一种基于钙基吸附剂的高温热化学循环储能系统及方法与流程

本发明属于储能技术领域，具体涉及一种基于钙基吸附剂的高温热化学循环储能系统及方法。

背景技术：

随着能源多能互补形式的发展及能源高效利用技术的快速发展，大力发展高效的储能技术是提升我国能源利用效率必不可少的方式。特别是，针对中低温余热利用领域，我国尚缺陷具有代表性的技术。但是，中低温余热场景可发生在生活、工业生成的各个领域，例如中低温烟气余热利用、大型配备电机设备的厂房、大型服务器、中高温厂棚等等。因此，如何高效储存中低温的热量并进行资源化利用具有广泛的应用前景，是未来储能行业发展的重要方向。

目前，根据储能原理的不同，储能技术可划分为显热储能、潜热储能及热化学储能。然而，相比其他技术，潜热储能的应用最为广泛，该领域具有代表性的技术为基于熔融盐及相变储能材料。但是，潜热储能技术具有许多确定，例如储能密度低、热损失大，因此在实际运行过程中效果并不理想。为了克服上述技术缺陷，热化学循环储能技术得到了世界各国的广泛关注，该技术具有储能密度高、热损失小、适用温度范围广的优点。目前，常用的热化学储能体系主要包括金属氧化物体系、有机体系、氧化还原体系、氨分解体系及钙基吸附剂体系。其中，钙基吸附剂体系具有廉价、来源广泛、能量密度高等优势，因此具有极高的应用前景。

然而，以往开发的基于钙基吸附剂的热化学储能工艺对于间断性储能过程与连续释能过程之间存在不匹配的现象。例如，以太阳能-储能系统为例，目前开发的大多数储能系统只能在白天进行储能，然后晚上释能，然而不能实现全天可持续的释能要求。这给基于钙基吸附剂的热化学储能技术的工程应用带来了极大的困扰。如何有效解决上述问题，是进一步推动热化学储能技术发展的关键。然而，目前国内外尚缺乏相应的专利技术。

技术实现要素：

综上所述，为克服现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于钙基吸附剂的高温热化学循环储能系统及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于钙基吸附剂的高温热化学循环储能系统，包括第一反应器、第二反应器、加热装置、饱和水蒸气输送装置、储气装置和蒸汽发电机；所述第一反应器和所述第二反应器内部分别填充有碳酸化钙基吸附剂填料和钙基吸附剂填料；所述加热装置分别连接所述第一反应器和所述第二反应器的第一入口，其不断交替向所述第一反应器和所述第二反应器输入高温介质，并煅烧分解所述第一反应器和所述第二反应器内的填料得到二氧化碳；所述第一反应器和所述第二反应器的第一出口分别连接所述储气装置的入口，其分别将得到的二氧化碳气体输送到所述储气装置内；所述饱和水蒸气输送装置分别连接所述第一反应器和所述第二反应器的第一入口，其不断交替向所述第二反应器和所述第一反应器输入饱和水蒸气，所述储气装置的出口分别连接所述第一反应器和所述第二反应器的第二入口，其不断交替向所述第二反应器和所述第一反应器输入预热后的二氧化碳气体，并且预热后的二氧化碳气体与饱和水蒸气反应得到过热蒸汽；所述第一反应器和所述第二反应器的第二出口分别连接所述蒸汽发电机，其不断交替向所述蒸汽发电机输入过热蒸汽，进而使所述蒸汽发电机持续发电。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步，还包括第一换向阀；所述加热装置连接所述第一换向阀的第一接口；

所述饱和水蒸气输送装置包括水箱、水泵和第一加热器；所述水箱的出口通过所述水泵连接所述第一加热器的出口，所述第一加热器的出口连接所述第一换向阀的第二接口；

所述第一换向阀的第三接口和第四接口分别连接所述第一反应器和所述第二反应器的第一入口，并且所述第一换向阀的第一接口和第二接口相对设置，其第三接口和第四接口相对设置，切换所述第一换向阀的状态可将其第一接口与第三接口或第四接口连通，或者将其第二接口与第三接口或第四接口连通。

