CN118009782A - 一种可调平衡型化学储热系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种可调平衡型化学储热系统及其工作方法，属于热化学储能技术领域。包括物料反应罐、蓄热罐、低压蒸汽阀、高压蒸汽阀、相变式换热器和储水箱等；利用热态储存化学储热反应物料，实现储热和释热作用。通过设置高于反应器压力的蒸汽蓄热器，才能在释能时提供足够压力的反应蒸汽，稳定和调节反应中水蒸气的压力，改变可逆化学反应的反应平衡温度，并且将反应所需的水及其热量，存储于蓄热罐内，实现了高温储热与释热，且具备极高的储热密度和效率。该系统的适用性广，对热量的利用率高，具有灵活的运行方式和适用性，同时具有极高的储释热系统效率。
Description
技术领域
本发明属于热化学储能技术领域，具体涉及一种可调平衡型化学储热系统及其工作方法。
背景技术
储能系统是解决新能源消纳的有效解决途径。众多储能方法中，储热技术是其中的一个重要方面，特别是对于火电、光热等热力发电等领域。热化学储热是目前极具发展前景的一类储热技术，利用可逆的热化学反应将热能存储于化学键中，比如其中Ca(OH)2/CaO+H2O的可逆反应，具有高的储能密度和高的反应温度，具有相当优越的工程应用前景。
但目前热化学储热还缺乏成熟的工业化体系，反应物料的各种显热、潜热的复杂回收与利用造成了很大的困难，反应体系的设计与运行都存在巨大的挑战。
发明内容
为了解决上述现有问题，本发明的目的在于提供一种可调平衡型化学储热系统及其工作方法，能够吸收及提供储热和释热过程全部的水蒸汽，同时可动态调整反应的平衡压力与温度，具有灵活的运行方式和适用性，同时具有极高的储释热系统效率。
本发明通过以下技术方案来实现：
本发明公开的一种可调平衡型化学储热系统，包括物料反应罐、蓄热罐、相变式换热器和储水箱；
物料反应罐内部设有换热管束，换热管束的进口和出口与外部工质循环系统连接；物料反应罐内壁与换热管束之间填充有能够进行固体-水蒸气可逆化学反应的化学储热反应物料；物料反应罐上开设有低压蒸汽出口和高压蒸汽入口；所述低压蒸汽出口通过低压蒸汽管路与相变式换热器的低压侧入口连接，所述低压蒸汽管路上设有低压蒸汽阀；相变式换热器的低压侧出口与储水箱的入口连接，储水箱的出口分别与蓄热罐的给水入口和相变式换热器的高压侧入口连接，相变式换热器的高压侧出口与蓄热罐的过热蒸汽入口连接，蓄热罐的高压蒸汽出口通过高压蒸汽管路与物料反应罐的高压蒸汽入口连接，所述高压蒸汽管路上设有高压蒸汽阀；蓄热罐内的压力高于物料反应罐。
优选地，化学储热反应物料为Ca(OH)2/CaO体系或Mg(OH)2/MgO体系。
优选地，物料反应罐外部包覆有保温层。
优选地，换热管束的若干换热管均布在物料反应罐内部。
优选地，相变式换热器的低压侧入口连接有分流管，所述分流管上设有分流阀。
优选地，蓄热罐采用滑压运行方式。
优选地，相变式换热器的低压侧出口与储水箱的入口之间的管路上设有回水阀。
优选地，蓄热罐的给水入口处的管路上设有给水阀。
优选地，储水箱的出口处的管路上设有水泵。
本发明公开的上述可调平衡型化学储热系统的工作方法，包括以下运行模式：
储热模式：高压蒸汽阀关闭，物料反应罐内的化学储热反应物料吸收换热管束内高温工质的热量，温度升高，反应平衡向脱水反应偏离，金属氢氧化物脱水生成金属氧化物和高温水蒸气，高温水蒸气通过低压蒸汽阀的调节，维持物料反应罐内的水蒸气压力稳定，并排入相变式换热器的低压侧；同等质量流量的冷水经升压后泵入相变式换热器的高压侧，实现同等质量水的换热；高温水蒸气经过冷却、凝结最终排入储水箱；高压水经加热，蒸发形成过热蒸汽进入蓄热罐与内部的饱和水混合，加热并提高蓄热罐内的水位、温度和压力，直至反应完成，反应产生的全部质量的水，以高压饱和水与蒸汽的形式存储于蓄热罐内；
释热模式：低压蒸汽阀关闭，换热管束内的低温工质吸收化学储热反应物料的热量，化学储热反应物料的温度下降，反应平衡向水合反应偏离，金属氧化物与高温水蒸气反应生成金属氢氧化物并放热，水蒸汽的消耗导致压力下降，通过调节高压蒸汽阀，使蓄热罐供应蒸汽，蓄热罐随着压力的下降，饱和水蒸发为蒸汽维持蓄热罐的水位、温度和压力缓慢下降，持续提供足够质量的反应所需蒸汽，直至释热反应完成；
