CN220119931U - 热化学储热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种热化学储热系统。其包括第一氢氧化物料仓、分解反应器、第一气固分离器、第一固液换热器、氧化物料仓、加热水箱、蓄热水箱和补水管道；第一氢氧化物料仓与分解反应器连接；第一气固分离器的进料口、第一气固分离器的固相出口分别与分解反应器的出料口、第一固液换热器连接，第一气固分离器的气相出口依次与加热水箱和蓄热水箱连接；补水管道通过与第一固液换热器连接；第一固液换热器的水蒸汽出水口与加热水箱连接；第一固液换热器的出料口和氧化物料仓连接。本实用新型的系统具有较高的储热效率，并且实现长时间储能，所提供的热量容易被消纳。

Description

热化学储热系统

技术领域

本实用新型涉及一种热化学储热系统。

背景技术

随着电气化、自动化的发展，用户的用电需求逐年增加。由于可再生能源比例不断增长，电网峰谷负荷差现象也日趋严重。为了提高电网稳定性，保持电力系统平衡，在电网运行时有必要采取相应的调峰措施。常规的调峰方法包括火电机组调峰、抽水储能、压缩空气储能、固体储热和电池储能等。

纯水体蓄热有着成本低，技术难度小的优势，但同时存在着占地空间巨大，地理位置较为苛刻的劣势。同时，纯水体蓄热存在温位低，热用户单一的不足。大规模应用时，只能用来供暖或供冷。小规模使用时，可用于火电调峰，但由于储热密度不大，调峰能力相当有限。

纯气固热化学储能也存在一定的弊端。以CaO/Ca(OH)₂热化学储能体系为例，在能量储存阶段，会产生大量的高温水蒸汽，这些高温水蒸汽携带的热量占整个储能体系的近40％，而且高温水蒸汽的热能是很难直接存储的，只能考虑消纳和间接存储。而需要储能的时段，恰恰是电能过剩，能量不易消纳的时段。间接储存难度较大，直接舍弃更是会大大降低系统储热效率。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是为了克服现有技术中系统储热效率较低、无法长时间储能、能量转用效率较低的缺陷，而提供了热化学储热系统。本实用新型的系统具有较高的储热效率，并且实现长时间储能，所提供的热量容易被消纳。

本实用新型通过下述技术方案来解决上述技术问题：

本实用新型提供了一种热化学储热系统，其包括第一氢氧化物料仓、分解反应器、第一气固分离器、第一固液换热器、氧化物料仓、加热水箱、蓄热水箱和补水管道；

所述第一氢氧化物料仓与所述分解反应器连接，所述第一氢氧化物料仓用于提供氢氧化钙、氢氧化镁或氢氧化亚铁，所述分解反应器用于氢氧化钙、氢氧化镁或氢氧化亚铁分解为氧化物和水的反应；

所述第一气固分离器的进料口、所述第一气固分离器的固相出口分别与所述分解反应器的出料口、所述第一固液换热器连接，所述第一气固分离器的气相出口依次与所述加热水箱和所述蓄热水箱连接；

所述补水管道通过与所述第一固液换热器连接从而实现氧化物的间接换热；所述蓄热水箱的热水出口用于连通热量消费模块的热水输入管路，并通过所述热量消费模块的冷却水输出管路与所述第一固液换热器的补水管道连接，形成热水-冷水-热水的循环回路；

所述第一固液换热器的出水口与所述加热水箱连接，用于将所述第一固液换热器中的出水供应至所述加热水箱；所述第一固液换热器的出料口和所述氧化物料仓连接；

所述氧化物料仓用于储存氧化钙、氧化镁或氧化亚铁。

本实用新型中，较佳地，所述热量消费模块的换热管路和所述第一固液换热器的水蒸汽通道之间的管路上设有排液口；经过多次循环后，换热管路中的水质会恶化，需要排出，并补充新鲜水。

