一种余热回收反应锅炉系统及余热回收方法与流程

本技术涉及工业节能与储能，具体而言，涉及一种余热回收反应锅炉系统及余热回收方法。

背景技术：

1、现阶段超临界二氧化碳余热锅炉配套储热方案主要分为显热储热、熔盐相变储热两类，在工业间歇烟气余热回收场景下存在四项核心技术缺陷：

2、1.储能密度低、长时储热热损耗大：混凝土、陶瓷显热储热储能密度低于100kwh/m³，熔盐相变储热储能密度不足200kwh/m³；两类储热方式均依靠介质温度变化储存显热，长期静置散热损失严重，无法满足昼夜、跨炉次大容量长周期储能需求，且熔盐存在高温腐蚀、低温凝固老化问题。

3、2.换热器工况适应性差：传统余热锅炉换热板、翅片结构固定，当烟气温度、流速、粉尘含量大幅波动时，烟气侧换热系数显著下降；高粉尘烟气易快速积灰，换热效率持续衰减，需定期停机吹灰，降低设备连续运行时长。

4、3.热能输出品质不稳定：显热、相变储热释热过程中介质温度持续下滑，超临界二氧化碳工质出口温度波动大，下游透平发电机组长期偏离设计工况，发电效率大幅降低。

5、4.烟气co2无资源化利用路径：工业高温烟气中含大量co2组分，现有余热系统仅将烟气直接排空或配套后端碳捕集设备，余热回收环节未同步实现co2分离、就地循环复用，系统综合节能收益偏低。

6、综上，现有技术难以同时实现高密度恒温储热、全工况自适应高效换热、在线免维护清灰、烟气co2原位资源化四大目标，亟需全新一体化余热回收锅炉方案。

技术实现思路

1、本技术的目的是提供一种余热回收反应锅炉系统及余热回收方法，能够针对现有技术存在的储能密度不足、换热工况适配性差、释热温度衰减、烟气co2浪费等缺陷，实现超高密度恒温热化学储能、自适应智能换热、在线自动清灰、烟气co2原位资源化利用，提升间歇工业烟气余热回收时长与综合热效率。

2、为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种余热回收反应锅炉系统，包括：烟气预处理单元、主换热单元、自适应换热表面单元、热化学反应储能单元、工质循环回路与控制单元；

3、所述烟气预处理单元用于对进入系统的高温烟气进行除尘、co2分离与烟气组分实时监测；

4、所述主换热单元包括沿烟气流动方向依次设置的高温辐射换热室、对流换热室和尾部换热室，用于接收预处理后的烟气并加热工质；

5、所述自适应换热表面单元设置所述对流换热室内部，包括多组换热调节组件，所述换热调节组件用于动态调节烟气侧流场分布与换热系数；

6、所述热化学反应储能单元包括内置基热化学储能材料的固定床反应器，所述固定床反应器通过阀门组分别与所述主换热单元的烟气通道、工质循环回路选择性连通；所述固定床反应器包括吸热储能、放热释能两种工况，烟气余热过剩时发生吸热分解反应储存化学能，烟气余热不足时发生恒温放热反应释放热量；

7、所述工质循环回路包括超临界二氧化碳循环回路、热化学储能单元循环回路；所述换热调节组件、所述阀门组、所述烟气预处理单元的监测元件分别与所述控制单元电信号连接。

8、在可选的实施方式中，所述基热化学储能材料包括掺杂改性的金属氧化物/氢氧化物复合材料，掺杂元素包括铝、铁、硅中的至少一种，掺杂比例为1-10wt%；

9、所述固定床反应器上设置独立的烟气侧进出口、工质侧微通道进出口，所述阀门组分为第一阀门组及第二阀门组，所述固定床反应器通过所述第一阀门组与烟气通道可控连通，通过所述第二阀门组与所述超临界二氧化碳循环回路可控连通。