稳定工质温度运行模式：通过串联或并联直接接入外部热力系统的主工质管道，外部工质可全部或部分流经换热管束，调整物料反应罐内的水蒸气压力，使可逆化学反应的平衡温度与外部工质所需的温度一致；若工质温度异常降低，引起化学储热反应物料温度降低，则化学反应自动向水合释热方向进行以维持平衡，同时加热工质；若工质温度异常升高，引起化学储热反应物料温度升高，则化学反应自动向脱水吸热方向进行以维持平衡，同时冷却工质；
可调平衡运行模式：在储热时，通过低压蒸汽阀的调节，降低物料反应罐内的水蒸气压力，降低反应平衡温度，使化学储热反应物料在更低温度下仍然发生脱水反应储热；在释热时，通过高压蒸汽阀的调节，提高物料反应罐内的水蒸气压力，提高反应平衡温度，使化学储热反应物料在更高温度下仍然发生水合反应释热；此模式下对同一温度外部工质进行强制储热和释热。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种可调平衡型化学储热系统，利用热态储存化学储热反应物料，实现储热和释热作用。通过设置高于反应器压力的蒸汽蓄热器，才能在释能时提供足够压力的反应蒸汽，稳定和调节反应中水蒸气的压力，改变可逆化学反应的反应平衡温度，并且将反应所需的水及其热量，存储于蓄热罐内，实现了高温储热与释热，且具备极高的储热密度和效率。该系统的适用性广，对热量的利用率高，具有灵活的运行方式和适用性，同时具有极高的储释热系统效率。
进一步地，物料反应罐外部包覆有保温层，能够减少热量散失，降低系统能耗。
进一步地，换热管束的若干换热管均布在物料反应罐内部，能够使换热管束内的工质与物料反应罐内的化学储热反应物料均匀、高效地换热。
进一步地，相变式换热器的低压侧入口连接有分流管，分流管上设有分流阀，能够排出多余的高温蒸汽，实时平衡系统内的压力和温度。
进一步地，蓄热罐采用滑压运行方式，滑压运行方式下，蓄热罐内的饱和水与饱和水蒸气能够完成水与汽的不断转换，实现蓄热罐释放水蒸汽或存储水蒸气的过程；此外，采用滑压运行方式，使得蓄热罐内的压力得以控制和调节，改变可逆化学反应的温度-压力平衡点，进而实现人为控制化学反应的方向，从而实现稳定工质温度运行模式和可调平衡运行模式。
本发明公开的上述可调平衡型化学储热系统的工作方法，自动化程度高、热能利用率高、运行调整灵活、储释热效率高，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的系统整体结构示意图。
图中：1-物料反应罐、2-化学储热反应物料、3-换热管束、4-蓄热罐、5-相变式换热器、6-水泵、7-储水箱、8-低压蒸汽阀、9-高压蒸汽阀、10-分流阀、11-回水阀、12-给水阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
如图1，本发明的一种可调平衡型化学储热系统，包括物料反应罐1、蓄热罐4、相变式换热器5和储水箱7；
物料反应罐1内部设有换热管束3，换热管束3的进口和出口与外部工质循环系统连接；物料反应罐1内壁与换热管束3之间填充有化学储热反应物料2；物料反应罐1上开设有低压蒸汽出口和高压蒸汽入口；所述低压蒸汽出口通过低压蒸汽管路与相变式换热器5的低压侧入口连接，所述低压蒸汽管路上设有低压蒸汽阀8；相变式换热器5的低压侧出口与储水箱7的入口连接，储水箱7的出口分别与蓄热罐4的给水入口和相变式换热器5的高压侧入口连接，相变式换热器5的高压侧出口与蓄热罐4的过热蒸汽入口连接，蓄热罐4的高压蒸汽出口通过高压蒸汽管路与物料反应罐1的高压蒸汽入口连接，所述高压蒸汽管路上设有高压蒸汽阀9；蓄热罐4内的压力高于物料反应罐1。
在本发明的一个较优的实施例中，化学储热反应物料2为Ca(OH)2/CaO体系或Mg(OH)2/MgO体系，采用颗粒或其它形式。
在本发明的一个较优的实施例中，物料反应罐1外部包覆有保温层。物料反应罐1采用能够承受高温的钢制承压容器，若需要反应温度在500℃左右，则容器的压力为0.5MPa左右。
反应物料在物料反应罐内1内一直处于高温高压的可逆化学反应平衡态附近，以Ca(OH)2/CaO体系为例，Ca(OH)2、CaO和水蒸汽共存，反应过程Ca(OH)2、CaO的成分占比会发生改变，在系统不工作时，化学储热反应物料2也处于热态压力存储状态。