进一步，所述加热装置通过输热管连接所述第一换向阀的第一接口，在所述输热管上设有第一温度计。

进一步，所述储气装置包括二氧化碳存罐和供气管；所述第一反应器和所述第二反应器的第一出口分别通过第一输气管和第二输气管连接所述二氧化碳存罐的入口，其分别将得到的二氧化碳气体输送到所述二氧化碳存罐内；所述供气管的一端连接所述二氧化碳存罐的出口，其另一端依次经鼓风机和第二加热器后分成第一支路和第二支路；所述第一支路和所述第二支路分别连接所述第一反应器和所述第二反应器的第二入口，并且所述二氧化碳存罐通过所述第一支路和所述第二支路交替向所述第一反应器和所述第二反应器输送二氧化碳。

进一步，在所述第一支路上沿着所述供气管到所述第一反应器的方向依次设有第一单向阀、第二温度计和第一流量计，在所述第二支路上沿着所述供气管到所述第二反应器的方向依次设有第二单向阀、第三温度计和第二流量计；在所述第一输气管上设有第三流量计和第三单向阀，在所述第二输气管上设有第四流量计和第四单向阀。

进一步，还包括第一输能管、第二输能管、第二换向阀和冷却介质出口；所述第一输能管一端连接所述第一反应器的第二出口，其另一端连接所述第二换向阀的第一接口；所述第二输能管的一端连接所述第二反应器的第二出口，其另一端连接所述第二换向阀的第二接口；所述第二换向阀的第三接口和第四接口分别连接所述冷却介质出口和所述蒸汽发电机；

所述第二换向阀的第一接口和第二接口相对设置，其第三接口和第四接口相对设置，切换所述第一换向阀的状态可将其第一接口与第三接口或第四接口连通，或者将其第二接口与第三接口或第四接口连通。

进一步，所述第一输能管上设有第五流量计和第四温度计，所述第二输能管上设有第六流量计和第五温度计。

上述基于钙基吸附剂的高温热化学循环储能的方法，包括如下的步骤：

步骤一，储能阶段：通过所述加热装置向所述第一反应器输入高温介质，高温介质通过间接加热的方式使所述第一反应器内的碳酸化钙基吸附剂发生煅烧分解反应，并生成氧化钙、二氧化碳及高温烟气，其中二氧化碳输入到所述储气装置内；

步骤二，释能阶段：所述储气装置内的二氧化碳预热后输送到所述第二反应器内，并通过直接接触的方法与所述第二反应器内的钙基吸附剂进行碳酸化反应生成碳酸钙且释放大量的热量；与此同时，所述饱和水蒸气输送装置向所述第二反应器内输入饱和水蒸气并与释放的热量进行换热生成过热蒸汽；然后，所述第二反应器将生成的过热蒸汽输送给所述蒸汽发电机发电，并且所述第二反应器内未反应的二氧化碳输入所述储气装置内；

步骤三，储能阶段：通过所述加热装置向所述第二反应器输入高温介质，高温介质通过间接加热的方式使所述第二反应器内的钙基吸附剂发生煅烧分解反应，并生成氧化钙、二氧化碳及高温烟气，其中二氧化碳输入到所述储气装置内；

步骤四，释能阶段：所述储气装置内的二氧化碳预热后输送到所述第一反应器内，并通过直接接触的方法与所述第一反应器内的钙基吸附剂进行碳酸化反应生成碳酸钙且释放大量的热量；与此同时，所述饱和水蒸气输送装置向所述第一反应器内输入饱和水蒸气并与释放的热量进行换热生成过热蒸汽；然后，所述第一反应器将生成的过热蒸汽输送给所述蒸汽发电机发电，并且所述第二反应器内未反应的二氧化碳输入所述储气装置内；至此，一个循环结束；

步骤五，重复步骤一至步骤四并进入下一个循环。

进一步，切换所述第一换向阀的状态可以使所述加热装置与所述第一反应器或者所述第二反应器连通，还可以使所述饱和水蒸气输送装置与所述第一反应器或者所述第二反应器连通；

切换所述第二换向阀的状态可以使所述第一输能管与所述冷却介质出口或者所述蒸汽发动机连通，还可以使所第二输能管与所述冷却介质出口或者所述蒸汽发动机连通；

所述储气装置内的二氧化碳通过所述第二加热器预热；所述水箱中的液态水通过所述第一加热器加热后形成饱和水蒸气；所述第一反应器和所述第二反应器内煅烧分解反应生成的高温烟气冷却后通过所述冷却介质出口排出。

