颗粒/超临界CO2流化床换热系统及其应用技术方案

本发明专利技术公开了颗粒/超临界CO2流化床换热系统及其应用。该系统包括流化床、固气分离装置和蜂窝陶瓷蓄热体，流化床设有超临界CO2管路、高温颗粒入口、第一流化风入口、高温混合气体出口；固气分离装置与高温混合气体出口相连，其固体颗粒出口与流化床相连；蜂窝陶瓷蓄热体具有高温气体入口、低温气体出口、低温空气入口和预热空气出口，预热空气出口与第一流化风入口相连，固气分离装置的高温气体出口向第一蜂窝陶瓷蓄热体和第二蜂窝陶瓷蓄热体中的其中一个供给高温气体时，通过风机向第一蜂窝陶瓷蓄热体和第二蜂窝陶瓷蓄热体中的另一个供给低温空气。采用该系统进行换热不仅能显著降低热损失，还能大幅提高颗粒/超临界CO2流化床的换热效率及效果。

Heat transfer system and its application in particle / supercritical CO2 fluidized bed

【技术实现步骤摘要】
颗粒/超临界CO2流化床换热系统及其应用
本专利技术属于高温太阳能热发电领域，具体而言，涉及颗粒/超临界CO2流化床换热系统及其应用。
技术介绍
以超临界CO2为循环做功工质高温太阳能发电系统的运行压力大于15MPa，温度高于600℃，具有高效低成本潜力，是目前国际太阳能热发电研究热点。欧盟和美国DOE从2018年启动该项技术研究计划。限于当前材料和加工技术的发展水平，直接利用太阳能加热超临界CO2进行热发电的危险系数极大，而通常引入第二介质如颗粒、熔盐等吸收聚光太阳能的高热流密度，然后对超临界CO2进行加热。固体颗粒如沙粒、陶瓷颗粒、灰粉粒等具有吸热温度高、无腐蚀、耐用和廉价等特点，因此，采用固体颗粒作为高温太阳能的热载体具有其它工质无法比拟的天然优势。美国能源局也将颗粒/超临界CO2换热器列为新一代聚光太阳能发电系统重点研发的关键部件之一。颗粒/超临界CO2换热器可分为移动床和流化床两种。移动床换热器利用颗粒的重力作用自由沉降，通过辐射和接触导热加热管内超临界CO2。但由于颗粒流速低、颗粒与超临界CO2管壁的接触面小，换热器内几乎无气流扰动，换热器内的传热系数非常低，导致相同换热量条件下所需要的换热面积较大。且此类换热器容易出现颗粒的堆积堵塞和粘结现象，上述因素很大程度上限制了此类换热器的推广应用。相比而言，颗粒流化床式换热器采用空气作为流化介质对高温颗粒进行流化，气体吸收颗粒热量变成高温气体，流化后的颗粒增加了与管壁的接触频次和面积，颗粒的流化和扰动作用破坏了管壁气体边界层，大大增加了管壁侧高温气体对流换热系数，这些因素使得颗粒携带的热量能够快速高效的传递给超临界CO2，实现超临界CO2的快速吸热升温。但颗粒流化床式换热器的缺点是排放的高温流化空气容易造成系统的热损失增大。高效回收高温流化空气的热量，降低系统热损失，提高换热效率，是颗粒/超临界CO2换热器急需解决的关键问题。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出颗粒/超临界CO2流化床换热系统及其应用，采用该系统进行换热不仅能显著降低热损失，还能大幅提高颗粒/超临界CO2流化床的换热效率及效果，对实现太阳能的高效热利用具有重要意义。根据本专利技术的第一个方面，本专利技术提出了一种颗粒/超临界CO2流化床换热系统。根据本专利技术的实施例，该系统包括：流化床，所述流化床设有超临界CO2管路、高温颗粒入口、换热后颗粒出口、第一流化风入口、高温混合气体出口，所述超临界CO2管路具有低温超临界CO2入口和高温超临界CO2出口；固气分离装置，所述固气分离装置设有高温混合气体入口、高温气体出口和固体颗粒出口，所述高温混合气体入口与所述高温混合气体出口相连，所述固体颗粒出口与所述流化床相连；蜂窝陶瓷蓄热体，所述蜂窝陶瓷蓄热体包括第一蜂窝陶瓷蓄热体和第二蜂窝陶瓷蓄热体，所述第一蜂窝陶瓷蓄热体设有第一高温气体入口、第一低温气体出口、第一低温空气入口和第一预热空气出口，所述第二蜂窝陶瓷蓄热体设有第二高温气体入口、第二低温气体出口、第二低温空气入口和第二预热空气出口，所述第一高温气体入口和所述第二高温气体入口与所述高温气体出口相连，所述第一预热空气出口和所述第二预热空气出口与所述第一流化风入口相连；其中，所述高温气体出口向所述第一蜂窝陶瓷蓄热体和所述第二蜂窝陶瓷蓄热体中的其中一个供给高温气体时，通过风机向所述第一蜂窝陶瓷蓄热体和所述第二蜂窝陶瓷蓄热体中的另一个供给低温空气。