基于流化床加热的固介储能系统及方法与流程

本发明涉及基于流化床加热的固介储能系统及方法，属于能量存储及利用领域。

背景技术：

近年来，风能、太阳能等可再生能源作为清洁能源越来越受到重视，其装机容量在世界各地，特别是在中国迅速增加。然而，可再生能源发电通常是不稳定的，不能满足一般用电需求，特别是在风能或太阳能占发电量很大的地区。当火力发电或核能发电量不能随着电力需求的变化而变化时，必须放弃部分风力/太阳能发电，以维持电网的稳定，因而造成了极大的能源浪费。此外，中国“三北”地区(华北、东北和西北)以热电联产机组为主，冬季供暖时，容易造成严重的“弃风”现象。而储能作为技术手段，可以有效缓解弃风限电问题，提高火电机组的灵活调峰能力，增加新能源的并网率。近年来，越来越多的研究者致力于开发新兴的储能技术。储能技术主要可分为三种：以电的形式储存，如电容器或二次电池；以机械能的形式储存，如压缩空气、抽水蓄能以及飞轮储能等；以热的形式储存，如以熔盐等作为储热介质，将太阳能、地热能、工业余热等热能储存起来。储热技术能在较低的成本下得到适中的能量密度，适合大规模储能。显热储热技术是目前较为成熟的储热方式，其发展瓶颈主要在于储热介质。成本低廉且工作温度范围广是考核储热介质的两大要素。相比于流体，储热过程中较低的换热系数是限制固体储热介质发展的一大关键问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供基于流化床加热的固介储能系统，流化床中部以下内置加热装置，同时辅以热风做流化介质，以固体颗粒作为储能介质，通过流化床加热方法，提高固体颗粒的换热效率，实现高温显热储热。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

基于流化床加热的固介储能系统，其所述系统包括加热提升室、高温储罐、换热装置和低温储罐，所述系统选用固体储热介质为储能和换热介质，所述高温储罐出口通过换热装置与所述低温储罐进口连接；所述加热提升室选用流化床加热提升装置，所述加热提升室中部以下内置有加热装置；所述加热提升室底部设置有加热布风装置，用于通入流化介质；所述加热提升室顶部设有出口与所述高温储罐进口相连；所述低温储罐设有给料装置，所述低温储罐与所述加热提升室之间设置有返料装置，所述返料装置包括依次相连的落料管、回料阀和回料管，所述低温储罐底部与落料管相连，所述回料管与所述加热提升室相连且连接口位于所述加热布风装置上方。

上述技术方案中，所述低温储罐底部设置有溢流布风装置，所述低温储罐下部一侧设置有溢流口，所述溢流口布置在所述溢流布风装置的上方一侧，所述溢流口与所述落料管相连；所述低温储罐顶部一侧设有气体排放口。

上述技术方案中，所述系统还包括气固分离器，所述气固分离器入口与所述加热提升室出口相连，所述气固分离器底部设有物料出口与所述高温储罐进口相连；所述气固分离器顶部设有气体出口分别与所述低温储罐底部和所述加热布风装置相连。

上述技术方案中，所述固体储热介质选用耐高温固体颗粒，所述耐高温固体颗粒包括沙子、碳化硅颗粒、陶瓷颗粒中的任一种或多种混合物。

上述技术方案中，所述固体储热介质还包括所述耐高温固体颗粒中添加金属粉末形成的复合耐高温固体储热介质，所述金属粉末包括铝粉、铜粉或铁粉。

上述技术方案中，所述高温储罐出口与所述换热装置之间设置有高温储罐出口阀门。

上述技术方案中，所述换热装置与所述低温储罐之间设置有换热装置出口阀门。

上述技术方案中，所述加热提升室、高温储罐、换热装置、低温储罐以及气固分离器和返料装置等壁面均设有保温材料。

上述技术方案中，所述加热装置选用电加热模块或管式换热器。

一种固介储能方法，其使用如上所述的基于流化床加热的固介储能系统，所述方法包括：

将冷态固体储热介质通过给料装置送入低温储罐，并从低温储罐底部的落料管进入回料阀，通过回料阀调节固体储热介质的流量，从回料管将固体储热介质送入加热提升室；

从加热提升室底部的加热布风装置通入热风作为流化加热介质，所述固体储热介质在加热提升室内流化加热介质的流化过程中同时被加热装置加热，成为高温固体储热介质，并在流化加热介质的夹带下从加热提升室顶部出口流出，进入高温储罐汇集并储存热量；

使高温固体储热介质从高温储罐进入换热装置，与换热装置中的工质进行间壁式换热，使工质温度升高的同时，高温固体储热介质温度降低成为低温固体储热介质，汇入低温储罐中；

继续储热时，使低温固体储热介质通过低温储罐底部的返料装置进入加热提升室，重复上述加热流程。

上述技术方案中，所述系统还包括气固分离器和返料装置；所述气固分离器入口与所述加热提升室出口相连，所述气固分离器底部设有物料出口与所述高温储罐进口相连；所述气固分离器顶部设有气体出口分别与所述低温储罐底部和所述加热提升室底部相连；所述低温储罐底部设置有溢流布风装置，所述低温储罐下部一侧设置有溢流口，所述溢流口布置在所述溢流布风装置的上方一侧，所述溢流口与所述落料管相连，所述回料管与所述加热提升室相连且连接口位于所述加热布风装置上方；所述低温储罐顶部一侧设有气体排放口；所述方法包括：