进一步，当所述第一温度计的显示温度与所述第四温度计的显示温度的差值的绝对值低于10-100℃，且所述第二流量计与第四流量计的显示质量流量的差值的绝对值低于0-100m³/h时，切换所述第一换向阀的状态使所述加热装置和所述饱和水蒸气输送装置分别与所述第二反应器和所述第一反应器的第一入口连通，同时切换所述第二换向阀的状态使所述第一反应器和所述第二反应器的第二出口分别与所述蒸汽发电机和所述冷却介质出口连通，并且关闭所述第二单向阀，打开所述第一单向阀；

当所述第五温度计的显示温度与第一温度计的显示温度差值的绝对值低于10-100℃，且所述第一流量计与第三流量计的显示质量流量的差值的绝对值低于0-100m³/h时，切换所述第一换向阀的状态使所述加热装置和所述饱和水蒸气输送装置分别与所述第一反应器和所述第二反应器连通，同时切换所述第二换向阀的状态使所述第一反应器和所述第二反应器的第二出口分别与所述冷却介质出口和所述蒸汽发电机连通，并且打开所述第二单向阀，关闭所述第一单向阀，由此进入下一个循环。

本发明的有益效果是：通过两个反应器不断交替储能和释能，实现连续向外释能，可以有效解决间断性储能与连续释能过程之间的匹配问题，适用于高温储能技术领域。

附图说明

图1为本发明的连接示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、第一反应器，2、第二反应器，3、加热装置，4、蒸汽发电机，5、第一换向阀，6、水泵，7、第一加热器，8、第一温度计，9、二氧化碳存罐，10、鼓风机，11、第二加热器，12、第一单向阀，13、第二温度计，14、第一流量计，15、第二单向阀，16、第三温度计，17、第二流量计，18、第三流量计，19、第三单向阀，20、第四流量计，21、第四单向阀，22、第二换向阀，23、冷却介质出口，24、第五流量计，25、第四温度计，26、第六流量计，27、第五温度计，28、水箱。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种基于钙基吸附剂的高温热化学循环储能系统，包括第一反应器1、第二反应器2、加热装置3、饱和水蒸气输送装置、储气装置、蒸汽发电机4和第一换向阀5。所述第一反应器1和所述第二反应器2内部分别填充有碳酸化钙基吸附剂填料和钙基吸附剂填料。所述加热装置3分别连接所述第一反应器1和所述第二反应器2的第一入口，其不断交替向所述第一反应器1和所述第二反应器2输入高温介质，并煅烧分解所述第一反应器1和所述第二反应器2内的填料得到二氧化碳。所述第一反应器1和所述第二反应器2的第一出口分别连接所述储气装置的入口，其分别将得到的二氧化碳气体输送到所述储气装置内。所述饱和水蒸气输送装置分别连接所述第一反应器1和所述第二反应器2的第一入口，其不断交替向所述第二反应器2和所述第一反应器1输入饱和水蒸气，所述储气装置的出口分别连接所述第一反应器1和所述第二反应器2的第二入口，其不断交替向所述第二反应器2和所述第一反应器1输入预热后的二氧化碳气体，并且预热后的二氧化碳气体与饱和水蒸气反应得到过热蒸汽。所述第一反应器1和所述第二反应器2的第二出口分别连接所述蒸汽发电机4，其不断交替向所述蒸汽发电机4输入过热蒸汽，进而使所述蒸汽发电机4持续发电。

所述加热装置3连接所述第一换向阀5的第一接口。所述饱和水蒸气输送装置包括水箱28、水泵6和第一加热器7。所述水箱28的出口通过所述水泵6连接所述第一加热器7的出口，所述第一加热器7的出口连接所述第一换向阀5的第二接口。所述第一换向阀5的第三接口和第四接口分别连接所述第一反应器1和所述第二反应器2的第一入口，并且所述第一换向阀5的第一接口和第二接口相对设置，其第三接口和第四接口相对设置，切换所述第一换向阀5的状态可将其第一接口与第三接口或第四接口连通，或者将其第二接口与第三接口或第四接口连通。所述加热装置3通过输热管连接所述第一换向阀5的第一接口，在所述输热管上设有第一温度计8。