根据本专利技术上述实施例的颗粒/超临界CO2流化床换热系统，通过利用高温颗粒和流化风对超临界CO2进行间接加热，利用蜂窝陶瓷蓄热体吸收流化床排出的高温气体的热量来预热流化风，提高流化风进入流化床时的温度，进而提高流化床内的整体温度和对超临界CO2的加热效率及效果；其中，将高温气体供给至第一蜂窝陶瓷蓄热体和第二蜂窝陶瓷蓄热体中的其中一个时，向第一蜂窝陶瓷蓄热体和第二蜂窝陶瓷蓄热体中的另一个供给低温空气，从而不仅可以高效回收高温流化空气的热量，降低系统热损失，还可以使蜂窝陶瓷蓄热体的吸热和放热过程能够单独进行，实现高温气体的连续放热和低温空气的连续吸热，提高换热效率。由此，采用该系统不仅能够显著降低热损失，还能大幅提高颗粒/超临界CO2流化床的换热效率及效果，对于实现太阳能的高效热利用具有重要意义。另外，根据本专利技术上述实施例的颗粒/超临界CO2流化床换热系统还可以具有如下附加的技术特征：在本专利技术的一些实施例中，所述换热系统进一步包括第一电子气体换向阀和第二电子气体换向阀，所述第一电子气体换向阀分别与所述高温气体出口、所述第一高温气体入口和所述第二高温气体入口相连，所述第二电子气体换向阀分别与所述风机、所述第一低温空气入口和所述第二低温空气入口相连。在本专利技术的一些实施例中，所述超临界CO2管路沿着所述流化床的长度方向曲线和/或折线设置。在本专利技术的一些实施例中，所述流化床内限定有流化空间，所述超临界CO2管路的最高点不高于所述流化空间高度的2/3，最低点不低于所述流化空间高度的1/4。在本专利技术的一些实施例中，所述流化空间的上表面设有向所述流化空间下表面延伸的第一隔板，所述流化空间的下表面设有向所述流化空间上表面延伸的第二隔板，所述第一隔板和所述第二隔板交错分别；并且，所述第一隔板与所述第二隔板在所述流化床长度方向上的投影具有重叠区域，所述超临界CO2管路避开所述第一隔板和所述第二隔板设置。在本专利技术的一些实施例中，所述第一低温气体出口和所述第二低温气体出口与所述风机入口相连。在本专利技术的一些实施例中，所述换热系统进一步包括冷罐，所述冷罐设有换热后颗粒入口和颗粒出口，所述换热后颗粒入口与所述换热后颗粒出口相连。在本专利技术的一些实施例中，所述冷罐设有预热空气入口和第三预热空气出口，所述预热空气入口与所述第一预热空气出口和所述第二预热空气出口中的至少之一相连，所述第三预热空气出口与所述第一流化风入口相连。在本专利技术的一些实施例中，所述冷罐内设有预热空气管路，所述预热空气管路与所述预热空气入口和所述第三预热空气出口相连。在本专利技术的一些实施例中，所述换热系统进一步包括太阳能吸热装置，所述太阳能吸热装置设有低温颗粒入口和高温颗粒出口，所述低温颗粒入口通过提升装置与所述换热后颗粒出口或所述冷罐的颗粒出口相连，所述高温颗粒出口与所述高温颗粒入口相连。在本专利技术的一些实施例中，所述换热系统进一步包括热罐，所述高温颗粒出口通过所述热罐与所述高温颗粒入口相连；在本专利技术的一些实施例中，所述换热系统进一步包括发电装置，所述发电装置设有高温超临界CO2入口和CO2出口，所述高温超临界CO2入口与所述高温超临界CO2出口相连，所述CO2出口通过透平、回热器、冷却器和压缩机与所述低温超临界CO2入口相连。根据本专利技术的第二个方面，本专利技术提出了一种采用上述颗粒/超临界CO2流化床换热系统进行换热的方法。根据本专利技术的实施例，该方法包括：(1)将高温颗粒和流化风供给至所述流化床中对低温超临界CO2进行流化加热，以便得到高温超临界CO2、高温混合气体和换热后颗粒；(2)将所述高温混合气体供给至所述固气分离装置中进行固气分离处理，以便得到高温气体和固体颗粒；(3)将所述固体颗粒返回至所述流化床中；(4)将所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种颗粒/超临界CO2流化床换热系统，其特征在于，包括：流化床，所述流化床设有超临界CO2管路、高温颗粒入口、换热后颗粒出口、第一流化风入口、高温混合气体出口，所述超临界CO2管路具有低温超临界CO2入口和高温超临界CO2出口；固气分离装置，所述固气分离装置设有高温混合气体入口、高温气体出口和固体颗粒出口，所述高温混合气体入口与所述高温混合气体出口相连，所述固体颗粒出口与所述流化床相连；蜂窝陶瓷蓄热体，所述蜂窝陶瓷蓄热体包括第一蜂窝陶瓷蓄热体和第二蜂窝陶瓷蓄热体，所述第一蜂窝陶瓷蓄热体设有第一高温气体入口、第一低温气体出口、第一低温空气入口和第一预热空气出口，所述第二蜂窝陶瓷蓄热体设有第二高温气体入口、第二低温气体出口、第二低温空气入口和第二预热空气出口，所述第一高温气体入口和所述第二高温气体入口与所述高温气体出口相连，所述第一预热空气出口和所述第二预热空气出口与所述第一流化风入口相连；其中，所述高温气体出口向所述第一蜂窝陶瓷蓄热体和所述第二蜂窝陶瓷蓄热体中的其中一个供给高温气体时，通过风机向所述第一蜂窝陶瓷蓄热体和所述第二蜂窝陶瓷蓄热体中的另一个供给低温空气。

