本发明涉及一种氢氧化钙热化学储能系统及发电方法。
背景技术：
1、太阳能发电具有来源广、不污染环境等优点，是一种理想的可替代化石燃料的清洁能源。然而，太阳能存在间歇性和不稳定性的特点，使能量难以持续稳定供应。因此亟需加快储能科学领域的研究，其中高温储能是解决可再生能源间歇性和不稳定性难题的一种高效潜在技术。第一代太阳能光热电站采用导热油等作为传热和储热介质，只能产生300～400℃蒸汽用于发电，光热发电效率只有12％。第二代太阳能光热电站采用熔盐(主要是硝酸盐)作为传热介质和储热介质(290℃～565℃)，虽然其发电效率有所提高，但其材料成本高，商用性能差。
2、显热储能、潜热储能和热化学储能三种主要的储热方式中，热化学储能利用可逆的吸放热反应储存热能，具有储能密度高，反应温度高、长期储热损失小等显著优点，弥补了其他储能方式的缺点，能有效地解决能量的转换、储存与再生。目前主要研究的几种热化学储能体系包括：caco3/cao体系、nh3合成分解体系、ch4/co2和ch4/h2o重整体系、ca(oh)2/cao体系、co3o4/coo体系、mgh2/h2体系等。其中ca(oh)2/cao体系是理想的热化学储能体系，具有储能密度大(437kwh/m3)、无毒且安全性好、原料来源广泛且价廉、无副反应且反应温度较高(450℃-600℃)的显著优点，因此ca(oh)2/cao体系用于太阳能中高温热化学储能，能够很好的解决太阳能中高温热电站发电连续高效运行的问题，但目前对ca(oh)2/cao体系用于热化学储能的研究处于起步阶段。
技术实现思路
1、本发明为了解决现有技术中高温热电站由于热源不稳定导致发电不能连续高效运行的问题，提供了一种氢氧化钙热化学储能系统及发电方法。采用该系统发电，可使发电不因热源的影响而持续高效进行，且发电效率超过20％。
2、本发明主要采用以下技术方案解决上述技术问题：
3、本发明提供了一种氢氧化钙热化学储能系统，其包括集热模块、储能释能模块和发电模块；
4、所述储能释能模块包括分解反应器、第一气固分离器、合成反应器和第二气固分离器；
5、所述分解反应器和所述合成反应器均为流化床反应器；所述分解反应器和所述合成反应器的内侧壁和底面中间位置处布置有若干组径向、轴向的纵向翅片管；其中，所述纵向翅片管包括纵向翅片和纵向管道，所述纵向管道用于换热流体的流动；
6、所述分解反应器包括用于ca(oh)2进料的下端进料口、第一上端出料口和下端的第一流化气进口，所述第一上端出料口用于导出所述分解反应器产生的cao和水蒸汽；
7、所述合成反应器包括用于cao进料的进料口、水蒸汽进口、第二上端出料口和下端的第二流化气进口，所述第二上端出料口用于导出所述合成反应器产生的ca(oh)2和残余气体；
8、所述分解反应器的第一上端出料口和所述第一气固分离器连接，所述第一气固分离器的固体出口与所述合成反应器的进料口连接，用于将分离后的cao输入所述合成反应器；
9、所述合成反应器的第二上端出料口和所述第二气固分离器连接，所述第二气固分离器的固体出口与所述分解反应器的下端进料口连接，用于将合成的ca(oh)2输入所述分解反应器；
10、所述集热模块分别通过第一换热器、第二换热器与所述发电模块、所述分解反应器连接，用于将收集到的热量供应给所述发电模块和所述储能释能模块；
11、所述合成反应器通过第三换热器与所述发电模块连接，用于将所述储能释能模块储存的能量供应给所述发电模块。
12、本发明中，所述合成反应器和分解反应器中纵向翅片管的个数由吸热量确定，当吸热量为10兆瓦时，所述纵向翅片管的换热面积为2000平方米。