10、在可选的实施方式中，所述烟气预处理单元依次包括烟气入口、高温除尘器、co2分离膜组件、烟气成分在线分析仪；

11、所述co2分离膜组件分离提纯的co2分为两路输送：一路通入固定床反应器调控热化学反应气氛，另一路补入超临界二氧化碳循环回路作为循环工质补充；

12、所述烟气成分在线分析仪用于实时采集烟气co2浓度、水蒸气含量、未燃可燃组分数据并传输至控制单元。

13、在可选的实施方式中，每组所述换热调节组件包括基础换热板片、形状记忆合金驱动元件、柔性扰流翅片及压电微振动清灰装置；

14、所述基础换热板片内部开设有超临界二氧化碳微换热通道；

15、所述形状记忆合金驱动元件分区布置，相变温度设定范围为300-600℃，依据所述对流换热室烟气温度梯度分区匹配不同的相变温度；

16、所述柔性扰流翅片采用镍钛基/镍钛铜形状记忆合金制备，马氏体状态可形，奥氏体状态恢复预设导流造型；

17、所述压电微振动清灰装置包括压电陶瓷驱动器与振动传导结构，接收控制单元指令产生高频微振动，用于清除所述基础换热板片上的表面积灰。

18、在可选的实施方式中，所述控制单元内置优化算法模块，搭载模型预测控制算法；

19、所述对流换热室内布设温度传感器阵列、压差传感器；

20、所述控制单元能够根据传感器实时反馈信号，自动输出调节指令至形状记忆合金驱动元件、压电微振动清灰装置、第一阀门组、第二阀门组。

21、在可选的实施方式中，所述固定床反应器内部设置多层蜂窝状导流通道，蜂窝状导流通道的壁面负载催化涂层，用于降低热化学反应活化能、提升可逆反应速率。

22、在可选的实施方式中，所述第二阀门组具备三种切换工作模式：隔离模式、并联储能模式、串联释能模式；

23、隔离模式下，固定床反应器与超临界二氧化碳循环回路完全断开，系统以余热锅炉工况运行；

24、并联储能模式下，部分超临界二氧化碳分流进入固定床反应器协同吸热储能；

25、串联释能模式下，低温超临界二氧化碳全部流经固定床反应器吸收反应放热，再送入主换热单元二次升温。

26、第二方面，本发明提供一种余热回收方法，采用前述实施方式中任一项所述的余热回收反应锅炉系统实施，包括储能工况、释能工况、稳定直供工况三种运行模式；

27、储能工况：当烟气实时余热量大于超临界二氧化碳吸循环所需吸热量时，控制单元开启第一阀门组，分流部分高温烟气通入固定床反应器，加热基热化学储能材料发生吸热分解反应，将烟气余热转化为化学能储存；

28、释能工况：当烟气实时余热量小于超临界二氧化碳循环所需吸热量时，控制单元关闭第一阀门组、切换第二阀门组至串联模式，向固定床反应器通入水蒸气介质，与热基热化学储能材料发生恒温水合放热反应，释放热量加热超临界二氧化碳工质，补足系统热量缺口；

29、稳定直供工况：烟气实时余热量与超临界二氧化碳循环所需吸热量匹配，阀门组全部隔离，烟气全部流经主换热单元直接加热超临界二氧化碳循环发电。

30、在可选的实施方式中，在换热过程中，所述控制单元实时采集自适应换热表面单元的温度、压差传感数据，通过形状记忆合金驱动元件改变柔性扰流翅片形态，动态调节烟气湍流强度与换热阻力。

31、在可选的实施方式中，当自适应换热表面单元两侧压差超过预设阈值时，控制单元启动压电微振动清灰装置进行在线清灰。

32、相较于现有传统余热储热锅炉，本技术中的余热回收反应锅炉系统及余热回收方法，具备以下技术优势：

33、超高储能密度，适配长周期大容量储能钙基热化学储能密度可达500~1000kwh/m³，为熔盐储热5~10倍、混凝土显热储热10~20倍；化学能以化学键形式储存，静置数天无明显热损耗，可满足跨昼夜、多炉次间歇余热储存需求。

34、恒温稳定释热，保障发电设备高效运行cao/ca(oh)2可逆反应平衡温度恒定，释热阶段超临界二氧化碳出口温度无下滑，透平发电机组持续在额定设计工况运行，系统年均发电时长提升一倍以上。

35、全工况自适应智能换热，换热效率显著提升形状记忆合金翅片随烟气温度、流速自动调整流场结构，全工况综合换热系数提升20%~35%，兼顾高温强化换热、低温降低阻力双重需求。

36、在线免维护自动清灰，延长连续运行周期压电高频微振动清灰可实时清除换热表面积灰，取消定期停机吹灰工序，降低设备运维成本，提升机组年运行小时数。

37、烟气co2原位资源化利用，降低碳捕集配套投资集成烟气除尘、co2分离一体化预处理单元，分离co2既用作循环工质补充，又可调控储能反应气氛抑制副反应，实现余热回收与碳资源化同步完成。

38、材料循环稳定性强，设备使用寿命长储能材料采用铝、铁、硅掺杂改性，抑制钙基材料高温烧结、晶粒团聚，千次循环后仍保持高反应活性；反应器间壁式结构隔绝介质，无腐蚀、副产物累积风险。

39、多场景通用适配，拓展余热应用边界可用于冶金转炉间歇烟气、工业窑炉、太阳能光热发电、电网谷电储热、工业高温蒸汽供应等多种中高温余热场景，设备通用性强。

40、本技术的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。