一种适用于钙循环储能的回转式光热煅烧装置及应用

本发明属于热化学储能的，更具体地，涉及一种适用于钙循环储能的回转式光热煅烧装置及应用。

背景技术：

1、自工业革命以来，人类活动造成了以co2为首的温室气体的大量排放，不断加剧的温室效应对生态环境带来的影响逐渐凸显，对人类的存续与发展带来日益严重的威胁。在此背景下，对于实现可再生能源的高效利用成为国际社会日益关注的目标。

2、太阳能作为一种最为常见的可再生能源，对其进行有效的开发利用，能够有助于减少co2排放。太阳能的利用技术主要包括光伏发电和聚光集热发电。其中聚光太阳能发电站(concentrating solar power，csp)包含的高效、稳定的储能系统，能够克服太阳能固有的间歇性和不稳定性，实现超出日照时间、大规模、可调度的电力供应，因此具有良好的发展前景。在csp电站中，太阳辐射的能量主要通过储热介质以热量的形式储存起来，用于基本负荷发电。在目前的商业化的csp电站中，主要采用熔融盐的显热来实现太阳辐射能量的储存。然而熔融盐的工作温度较低，约为560℃，这一因素限制了csp电站的太阳能热-电效率的进一步提高。因此，可以实现中高温储能的热化学储能技术成为目前科学界关注的对象。在常见的热化学储能材料中，caco3/cao这类材料拥有较高的工作温度(约950℃)，较高的理论能量密度(约3～4gj/kg)，可以在常温下长期储存，且无毒无害，成本低廉。相比之下，熔融盐具有毒性和腐蚀性，成本高昂，而且需要在高于200℃的温度下储存以避免固化，这会带来极大的附加能耗。因此，caco3/cao储能材料的优势显而易见。

3、caco3/cao储能材料依赖钙循环过程实现对太阳能的储存与释放，其基本原理是caco3分解生成co2与cao的可逆反应：δh＝±178kj/mol。在日间，通过吸热的煅烧反应，caco3分解为cao与co2，此过程将太阳能光热转化为cao与co2中的化学能并分别储存起来。而在夜间或者需要能量时，cao与co2再进入反应器中发生碳酸化反应生成caco3并释放热量，盈余的高温co2携带反应产生的热量进入轮机中做功并发电，实现能量的利用。

4、在钙循环光热储能系统中，光热煅烧装置是实现光热转化与利用的核心部件之一。然而现有的光热煅烧装置存在诸多问题。首先，对于常规的堆积床反应器，第一，颗粒的传热和传质效果较差，颗粒内部的温度梯度较高，容易存在转化不均匀的问题；第二，对于直接接收太阳能辐射的煅烧装置，颗粒容易堆积在光学窗口上，可能导致其过热甚至损坏；第三，该反应器往往属于间歇处理的反应器类型，难以实现颗粒的连续进出料，即需要在反应完成后排出反应产物并重新装载原料，而这样会导致反应物冷却和原料加热阶段产生额外的热损失。其次，对于流化床反应器或者夹带流反应器，第一，该类型反应器往往需要通入流速较高的惰性气流，以促进颗粒的输运及搅拌，从而提高颗粒的转化率以及避免颗粒沉积并遮蔽光学窗口，但是较大的气流会增加反应器的热损失，增加反应产物的稀释度，并导致颗粒在反应器内的停留时间较短；第二，由于增强了颗粒混合和摩擦容易产生管路堵塞以及形成粉尘等问题。

5、因此，设计一套高效的光热煅烧装置对于钙循环技术的应用具有至关重要的意义。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供适用于钙循环储能的回转式光热煅烧装置即应用。该装置通过设置有传动系统，使光热煅烧炉在运行过程中发生旋转，波纹形导流挡板搅动碳酸钙颗粒，强化煅烧炉与颗粒传热，提高碳酸钙颗粒吸热分解转化率，实现物料的连续进出，具有实用性强和能量利用率高的特点。

2、为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种适用于钙循环储能的回转式光热煅烧装置，包括：光热煅烧炉和传动机构；

3、其中，所述光热煅烧炉为套管式结构，包含煅烧炉外管和煅烧炉内管；所述煅烧炉外管和所述煅烧炉内管的中间夹层填充有相变传热工质；垂直于所述煅烧炉内管的内壁面上，且于所述煅烧炉内管径向垂直方向上设置有导流挡板；所述光热煅烧炉进口端的水平高度高于所述光热煅烧炉出口端的水平高度；