将冷态固体储热介质通过给料装置送入低温储罐汇集在其底部的溢流布风装置上；使冷态固体储热介质从溢流口落入落料管，然后依次通过回料阀和回料管进入到加热提升室下部；

从加热提升室底部的加热布风装置通入热风作为流化加热介质，所述固体储热介质在加热提升室内流化加热介质的流化过程中同时被加热装置加热，成为高温固体储热介质，并在流化加热介质的夹带下从加热提升室顶部出口流出，进入气固分离器中进行气固分离；

使气固分离下来的高温固体物料作为高温固体储热介质进入高温储罐汇集并储存热量；使气固分离后的高温气体分流成两部分，使其中的一部分高温气体通往低温储罐底部的溢流布风装置作为溢流风，另一部分高温气体通往加热提升室底部的加热布风装置作为流化加热介质；

使高温固体储热介质在高温储罐中汇集储存；

使高温固体储热介质从高温储罐进入换热装置，与换热装置中的工质进行间壁式换热，使工质温度升高的同时，高温固体储热介质温度降低成为低温固体储热介质，汇入低温储罐中；

继续储热时，使低温固体储热介质在从低温储罐底部的溢流布风装置通入的溢流风作用下，从溢流口落入落料管，然后依次通过回料阀和回料管进入到加热提升室下部，重复上述加热过程。

上述技术方案中，通过调节高温储罐出口阀门，调节高温固体储热介质的流量使通过高温固体储热介质给入的热量大于等于所述换热装置内的工质换热携带走的热量，使高温固体储热介质和工质在所述换热装置内的换热温差恒定。

上述技术方案中，所述回料阀底部设置有松动风管，用于通入松动风。

上述技术方案中，所述固体储热介质选用耐温800～1000℃的耐高温固体颗粒，所述耐高温固体颗粒包括沙子、碳化硅颗粒、陶瓷颗粒中的任或多种混合物。

本发明具有以下优点及有益效果：1)基于电网负荷与实际发电量之间的不匹配关系，可将过剩能量以多种形式，如电能或者热能形式输入储能系统，并以热能形式转移到沙子等耐高温固体颗粒中进行存储，提高风电消纳能力，缓解弃风现象；2)由于沙子等耐高温固体颗粒的工作范围较大，可实现高品位热能存储，利用存储了热量的固体颗粒加热空气或水等介质，又可应用于工业生产中；3)选用合适的固体颗粒做储热介质，如沙子，不仅是优良的储热介质，而且易获得，成本低廉，耐高温；4)利用流化床的加热方式，将传统的导热形式改为流化床中的对流换热的形式，增强了固体颗粒的换热能力，解决了沙子等固体颗粒导热系数较低的问题，将沙子等固体颗粒快速加热至高温。

附图说明

图1为本发明所涉及其中一种实施方式的基于流化床加热的固介储能系统示意图。

图2为本发明所涉及另一种实施方式的基于流化床加热的固介储能系统示意图。

图中：1－加热提升室；2－加热布风装置；3－气固分离器；4－高温储罐；5－高温储罐出口阀门；6－换热装置；7－换热装置出口阀门；8－低温储罐；9－溢流口；10－给料装置；11－返料装置；12－回料阀；13－溢流布风装置；14－落料管；15－回料管；16－增压风机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。

本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。

本发明是对pct/jp2018/038493(特願2017-221076)所述技术的进一步优化和改进。

如图1所示，基于流化床加热的固介储能系统，包括加热提升室1、高温储罐4、换热装置6和低温储罐8。系统以耐高温固体颗粒为储能和换热介质，包括沙子、碳化硅颗粒、陶瓷颗粒中的任一种或多种混合物，其理论最高储热温度范围为800～1000℃。还可以将在耐高温固体颗粒中添加金属粉末形成的复合耐高温固体储热介质作为固体储热介质，金属粉末包括铝粉、铜粉或铁粉。加热提升室1选用流化床加热提升装置，加热提升室1底部设置有加热布风装置2，加热布风装置2包括加热风风室和加热布风板，用于通入流化加热介质。加热提升室1顶部设有出口与高温储罐4进口相连。

高温储罐4出口通过换热装置6与低温储罐8进口连接。高温储罐4用于储存在加热提升室1中加热到预设温度的高温固体储热介质。高温储罐4出口和换热装置6出口分别设置有高温储罐出口阀门5和换热装置出口阀门7。

低温储罐8用于储存经换热装置6冷却的低温固体颗粒，同时给加热提升室1中提供低温固体颗粒。低温储罐8顶部一侧设有给料装置10，另一侧还设有气体排放口。系统启动或者运行过程中有损耗时，从给料装置10向低温储罐中连续提供冷态固体储热介质，以保持低温储罐8中床料高度恒定。低温储罐8与加热提升室1之间设置有返料装置11，返料装置11包括依次相连的落料管14、回料阀12和回料管15。通过控制进入返料装置11中的压缩空气的流量，可以调节系统的返料流率。

