专利名称:一种直接接触式高温颗粒流化蒸气发生器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种直接接触式高温颗粒流化蒸气发生器，适合于高温储能、太阳能热发电、工业余热发电和高温化学反应储能等领域，特别是高效率、高运行温度、低成本的带储能系统的太阳能热发电领域。高温固体颗粒在重力作用下掉落，与高压蒸气发生器内喷淋的小液滴直接接触换热产生蒸气，蒸气在向上运动过程中继续与高温颗粒交换热量形成过热蒸气输出，用于热利用或推动蒸气透平做功发电。为了保持蒸气发生器内压力的稳定以及高温颗粒的连续输入，在蒸气发生器进口和出口增加高温颗粒预储罐和低温颗粒预储罐，通过周期性顺序控制阀门的开合来实现过热蒸气的平稳输出。本实用新型的直接接触式高温颗粒流化蒸气发生器具有成本低，换热温差小，换热效率高，管道磨损小等特点，可以促进高温颗粒储能技术在发电领域的应用。
【专利说明】一种直接接触式高温颗粒流化蒸气发生器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及高温储能、太阳能热发电、工业余热发电和高温化学反应储能等领域，尤其适用于颗粒流化太阳能热发电系统，是一种利用存储的高温流化颗粒与工作介质流体直接接触换热产生高压过热蒸气，并输出过热蒸气进行热利用或发电的装置。
【背景技术】
[0002]蒸气太阳能热发电技术利用太阳能集热装置(塔式、槽式或蝶式)聚集太阳光并加热吸热介质，通过换热器/蒸发器将吸热介质存储的热量传递给发电工质来进行发电。在太阳能热发电系统中为了提高热利用效率，同时也实现在晚上或者太阳辐射不足时候的持续稳定发电过程，常采用高温储热装置存储富余的热量并在需要的时候释放出来。当前的太阳能热发电技术主要吸热介质主要采用空气、水、导热油和熔融盐等，而储热材料主要为熔融盐、水/水蒸气、高温混凝土等，然而这些材料在工程应用过程中都存在各自的缺陷，如空气储能密度低，导热油成本较高且易燃，高温混凝土最高储热温度低、导热系数低且与换热管道间膨胀系数差别大，水的高蒸气压限制了其储热温度，目前已成功应用的熔融盐则存在成本高、腐蚀性强以及因熔点高导致的辅助热源热损失问题，并且在高温容易分解。在换热过程中，大多数设计都采用间接换热过程，不仅增加了系统复杂度，设备成本，同时由于换热温差大，降低了换热效率。这些储热材料和换热过程中存在的问题都制约了太阳能热发电的效率提高和大规模推广应用。
[0003]砂粒作为一种成本低廉易得、能耐1000°C以上高温、储热密度高、大规模存储结构简单的储热材料，开始引起越来越多的关注。现有技术中，比较多的涉及颗粒流化吸热器的设计，而对于如何将高温颗粒内储存的大量热量传递到发电工质上则很少涉及，多是采用目前火电技术中现有的间接接触式饱和蒸气发生器和过热蒸气发生器，其设计主要目的是用于两种流体之间的换热。而对于高度离散不连续的高温流化颗粒来说，该设计对于如何克服磨损，如何保证稳定高效运行，如何提高换热效率，如何克服离散颗粒换热带来的局部过热问题是一个很大的挑战。另外，用于流化高温颗粒的气体进一步增加了电力损耗以及能量损耗，这些因素都直接影响了高温颗粒流化技术在太阳能热发电领域的成功应用和推广。因此，专门设计一个高效稳定运行的颗粒流化蒸气发生器是非常迫切的。
【发明内容】
