CN202442516U - 基于化学链燃烧的间接式中温太阳能热化学储能装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于化学链燃烧的间接式中温太阳能热化学储能装置，包括抛物槽式聚光镜、线聚焦强化集热管、管壳式集热反应器、集热流体调节阀、集热流体备用储罐、气-固氧化反应器、布气板，气-固换热装置、气-固分离装置和压力泵。线聚焦强化集热管、管壳式集热反应器和压力泵相连，管壳式集热反应器、回料阀和气-固氧化反应器相连，气-固氧化反应器、气-固分离装置、气-固换热装置和管壳式集热反应器相连。当无太阳能或太阳能辐照强度不足时，线聚焦强化集热管、集热流体调节阀、集热流体备用储罐、管壳式集热反应器和压力泵相连。利用本实用新型，太阳能集热以金属固体燃料形式储存，具有储能密度高、结构简单、调控灵活等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及太阳能热利用及发电技术领域，尤其涉及一种基于化学链燃烧的间接式中温太阳能热化学储能装置。
背景技术
当前，光热转化的太阳能热发电成为未来二三十年最具吸引力的太阳能技术。然而，由于太阳能能量密度低、能量的时间不连续性及空间分布的不均性的特点，在相当长一段时间内，太阳能完全替代化石燃料仍无法实现。
太阳能热化学是利用太阳热能驱动吸热化学反应，提供反应所需热量，将分散的太阳能转化为能量密度高、可储存、可运输的合成气或H2等燃料形式加以利用，通过燃料存储的方式实现了储能，解决了太阳能能流密度低、能量供给不稳定和分布不均匀的问题。
目前太阳能热化学反应器的研究多集中在800℃高温太阳能热化学反应器领域，主要有直接辐照的腔体式、多次聚光吸热反应器。它们采用直接热传递形式，可以实现高温度和高能量转换效率，更有效的利用太阳能，启动时间短，系统简单、经济，但是太阳能能流密度不均匀和局部过热将会导致催化剂失活。此外直接辐照腔体式反应器在反应器材料选择及催化剂的光学性能(如吸收率、发射率等)方面也需要特殊考虑，应用受到限制。而多次聚光吸热反应器由于目前多采用塔式聚光装置，且反应器管受热不均匀，不利于太阳能热转换、传递，对反应带来不利影响。
经对现有技术的文献检索，目前尚无基于化学链燃烧实现300℃～400℃中温太阳能热化学储能装置的报道。
实用新型内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本实用新型的目的在于提出一种基于化学链燃烧的间接式中温太阳能热化学储能装置，以解决高温太阳能热化学方面存在的集热器成本高、结构复杂、材料受限等问题，实现中温太阳能热的有效利用。
(二)技术方案
为达到上述目的，本实用新型提供了一种基于化学链燃烧的间接式中温太阳能热化学储能装置，包括抛物槽式聚光镜1、线聚焦强化集热管2和管壳式集热反应器12，以及集热流体调节阀3、集热流体备用储罐4、回料阀13、布气板25、金属氧化物储能材料、气-固分离装置20、气-固换热装置21、固体流量控制阀22、气-固氧化反应器17和压力泵7，其中：线聚焦强化集热管2的出口与管壳式集热反应器12的列管26进口相连接，集热流体在管中流动，管壳式集热反应器12的列管26出口与压力泵7的入口相连接，压力泵7的出口与线聚焦强化集热管2的入口相连接，管壳式集热反应器12循环颗粒出料口10与回料阀13的入口相连接，回料阀13的出口与气-固氧化反应器17的循环颗粒进料口14相连接，气-固氧化反应器17的气固混合物出口16与气-固分离装置20的入口相连接，气-固分离装置20的出口与气-固换热装置21的入口相连接，气-固换热装置21的出口、固体流量控制阀22与管壳式集热反应器12循环颗粒进料口9相连接。
上述方案中，所述管壳式集热反应器12内设有反应器换热列管26、布气板25、在布气板25的上面密布着布气孔29，金属氧化物储能材料填装于管壳式集热反应器12的外壳内，燃料通过布气板25进入管壳式集热反应器12内与金属氧化物储能材料发生化学反应，集热流体通过列管26为反应提供所需热量；随后在料层位差的重力作用下，管壳式集热反应器12内的固体物料经回料阀13进入气-固氧化反应器17内与经气-固换热装置21换热后的空气发生氧化反应；氧化反应产物经过气-固分离装置20分离，分离后的固体金属氧化物储能材料通过气-固换热装置21预热空气后，进入管壳式集热反应器12内参与新一轮反应。