在本发明的一个较优的实施例中，换热管束3的若干换热管均布在物料反应罐1内部，作用是外部冷、热流体与化学储热反应物料2进行换热。储热与释热过程，采用同一套换热管束3。
在本发明的一个较优的实施例中，相变式换热器5的低压侧入口连接有分流管，所述分流管上设有分流阀10。
在本发明的一个较优的实施例中，蓄热罐4采用滑压运行方式。
在本发明的一个较优的实施例中，相变式换热器5的低压侧出口与储水箱7的入口之间的管路上设有回水阀11。
在本发明的一个较优的实施例中，蓄热罐4的给水入口处的管路上设有给水阀12。
在本发明的一个较优的实施例中，储水箱7的出口处的管路上设有水泵6。
相变式换热器5分为低压和高压两个流程，低压侧入口通过管道和低压蒸汽阀8与物料反应罐1内部相连，物料反应罐1内的蒸汽经过低压侧冷却、凝结，从低压侧出口通过管道和回水阀11排入储水箱7。高压侧入口与水泵6出口相连，出口与蓄热罐4相连，水泵6入口与储水箱7相连，水泵6泵送高压冷水被经过相变式换热器5高压侧被加热、蒸发为过热蒸汽，进入蓄热罐4的水空间混合。低压侧入口具有分流阀10，作用为排出多余的高温蒸汽。水泵6出口具有一管道，通过给水阀12连接到蓄热罐4底部，可将冷却水直接泵入蓄热罐4。
以Ca(OH)2/CaO体系为例，其反应方程为Ca(OH)2<——>CaO+H2O。上述可调平衡型化学储热系统的工作方法，包括以下运行模式：
储热模式：高压蒸汽阀9关闭，物料反应罐1内的化学储热反应物料2吸收换热管束3内高温工质的热量，温度升高，反应平衡向脱水反应偏离，Ca(OH)2脱水生成CaO和高温水蒸气，高温水蒸气通过低压蒸汽阀8的调节，维持物料反应罐1内的水蒸气压力稳定，并排入相变式换热器5的低压侧；同等质量流量的冷水经升压后泵入相变式换热器5的高压侧，实现同等质量水的换热；高温水蒸气经过冷却、凝结最终排入储水箱7；高压水经加热，蒸发形成过热蒸汽进入蓄热罐4与内部的饱和水混合，加热并提高蓄热罐4内的水位、温度和压力，直至反应完成，反应产生的全部质量的水，以高压饱和水与蒸汽的形式存储于蓄热罐4内；给水阀12和分流阀10用以小量调节蓄热罐4的水位与压力；
释热模式：低压蒸汽阀8关闭，换热管束3内的低温工质吸收化学储热反应物料2的热量，化学储热反应物料2的温度下降，反应平衡向水合反应偏离，CaO与高温水蒸气反应生成Ca(OH)2并放热，水蒸汽的消耗导致压力下降，通过调节高压蒸汽阀9，使蓄热罐4供应蒸汽，蓄热罐4随着压力的下降，饱和水蒸发为蒸汽维持蓄热罐4的水位、温度和压力缓慢下降，持续提供足够质量的反应所需蒸汽，直至释热反应完成；
稳定工质温度运行模式：通过串联或并联的方式直接接入外部热力系统的主工质管道，外部工质可全部或部分流经换热管束3，调整物料反应罐1内的水蒸气压力，使可逆化学反应的平衡温度与外部工质所需的温度一致；若工质温度异常降低，引起化学储热反应物料2温度降低，则化学反应自动向水合释热方向进行以维持平衡，同时加热工质；若工质温度异常升高，引起化学储热反应物料2温度升高，则化学反应自动向脱水吸热方向进行以维持平衡，同时冷却工质；
可调平衡运行模式：在储热时，通过低压蒸汽阀8的调节，降低物料反应罐1内的水蒸气压力，降低反应平衡温度，使化学储热反应物料2在更低温度下仍然发生脱水反应储热；在释热时，通过高压蒸汽阀9的调节，提高物料反应罐1内的水蒸气压力，提高反应平衡温度，使化学储热反应物料2在更高温度下仍然发生水合反应释热；此模式下对同一温度外部工质进行强制储热和释热。
以上所述仅为本发明实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内可轻易想到的变化或者替换，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或直接、间接运用在其他相关技术领域的情况，均应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可调平衡型化学储热系统，其特征在于，包括物料反应罐(1)、蓄热罐(4)、相变式换热器(5)和储水箱(7)；