本实用新型中，所述热量消费模块为本领域常规设计，一般包括供暖系统和/或制冷系统的功率输入来源。

其中，所述制冷系统为本领域常规设计，一般包括溴化锂制冷机。

本实用新型中，较佳地，所述分解反应器包括加热器，用于为氢氧化钙、氢氧化镁或氢氧化亚铁提供分解反应的热量。

其中，所述加热器一般可与供电模块连接，所述供电模块包括风电模块、光电模块和发电模块中的一种或多种。在谷电时段，通过所述分解反应器中氢氧化物的分解反应，将电能/热能进行储存；在峰电时段，把这部分储存的热量释放出来，供给用户。

本实用新型中，较佳地，所述加热水箱与所述蓄热水箱之间的管路上设有增压泵。

本实用新型中，较佳地，所述加热水箱的进料口设有蒸汽喷射器，用于将自所述第一气固分离器的水蒸汽引入所述加热水箱中。

本实用新型中，较佳地，所述热化学储热系统还包括补水箱和补水泵，所述补水管道在与所述第一固液换热器连接之前，还通过所述补水泵与所述补水箱连接。

本实用新型中，所述热化学储热系统可与热化学放热系统连接，用于将储存于所述热化学储热系统的热量释放出来。

其中，较佳地，所述热化学放热系统包括合成反应器、第二气固分离器、第二固液换热器、第二氢氧化物料仓和冷却水管道；所述氧化物料仓与所述合成反应器的固相进料口连接；所述合成反应器还设有进水管道，用于提供合成反应所需的原料；所述合成反应器用于自所述氧化物料仓的氧化物与水的合成反应；所述合成反应器的出料口与所述第二气固分离器的进料口连接，所述第二气固分离器的水蒸汽出口与所述合成反应器连接，作为合成反应的补充原料；所述第二气固分离器的固相出口依次与所述第二固液换热器和第二氢氧化物料仓连接；所述冷却水管道依次与所述第二固液换热器、所述合成反应器连接，分别实现氢氧化物、合成反应过程的换热。

其中，较佳地，所述进水管道上设有电加热蒸汽发生器。

其中，较佳地，所述热化学放热系统还包括补水系统，所述补水系统与所述合成反应器的气相入口连接。

其中，较佳地，所述补水系统包括依次连接的生水箱、增压水泵、全自动软水器、软水箱和第二补水泵。

其中，较佳地，所述补水系统依次与所述电加热蒸汽发生器、所述合成反应器的气相入口连接。

其中，较佳地，所述热化学放热系统还包括分气缸，所述冷却水管道在与所述合成反应器连接之后，还与所述分气缸的入口端连接，所述分气缸的出口端与所述合成反应器连接，用于将经合成反应过程换热后的水蒸汽作为合成反应的补充原料。

其中，较佳地，所述分气缸的出口端设有蒸汽引射器。

其中，所述热化学放热系统可通过所述分气缸与后端的蒸汽用户连接。

其中，所述第二固液换热器可为内置或外挂的间壁式换热器。

其中，所述第二氢氧化物料仓与所述第一氢氧化物串联连接。

其中，所述第一氢氧化物料仓和所述第二氢氧化物料仓为同一个氢氧化物料仓。

其中，所述第二氢氧化物料仓直接与所述分解反应器连接。

本实用新型中，在不考虑系统散热损失的情况下，系统吸收的热量，可以分为三部分：高温氧化钙储存的热量(主要是显热)、高温水蒸汽储存的热量(主要是气化相变潜热)、储存的化学能(氢氧化钙分解过程中化学键断裂吸收的热量)；其中氧化钙储存热量和化学能都是可以长期储存的，而高温水蒸汽含有的这部分热量是很难直接存储的(因为水蒸汽是气态，体积太大，压缩储存也并不能减多少体积)。

本实用新型中，采用所述热化学储热系统进行热化学储放热的方法包括如下阶段：

储能阶段：将所述分解反应器中的氢氧化物加热至510～610℃，生成氧化物和水蒸汽，经所述第一气固分离器的气固分离后，对所述氧化物进行换热并收集，将所述水蒸汽收集于所述蓄热水箱中；