上述方案中，当无太阳能或太阳能辐照强度不足时，管壳式集热反应器12内化学反应所需热量由集热流体备用储罐4提供，此时线聚焦强化集热管2的出口与集热流体调节阀3的进口相连接，集热流体调节阀3的出口和集热流体备用储罐4的入口相连接，集热流体备用储罐4的出口与管壳式集热反应器12的列管26的进口相连接，管壳式集热反应器12的列管26的出口与压力泵7的入口相连接，压力泵7的出口与线聚焦强化集热管2的进口相连接。
上述方案中，当太阳能辐照充足时，所述线聚焦强化集热管2、管壳式集热反应器12内的列管26、压力泵7依次相连接，构成集热流体流动环路。
上述方案中，在无太阳能或太阳能辐照强度不足的情况下，线聚焦强化集热管2、集热流体调节阀3、集热流体备用储罐4、管壳式集热反应器12内的列管26、压力泵7依次相连接，构成集热流体流动环路。
上述方案中，管壳式集热反应器12、回料阀13、气-固氧化反应器17、气-固分离装置20、气-固换热装置21、固体流量控制阀22依次相连接，构成金属氧化物储能材料的循环回路。
上述方案中，管壳式集热反应器12中的燃料使用二甲醚等替代燃料，氧载体为氧化钴、氧化铁、氧化镍等金属氧化物。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型提供的基于化学链燃烧的间接式中温太阳能热化学储能装置，太阳能集热器采用抛物槽式聚光结构，结构简单，提供300℃至400℃温度范围的热量，与高温太阳能集热器相比，制造和运行成本较低，有利于大规模的推广和应用；另外，该太阳能集热器将太阳能转化为热能的温度与反应所需要的温度匹配，实现了中温太阳能的合理利用；
2、本实用新型提供的基于化学链燃烧的间接式中温太阳能热化学储能装置，在无太阳能或太阳辐照强度不足的情况下，本实用新型中的还原反应所需热量可由集热流体备用储罐提供，确保本实用新型在无太阳能或太阳辐照强度不足的条件下的连续运行。
3、本实用新型提供的基于化学链燃烧的间接式中温太阳能热化学储能装置，太阳能集热以金属固体燃料形式储存，具有储能密度高、结构简单，变工况灵活调控，可以广泛应用太阳能热利用与发电领域。
附图说明
图1为依照本实用新型实施例的基于化学链燃烧的间接式中温太阳能热化学储能装置的示意图；
图2为图1所示的间接式中温太阳能热化学储能装置中管壳式集热反应器12的示意图；
其中，附图标记如下：
1、抛物槽式聚光镜，2、线聚焦强化集热管，3、集热流体调节阀，4、集热流体备用储罐，5、集热流体入口，6、集热流体出口，7、压力泵，8、燃料入口，9、管壳式集热反应器循环颗粒进料口，10、管壳式集热反应器循环颗粒出料口，11、管壳式集热反应器气体出口，12、管壳式集热反应器，13、回料阀，14、气-固氧化反应器循环颗粒进料口，15、空气入口，16、气-固氧化反应器气固混合物出口，17、气-固氧化反应器，18、气-固分离装置气体出口，19、气-固分离装置固体出口，20、气-固分离装置，21、气-固换热装置，22、固体流量控制阀；23、上封头，24、下封头，25、布气板，26、列管，27、外壳，28、管板，29、布气孔。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。