其中一种实施方式如图1所示，低温储罐8底部连接落料管14，通过底部落料，与回料阀12和回料管15与加热提升室1下部连接。回料管15出口位于加热布风板上方。

另一种实施方式如图2所示，低温储罐8下部设置有溢流口9，低温储罐8通过溢流口9连通管和落料管14相连，然后通过回料阀12和回料管15回到加热提升室1下部，位于加热布风板上方。

此时，低温储罐8底部设置有溢流布风装置13，溢流口9布置在溢流布风装置13的上方一侧。

进一步的改进方案中，系统还包括气固分离器3，气固分离器3入口与加热提升室1出口相连，气固分离器3底部设有物料出口与高温储罐4进口相连，气固分离器3顶部设有气体出口，且分别通过连接管与低温储罐8底部和加热提升室1底部相连。气固分离器3用于分离高温气体和高温固体颗粒，并将捕集得到的高温固体颗粒作为高温固体储热介质送入高温储罐4中储存。气固分离后的高温气体分别用作低温储罐8的溢流风和加热提升室1的流化加热介质。气固分离器3的设计参数依据固体储热介质颗粒的直径参数、风速等选定。

加热提升室1内设置有加热装置。由于本储能系统主要用于风能、太阳能或其它可再生能源单独发电或与火电联产过程的能量调节，系统电能或者蒸汽富裕的时候启动本储能系统加热储热。因此，加热装置选用电加热模块或管式换热器，管式换热器内可以通入蒸汽或高温气体作为工质与固体储热介质进行间壁式加热。电加热模块和管式换热器均可布置在加热提升室1内，通常设置在加热提升室1内中部以下，且位于加热布风装置2上方。电加热模块和管式换热器均选用列管式，且通常顺列布置，便于固体储热介质在管间正常流通。在加热提升室1内设置的加热装置之外，还可以进一步在加热提升室1外设置热风换热器，将作为流化加热介质的气体(包括空气和/或循环气体)预先加热后再通入加热布风装置2。系统还包括增压风机16，用于提升用作流化加热介质的高温气体的压力。

所述固介储能系统有加热和放热两种工作模式。

在系统开始运行前，打开给料装置10，通过给料装置10向低温储罐8中给入一定容量的固体颗粒作为固体储热介质。之后通过阀门调节到合适的连续给料速率，以维持低温储罐8中床料高度稳定，从而减小系统压力波动。

在低温固体储热介质被加热至高温后，高温气固两相流沿着加热提升室1进入到气固分离器3中进行分离。高温固体颗粒作为高温固体储热介质进入到高温储罐4中储存。气固分离器3出口的高温气体一部分进入到低温储罐8中，与低温储罐8中的低温固体储热介质换热，预热低温固体储热介质，同时使其保持鼓泡流化状态。高温气体经换热后冷却成为低温气体从低温储罐8气体排放口排出，分离后排放。另一部分高温气体经增压风机16提升压力后进入到加热提升室1中，作为流化加热风使提升室1中的低温固体储热介质流化加热，同时回收部分热量。流化风量不足时，从加热布风装置2补充。合理调节上述两路高温气体的流量以及加热提升室1和低温储罐8的进口流量，使两者进口流量在一定值附近小范围波动，以保证系统的稳定运行。以上即为系统的加热模式。

当系统处于放热模式时，打开高温储罐出口阀门5，高温储罐4中的高温固体储热介质通过高温储罐出口阀门5进入到换热装置6中与低温介质换热。为增加换热效率，可以使高温固体储热介质在换热装置6中进行堆积。随后打开换热装置出口阀门7，使换热后的固体储热介质进入低温储罐8。根据需要，可调节高温储罐出口阀门5和换热装置出口阀门7的开度，控制固体储热介质流速，以获得所需温度的工质，工质包括水、蒸汽、导热油或空气。

还可以通过高温储罐出口阀门5控制高温固体储热介质从高温储罐4到换热装置6的流量，使给入换热装置6的热量大于等于换热工质带走的热量，进而使得在换热时间内可以保持高温固体介质和换热工质之间的换热温差恒定，实现恒温换热。

高温固体储热介质经换热工质冷却后进入到低温储罐8中。经换热装置6加热得到的高温工质进入到其他设备中工作或供往用户。

待放热模式结束时，即可进行下一轮加热循环。

通过调节加热提升室1的风速，可调整颗粒停留时间，从而调整固体颗粒或气体温度。其中一实例所选作为固体储热介质的固体颗粒粒径范围为100-300μm，流化风速为3m/s。实际的流化风速根据所用固体颗粒的粒径以及储热容量选定。

低温储罐8中的流化风速选用0.05～0.1m/s，使低温储罐8中的颗粒处于鼓泡床状态。

整个储能系统包括加热提升室1、高温储罐4、换热装置6、低温储罐8以及气固分离器3和返料装置11等外壁面均选用保温材料包裹。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。