所述储气装置包括二氧化碳存罐9和供气管。所述第一反应器1和所述第二反应器2的第一出口分别通过第一输气管和第二输气管连接所述二氧化碳存罐9的入口，其分别将得到的二氧化碳气体输送到所述二氧化碳存罐9内。所述供气管的一端连接所述二氧化碳存罐9的出口，其另一端依次经鼓风机10和第二加热器11后分成第一支路和第二支路。所述第一支路和所述第二支路分别连接所述第一反应器1和所述第二反应器2的第二入口，并且所述二氧化碳存罐9通过所述第一支路和所述第二支路交替向所述第一反应器1和所述第二反应器2输送二氧化碳。在所述第一支路上沿着所述供气管到所述第一反应器1的方向依次设有第一单向阀12、第二温度计13和第一流量计14，在所述第二支路上沿着所述供气管到所述第二反应器2的方向依次设有第二单向阀15、第三温度计16和第二流量计17。在所述第一输气管上设有第三流量计18和第三单向阀19，在所述第二输气管上设有第四流量计20和第四单向阀21。

该系统还包括第一输能管、第二输能管、第二换向阀22和冷却介质出口23。所述第一输能管一端连接所述第一反应器1的第二出口，其另一端连接所述第二换向阀22的第一接口。所述第二输能管的一端连接所述第二反应器2的第二出口，其另一端连接所述第二换向阀22的第二接口。所述第二换向阀22的第三接口和第四接口分别连接所述冷却介质出口23和所述蒸汽发电机4。所述第二换向阀22的第一接口和第二接口相对设置，其第三接口和第四接口相对设置，切换所述第一换向阀5的状态可将其第一接口与第三接口或第四接口连通，或者将其第二接口与第三接口或第四接口连通。所述第一输能管上设有第五流量计24和第四温度计25，所述第二输能管上设有第六流量计26和第五温度计27。

上述基于钙基吸附剂的高温热化学循环储能的方法，包括如下的步骤：

步骤一，储能阶段：切换所述第一换向阀5的状态使所述加热装置3与所述第一反应器1连通。所述加热装置3内的高温介质经所述第一换向阀5输入到所述第一反应器1内，高温介质通过间接加热的方式使所述第一反应器1内的碳酸化钙基吸附剂发生煅烧分解反应，并生成氧化钙、二氧化碳及高温烟气。打开所述第三单向阀19，使所述第一反应器1内的二氧化碳输通过其第一出口入到所述二氧化碳存罐9内。高温烟气冷却后经所述第一反应器1的第二出口进入所述第一输能管，于所述第一输能管内依次经过所述第五流量计24和所述第四温度计25后进入所述第二换向阀22(所述第二换向阀22的当前状态为使所述第一输能管与所述冷却介质出口23连通)，最后通过所述却介质出口23排出系统。

步骤二，释能阶段：开启所述鼓风机10，将所述二氧化碳存罐9内的二氧化碳通过所述第二加热器11预热，预热后的二氧化碳依次经所述第二单向阀15、第三温度计16和所述第二流量计17后输送到所述第二反应器2内，预热后的二氧化碳通过直接接触的方法与所述第二反应器2内的钙基吸附剂进行碳酸化反应生成碳酸钙且释放大量的热量。与此同时，所述水泵6将所述水箱28内的液体水输送到所述第一加热器7中，所述第一加热器7将液态水加热形成饱和水蒸气，饱和水蒸气通过所述第一换向阀5输送到所述第二反应器2内(所述第一换向阀5的当前状态为使所述饱和水蒸气输送装置/第一加热器7与所述第二反应器2连通)。饱和水蒸气进入在所述第二反应器2内的管道系统，并与碳酸化反应释放的热量进行换热生成过热蒸汽。然后，过热蒸汽通过所述第二反应器2的第二出口进入第二输能管，于所述第二输能管依次经过所述第六流量计26和所述第五温度计7后进入所述第二换向阀22(所述第二换向阀22的当前状态为使所述第二输能管与所述蒸汽发电机4连通)，最后推动所述蒸汽发电机4进行发电。并且所述第二反应器2内未反应的二氧化碳经所述第二反应器2的第一出口后进入第二输气管，于所述第二输气管内依次经第四流量计20和第四单向阀21后输入所述二氧化碳存罐9内。