本实用新型提供的基于化学链燃烧的间接式中温太阳能热化学储能装置，包括抛物槽式聚光镜1、线聚焦强化集热管2和管壳式集热反应器12，以及集热流体调节阀3、集热流体备用储罐4、回料阀13、布气板25、金属氧化物储能材料、气-固分离装置20、气-固换热装置21、固体流量控制阀22、气-固氧化反应器17和压力泵7，管壳式集热反应器内氧载体储能颗粒为CoO，颗粒直径为1～2mm，燃料选用二甲醚DME，还原反应温度为350℃，反应器内二甲醚完全转化(6CoO+DME→6Co+2CO2+3H2O，ΔH＝100kJ/mol-DME)，即1mol二甲醚完全转化需吸收太阳能热100kJ，当二甲醚流量为1kmol/h时，反应所吸收的太阳能热为100800kW·h，即有100800kW·h的太阳能热转化为金属颗粒Co的化学能，此时金属氧载体蓄热量可达100800kW·h。其中：线聚焦强化集热管2的出口与管壳式集热反应器12的列管26进口相连接，集热流体在管中流动，管壳式集热反应器12的列管26出口与压力泵7的入口相连接，压力泵7的出口与线聚焦强化集热管2的入口相连接，管壳式集热反应器12循环颗粒出料口10与回料阀13的入口相连接，回料阀13的出口与气-固氧化反应器17的循环颗粒进料口14相连接，气-固氧化反应器17的气固混合物出口16与气-固分离装置20的入口相连接，气-固分离装置20的出口与气-固换热装置21的入口相连接，气-固换热装置21的出口、固体流量控制阀22与管壳式集热反应器12循环颗粒进料口9相连接。
其中，所述管壳式集热反应器12内设有反应器换热列管26、布气板25、在布气板25的上面密布着布气孔29，金属氧化物储能材料填装于管壳式集热反应器12的外壳内，燃料通过布气板25进入管壳式集热反应器12内与金属氧化物储能材料发生化学反应，集热流体通过列管26为反应提供所需热量；随后在料层位差的重力作用下，管壳式集热反应器12内的固体物料经回料阀13进入气-固氧化反应器17内与经气-固换热装置21换热后的空气发生氧化反应；氧化反应产物经过气-固分离装置20分离，分离后的固体金属氧化物储能材料通过气-固换热装置21预热空气后，进入管壳式集热反应器12内参与新一轮反应。
当无太阳能或太阳能辐照强度不足时，管壳式集热反应器12内化学反应所需热量由集热流体备用储罐4提供，此时线聚焦强化集热管2的出口与集热流体调节阀3的进口相连接，集热流体调节阀3的出口和集热流体备用储罐4的入口相连接，集热流体备用储罐4的出口与管壳式集热反应器12的列管26的进口相连接，管壳式集热反应器12的列管26的出口与压力泵7的入口相连接，压力泵7的出口与线聚焦强化集热管2的进口相连接。
当太阳能辐照充足时，所述线聚焦强化集热管2、管壳式集热反应器12内的列管26、压力泵7依次相连接，构成集热流体流动环路。
在无太阳能或太阳能辐照强度不足的情况下，线聚焦强化集热管2、集热流体调节阀3、集热流体备用储罐4、管壳式集热反应器12内的列管26、压力泵7依次相连接，构成集热流体流动环路。
管壳式集热反应器12、回料阀13、气-固氧化反应器17、气-固分离装置20、气-固换热装置21、固体流量控制阀22依次相连接，构成金属氧化物储能材料的循环回路。
本实用新型提供的基于化学链燃烧的间接式中温太阳能热化学储能装置，其工作流程分两种情况：
第一种情况，在太阳能辐照强度充足的情况下，利用抛物槽式聚光镜和线聚焦强化集热管所获得的热量为管壳式集热反应器内化学反应提供反应热，实现太阳热能向金属氧化物储能材料化学能的存储。
第二种情况，在无太阳能或太阳辐照强度不足的情况下，管壳式集热反应器内化学反应所需热量由集热流体备用储罐提供，保证了系统的连续运行。
本实用新型中，管壳式集热反应器12中的燃料使用二甲醚等替代燃料，氧载体为氧化钴等金属氧化物。
当太阳能辐照强度充足时，关闭集热流体备用储罐，线聚焦强化集热管内集热流体吸收300-400℃太阳能热量后升温变为高温传热流体，进入到管壳式集热反应器列管内为反应器内化学反应提供反应热，金属氧化物储能材料在料层位差的重力作用下经管壳式集热反应器循环颗粒出料口、回料阀进入气-固氧化反应器，与经气-固换热装置预热后的空气发生氧化反应，氧化反应产物经过气-固分离装置分离，分离后的固体金属氧化物储能材料通过气-固换热装置预热空气后，进入管壳式集热反应器内参与新一轮反应。
在无太阳能或太阳能辐照强度不足的情况下，打开集热流体调节阀，启动集热流体备用储罐，集热流体进入集热流体备用储罐吸收热量后进入到管壳式集热反应器列管内提供反应热，金属氧化物储能材料在料层位差的重力作用下经管壳式集热反应器循环颗粒出料口、回料阀进入气-固氧化反应器，与经气-固换热装置预热后的空气发生氧化反应，氧化反应产物经过气-固分离装置分离，分离后的固体金属氧化物储能材料通过气-固换热装置预热空气后，进入管壳式集热反应器内参与新一轮反应。
