一种采用流化过程的热化学储热系统及方法与流程

本发明属于储能领域，具体涉及一种采用流化过程的热化学储热系统及方法。

背景技术：

由可再生能源具有清洁无污染和取之不尽用之不竭等特点，近几年来可再生能源在我国能源体系中的比重日益增加，同时可再生能源的获取在时间上、空间上以及强度上存在严重的不均衡问题也越发显著。储能可以有效解决能源供需在时间、空间和强度上的不匹配问题，对支撑我国可再生能源的发展具有深远的有意义。储能的方式多种多样，目前热量储存是应用最广、价格低廉且最易实现的一种储能方式。传统的储热方式有显热储存技术和相变潜热储存技术，这两种技术的储热密度一般在100～200kj/kg，储热能力较低不利于规模化应用。热化学储热具有储热密度高、储热能量损失小、可长期储存、放热过程温度波动小等优点，近几年来获得了广泛的关注。热化学储热利用可逆热化学反应，通过热能与化学能的相互转化进行能量储存与释放。热化学吸附储热技术的储热密度可达2000kj/kg以上，其储能密度约为传统显热储存技术和相变潜热储存技术的10～20倍。

目前有70多种热化学反应体系，典型的热化学储能体系有无机氢氧化物热分解，主要是ca(oh)2/cao+h2o、mg(oh)2/mgo+h2o，碳酸化合物分解、铵盐热分解、有机物的氢化和脱氢反应等。以ca(oh)2/cao+h2o为例，储热时，固态ca(oh)2在受热发生脱水反应生成cao和h2o，将吸收的热量转化为产物cao和h2o中的化学能。放热时，将气体的h2o导入存有cao的反应器中，cao和h2o反应生成ca(oh)2，同时放出热量。但是此类热化学反应体系存在一个缺点，即无机氢氧化物体系容易出现反应物烧结的现象，从而导致反应器内床层导热性能差以及反应速度减慢，这严重制约了热化学储能系统的推广应用。

鉴于此，本发明提供了一种采用流化过程的热化学储能系统及方法，使储热及放热过程中的固体和气体处于流化的状态，增强反应物之间的传质传热，避免出现反应物烧结的现象，从而提高热化学储热系统的循环寿命。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决传统热化学储能过程中易出现的反应物烧结问题，提供一种采用流化过程的热化学储热系统及方法，采用气相反应物流化固相反应物的方法，使热化学反应在反应物流化过程中发生，从而强化传质传热和避免反应物烧结的现象发生。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种采用流化过程的热化学储热系统，包括流化床反应器1，流化床反应器1的外壳与内壳围成的受热面2，流化床反应器1内壳内的反应腔体，与流化床反应器1反应腔体底部连通的反应物料斗4，与流化床反应器1反应腔体上部连通的旋风分离器6，与旋风分离器6底部连通的生成物料斗7，通过烟气管路10与旋风分离器6顶部连通的余热换热器9，设置在流化床反应器1底部的布风器5，余热换热器9入口连通空气；

当放热时，还包括汽包11，汽包11给水入口连通给水，汽包11给水出口通过下降管3连通流化床反应器1的受热面2底部，流化床反应器1的受热面2顶部连通汽包11蒸汽入口，汽包11蒸汽出口一路连通对外供应管路，另一路通过反应气体管路12连通布风器5底部入口；余热换热器9热空气出口通过空气管路8连通布风器5底部入口；

当储热过程采用蒸汽加热的方式时，一路蒸汽出口连通流化床反应器1的受热面2顶部蒸汽入口，受热面2底部蒸汽出口连通低温蒸汽加热器13，另一路蒸汽出口连通高温蒸汽加热器14，余热换热器9热空气出口通过空气管路8依次连通低温蒸汽加热器13和高温蒸汽加热器14后再通过布风器5连通流化床反应器1反应腔体；

当储热过程采用熔盐加热的方式时，还包括熔盐加热器15，余热换热器9热空气出口通过空气管路8连通熔盐加热器15后再通过布风器5连通流化床反应器1反应腔体；

当储热过程采用空气加热的方式时，一路热空气出口通过布风器5连通流化床反应器1反应腔体，另一路热空气出口连通流化床反应器1的受热面2顶部热空气入口，流化床反应器1的受热面2底部空气出口再通过布风器5连通流化床反应器1反应腔体。