[0004]为克服现有技术的缺点和不足，本实用新型旨在提供一种直接接触式高温颗粒流化蒸气蒸气发生器，其带有高温颗粒预储罐、低温颗粒预储罐、高压蒸气发生器、工质预热管道、颗粒分流装置、液态工质分流器、喷淋装置、高温阀门等部件，可以将常压下大规模储存的高温颗粒在高压小容积蒸气发生器内与喷淋水直接接触换热产生过热蒸气，并从过热蒸气出口输出，从而推动蒸气透平发电或者用于其他热利用。
[0005]本实用新型为解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0006]一种直接接触式高温颗粒流化蒸气发生器，包括通过连接管道依次连接的高温颗粒预储罐、高压蒸气发生器和低温颗粒预储罐，设置在所述高温颗粒预储罐和低温颗粒预储罐的进、出口处的连接管道上均设置有用于控制高温颗粒进出的高温阀门，其特征在于，所述高压蒸气发生器包括蒸气发生器本体、颗粒分流装置、液态工质喷淋装置、液态工质预热装置和颗粒减速装置，其中，所述颗粒分流装置设置在所述蒸气发生器本体内腔顶部的颗粒进口位置处，并基本覆盖所述蒸气发生器本体的整个顶部；所述液态工质喷淋装置设置于所述蒸气发生器本体的顶部或靠近顶部的侧壁上，所述液态工质喷淋装置的进口通过液体分流装置与所述液态工质预热装置的出口连通；所述液态工质预热装置布置在所述蒸气发生器本体底部的低温颗粒层内，其进口与外部供液装置连通；所述颗粒减速装置在空间上分布在所述蒸气发生器本体的内腔中。
[0007]优选地，在高温颗粒预储罐、高压蒸气发生器、低温颗粒预储罐的外壳以及连接管道周围包覆保温层。
[0008]优选地，所述蒸气发生器本体顶部上设置过热蒸气出口，该过热蒸气出口的进气端设置过滤装置，出气端设置控制阀门。
[0009]优选地，所述直接接触式高温颗粒流化蒸气发生器中设置一个或多个高温颗粒预储罐，各所述高温颗粒预储罐的出口均通过设置有高温阀门的连接管道与所述高压蒸气发生器的一对应进口连通，各所述对应进口处均设置颗粒分流装置；或，各所述高温颗粒预储罐的出口均通过设置有高温阀门的连接管道与所述高压蒸气发生器的一共同进口连通。
[0010]优选地，所述高温颗粒预储罐和低温颗粒预储罐容积为所述高压蒸气发生器容积的50%以下。
[0011]优选地，所述高温颗粒预储罐、高压蒸气发生器本体和低温颗粒预储罐外壳材料均为钢、钛、铝合金、陶瓷、氧化铝、高温混凝土等材料的一种或者至少两种的复合材料。
[0012]优选地，所述液态工质为液态水、液态导热油、液态金属、液态熔融盐、液态二氧化碳、液态空气、液氮或化学反应液体。
[0013]优选地，所述固体颗粒为颗粒状耐高温固体材料为普通砂粒、石英砂、SiC颗粒、Al2O3颗粒、Si3N4颗粒、封装的相变颗粒、化学反应颗粒、化学催化颗粒等其中一种或至少两种的混合物。
[0014]优选地，在所述高压蒸气发生器本体内靠近顶部位置还布置有蒸气再热器，所述蒸气再热器与外部透平连通。
[0015]优选地，所述液态工质预热装置的预热管道和/或蒸气再热器的再热管道，为蛇形管、螺旋管、盘管、水平管束、垂直管束的一种或者至少两种以上的组合。
[0016]本实用新型的高温颗粒流化直接接触蒸气发生器的使用流程为:
[0017]1.在高温颗粒预储罐内和低温颗粒预储罐内为常压、蒸高压汽发生器内为高压的状态下，关闭高压蒸气发生器上方进口处的高温阀门和下方出口处的高温阀门，关闭低温预储罐底部出口处的高温阀门，打开高温颗粒预储罐顶部进口处的高温阀门，高温固体颗粒从高温颗粒进口依靠重力掉落高温预储罐内至预定高度。