释能阶段：向所述合成反应器中加入氧化物和水蒸汽，生成氢氧化物，经所述第二气固分离器的气固分离后，对所述氢氧化物进行换热并收集，将未参与反应的水蒸汽回流至所述合成反应器中；

当所述氢氧化物为氢氧化钙时，所述氧化物为氧化钙；

当所述氢氧化物为氢氧化镁时，所述氧化物为氧化镁；

当所述氢氧化物为氢氧化亚铁时，所述氧化物为氧化亚铁。

其中，较佳地，通过将高温水蒸汽直接通入蓄热水箱的水体，使得热量和物料能同时被存储了下来，避免对这股高温水蒸汽的热能采用额外的间接存储；也解决了储能阶段，产生的高温水蒸汽难消纳的问题。

其中，较佳地，在所述储能阶段中，所述分解反应器的压力为0.08～0.3MPaG。

一优选的实施方式中，当所述分解反应器的压力为常压时，所述分解反应器的温度为510℃。

一优选的实施方式中，当所述分解反应器的压力为0.3MPaG时，所述分解反应器的温度为610℃。

其中，随着分解反应器的压力升高，分解反应温度也会随之升高。液态水很容易被加压，但水蒸汽就很难增压，增压成本极高。分解反应器带有一定压力，分解反应进行时产生的水蒸汽也就会具有相应的压力，可被直接利用。

其中，较佳地，在所述储能阶段中，进入所述第一固液换热器的氧化物的温度为610℃。

其中，较佳地，在所述储能阶段中，经过所述换热后的氧化物的温度为25℃。

其中，较佳地，在所述储能阶段中，所述蓄热水箱的水体温度为98℃。

其中，较佳地，在所述释能阶段中，所述合成反应器中的水蒸汽的温度为180℃。

其中，较佳地，在所述释能阶段中，所述合成反应器中生成的氢氧化物的温度为400-500℃。

其中，较佳地，在所述释能阶段中，所述合成反应器中的水蒸汽包括经电加热蒸汽发生器的补水系统的水蒸汽和/或分气缸的回流水蒸汽。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本实用新型各较佳实例。

本实用新型的积极进步效果在于：

1、本申请的热化学储热系统能够长时间储存热量，完全可以满足跨季节储能需求，可用于火电调峰等场合。

2、本申请的热化学储热系统可降低以水为储热介质的体积，相较于现有技术，本申请系统的用水量可减少40％-60％，并能产生高品位热。

3、采用了本申请的储热系统，仅有部分能量通过传热散失，储能过程中90％以上的能量能被储存下来或利用。

附图说明

图1为热化学储热系统和放热系统的结构示意图。

图2为对比例1的储热系统的结构示意图。

附图标记说明：

热化学储热系统1

第一氢氧化物料仓101

分解反应器102

第一气固分离器103

加热水箱104

蓄热水箱105

第一固液换热器106

氧化物料仓107

加热器108

增压泵109

补水箱110

第一补水泵111

排液口112

合成反应器201

第二气固分离器202

第二固液换热器203

第二氢氧化物料仓204

补水系统205

生水箱2051

增压水泵2052

全自动软水器2053

软水箱2054

第二补水泵2055

电加热蒸汽发生器206

分气缸207

蒸汽用户208

溴化锂制冷机301

供暖系统302

电热锅炉401

蓄热水罐402

换热器403

热用户404。

具体实施方式

下面举个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本实用新型。

实施例1

图1为热化学储热系统和放热系统的结构示意图。附图标记1为热化学储热系统，其包括第一氢氧化物料仓101、分解反应器102、第一气固分离器103、第一固液换热器106、氧化物料仓107、加热水箱104、蓄热水箱105和补水管道；