所述的储热过程，反应物在流化床反应器1内受热分解，生成的固体颗粒被旋风分离器6收集下来，进入生成物料斗7；生成的气体和加热空气的混合物从旋风分离器6上部引出，进入下一步的处理工序。

汽包11给水入口连通的给水先经过生成物料的预热或经旋风分离器出口的烟气的混热后再进入汽包11。

所述的采用流化过程的热化学储热系统的工作方法，放热时，反应物料斗4中的反应物颗粒加入流化床反应器1底部；空气经余热换热器9加热后，通过空气管路8进入布风器5；反应气体经反应气体管路12进入布风器5；反应气体与加热空气在布风器5内混合后进入流化床反应器1，使固体反应物颗粒呈流化状态，加热气体、反应气体与反应固体间的混合和传热充分，并在流化床反应器1内发生放热反应；在流化床反应器1内反应后的气固混合物进入旋风分离器6，固体生成物被旋风分离器6分离下来进入生成物料斗7，旋风分离器6将未充分反应的固体反应物送入流化床反应器1内进行循环；气体由旋风分离器6上部离开，经烟气管路10进入余热换热器9内把热量释放给空气，放热后的气体进入后续的除尘器设施；

当放热时，给水进入汽包11，沿着下降管3进入流化床反应器1的受热面2，水在受热面2内接受反应物反应释放的热量而蒸发气化，从受热面2出来的汽水混合物进入汽包11，蒸汽从汽包11的上部引出，一部分蒸汽去参与实际应用，另一部分蒸汽经反应气体管路12进入布风器5，然后进入流化床反应器1参与反应；

当储热过程采用蒸汽加热的方式时，加热用的蒸汽一部分进入流化床反应器1的受热面2中，通过受热面向反应物传热，从受热面2出来后的加热介质进入低温蒸汽加热器13中加热空气；另一部分进入高温蒸汽加热器14加热空气；空气首先进入余热换热器9内吸热，然后依次进入低温蒸汽加热器13和高温蒸汽加热器14中吸热升温，最后进入流化床反应器1内流化并加热固体反应物；

当储热过程采用熔盐加热的方式时，空气首先进入余热换热器9中吸热，再进入熔盐加热器15中吸热升温，最后进入流化床反应器1内起到流化和加热作用；

当储热过程采用空气加热的方式时，加热空气直接通过布风器5进入流化床反应器1；或分一股进入流化床反应器1的受热面2，通过受热面的辐射换热把热流传递给反应物，出来后的空气再通过布风器5进入流化床反应器1。

本发明具有以下有益效果：一种采用流化过程的热化学储热系统及方法，利用气相反应物和加热气体介质流化固相反应物的方法，使热化学反应在反应物流化过程中发生，这样既可以强化传质传热还可以避免反应物烧结的现象发生，从而提高热化学储热系统的循环寿命。此外，本发明所设计的储热过程和放热过程共用流化床反应器、旋风分离器、反应物料斗和生成物料斗等设备，能够起到降低成本、提高经济性的作用。

附图说明

图1为放热过程的热化学储热系统示意图。

图2为储热过程采用蒸汽加热方式的热化学储热系统示意图。

图3为储热过程采用熔盐加热方式的热化学储热系统示意图。

图4为储热过程采用空气加热方式的热化学储热系统示意图。

其中，1为流化床反应器、2为受热面、3为下降管、4为反应物料斗、5为布风器、6为旋风分离器、7为生成物料斗、8为空气管路、9为余热换热器、10为烟气管路、11为汽包、12为反应气体管路、13为低温蒸汽加热器、14为高温蒸汽加热器、15为熔盐加热器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，本实施例所述的一种采用流化过程的热化学储热系统及方法，储热和放热过程中的反应物均处于流化状态。为实现此功能系统中设置有流化床反应器1、反应物料斗4、旋风分离器6和生成物料斗7。