[0018]2.关闭高温颗粒预储罐顶部高温阀门，从高压工质进口处向预热管道内通入高压液态工质，经过预热后的液态工质从液态工质喷淋装置中向高压蒸气发生器内喷淋。同时打开高压蒸气发生器顶部高温阀门，高温颗粒持续下落至高压蒸气发生器内，掉落的高温颗粒通过颗粒分流装置和颗粒减速装置降速并均匀洒落整个蒸气发生器内，高温固体颗粒与喷淋的工质液滴直接接触换热产生饱和蒸气，饱和蒸气在向上运动过程中进一步与顶部的高温颗粒交换热量形成过热蒸气，打开蒸气出口阀门使得蒸气通过过滤装置过滤净化后输出。部分未完全被加热为蒸气的工质液滴下落至高压蒸气发生器底部与依然高温的固体颗粒继续换热，直到完全蒸发为止，此时在高压蒸气发生器底部沉积一层温度较低但仍高于蒸气饱和温度的低温颗粒。
[0019]3.在卸料阶段，关闭高压蒸气发生器顶部高温阀门和低温颗粒预储罐底部高温阀门，打开低温颗粒预储罐顶部高温阀门，蒸气发生器底部低温颗粒层内的低温颗粒通过重力下落，存积在低温颗粒预储罐内至一定位置，然后关闭低温颗粒预储罐顶部阀门。
[0020]4.打开低温颗粒预储罐底部阀门，低温颗粒从低温颗粒预储罐内通过低温颗粒出口卸放。
[0021]本实用新型的直接接触式颗粒流化蒸气发生器具有结构简单，性能稳定，可靠性尚，效率尚，热能品味尚，特别适合于太阳能热发电系统中。米用砂粒为工质能够大幅降低储能材料成本，另外颗粒流化直接接触式换热设计能够大大减少装置体积，管道数量，减少热损失，避免局部过热发生。本实用新型为高温颗粒储能技术、工业余热发电、太阳能颗粒流化热发电技术的发展起到了非常积极的促进作用。
【附图说明】
[0022]图1为本实用新型实施例1的单高温颗粒预储罐的高温颗粒流化蒸气发生器结构示意图；
[0023]图2为本实用新型实施例2的带再热器的高温颗粒流化蒸气发生器结构示意图。
[0024]图3为本实用新型实施例3的双高温颗粒预储罐的高温颗粒流化蒸气发生器结构示意图；
[0025]图4为本实用新型实施例4的多个高温颗粒预储罐的高温颗粒流化蒸气发生器结构示意图；
[0026]图5为本实用新型实施例5的多高压蒸气发生器并联的高温颗粒流化蒸气发生器结构示意图。
【具体实施方式】
[0027]为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本实用新型进一步详细说明。
[0028]实施例1
[0029]如图1所示，为本实用新型的直接接触式高温颗粒流化蒸气发生器的基本结构，该直接接触式高温颗粒流化蒸气发生器，包括通过连接管道依次连接的高温颗粒预储罐2、高压蒸气发生器5和低温颗粒预储罐10，设置在高温颗粒预储罐2和低温颗粒预储罐10进、出口处的连接管道上均设置有用于控制高温颗粒进出的高温阀门12、13、19、20，高温颗粒预储罐2、高压蒸气发生器5和低温颗粒预储罐10在空间布置上高度依次降低，高温颗粒预储罐2中的颗粒可依靠重力掉落至高压蒸气发生器5内，高压蒸气发生器5中的低温固体颗粒可依靠重力掉落至低温颗粒预储罐10内。
[0030]高压蒸气发生器5包括蒸气发生器本体、颗粒分流装置18、液态工质喷淋装置16、液态工质预热装置7和颗粒减速装置17，颗粒分流装置18设置在蒸气发生器本体内腔顶部的颗粒进口 I位置处，并基本覆盖蒸气发生器本体的整个顶部，使得从高温颗粒预储罐2内掉落的常压高温固体颗粒在蒸气发生器5本体内均匀洒落；液态工质喷淋装置16包括多个喷嘴并置于高压蒸气发生器5本体的靠近顶部的侧壁上，各喷嘴伸入长度基本保持一致，喷淋方向为与水平位置保持一向上倾斜的角度，液态工质喷淋装置16的进口通过液体分流装置15与液态工质预热装置7的出口连通；液态工质预热装置7为多个蛇形预热管道，预热管道之间留有足够的空间供低温颗粒下落，并均匀布置在蒸气发生器5本体底部的低温颗粒层内，其进口与外部供液装置连通；颗粒减速装置17采用叉排的圆锥陶瓷阵列，在空间上分布在蒸气发生器6本体的内腔中。在高温颗粒预储罐2、高压蒸气发生器5、低温颗粒预储罐10的外壳以及连接管道周围包覆保温层14。