第一氢氧化物料仓101与分解反应器102连接，第一氢氧化物料仓101用于提供氢氧化钙、氢氧化镁或氢氧化亚铁，分解反应器102用于氢氧化钙、氢氧化镁或氢氧化亚铁分解为氧化物和水的反应；第一气固分离器103的进料口、第一气固分离器103的固相出口分别与分解反应器102的出料口、第一固液换热器106连接，第一气固分离器103的气相出口依次与加热水箱104和蓄热水箱105连接；补水管道通过与第一固液换热器106连接从而实现氧化物的间接换热；蓄热水箱105的热水出口用于连通热量消费模块的热水输入管路，并通过热量消费模块的冷却水输出管路与第一固液换热器106的补水管道连接，形成热水-冷水-热水的循环回路；

第一固液换热器106的出水口与加热水箱104连接，用于将第一固液换热器106中的出水供应至加热水箱104；

第一固液换热器106的出料口和氧化物料仓107连接；氧化物料仓107用于储存氧化钙、氧化镁或氧化亚铁。

分解反应器102包括加热器108，用于为氢氧化钙、氢氧化镁或氢氧化亚铁提供分解反应的热量；加热器108与供电模块连接；

加热水箱104与蓄热水箱105之间的管路上设有增压泵109；加热水箱104的内部设有蒸汽喷射器，用于将自第一气固分离器103的水蒸汽引入加热水箱104中；

热化学储能系统还包括补水箱110和第一补水泵111，补水管道依次与第一补水泵111、补水箱110连接。

热量消费模块的换热管路和第一固液换热器106的水蒸汽通道之间的管路上设有排液口112；热量消费模块包括供暖系统302和溴化锂制冷机301。

本实施例可满足能够长时间储存热量，完全可以满足跨季节储能需求；并且，可降低以水为储热介质的体积，并能产生高品位热。

应用实施例1

将实施例1中的热化学储热系统与热化学放热系统连接，用于将储存于热化学储热系统的热量释放出来。

热化学放热系统包括合成反应器201、第二气固分离器202、第二固液换热器、第二氢氧化物料仓204和冷却水管道；氧化物料仓107与合成反应器201的固相进料口连接，合成反应器201还设有进水管道，用于提供合成反应所需的原料；合成反应器201用于氧化物与水的合成反应；合成反应器201的出料口与第二气固分离器202的进料口连接，第二气固分离器202的水蒸汽出口与合成反应器201连接，作为合成反应的补充原料；第二气固分离器202的固相出口依次与第二固液换热器203和第二氢氧化物料仓204连接；冷却水管道依次与第二固液换热器203、合成反应器201连接，分别实现氢氧化物、合成反应过程的换热。

进水管道上设有电加热蒸汽发生器206；

热化学放热系统还包括补水系统205，补水系统205依次与电加热蒸汽发生器206和合成反应器201的气相入口连接；补水系统205包括依次连接的生水箱2051、增压水泵2052、全自动软水器2053、软水箱2054和第二补水泵2055。

热化学放热系统还包括分气缸207，分气缸207的入口端与冷却水管道连接，分气缸207的出口端设有蒸汽引射器；分气缸207的一出口端与合成反应器201连接，作为合成反应的补充原料；释能模块通过分气缸207与后端蒸汽用户208连接。第二氢氧化物料仓204用于储存氢氧化钙、氢氧化镁或氢氧化亚铁。

在本实施例中，将热化学储能系统布置在距离电能较近，空间较大的地方；将热化学释能系统布置在靠近热用户的地方，如工业园区内；从而实现更好的配置资源。

使用上述系统进行储放热过程包括如下阶段：

储能阶段：将分解反应器102中的氢氧化钙加热至510～610℃，生成氧化钙和水蒸汽，经第一气固分离器103的气固分离后，对氧化钙进行换热并收集，将水蒸汽收集于蓄热水箱105中；

释能阶段：向合成反应器201中加入氧化钙和水蒸汽，生成氢氧化钙，经第二气固分离器的气固分离后，对氢氧化钙进行换热并收集，将未参与反应的水蒸汽回流至合成反应器201中。