放热时，反应物料斗4中的反应物颗粒加入流化床反应器1底部；空气经余热换热器9加热后，通过空气管路8进入布风器5；反应气体经反应气体管路12进入布风器5。反应气体与加热空气在布风器5内混合后进入流化床反应器1，使固体反应物颗粒呈流化状态，加热气体、反应气体与反应固体间的混合和传热充分，并在流化床反应器1内发生放热反应。在流化床反应器1内反应后的气固混合物进入旋风分离器6，固体生成物被旋风分离器6分离下来进入生成物料斗7，旋风分离器6也可将未充分反应的固体反应物送入流化床反应器1内进行循环；气体由旋风分离器6上部离开，经烟气管路10进入余热换热器9内把热量释放给空气，放热后的气体进入后续的除尘器等设施。

反应蒸汽由水蒸发产生。给水进入汽包11，沿着下降管3进入流化床反应器1的受热面2，水在受热面2内接受反应物反应释放的热量而蒸发气化，从受热面2出来的汽水混合物进入汽包11，蒸汽从汽包11的上部引出，一部分蒸汽去参与实际应用，另一部分蒸汽经反应气体管路12进入布风器5，然后进入流化床反应器1参与反应。

如图2所示，本实施例所述的一种采用流化过程的热化学储热系统及方法，其储热过程采用蒸汽加热的方式。加热用的蒸汽一部分进入流化床反应器1的受热面2中，通过受热面向反应物传热，从受热面2出来后的加热介质进入低温蒸汽加热器13中加热空气；另一部分进入高温蒸汽加热器14加热空气。空气首先进入余热换热器9内吸热，然后依次进入低温蒸汽加热器13和高温蒸汽加热器14中吸热升温，最后进入流化床反应器1内流化并加热固体反应物。

如图3所示，本实施例所述的一种采用流化过程的热化学储热系统及方法，其储热过程采用熔盐加热的方式。空气首先进入余热换热器9中吸热，再进入熔盐加热器15中吸热升温，最后进入流化床反应器1内起到流化和加热作用。

如图4所示，本实施例所述的一种采用流化过程的热化学储热系统及方法，其储热过程采用空气加热的方式。加热空气可直接通过布风器5进入流化床反应器1；也可分一股进入受热面2通过受热面的辐射换热把热流传递给反应物，出来后的空气再通过布风器5进入流化床反应器1。

如图2、图3和图4所示，反应物在流化床反应器1内受热分解，生成的固体颗粒被旋风分离器6收集下来，进入生成物料斗7；生成的气体和加热空气的混合物从旋风分离器上部引出，进入下一步的处理工序。

作为本发明的优选实施方式，汽包11给水入口连通的给水可先经过生成物料的预热或经旋风分离器出口的烟气的混热后再进入汽包11。

本发明的具体工作过程为：

为了清楚地说明本发明的具体工作过程，下文以典型的无机氢氧化物热分解体系为例，即：

放热时，反应物料斗4中的反应物为cao，cao被加到流化床反应器1内，反应气体h2o和流化介质空气从布风器5进入流化床反应器1内起到流化cao颗粒的作用，与此同时h2o和cao在流化过程中经充分的混合和反应，生成ca(oh)2，并释放出热量。生成的ca(oh)2颗粒在旋风分离器6中被分离下来，进入生成物料斗7。剩余的气体从旋风分离器6的上部引出，经余热回收受进入下一步处理工序。反应释放的热量被流化床反应器受热面2内的水工质吸收，水因此变成汽水混合物，然后进入汽包11，分离出来的蒸汽一部分引出应用，另一部分作为反应气体通入流化床反应器1内。起流化作用的空气，首先进入余热换热器9吸收热量后再进入流化床反应器1。

储热时，反应物料斗7中的反应物的ca(oh)2，ca(oh)2颗粒在流化床反应器1内被流化和加热后分解生成cao颗粒和水蒸气，实现了热量向化学能的转化。生成的cao颗粒在旋风分离器6中被分离下来，进入生成物料斗7。剩余的气体进入余热换热器放热后再进入下一道工序。储热过程可以采用不同的加热介质，如水蒸气、熔盐、热空气等，无论采用哪种方式进入流化床反应器流化和加热ca(oh)2颗粒的气体必须是空气或其他惰性气体，熔盐和水蒸气只能通过间接的方式把热量传递给反应物颗粒。