【技术特征摘要】
1.一种颗粒/超临界CO2流化床换热系统，其特征在于，包括：流化床，所述流化床设有超临界CO2管路、高温颗粒入口、换热后颗粒出口、第一流化风入口、高温混合气体出口，所述超临界CO2管路具有低温超临界CO2入口和高温超临界CO2出口；固气分离装置，所述固气分离装置设有高温混合气体入口、高温气体出口和固体颗粒出口，所述高温混合气体入口与所述高温混合气体出口相连，所述固体颗粒出口与所述流化床相连；蜂窝陶瓷蓄热体，所述蜂窝陶瓷蓄热体包括第一蜂窝陶瓷蓄热体和第二蜂窝陶瓷蓄热体，所述第一蜂窝陶瓷蓄热体设有第一高温气体入口、第一低温气体出口、第一低温空气入口和第一预热空气出口，所述第二蜂窝陶瓷蓄热体设有第二高温气体入口、第二低温气体出口、第二低温空气入口和第二预热空气出口，所述第一高温气体入口和所述第二高温气体入口与所述高温气体出口相连，所述第一预热空气出口和所述第二预热空气出口与所述第一流化风入口相连；其中，所述高温气体出口向所述第一蜂窝陶瓷蓄热体和所述第二蜂窝陶瓷蓄热体中的其中一个供给高温气体时，通过风机向所述第一蜂窝陶瓷蓄热体和所述第二蜂窝陶瓷蓄热体中的另一个供给低温空气。2.根据权利要求1所述的换热系统，其特征在于，进一步包括第一电子气体换向阀和第二电子气体换向阀，所述第一电子气体换向阀分别与所述高温气体出口、所述第一高温气体入口和所述第二高温气体入口相连，所述第二电子气体换向阀分别与所述风机、所述第一低温空气入口和所述第二低温空气入口相连。3.根据权利要求1或2所述的换热系统，其特征在于，所述超临界CO2管路沿着所述流化床的长度方向曲线和/或折线设置，任选地，所述流化床内限定有流化空间，所述超临界CO2管路的最高点不高于所述流化空间高度的2/3，最低点不低于所述流化空间高度的1/4，任选地，所述流化空间的上表面设有向所述流化空间下表面延伸的第一隔板，所述流化空间的下表面设有向所述流化空间上表面延伸的第二隔板，所述第一隔板和所述第二隔板交错分布；并且，所述第一隔板与所述第二隔板在所述流化床长度方向上的投影具有重叠区域，所述超临界CO2管路避开所述第一隔板和所述第二隔板设置。4.根据权利要求3所述的换热系统，其特征在于，所述第一低温气体出口和所述第二低温气体出口与所述风机入口相连。5.根据权利要求1或4所述的换热系统，其特征在于，进一步包括冷罐，所述冷罐设有...

【专利技术属性】
技术研发人员：胥蕊娜，姜培学，王超，贾梦达，祝银海，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11