[0031]此实施例中，液态工质为高压液态水，采用单个高温颗粒预储罐2、单个低温颗粒预储罐10和单个高压蒸气发生器5。高压蒸气发生器5本体顶部上设置过热蒸气出口 3，其进气端设置过滤装置4，出气端设置控制阀门。
[0032]使用流程为:
[0033]1.关闭高压蒸气发生器5上方和下方管道上的高温调节阀门13、19，关闭低温颗粒预储罐底部高温阀门12，打开高温颗粒预储罐2顶部高温阀门20，高温颗粒6从高温颗粒进口 I依靠重力掉落高温颗粒预储罐2内至预定高度。
[0034]2.关闭高温颗粒预储罐2顶部高温阀门20，从液态工质进口 8处向预热管道7内通入高压液态水，经过预热后的液态水从液态工质喷淋装置16中形成液滴喷入高压蒸气发生器5。同时打开高压蒸气发生器5上方管道上的高温阀门19，高温颗粒6掉落高压蒸气发生器5内，掉落的高温颗粒6通过颗粒分流装置18和减速装置17降速并均匀洒落在整个高压蒸气发生器5内，高温颗粒6与喷淋的雾状液滴直接接触换热产生饱和蒸气，饱和蒸气在向上运动过程中进一步与顶部的高温颗粒6换热形成过热蒸气，打开蒸气出口阀门3使得过热蒸气经过滤装置4过滤净化后输出。部分未完全被加热为蒸气的水滴下落至高压蒸气发生器5底部与依然高温的颗粒6继续换热，直到完全蒸发为止，此时在高压蒸气发生器5底部沉积一层温度较低但仍高于蒸气饱和温度的低温颗粒层9。
[0035]3.在卸料阶段，打开低温颗粒预储罐10顶部高温阀门13，高压蒸气发生器5底部低温颗粒层9内的低温颗粒通过重力下落，存积在低温颗粒预储罐10内至一定位置，然后关闭低温颗粒预储罐10顶部高温阀门13。
[0036]4.打开低温颗粒预储罐10底部阀门12，低温颗粒从低温颗粒预储罐10内通过低温颗粒出口 11卸放。
[0037]实施例2
[0038]如图2所示，为本实用新型的直接接触式高温颗粒流化蒸气发生器的实施例2，为实施例1的改进，在高压蒸气发生器5本体内腔顶部增加一个或一个以上的蒸气再热器34，各级透平出口低温蒸气从再热器进口 35进入再热器管道内与高压蒸气发生器5顶部的高温蒸气/高温颗粒交换热量，再热后的高温蒸气从再热器出口 36输出用于推动下一级透平做功。
[0039]实施例3
[0040]如图3所示，为本实用新型的直接接触式高温颗粒流化蒸气发生器的实施例3，为实施例1的改进。此实施例中包括了两个高温颗粒预储罐2、23，一个高压蒸气发生器5和一个低温颗粒预储罐10。通过周期顺序开合高温阀门12、13、19、20、22、24，可以实现更为持续、平稳的过热蒸气输出，同时能够减少高温阀门的开合频率，延长使用寿命。
[0041]实施例3工作流程为:
[0042]1.关闭高温颗粒预储罐23底部高温阀门22、高温颗粒预储罐2顶部高温阀门20、低温颗粒预储罐10顶部和底部高温阀门13、12。打开高温预储罐23顶部高温阀门24，高温颗粒6从高温颗粒进口 25依靠重力掉落高温颗粒预储罐23内，同时打开高温预储罐2底部高温阀门19，高温预储罐2内高温颗粒依靠重力持续下落至高压蒸气发生器5内。高温颗粒预储罐23内存积高温颗粒达到预定高度后关闭高温阀门24 ;