在储能阶段中，分解反应器102的压力为0.3MPaG，分解反应器的温度为610℃；进入第一固液换热器106的氧化钙的温度为610℃；经过换热后的氧化钙的温度为25℃；蓄热水箱105的水体温度为98℃。

在释能阶段中，合成反应器201中生成的氢氧化钙的温度为400-500℃；合成反应器201中的水蒸汽包括经电加热蒸汽发生器206的补水系统205的水蒸汽和/或分气缸207的回流水蒸汽。

效果实施例1

系统热效率和储热效率

系统热效率是指整个系统的热能有效利用率，即系统热效率＝系统输出热量/系统输入热量×100％；

储热效率是指系统储存的热量占整个系统输入热量的比值，即储热效率＝系统储存热量/系统输入热量*100％。

以环境温度20℃为基准，在0.3MPaG时，将氢氧化钙加热到610℃进行分解反应，分解生成610℃的氧化钙和610℃的水蒸汽；在不考虑系统散热损失的情况下，系统吸收的热量，可以分为三部分：高温氧化钙储存的热量(主要是显热)、高温水蒸汽储存的热量(主要是气化相变潜热)、储存的化学能(氢氧化钙分解过程中化学键断裂吸收的热量)，这三部分热量占系统总吸收热量比例约为20％、41％、39％；其中氧化钙储存热量(20％)和化学能(39％)都是可以长期储存的，而高温水蒸汽含有的这部分热量是很难直接存储的，只能考虑间接存储或及时消纳。

假设理想状态下，在用电加热分解氢氧化钙时，产生的610℃高温水蒸汽，恰好满足某个热用户的需求，能被完全消纳利用掉，那么此过程中热效率几乎是100％(在不考虑散热损失的情况下)，但储热效率只有59％(高温氧化钙储存热量占比+化学能占比)。若此时没有合适的热用户，产生的水蒸汽没有热用户消纳或只能部分消纳，那么系统热效率就会下降，最低至59％，而储热效率则不受影响。

由于实施例2的系统能充分储存三部分热量(氧化钙热量、水蒸汽热量、化学能)，其解决了氢氧化钙分解过程中产生的高温水蒸汽不能被及时消纳的问题，采用高温水蒸汽与补水混合形成水体蓄热，将这部分水蒸汽的热量间接储存起来。这样既能提高整个系统的储热效率，又可以避免热效率降低。

实施例2的系统的热效率和储热效率均可达到90％以上。

对比例1

图2为本对比例的储放热系统的结构示意图，该系统属于现有的一种纯水体蓄热系统，其包括电热锅炉401、蓄热水罐402和换热器403；电热锅炉401与蓄热水罐402形成一储热回路，电热锅炉401与换热器403形成第一释热回路，蓄热水罐402与换热器403形成第二释热回路，换热器403与热用户404连接。

该储放热系统利用风光弃电或电网谷电，直接驱动电热锅炉401加热热水，然后将热水储存在蓄热水罐402中(跨季储热由于水体体积庞大，也常利用天然洞穴、人工水库等做为热水载体)，从而进行储热；当需要释热时，通过换热器403将储存热水的热量传递给热用户404。换热器的高温侧95℃的一次供水换热后得到30-50℃的一次回水，换热器的低温侧60℃供水换热后得到40℃回水。

对于该对比例，若将1.32吨氢氧化钙(610℃)受热分解，会产生1吨氧化钙(610℃)和320千克水蒸汽(610℃)，该过程中系统吸收热量，即储存热量约1.7GJ。其中，产生的1吨氧化钙(610℃)可以被长时间保存；但是产生的320千克水蒸汽(610℃)，因为体积过大或压力太高，就很难被储存。