13、本发明中，所述合成反应器中产生的残余气体包括流化气和未反应完全的水蒸汽。
14、本发明中，所述集热模块较佳地包括吸热器和流体泵，所述吸热器、所述第二换热器、所述第一换热器和所述流体泵依次连通，形成闭环的能量吸收和供应的循环回路；其中，所述吸热器较佳地为光热转换器、电热器和高温炉中的一种或多种；其中，当所述吸热器为光热转换器时，所述集热模块还包括定日镜场，所述定日镜场用于收集太阳光并传递给所述光热转换器。
15、本发明中，所述储能释能模块较佳地还包括cao储仓和ca(oh)2储仓，所述第一气固分离器的固体出口通过所述cao储仓与所述合成反应器的进料口连接，所述第二气固分离器的固体出口通过所述ca(oh)2储仓与所述分解反应器的下端进料口连接。
16、本发明中，所述第一气固分离器的蒸汽出口和第二气固分离器的蒸汽出口较佳地通过第四换热器与所述发电模块连接，所述蒸汽出口的副产蒸汽的热量用于发电；所述储能释能模块较佳地还包括一设于所述第四换热器和所述合成反应器之间的副产蒸汽回用回路，所述副产蒸汽回用回路包括沿副产蒸汽的流动方向依次连接的第一冷凝器、蓄水箱、增压水泵和加热器，所述加热器分别于所述第一流化气进口、所述第二流化气进口和所述水蒸汽进口连接，用于进一步回用降温后的所述蒸汽出口的副产蒸汽。
17、本发明中，所述第一流化气进口和所述第二流化气进口中的流化气可为本领域常规的流化气，例如水蒸汽；所述第一流化气进口用于提供分解反应所需的流化气，所述水蒸汽进口、所述第二流化气进口分别用于提供合成反应所需的水蒸汽、流化气。
18、本发明中，所述第二换热器较佳地内置于所述分解反应器的内部或外设于所述分解反应器的外部，用于给分解反应提供热量。
19、本发明中，所述第三换热器较佳地内置于所述合成反应器的内部或外设于所述合成反应器的外部，用于收集合成反应的热量。
20、本发明中，所述分解反应器和所述合成反应器中的所述纵向翅片管较佳地采用间断排布。
21、本发明中，所述加热器较佳地为电加热器。
22、本发明中，所述发电模块较佳地包括汽轮发电机组、循环水泵和第二冷凝器；
23、所述循环水泵的循环水出口依次与所述第四换热器、所述第一换热器和所述第三换热器连接后，再与所述汽轮发电机组、所述第二冷凝器连接，从而使循环水经第四换热器、第一换热器和第三换热器的一个或多个加热后形成的蒸汽用于发电；将所述第二冷凝器的冷凝水出口与所述循环水泵的循环水进口连接，从而使发电后形成的水蒸汽经所述第二冷凝器冷凝后形成循环水。
24、其中，所述第二冷凝器较佳地为空冷塔或水冷塔。
25、其中，所述第二冷凝器中回收的热量较佳地可用于小区供暖。
26、本发明还提供了一种发电方法，其采用如上所述的氢氧化钙热化学储能系统，包括如下情形：
27、(1)所述集热模块汇聚热量后，热量通过所述第一换热器传递给所述发电模块并用于发电；
28、(2)所述集热模块汇聚热量后，热量通过所述第二换热器传递给分解反应器，并传递给分解反应器中的ca(oh)2粉末，ca(oh)2粉末在分解反应器中受热分解，生成cao粉末和水蒸气；ca(oh)2粉末分解后生成的cao粉末和水蒸气进入第一气固分离器进行分离，热量以化学能形式储存；cao粉末和水蒸气进入所述合成反应器中进行合成反应并释放出热量，产生的ca(oh)2和残余气体进入第二气固分离器进行分离，热量通过第三换热器传递给所述发电模块并用于发电；
29、(3)所述集热模块汇聚热量后，一部分热量通过所述第二换热器传递给分解反应器，并传递给分解反应器中的ca(oh)2粉末，ca(oh)2粉末在分解反应器中受热分解，生成cao粉末和水蒸气；ca(oh)2粉末分解后生成的cao粉末和水蒸气进入第一气固分离器进行分离，热量以化学能形式储存；