[0043]2.从液态工质进口 8处向预热管道7内通入高压液态水，经过预热后的液态水从喷淋装置16中变成液滴进入蒸气发生器5，喷淋液滴与经过颗粒分流装置18分流后均匀掉落的高温颗粒6直接接触换热产生饱和蒸气，饱和蒸气在向上运动过程中进一步与顶部高温颗粒6换热形成过热蒸气，打开蒸气出口阀门3使得过热蒸气经过滤装置4过滤净化后输出。部分未完全被加热为蒸气的水滴下落至高压蒸气发生器底部与依然高温的颗粒6继续换热，直到完全蒸发为止，此时在蒸气发生器底部沉积一层温度较低但仍高于蒸气饱和温度的低温颗粒层9 ;
[0044]3.当高温颗粒预储罐2内储存的高温颗粒全部掉落后关闭高温阀门19，打开高温阀门22，高温颗粒预储罐23内的高温颗粒6开始掉落，掉落的高温颗粒通过颗粒分流装置21分流后均匀进入高压蒸气发生器5内，与喷淋的液滴换热产生饱和蒸气。饱和蒸气在向上运动过程中进一步与顶部高温颗粒换热形成过热蒸气，打开蒸气出口阀门3使得过热蒸气通过滤装置4过滤净化后输出，如此完成高压蒸气发生器5内高温颗粒的持续输入和过热蒸气的持续平稳输出。同时打开高温颗粒预储罐2、顶部高温阀门20，高温颗粒通过高温颗粒进口 I依靠重力掉落高温颗粒预储罐2内至预定高度然后关闭高温阀门20，如此完成高温颗粒的循环补充。
[0045]4.在卸料阶段，打开低温颗粒预储罐10顶部高温阀门13，高压蒸气发生器5底部低温颗粒层9内的低温颗粒通过重力下落，存积在低温颗粒预储罐10内至一定位置，然后关闭低温颗粒预储罐10顶部高温阀门13。
[0046]5.打开低温颗粒预储罐10底部高温阀门12，低温颗粒从低温颗粒预储罐10内通过低温颗粒出口 11卸放。
[0047]实施例4
[0048]如图4所示，为本实用新型的直接接触式高温颗粒流化蒸气发生器的实施例4，为实施例3的改进，有两个以上的高温颗粒预储罐，如实施例4中为三个高温颗粒预储罐2、23、28，三个高温颗粒预储罐的出口通过一个汇流器30汇集后共用一个管道连接高压蒸气发生器5内的颗粒分流装置18。该设计适用于大功率、多高温颗粒预储罐的高温颗粒流化蒸气发生器系统，可以减少高压蒸气发生器5顶部的开孔数量，增加颗粒在整个高压蒸气发生器5内分布的均勾程度。
[0049]在工作过程中，可以通过周期顺序开合高温阀门19、20、22、24、26、27实现对高压蒸气发生器5内的高温颗粒6的持续输入以及各高温颗粒预储罐2、23、28内高温颗粒的循环补充。
[0050]在工作过程中，可以为单个预储罐如高温颗粒预储罐2对高压蒸气发生器5内输入高温颗粒，其余储罐如高温颗粒预储罐23、28处于补充高温颗粒阶段和等待阶段；或者有一个以上的预储罐如高温颗粒预储罐2、23向高压蒸气发生器5内输入高温颗粒，其余预储罐如高温颗粒预储罐28处于补充颗粒和等待阶段。这样能够实现不同功率的灵活调节，降低高温阀门的开合频率并延长其使用寿命。同时多预储罐设计能够起到相互备份作用，特别是能够实现在高温流化蒸气发生器正常运行状态下对预储罐及其附件进行检修和设备更换工作。
[0051]实施例5
[0052]如图5所示，为本实用新型的直接接触式高温颗粒流化蒸气发生器的实施例5，为实施例1的改进，有两个或者两个以上的高压蒸气发生器5、31并联运行，产生的过热蒸气汇合后从高温蒸气出口阀门3输出，从而满足过热蒸气的平稳输出和满足大功率发电机组的需求，多高压蒸气发生器并联还能够起到相互备份作用。