步骤三，储能阶段：切换所述第一换向阀5的状态使所述加热装置3与所述第二反应器2连通。所述加热装置3内的高温介质经所述第一换向阀5输入到所述第二反应器2内，高温介质通过间接加热的方式使所述第二反应器2内的钙基吸附剂发生煅烧分解反应，并生成氧化钙、二氧化碳及高温烟气。打开所述第四单向阀21，使所述第二反应器2内的二氧化碳通过其第一出口入输入到所述二氧化碳存罐9内。高温烟气冷却后经所述第二反应器2的第二出口进入所述第二输能管，于所述第二输能管内依次经过所述第六流量计26和所述第五温度计7后进入所述第二换向阀22(所述第二换向阀22的当前状态为使所述第二输能管与所述冷却介质出口23连通)，最后通过所述却介质出口23排出系统。

步骤四，释能阶段：开启所述鼓风机10，将所述二氧化碳存罐9内的二氧化碳通过所述第二加热器11预热，预热后的二氧化碳依次经所述第一单向阀12、第二温度计13和所述第一流量计14后输送到所述第一反应器1内，预热后的二氧化碳通过直接接触的方法与所述第一反应器1内的碳酸化钙基吸附剂进行碳酸化反应生成碳酸钙且释放大量的热量。与此同时，所述水泵6将所述水箱28内的液体水输送到所述第一加热器7中，所述第一加热器7将液态水加热形成饱和水蒸气，饱和水蒸气通过所述第一换向阀5输送到所述第一反应器1内(所述第一换向阀5的当前状态为使所述饱和水蒸气输送装置/第一加热器7与所述第一反应器1连通)。饱和水蒸气进入在所述第一反应器1内的管道系统，并与碳酸化反应释放的热量进行换热生成过热蒸汽。然后，过热蒸汽通过所述第一反应器1的第二出口进入第一输能管，于所述第一输能管依次经过所述第五流量计24和所述第四温度计25后进入所述第二换向阀22(所述第二换向阀22的当前状态为使所述第一输能管与所述蒸汽发电机4连通)，最后推动所述蒸汽发电机4进行发电。并且所述第一反应器1内未反应的二氧化碳经所述第一反应器1的第一出口后进入第一输气管，于所述第一输气管内依次经第三流量计18和第三单向阀19后输入所述二氧化碳存罐9内。至此，一个循环结束。

综上所述，该系统通过所述第一反应器1和所述第二反应器2可以不断交替储能和释能，通过所述第一反应器1和所述第二反应器2交替释能实现连续向所述蒸汽电动机4释能，从而实现所述蒸汽电动机4持续发电，其可以有效解决间断性储能与连续释能过程之间的匹配问题，适用于高温储能技术领域。

步骤五，重复步骤一至步骤四并进入下一个循环。

另外，在一个循环中还需要进行下述控制：

(1)当所述第一温度计8的显示温度与所述第四温度计25的显示温度的差值的绝对值低于10-100℃，且所述第二流量计17与第四流量计20的显示质量流量的差值的绝对值低于0-100m³/h时，切换所述第一换向阀5的状态使所述加热装置3和所述饱和水蒸气输送装置分别与所述第二反应器2和所述第一反应器1的第一入口连通，同时切换所述第二换向阀22的状态使所述第一反应器1和所述第二反应器2的第二出口分别与所述蒸汽发电机4和所述冷却介质出口23连通，并且关闭所述第二单向阀15，打开所述第一单向阀12。

(2)当所述第五温度计27的显示温度与第一温度计8的显示温度差值的绝对值低于10-100℃，且所述第一流量计14与第三流量计18的显示质量流量的差值的绝对值低于0-100m³/h时，切换所述第一换向阀5的状态使所述加热装置3和所述饱和水蒸气输送装置分别与所述第一反应器1和所述第二反应器2连通，同时切换所述第二换向阀22的状态使所述第一反应器1和所述第二反应器2的第二出口分别与所述冷却介质出口23和所述蒸汽发电机4连通，并且打开所述第二单向阀15，关闭所述第一单向阀12，由此进入下一个循环。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。