一种梯级热化学储热系统和储热方法技术方案

本发明专利技术涉及热化学储能领域，具体涉及一种梯级热化学储热系统和储热方法，其中梯级热化学储热系统，包括：CaCO3分解炉、基于钙循环的一级热化学储能机构、基于甲烷重整的二级热化学储能机构和再循环机构；所述一级热化学储能机构包括：CaO换热炉、CaO热罐和碳酸化炉；所述二级热化学储能机构包括：甲烷重整反应器、过滤器、压缩机、合成气储罐和预热器；所述CaCO3分解炉包括：CaO排放口和CO2排放口，所述CaO排放口与所述一级热化学储能机构的CaO换热炉的CaO通道相连，所述CO2排放口与所述二级热化学储能机构的甲烷重整反应器的进口相连；所述再循环机构包括：旋风分离器和CaCO3冷罐。冷罐。冷罐。

【技术实现步骤摘要】
一种梯级热化学储热系统和储热方法


[0001]本专利技术涉及热化学储能领域，具体涉及一种梯级热化学储热系统和储热方法。

技术介绍

[0002]热化学储能相对于传统显热型储热储能的方式，其优势在于同时利用了显热及化学能储热，储能密度达到显热储能的4
‑
5倍。其中CaCO3/CaO钙循环体系由于兼顾价格和性能的原因，被大量研究用于热化学储能。
[0003]然而CaCO3/CaO储能系统尚未解决其产物的高温储存问题，CaCO3经吸热分解反应生成的CO2和CaO高达1000℃，其中气体的存储需要经压缩后存储进金属压力容器，但目前1000℃的CO2直接压缩存储是工程上无法实现的；而1000℃的CaO也对保温储罐的壁材要求很高。目前已提出的工艺方式里有通过热交换使其温度降低存储，但1000℃的换热器材料成本昂贵，且经降温后再存储的话系统储能密度大幅降低。此外亦有研究提出将生成的高温CO2直接用于布雷顿循环发电，然而也需要用到能耐1000℃的CO2透平压缩机，同样无法实现。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的，是为了解决
技术介绍
中的问题，提供一种梯级热化学储热系统，利用二级热化学反应将高温显热转化成化学能，以解决存储问题。
[0005]本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种梯级热化学储热系统，包括：CaCO3分解炉、基于钙循环的一级热化学储能机构、基于甲烷重整的二级热化学储能机构和再循环机构；所述一级热化学储能机构包括：依次连接的CaO换热炉、CaO热罐和碳酸化炉，所述CaO换热炉包括CaO通道和CH4通道，所述CaO热罐与所述CaO通道相连；所述二级热化学储能机构包括：甲烷重整反应器、过滤器、压缩机、合成气储罐和预热器，所述甲烷重整反应器、所述过滤器、所述压缩机和所述合成气储罐依次连接，所述预热器连通所述CaO换热炉的CH4通道与所述甲烷重整反应器相连；所述CaCO3分解炉包括：CaO排放口和CO2排放口，所述CaO排放口与所述一级热化学储能机构的CaO换热炉的CaO通道相连，所述CO2排放口与所述二级热化学储能机构的甲烷重整反应器的进口相连；所述再循环机构包括：旋风分离器和CaCO3冷罐，所述旋风分离器入口与所述碳酸化炉相连，其气态出口与所述预热器相连，其固态出口与所述CaCO3冷罐相连，所述CaCO3冷罐与所述CaCO3分解炉通过管道相连。
[0006]作为优选，连接甲烷重整反应器与CaCO3分解炉的CO2管道由于没有换热要求，采用耐温陶瓷管；所述的钙循环的一级热化学储能机构和再循环机构的各个主要设备内壁均采用耐火砖和隔热砖的结构，以承受钙循环颗粒的高温。
[0007]作为优选，所述CaCO3分解炉用于CaCO3的分解，且为密闭式结构，CaCO3在所述
CaCO3分解炉内部吸收光照辐射或者电加热后进行还原反应，分解成CaO及CO2。
