同温度需求。
3.根据权利要求2所述的一种热化学梯级储能系统，其特征在于，所述的传热介质为流体反应物或不参与反应的传热介质；N个可逆热化学反应子系统中的储能材料为氢氧化物、金属碳酸盐、金属氧化物、金属氢化物中的一种或几种组合；N个可逆热化学反应子系统中的吸热反应器中进行吸热化学反应进行储能；所述可逆热化学反应子系统中的放热反应器中进行放热化学反应释放存储的能量；所述吸热反应器和放热反应器均满足反应所需温度压力条件。
4.根据权利要求2所述的一种热化学梯级储能系统，其特征在于，所述的N个可逆热化学反应子系统中相同的气体产物存储于同一个气体储罐，N个可逆热化学反应子系统中的反应器和储罐进出口都设有控制阀用以控制物料输送，N个可逆热化学反应子系统中固体储能材料为固体颗粒形式，采用气动输运方式。
5.根据权利要求2所述的一种热化学梯级储能系统，其特征在于，所述的N个可逆热化学反应子系统中有不同的热化学储能材料，第1级可逆热化学反应子系统(1)中的热化学储能材料为CaCO3；
第1级可逆热化学反应子系统(1)包括第一吸热反应器(9)、第一放热反应器(12)；
第1级可逆热化学反应子系统(1)的吸热反应物储罐为高温CaCO3储罐(10)，吸热反应产物储罐为高温CaO储罐(11)；
所述的所述第1级可逆热化学反应子系统(1)的第一吸热反应器(9)包括物料进口以及物料出口，
所述第一吸热反应器(9)物料进口与高温CaCO3储罐(10)相连，第一吸热反应器(9)混合物料出口分别与高温CaO储罐(11)、第2级可逆热化学反应子系统(2)的吸热反应器相连；
所述第1级可逆热化学反应子系统(1)的第一放热反应器(12)包括物料进口以及物料出口，第一放热反应器(12)的物料进口分别与高温CaO储罐(11)、第2级可逆热化学反应子系统(2)的放热反应器相连；所述第一放热反应器(12)物料出口与高温CaCO3储罐(10)相连。
6.根据权利要求5所述的一种热化学梯级储能系统，其特征在于，所述的第2级可逆热化学反应子系统(2)中的热化学储能材料为MgCO3储能，第2级可逆热化学反应子系统(2)包括第二吸热反应器(16)、第二放热反应器(13)；第2级可逆热化学反应子系统(2)的吸热反应物储罐为高温MgCO3储罐(14)，吸热反应产物储罐为高温MgO储罐(15)，
第2级可逆热化学反应子系统(2)中还包括第一换热器(17)、第一压缩机(18)、CO2储罐(19)、第二换热器(20)、透平(21)；第2级可逆热化学反应子系统(2)的第二吸热反应器(16)包括物料进口以及物料出口，物料进口分别与与第1级可逆热化学反应子系统(1)吸热反应器物料出口、高温MgCO3储罐(14)相连；所述的第二吸热反应器(16)物料进口分别与第一吸热反应器(9)物料出口、高温MgCO3储罐(14)相连；所述第二吸热反应器(16)物料出口与高温MgO储罐(15)和CO2储罐(19)相连，其中第二吸热反应器(16)与CO2储罐(19)之间依次设有第一换热器(17)、第一压缩机(18)；所述第二放热反应器(13)物料进口分别与高温MgO储罐(15)、CO2储罐(19)相连，其中第二放热反应器(13)与CO2储罐(19)之间设有第二换热器(20)、透平(21)；所述第二放热反应器(13)物料出口与高温MgCO3储罐(14)和第一放热反应器(12)相连。
7.一种热化学梯级储能方法，其特征在于，包括以下过程：
梯级储热过程：传热介质依次通过串联的N个可逆热化学反应子系统的吸热反应器，传热介质温度依次降低；在串联N个可逆热化学反应子系统中吸热反应物从吸热反应物储罐输运至吸热反应器中发生吸热反应，吸收传热介质对应温度区间段的热能使传热介质温度降低，进行储能；N个可逆热化学反应子系统中吸热反应的反应产物输运至对应的储罐中存储；
放能过程：在N个可逆热化学反应子系统中放热反应的反应物从吸热反应产物储罐中输运至放热反应器中发生逆向放热反应释放热能，各个反应器反应放热温度不同，能够实现梯级释放热能。
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| CN106524809A (zh) * | 2016-12-01 | 2017-03-22 | 西安交通大学 | 一种基于可逆化学反应的梯级储能与释能系统及方法 |
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