4、其中，所述传动机构设置在所述煅烧炉外管的中部，用于控制光热煅烧炉进行旋转。

5、作为本发明的优选，所述传动机构包括传动大齿圈、传动小齿轮、变速箱以及电机；

6、所述传动大齿圈设置在所述煅烧炉外管的中部，所述传动小齿轮固定在水平地面上，所述传动大齿圈与所述传动小齿轮啮合；

7、所述变速箱通过传动轴与所述传动小齿轮连接，通过传动轴与所述电机连接。

8、作为本发明的优选，所述装置还包括升降机构，设置在所述设置在所述光热煅烧炉靠近进口端，用于调节所述光热煅烧炉与水平地面的角度。

9、作为本发明的优选，所述装置还包括升降机构，与所述光热煅烧炉连接设置；所述升降机构包括调节机构和支点机构；

10、所述调节机构设置在所述光热煅烧炉靠近进口端，所述支点机构设置在所述光热煅烧炉靠近出口端，用于调节所述光热煅烧炉与水平地面的角度。

11、作为本发明的优选，所述调节机构包括上轮带、上轴承托轮、电动升降底座；其中，所述上轴承托轮接触并支撑所述上轮带，所述上轴承托轮固定在所述电动升降底座上；

12、所述支点机构包括下轮带和下轴承托轮；其中，所述下轴承托轮接触并支撑所述下轮带，所述下轴承托轮固定在水平地面上。

13、作为本发明的优选，所述光热煅烧炉外管的中间区域的外表面覆盖有保温层。

14、作为本发明的优选，所述光热煅烧炉的数量为1～5节。

15、作为本发明的优选，所述相变传热工质包括金属钠、金属钾、或者金属钠与金属钾的合金中的一种。

16、作为本发明的优选，所述导流挡板为波形导流挡板或平直导流挡板；

17、所述导流挡板垂直所述煅烧炉内管14的内表面上，且沿圆周方向均匀设置；所述导流挡板的数量为n，n＝2～6，n为整数，相邻的两片所述导流挡板沿圆心方向的延长线的夹角为360/n度；所述导流挡板的轮廓线的曲率范围为0～0.75。

18、作为本发明的优选，所述装置在进口端还包括上密封装置、进料室、气体入口管路和料斗；所述气固反应器的进口端通过所述上密封装置与所述进料室连接，且所述气体入口管路和所述料斗均从所述进料室入口端连接；

19、所述装置在出口端还包括下密封装置、出料室、气体出口管路和出料口；所述气固反应器的出口端通过所述下密封装置与所述出料室连接，所述气体出口管路和所述出料口均从所述出料室出口端连接，且所述气体出口管路设置在所述出料口上方。

20、按照本发明的另一方面，如本发明第一方面所述适用于钙循环储能的回转式光热煅烧装置的应用，

21、光热煅烧炉的运行温度为800～1000℃；

22、传动机构的旋转速度为0.2～30r/min；

23、通过升降机构调节所述光热煅烧炉与水平地面的夹角为1～15°。

24、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

25、(1)在本发明中，通过设置有煅烧炉外管和煅烧炉内管的套管式结构光热煅烧炉，有效利用聚光太阳能，无需设置光学窗口，避免了颗粒沉积在光学窗口导致过热损坏的问题。并且，双管式结构增加了有效换热面面积，提升了光热利用效率，从而提升了固体物料分解反应的转化率。

26、(2)在本发明中，通过在煅烧炉外管和煅烧炉内管之间的中部位置设置相变传热工质作为热量传递载体，使煅烧炉内温度分布更加均匀。

27、(3)在本发明中，通过在光热煅烧炉内壁上设置导流挡板，在煅烧炉转动过程中搅动颗粒，促进颗粒与惰性气体接触，强化反应器与物料间的传热，使物料内部温度分布更加均匀，并且延缓颗粒的下落速度，延长颗粒在反应器内的停留时间，从而提升了固体物料分解反应的转化率。

28、(4)在本发明中，通过在煅烧炉外管的中部位置设置传动机构，使光热煅烧炉以一定速率匀速转动，进一步提高聚光太阳能的利用效率，促进煅烧炉内温度分布均匀程度。

29、(5)在本发明中，通过在连接进料室的首节光热煅烧炉的下轴承托轮底部设置有升降机构，调整光热煅烧炉与水平地面的角度，进而改变物料在煅烧炉内的下落速度以及在煅烧炉内的停留时间，从而使煅烧装置的运行工况能够灵活地根据实际情况进行调整，(如：光照条件欠佳时光热煅烧炉内温度低于最佳工况，对此可以将升降底座降低，使光热煅烧炉与水平地面所呈夹角减小，延长固体物料在煅烧炉内的留存时间，确保分解反应的充分进行)确保固体物料维持较高的分解转化率，提升了装置的整体运行效率。

30、(6)将本发明的回转式聚光太阳能煅烧装置应用于固体物料的煅烧，将太阳能作为煅烧炉的能量来源，替代传统化石燃料(如：燃煤、燃气)的使用，降低二氧化碳及其他大气污染物的产生。尤其是将回转式聚光太阳能煅烧装置应用至钙循环光热储能系统中，相比于固定床式煅烧反应器，本发明提出的装置可以实现碳酸钙颗粒的连续进料以及氧化钙颗粒的连续出料，提升了煅烧效率并减少了采用非连续煅烧方式时导致的热量损失；并且通过增加旋转和搅动的功能，促进固体物料内部温度均匀一致，加强碳酸钙颗粒与氮气的接触，使碳酸钙分解产生的二氧化碳气体及时被惰性气体携带离开煅烧炉内，提升碳酸钙颗粒的分解反应转化率，避免出现局部颗粒转化率低的问题，提升了煅烧的均匀性；另外相比于流化床式煅烧反应器，本发明提出的装置适用的固体物料颗粒尺寸更为宽泛(毫米级至厘米级)；所需气体流速更小，减少了因气流导致的热量损失；并且无须增设旋风分离器，仅依靠重力作用即可实现气固分离。