[0008]作为优选，当选择光照作为热源时，在所述CaCO3分解炉某一面设置开口并安装石英窗，使光照可透过石英窗照射进入。
[0009]作为优选，所述CaO换热炉采用传统堆积床的形式，从底部通入CH4气体，对床层CaO颗粒床层进行吹扫，采取直接接触换热的形式。一方面固体颗粒适合接触换热，可避免在1000℃下间接换热必须采用昂贵换热材料的问题，另一方面可以将经CaCO3分解过程产生的破碎CaO颗粒吹出来，即让CH4携带CaO微粒进入甲烷重整反应器，利用CaO是甲烷重整反应的协同催化剂，实现与促进二级热化学反应储热。
[0010]作为优选，所述碳酸化炉采用传统流化床埋管的形式，管内为循环发电工质。
[0011]作为优选，所述的过滤器为多层筛网结构，用于过滤并收集气体携带的CaO颗粒。
[0012]作为优选，所述甲烷重整反应器内部为多层板片的结构，用以提供较大的反应面积，板片表面有催化剂涂层，板片间形成气体通道。
[0013]作为优选，所述二级热化学储能机构还设置有甲烷化反应炉，所述甲烷化反应炉入口与所述合成气储罐相连，所述甲烷化反应炉出口与所述碳酸化炉相连，所述甲烷化反应炉的炉膛内铺设对流换热管，管内为循环发电工质，所述甲烷化反应炉的炉底部铺有催化剂床层。
[0014]一种梯级热化学储热方法，使用上述梯级热化学储热系统，包括储能阶段、释能阶段和再循环阶段：1）所述储能阶段，包括一级热化学储能和二级热化学储能；所述一级热化学储能包括以下步骤：
①
CaCO3颗粒在所述CaCO3分解炉中吸收来源于光照辐射或电加热形式的热能后，升温至900
‑
1100℃进行分解还原反应，产物为CO2和CaO；
②
1000℃的CaO颗粒从所述CaO换热炉顶部入口落入炉腔，而另一边，经所述预热器加热至300℃的CH4，同步从CaO换热炉的底部吹扫进入炉腔，两者进行直接接触换热，换热完成后的CaO降温至800℃左右，而CH4则升温至800℃；
③
CaO颗粒进入所述CaO热罐进行储存，完成一级热化学储能（CaCO3→
CaO+CO2）；所述二级热化学储能包括以下步骤：
①
由于在系统内经历重复循环，CaCO3在所述CaCO3分解炉中分解反应时，将发生少量破碎产生一些微小的CaO细颗粒，当CH4吹扫CaO颗粒完成换热后，将携带着CaO微小颗粒，进入甲烷重整反应器；
②
由CaCO3分解得到的1000℃CO2通过CO2排放口也进入甲烷重整反应器，两种气体混合发生吸热性质的甲烷重整反应，此时CH4携带的CaO颗粒将作为甲烷重整反应的协同催化剂，与反应器内板片表层的催化剂共同作用，促进反应进行至700℃左右，反应产生的700℃CO及H2经过所述过滤器，将CaO颗粒过滤捕捉，再通过压缩机加压后存入合成气储罐，完成二级热化学储能（CH4+CO2→
2CO+2H2）；2）所述释能阶段，包括一级热化学释能和二级热化学释能；所述一级热化学释能包括以下步骤：
①
取出合成气储罐内的700℃CO和H2，从底部通入甲烷化反应炉，在炉内的催化剂床层的作用下发生放热性质的甲烷化反应，将储存的化学能释放，炉膛内换热管中的发电
工质吸收该热量后用于发电或者供暖，同时反应生成了600℃的CH4与CO2，至此完成一级热化学释能（2CO+2H2→
CH4+CO2）；所述二级热化学释能包括以下步骤：
①
将CaO热罐内的800℃CaO颗粒取出引入碳酸化炉，同时从甲烷化反应炉出来的600℃CH4与CO2气体也作为流化气进入碳酸化炉；
②
随后CO2与CaO在强烈的气流扰动作用下进行放热性质的碳酸化反应，将储存的化学能释放，炉膛内换热管中的发电工质吸收该热量后用于发电或者供暖，同时反应生成了650℃的CaCO3，至此完成二级热化学释能（CaO+CO2→
CaCO3）；3）所述再循环阶段包括以下步骤：
①