30、另一部分热量通过所述第一换热器传递给所述发电模块并用于发电；
31、(4)所述集热模块汇聚热量后，一部分热量通过所述第二换热器传递给分解反应器，并传递给分解反应器中的ca(oh)2粉末，ca(oh)2粉末在分解反应器中受热分解，生成cao粉末和水蒸气；ca(oh)2粉末分解后生成的cao粉末和水蒸气进入第一气固分离器进行分离；cao粉末和水蒸气进入所述合成反应器中进行合成反应并释放出热量，产生的ca(oh)2和残余气体进入第二气固分离器进行分离，热量通过第三换热器传递给所述发电模块并用于发电；
32、另一部分热量通过所述第一换热器传递给所述发电模块并用于发电；
33、(5)cao粉末和水蒸气进入所述合成反应器中进行合成反应并释放出热量，热量通过第三换热器传递给所述发电模块并用于发电。
34、本发明中，所述集热模块中汇聚的热量较佳地通过高温介质传递给所述第一换热器和所述第二换热器。
35、其中，所述高温介质较佳地为高温熔盐、液态金属和液态金属氧化物中的一种或多种。
36、其中，所述液态金属较佳地为液态al、液态na和液态k中的一种或多种。
37、其中，所述高温熔盐较佳地为na2co3、k2co3和li2co3中的一种或多种。
38、与传统太阳能光热电站将熔盐作为储热介质相比，本技术可采用更少的高温熔盐作为传热介质，所用到的高合金耐腐蚀材料也相应地大大减少，仅仅是省去了两个大熔盐储罐就能很大程度上节约一次投资成本。同时，与蒸汽和空气等相比，在相同质量流量条件下，熔盐或液态金属氧化物具有比热容大，传递热量多；体积小，压力低，配套的流体管道管径小；热传导性能好，综合传热系数高，所需换热面积小的优点。利用太阳能直接热解ca(oh)2的技术较为复杂，尚无较成熟方案。本技术可采用一部分高温熔盐作为中间传热介质，采用熔盐和ca(oh)2粉末间壁式换热，技术可靠易行，能较快速的推广应用。
39、本发明中，较佳地，所述发电模块中的循环水经第四换热器、第一换热器和第三换热器中的一个或多个吸收热量后产生高温高压蒸汽，所述高温高压蒸汽进入所述汽轮发电机组进行发电，发电后的乏汽通过所述第二冷凝器变成液态后，进入所述循环水泵循环利用。
40、本发明中，较佳地，所述ca(oh)2储仓中的ca(oh)2粉进入所述分解反应器，热量通过所述第二换热器传递给分解反应器，并传递给分解反应器中的ca(oh)2粉末，ca(oh)2粉末在分解反应器中受热分解，生成cao粉末和水蒸气；ca(oh)2粉末分解后生成的cao粉末和水蒸气进入第一气固分离器进行分离，cao粉末进入cao储仓，热量以化学能形式储存；所述水蒸气的热量通过第四换热器传递给所述发电模块并用于发电；发电后所述水蒸气经所述第一冷凝器变成液态水后进入蓄水箱储存。
41、本发明中，较佳地，所述蓄水箱中的水经过所述增压水泵和所述加热器形成水蒸气，所述水蒸气与所述cao储仓的cao粉末进入所述合成反应器中进行合成反应并释放出热量，热量通过第三换热器传递给所述发电模块并用于发电，产生的ca(oh)2和残余气体进入第二气固分离器进行分离，ca(oh)2粉末进入ca(oh)2储仓；所述残余气体的热量通过第四换热器传递给所述发电模块并用于发电；发电后所述水蒸气经所述第一冷凝器变成液态水后进入蓄水箱储存。
42、本发明中，所述合成反应器中的温度较佳地为500～550℃。
43、本发明中，所述合成反应器中的压力较佳地为0.3～0.5mpa。
44、本发明中，所述分解反应器中的温度较佳地为610～710℃。
45、本发明中，所述分解反应器中的压力较佳地为0.3～0.5mpa。