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于化学链燃烧的间接式中温太阳能热化学储能装置，包括抛物槽式聚光镜(1)、线聚焦强化集热管(2)和管壳式集热反应器(12)，以及集热流体调节阀(3)、集热流体备用储罐(4)、回料阀(13)、布气板(25)、金属氧化物储能材料、气-固分离装置(20)、气-固换热装置(21)、固体流量控制阀(22)、气-固氧化反应器(17)和压力泵(7)，其中：
线聚焦强化集热管(2)的出口与管壳式集热反应器(12)的列管(26)进口相连接，集热流体在管中流动，管壳式集热反应器(12)的列管出口与压力泵(7)的入口相连接，压力泵(7)的出口与线聚焦强化集热管(2)的入口相连接，管壳式集热反应器(12)循环颗粒出料口(10)与回料阀(13)的入口相连接，回料阀(13)的出口与气-固氧化反应器(17)的循环颗粒进料口(14)相连接，气-固氧化反应器(17)的气固混合物出口(16)与气-固分离装置(20)的入口相连接，气-固分离装置(20)的出口与气-固换热装置(21)的入口相连接，气-固换热装置(21)的出口、固体流量控制阀(22)与管壳式集热反应器(12)循环颗粒进料口(9)相连接。
2.根据权利要求1所述的基于化学链燃烧的间接式中温太阳能热化学储能装置，其特征在于，所述管壳式集热反应器(12)内设有反应器换热列管(26)、布气板(25)、在布气板(25)的上面密布着布气孔(29)，金属氧化物储能材料填装于管壳式集热反应器(12)的外壳内，燃料通过布气板(25)进入管壳式集热反应器(12)内与金属氧化物储能材料发生化学反应，集热流体通过列管(26)为反应提供所需热量；
随后在料层位差的重力作用下，管壳式集热反应器(12)内的固体物料经回料阀(13)进入气-固氧化反应器(17)内与经气-固换热装置(21)换热后的空气发生氧化反应；氧化反应产物经过气-固分离装置(20)分离，分离后的固体金属氧化物储能材料通过气-固换热装置(21)预热空气后，进入管壳式集热反应器(12)内参与新一轮反应。
3.根据权利要求2所述的基于化学链燃烧的间接式中温太阳能热化学储能装置，其特征在于，
当无太阳能或太阳能辐照强度不足时，管壳式集热反应器(12)内化学反应所需热量由集热流体备用储罐(4)提供，此时线聚焦强化集热管(2)的出口与集热流体调节阀(3)的进口相连接，集热流体调节阀(3)的出口和集热流体备用储罐(4)的入口相连接，集热流体备用储罐(4)的出口与管壳式集热反应器(12)的列管(26)的进口相连接，管壳式集热反应器(12)的列管(26)的出口与压力泵(7)的入口相连接，压力泵(7)的出口与线聚焦强化集热管(2)的进口相连接。
4.根据权利要求2所述的基于化学链燃烧的间接式中温太阳能热化学储能装置，其特征在于，当太阳能辐照充足时，所述线聚焦强化集热管(2)、管壳式集热反应器(12)内的列管(26)、压力泵(7)依次相连接，构成集热流体流动环路。
5.根据权利要求2所述的基于化学链燃烧的间接式中温太阳能热化学储能装置，其特征在于，在无太阳能或太阳能辐照强度不足的情况下，线聚焦强化集热管(2)、集热流体调节阀(3)、集热流体备用储罐(4)、管壳式集热反应器(12)内的列管(26)、压力泵(7)依次相连接，构成集热流体流动环路。
6.根据权利要求1所述的基于化学链燃烧的间接式中温太阳能热化学储能装置，其特征在于，管壳式集热反应器(12)、回料阀(13)、气-固氧化反应器(17)、气-固分离装置(20)、气-固换热装置(21)、固体流量控制阀(22)依次相连接，构成金属氧化物储能材料的循环回路。
7.根据权利要求1所述的基于化学链燃烧的间接式中温太阳能热化学储能装置，其特征在于，管壳式集热反应器(12)中的燃料使用替代燃料二甲醚、甲醇或乙醇，氧载体为金属氧化物氧化钴、氧化铁或氧化镍。
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