从碳酸化炉排出的CaCO3和CH4经旋风分离器的分离后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种梯级热化学储热系统，其特征在于，包括：CaCO3分解炉（1）、基于钙循环的一级热化学储能机构、基于甲烷重整的二级热化学储能机构和再循环机构；所述一级热化学储能机构包括：依次连接的CaO换热炉（2）、CaO热罐（3）和碳酸化炉（4），所述CaO换热炉（2）包括CaO通道和CH4通道，所述CaO热罐（3）与所述CaO通道相连；所述二级热化学储能机构包括：甲烷重整反应器（7）、过滤器（8）、压缩机（9）、合成气储罐（10）和预热器（12），所述甲烷重整反应器（7）、所述过滤器（8）、所述压缩机（9）和所述合成气储罐（10）依次连接，所述预热器（12）连通所述CaO换热炉（2）的CH4通道与所述甲烷重整反应器（7）相连；所述CaCO3分解炉（1）包括：CaO排放口（101）和CO2排放口（102），所述CaO排放口（101）与所述一级热化学储能机构的CaO换热炉（2）的CaO通道相连，所述CO2排放口（102）与所述二级热化学储能机构的甲烷重整反应器（7）的进口相连；所述再循环机构包括：旋风分离器（5）和CaCO3冷罐（6），所述旋风分离器（5）入口与所述碳酸化炉（4）相连，其气态出口与所述预热器（12）相连，其固态出口与所述CaCO3冷罐（6）相连，所述CaCO3冷罐（6）与所述CaCO3分解炉（1）通过管道相连。2.根据权利要求1所述的一种梯级热化学储热系统，其特征在于，所述CaCO3分解炉（1）用于CaCO3的分解，且为密闭式结构，CaCO3在所述CaCO3分解炉（1）内部吸收光照辐射或者电加热后进行还原反应，分解成CaO及CO2。3.根据权利要求2所述的一种梯级热化学储热系统，其特征在于，当选择光照作为热源时，在所述CaCO3分解炉（1）某一面设置开口并安装石英窗，使光照可透过石英窗照射进入。4.根据权利要求1所述的一种梯级热化学储热系统，其特征在于，所述CaO换热炉（2）采用传统堆积床的形式，从底部通入CH4气体，对床层CaO颗粒床层进行吹扫，采取直接接触换热的形式。5.根据权利要求1所述的一种梯级热化学储热系统，其特征在于，所述碳酸化炉（4）采用传统流化床埋管的形式，管内为循环发电工质。6.根据权利要求1所述的一种梯级热化学储热系统，其特征在于，所述的过滤器（8）为多层筛网结构，用于过滤并收集气体携带的CaO颗粒。7.根据权利要求1所述的一种梯级热化学储热系统，其特征在于，所述甲烷重整反应器（7）内部为多层板片（13）的结构，用以提供较大的反应面积，板片表面有催化剂涂层（14），板片间形成气体通道。8.根据权利要求1所述的一种梯级热化学储热系统，其特征在于，所述二级热化学储能机构还设置有甲烷化反应炉（11），所述甲烷化反应炉（11）入口与所述合成气储罐（10）相连，所述甲烷化反应炉（11）出口与所述碳酸化炉（4）相连，所述甲烷化反应炉（11）的炉膛内铺设对流换热管（15），管内为循环发电工质，所述甲烷化反应炉（11）的炉底部铺有催化剂床层（16）。9.一种梯级热化学储热方法，其特征在于，使用上述梯级热化学储热系统，包括储能阶段、释能阶段和再循环阶段：1）所述储能阶段，包括一级热化学储能和二级热化学储能；所述一级热化学储能包括以下步骤：
①
CaCO3颗粒在所述CaCO3分解炉（1）中吸收来源于光照辐射或电加热形式的热能后，升
温至900
‑
1100℃进行分解还原反应，产物为CO2和CaO；
②<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张思成，章颢缤，宓霄凌，王伊娜，周楷，
申请(专利权)人：浙江高晟光热发电技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：