物料反应罐(1)内部设有换热管束(3)，换热管束(3)的进口和出口与外部工质循环系统连接；物料反应罐(1)内壁与换热管束(3)之间填充有能够进行固体-水蒸气可逆化学反应的化学储热反应物料(2)；物料反应罐(1)上开设有低压蒸汽出口和高压蒸汽入口；所述低压蒸汽出口通过低压蒸汽管路与相变式换热器(5)的低压侧入口连接，所述低压蒸汽管路上设有低压蒸汽阀(8)；相变式换热器(5)的低压侧出口与储水箱(7)的入口连接，储水箱(7)的出口分别与蓄热罐(4)的给水入口和相变式换热器(5)的高压侧入口连接，相变式换热器(5)的高压侧出口与蓄热罐(4)的过热蒸汽入口连接，蓄热罐(4)的高压蒸汽出口通过高压蒸汽管路与物料反应罐(1)的高压蒸汽入口连接，所述高压蒸汽管路上设有高压蒸汽阀(9)；蓄热罐(4)内的压力高于物料反应罐(1)。
2.根据权利要求1所述的可调平衡型化学储热系统，其特征在于，化学储热反应物料(2)为Ca(OH)2/CaO体系或Mg(OH)2/MgO体系。
3.根据权利要求1所述的可调平衡型化学储热系统，其特征在于，物料反应罐(1)外部包覆有保温层。
4.根据权利要求1所述的可调平衡型化学储热系统，其特征在于，换热管束(3)的若干换热管均布在物料反应罐(1)内部。
5.根据权利要求1所述的可调平衡型化学储热系统，其特征在于，相变式换热器(5)的低压侧入口连接有分流管，所述分流管上设有分流阀(10)。
6.根据权利要求1所述的可调平衡型化学储热系统，其特征在于，蓄热罐(4)采用滑压运行方式。
7.根据权利要求1所述的可调平衡型化学储热系统，其特征在于，相变式换热器(5)的低压侧出口与储水箱(7)的入口之间的管路上设有回水阀(11)。
8.根据权利要求1所述的可调平衡型化学储热系统，其特征在于，蓄热罐(4)的给水入口处的管路上设有给水阀(12)。
9.根据权利要求1所述的可调平衡型化学储热系统，其特征在于，储水箱(7)的出口处的管路上设有水泵(6)。
10.权利要求1～9所述的可调平衡型化学储热系统的工作方法，其特征在于，包括以下运行模式：
储热模式：高压蒸汽阀(9)关闭，物料反应罐(1)内的化学储热反应物料(2)吸收换热管束(3)内高温工质的热量，温度升高，反应平衡向脱水反应偏离，金属氢氧化物脱水生成金属氧化物和高温水蒸气，高温水蒸气通过低压蒸汽阀(8)的调节，维持物料反应罐(1)内的水蒸气压力稳定，并排入相变式换热器(5)的低压侧；同等质量流量的冷水经升压后泵入相变式换热器(5)的高压侧，实现同等质量水的换热；高温水蒸气经过冷却、凝结最终排入储水箱(7)；高压水经加热，蒸发形成过热蒸汽进入蓄热罐(4)与内部的饱和水混合，加热并提高蓄热罐(4)内的水位、温度和压力，直至反应完成，反应产生的全部质量的水，以高压饱和水与蒸汽的形式存储于蓄热罐(4)内；
释热模式：低压蒸汽阀(8)关闭，换热管束(3)内的低温工质吸收化学储热反应物料(2)的热量，化学储热反应物料(2)的温度下降，反应平衡向水合反应偏离，金属氧化物与高温水蒸气反应生成金属氢氧化物并放热，水蒸汽的消耗导致压力下降，通过调节高压蒸汽阀(9)，使蓄热罐(4)供应蒸汽，蓄热罐(4)随着压力的下降，饱和水蒸发为蒸汽维持蓄热罐(4)的水位、温度和压力缓慢下降，持续提供足够质量的反应所需蒸汽，直至释热反应完成；
稳定工质温度运行模式：通过串联或并联直接接入外部热力系统的主工质管道，外部工质可全部或部分流经换热管束(3)，调整物料反应罐(1)内的水蒸气压力，使可逆化学反应的平衡温度与外部工质所需的温度一致；若工质温度异常降低，引起化学储热反应物料(2)温度降低，则化学反应自动向水合释热方向进行以维持平衡，同时加热工质；若工质温度异常升高，引起化学储热反应物料(2)温度升高，则化学反应自动向脱水吸热方向进行以维持平衡，同时冷却工质；
可调平衡运行模式：在储热时，通过低压蒸汽阀(8)的调节，降低物料反应罐(1)内的水蒸气压力，降低反应平衡温度，使化学储热反应物料(2)在更低温度下仍然发生脱水反应储热；在释热时，通过高压蒸汽阀(9)的调节，提高物料反应罐(1)内的水蒸气压力，提高反应平衡温度，使化学储热反应物料(2)在更高温度下仍然发生水合反应释热；此模式下对同一温度外部工质进行强制储热和释热。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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