一种直接接触式高温颗粒流化蒸气发生器制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种直接接触式高温颗粒流化蒸气发生器
本专利技术涉及高温储能、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。
技术介绍
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/水蒸汽、耐高温混凝土等，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，耐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，水的高蒸汽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。 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汽发生器和过热蒸汽发生器，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。
技术实现思路
为克服现有技术的缺点和不足，本专利技术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、工质预热装置、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。 本专利技术为解决其技术问题所采用的技术方案是: 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，所述高温颗粒预储罐、高压蒸气发生器和低温颗粒预储罐在空间布置上高度依次降低，所述高温颗粒预储罐中的颗粒可依靠重力掉落至所述高压蒸气发生器内，所述高压蒸气发生器中的低温固体颗粒可依靠重力掉落至所述低温颗粒预储罐内； —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，使得从所述高温颗粒预储罐内掉落的常压高温固体颗粒在蒸气发生器本体内均匀洒落；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水口与所述液态工质预热装置的出水口连通；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，其进水口与外部供水装置连通；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。 本专利技术的直接接触式高温颗粒流化蒸气发生器，在蒸气发生的过程中，高温颗粒预储罐内的高温固体颗粒在高温阀门控制下经颗粒分流装置均匀落入高压蒸气发生器内，液态工质预热装置布置于高压蒸气发生器底部的低温颗粒层内，高压低温工质通过预热装置预热以后从液态工质喷淋装置中喷出，与高温颗粒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然后输出。在蒸气发生器内部还包括了减缓颗粒下落速度的颗粒减速装置以提高换热效果。 进一步地，整个直接接触式高温颗粒流化蒸气发生器的容器和连接管道外部均包覆保温层。 进一步地，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。 优选地，所述直接接触式高温颗粒流化蒸气发生器中设置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进口连通。即所述高温颗粒预储罐可采用多储罐设计，使得高压蒸气发生器的运行更加平稳，并且减少高温阀门开合频率，延长使用寿命。 优选地，所述直接接触式高温颗粒流化蒸气发生器，其高温颗粒预储罐和低温颗粒预储罐体积相对于所述高压蒸气发生器较小，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，高温阀门的开启不会导致高压蒸气发生器内产生大的压力波动。 优选地，所述直接接触式高温颗粒流化蒸气发生器，其高压蒸气发生器本体外壳承受高温高压，材料为如钢、钛、铝合金、陶瓷、氧化铝、耐高温混凝土等材料的一种或者至少两种的复合材料，高温颗粒预储罐外壳承受高温高压，材料为如钢、钛、铝合金、陶瓷、氧化铝、耐高温混凝土等材料的一种或者至少两种的复合材料，低温颗粒预储罐外壳承受低温高压，材料为如钢、钛、铝合金、陶瓷、氧化铝、耐高温混凝土等材料的一种或者至少两种的复合材料。 优选地，高压蒸气发生器采用耐高温高压不锈钢材料，高温颗粒预储罐采用陶瓷内衬耐高温高压不锈钢材料，低温颗粒预储罐采用预应力耐高温混凝土材料； 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。优选地，液态工质采用高压液态水。 优选地，所述固体颗粒为颗粒状耐高温固体材料如普通砂粒、陶瓷球、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，直径大小在0.0lmm至50mm。优选地，固体颗粒选用粒径为0.5mm的球形石英砂颗粒。 优选地，所述保温层为适用于高温、导热系数低的保温材料，如岩棉、珠光砂、玻璃纤维毡等其中一种或多种的混合物。 优选地，在高温颗粒预储罐、蒸气蒸气发生器、低温颗粒预储罐的外壳以及连接管道周围包覆玻璃纤维毡保温层。 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装置，所述蒸气再热装置与外部透平连通。外部透平出口低温蒸气从进口进入蒸气再热装置管道内与高压蒸气发生器顶部的高温蒸气、高温固体颗粒交换热量，再热后的高温蒸气从蒸气再热装置出口输出用于推动下一级透平做功。 优选地，所述液态工质预热装置的预热管道本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，所述高温颗粒预储罐、高压蒸气发生器和低温颗粒预储罐在空间布置上高度依次降低，所述高温颗粒预储罐中的颗粒可依靠重力掉落至所述高压蒸气发生器内，所述高压蒸气发生器中的低温固体颗粒可依靠重力掉落至所述低温颗粒预储罐内；‑‑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，使得从所述高温颗粒预储罐内掉落的常压高温固体颗粒在蒸气发生器本体内均匀洒落；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。...

【技术特征摘要】
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，所述高温颗粒预储罐、高压蒸气发生器和低温颗粒预储罐在空间布置上高度依次降低，所述高温颗粒预储罐中的颗粒可依靠重力掉落至所述高压蒸气发生器内，所述高压蒸气发生器中的低温固体颗粒可依靠重力掉落至所述低温颗粒预储罐内； --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，使得从所述高温颗粒预储罐内掉落的常压高温固体颗粒在蒸气发生器本体内均匀洒落；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，优选地，所述保温层为岩棉、珠光砂、玻璃纤维毡等其中一种或多种的混合物。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，所述高压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...

【专利技术属性】
技术研发人员：林曦鹏，王亮，陈海生，谢宁宁，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11