46、本发明中，所述cao储仓中储存的cao粉末较佳地通过气力输送或机械输送形式进入合成反应器。
47、本发明中，所述ca(oh)2储仓中储存的ca(oh)2粉末通过气力输送或机械输送形式进入所述分解反应器。
48、在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
49、本发明所用试剂和原料均市售可得。
50、本发明的积极进步效果在于：
51、1、和传统太阳能光热发电技术相比，储热介质从熔盐变成cao/ca(oh)2固体粉末，后者热化学蓄热密度更高，原材料成本更低。同样的储能时长，后者所用质量仅仅是前者的1/5，而单位质量的原材料，cao/ca(oh)2固体粉末的价格约为熔盐的1/10。
52、2、本技术将合成反应和分解反应分别置于两个反应器中，可以针对两个反应各自不同的特点分别设计，能够保证两个反应的反应效率均较高，同时，两个反应器单独使用有利于提高整个系统的安全性能。此外，本技术的两个反应器均采用流化床，其包括若干组纵向翅片管，传热效率高，温度场和流场的分布均匀，能较有效地减少产生粉末团聚和烧结现象。
1.一种氢氧化钙热化学储能系统，其特征在于，其包括集热模块、储能释能模块和发电模块；
2.如权利要求1所述的氢氧化钙热化学储能系统，其特征在于，所述集热模块包括吸热器和流体泵，所述吸热器、所述第二换热器、所述第一换热器和所述流体泵依次连通，形成闭环的能量吸收和供应的循环回路；其中，所述吸热器较佳地为光热转换器、电热器和高温炉中的一种或多种；其中，当所述吸热器为光热转换器时，所述集热模块还包括定日镜场，所述定日镜场用于收集太阳光并传递给所述光热转换器。
3.如权利要求1所述的氢氧化钙热化学储能系统，其特征在于，所述储能释能模块还包括cao储仓和ca(oh)2储仓，所述第一气固分离器的固体出口通过所述cao储仓与所述合成反应器的进料口连接，所述第二气固分离器的固体出口通过所述ca(oh)2储仓与所述分解反应器的下端进料口连接。
4.如权利要求1所述的氢氧化钙热化学储能系统，其特征在于，所述第一气固分离器的蒸汽出口和第二气固分离器的蒸汽出口通过第四换热器与所述发电模块连接，所述蒸汽出口的副产蒸汽的热量用于发电；所述储能释能模块还包括一设于所述第四换热器和所述合成反应器之间的副产蒸汽回用回路，所述副产蒸汽回用回路包括沿副产蒸汽的流动方向依次连接的第一冷凝器、蓄水箱、增压水泵和加热器，所述加热器分别于所述第一流化气进口、所述第二流化气进口和所述水蒸汽进口连接，用于进一步回用降温后的所述蒸汽出口的副产蒸汽。
5.如权利要求4所述的氢氧化钙热化学储能系统，其特征在于，所述第二换热器内置于所述分解反应器的内部或外设于所述分解反应器的外部，用于给分解反应提供热量；
6.如权利要求4所述的氢氧化钙热化学储能系统，其特征在于，所述发电模块包括汽轮发电机组、循环水泵和第二冷凝器；
7.一种发电方法，其特征在于，其采用如权利要求1～6任意一项所述的氢氧化钙热化学储能系统进行，所述发电方法包括如下情形：
8.如权利要求7所述的发电方法，其特征在于，所述集热模块中汇聚的热量通过高温介质传递给所述第一换热器和所述第二换热器；
9.如权利要求7或8所述的发电方法，其特征在于，所述合成反应器中的温度为500～550℃；
10.如权利要求7或8所述的发电方法，其特征在于，所述集热模块使用的高温介质为高温熔盐、液态金属和液态金属氧化物中的一种或多种；其中，所述高温熔盐较佳地为na2co3、k2co3和li2co3中的一种或多种；其中，所述液态金属较佳地为液态al、液态na和液态k中的一种或多种；