[0053]在工作过程中，高温颗粒6通过高温颗粒进口 I后经分流器33分流后进入多个高温颗粒流化蒸气发生器如实施例4中以高温颗粒预储罐22、高压蒸气发生器31和低温颗粒预储罐32构成的高温颗粒流化蒸气发生器I和以高温颗粒预储罐2、高压蒸气发生器5和低温颗粒预储罐10构成的高温颗粒流化蒸气发生器II。高温颗粒流化蒸气发生器I和II可以单独运行或者联合运行，联合运行时可以同步运行或者异步运行。
[0054]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，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范围之内。
【权利要求】
1.一种直接接触式高温颗粒流化蒸气发生器，包括通过连接管道依次连接的高温颗粒预储罐、高压蒸气发生器和低温颗粒预储罐，设置在所述高温颗粒预储罐和低温颗粒预储罐的进、出口处的连接管道上均设置有用于控制高温颗粒进出的高温阀门，其特征在于，所述高压蒸气发生器包括蒸气发生器本体、颗粒分流装置、液态工质喷淋装置、液态工质预热装置和颗粒减速装置，其中，所述颗粒分流装置设置在所述蒸气发生器本体内腔顶部的颗粒进口位置处，并基本覆盖所述蒸气发生器本体的整个顶部；所述液态工质喷淋装置设置于所述蒸气发生器本体的顶部或靠近顶部的侧壁上，所述液态工质喷淋装置的进口通过液体分流装置与所述液态工质预热装置的出口连通；所述液态工质预热装置布置在所述蒸气发生器本体底部的低温颗粒层内，其进口与外部供液装置连通；所述颗粒减速装置在空间上分布在所述蒸气发生器本体的内腔中。2.根据权利要求1所述的直接接触式高温颗粒流化蒸气发生器，其特征在于，在高温颗粒预储罐、高压蒸气发生器、低温颗粒预储罐的外壳以及连接管道周围包覆保温层。3.根据权利要求1所述的直接接触式高温颗粒流化蒸气发生器，其特征在于，所述蒸气发生器本体顶部上设置过热蒸气出口，该过热蒸气出口的进气端设置过滤装置，出气端设置控制阀门。4.根据权利要求1所述的直接接触式高温颗粒流化蒸气发生器，其特征在于，所述直接接触式高温颗粒流化蒸气发生器中设置一个或多个高温颗粒预储罐，各所述高温颗粒预储罐的出口均通过设置有高温阀门的连接管道与所述高压蒸气发生器的一对应进口连通，各所述对应进口处均设置颗粒分流装置；或，各所述高温颗粒预储罐的出口均通过设置有高温阀门的连接管道与所述高压蒸气发生器的一共同进口连通。5.根据权利要求1所述的直接接触式高温颗粒流化蒸气发生器，其特征在于，所述高温颗粒预储罐和低温颗粒预储罐容积为所述高压蒸气发生器容积的50%以下。6.根据权利要求1所述的直接接触式高温颗粒流化蒸气发生器，其特征在于，所述液态工质为液态水、液态导热油、液态金属、液态熔融盐、液态二氧化碳、液态空气或液氮。7.根据权利要求1所述的直接接触式高温颗粒流化蒸气发生器，其特征在于，在所述高压蒸气发生器本体内靠近顶部位置还布置有蒸气再热器，所述蒸气再热器与外部透平连通。8.根据权利要求7所述的直接接触式高温颗粒流化蒸气发生器，其特征在于，所述液态工质预热装置的预热管道和/或蒸气再热器的再热管道，为蛇形管、螺旋管、盘管、水平管束或垂直管束的一种或者至少两种以上的组合。
【文档编号】F22G1-16GK204285410SQ201420588836
【发明者】林曦鹏, 王亮, 陈海生, 谢宁宁 [申请人]中国科学院工程热物理研究所