若要将这股水蒸汽转化成液态储存，即进行绝热压缩，水蒸汽会超过其临界压力；并且，压缩过程中水蒸汽温度还要升高，压缩做功还要消耗额外的高品位能量，即使这样也不能直接被压缩到液态，还需要向外放热。

当610℃蒸汽产生时，没有热用户需要，这部分热量就会散失。

效果实施例2

实施例1的系统还能产生高品位热。

另外，将实施例1的系统和对比例1的系统相比，储热水体的体积减少近40％-60％。

在CaO粉末常温储热阶段中，相较于单独的水体储热，本申请钙基与水体的复合储热中水体的体积减少40％；在高温储存510～610℃的释热阶段中，相较于单独的水体储热，本申请钙基与水体的复合储热中水体的体积减少60％。这在大规模储热时，效益非常可观。

根据热用户群体不同，可以有不同的选择方案。比如储能时长在8～10h内的，可以选择高温存储CaO；若储能时长是按月计，跨季储能，可以考虑常温存储。

现以12MW/12MWh的储热量为例：

对比例1的系统，需储热水体体积约133m³(水温由20℃升至98℃)，释能时只能提供98℃热水。

实施例1的系统，仅需储热水体81m³(CaO/Ca(OH)₂常温储存，若CaO/Ca(OH)₂选择高温储存时，储热水体体积可进一步减少至54m³)，氧化钙2.4m³。

这仅仅是蓄热功率12MW，蓄热1小时的数据。若考虑跨季储能，1天按8h蓄热，全年5个月计算(全年扣除4个月供暖季，3个月供冷季节)，若使用传统的储热工艺，则需要蓄热水体的体积为159600m³。而采用本申请的方案后，蓄热水体可减至63840m³，这在减少空间占地和投资成本方面非常可观。

Claims (6)

1.一种热化学储热系统，其特征在于，其包括第一氢氧化物料仓、分解反应器、第一气固分离器、第一固液换热器、氧化物料仓、加热水箱、蓄热水箱和补水管道；

所述第一氢氧化物料仓与所述分解反应器连接，所述第一氢氧化物料仓用于提供氢氧化钙、氢氧化镁或氢氧化亚铁，所述分解反应器用于氢氧化钙、氢氧化镁或氢氧化亚铁分解为氧化物和水的反应；

所述第一气固分离器的进料口、所述第一气固分离器的固相出口分别与所述分解反应器的出料口、所述第一固液换热器连接，所述第一气固分离器的气相出口依次与所述加热水箱和所述蓄热水箱连接；

所述补水管道通过与所述第一固液换热器连接从而实现氧化物的间接换热；所述蓄热水箱的热水出口用于连通热量消费模块的热水输入管路，并通过所述热量消费模块的冷却水输出管路与所述第一固液换热器的补水管道连接，形成热水-冷水-热水的循环回路；

所述第一固液换热器的出水口与所述加热水箱连接，用于将所述第一固液换热器中的出水供应至所述加热水箱；所述第一固液换热器的出料口和所述氧化物料仓连接；

所述氧化物料仓用于储存氧化钙、氧化镁或氧化亚铁。

2.如权利要求1所述的热化学储热系统，其特征在于，所述热量消费模块的冷却水输出管路和所述第一固液换热器的补水管道之间的管路上设有排液口。

3.如权利要求1所述的热化学储热系统，其特征在于，所述分解反应器包括加热器，用于为氢氧化钙、氢氧化镁或氢氧化亚铁提供分解反应的热量。

4.如权利要求1所述的热化学储热系统，其特征在于，所述加热水箱与所述蓄热水箱之间的管路上设有增压泵。

5.如权利要求1所述的热化学储热系统，其特征在于，所述加热水箱的进料口设有蒸汽喷射器，用于将自所述第一气固分离器的水蒸汽引入所述加热水箱中。

6.如权利要求1所述的热化学储热系统，其特征在于，所述热化学储热系统还包括补水箱和补水泵，所述补水管道在与所述第一固液换热器连接之前，还通过所述补水泵与所述补水箱连接。