基于caco3/cao體系的流化床式反應(yīng)器及其太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)

技術(shù)領(lǐng)域

1.本發(fā)明涉及用于太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域的反應(yīng)器，特別涉及一種基于caco3/cao體系的流化床式反應(yīng)器及其太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

2.我國正在廣泛部署可再生能源發(fā)電技術(shù)。當(dāng)前光伏、風(fēng)電等技術(shù)的功率輸出均具有很強(qiáng)的波動(dòng)性，不利于直接接入電網(wǎng)，必須配置儲(chǔ)電系統(tǒng)。然而，當(dāng)前蓄電池的成本非常昂貴，為1500元/kwh，約為儲(chǔ)熱的6倍(均按kwhe計(jì)算)。此外，與儲(chǔ)熱技術(shù)相比，電化學(xué)儲(chǔ)能還存在使用壽命短、爆炸風(fēng)險(xiǎn)、儲(chǔ)能時(shí)長短、儲(chǔ)能容量低等缺點(diǎn)。太陽能熱發(fā)電技術(shù)中具備長周期、大規(guī)模高溫儲(chǔ)熱的優(yōu)勢，是構(gòu)建以新能源為主的新型電力系統(tǒng)的重要組成部分，可以有效平抑電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在陰雨、云遮、夜晚等工況下的24h連續(xù)穩(wěn)定電力輸出。

3.常見的儲(chǔ)熱技術(shù)主要有三種：顯熱儲(chǔ)熱、相變儲(chǔ)熱以及熱化學(xué)儲(chǔ)熱。其中熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)是采用可逆化學(xué)反應(yīng)的方式進(jìn)行熱能的儲(chǔ)存和釋放，其儲(chǔ)熱密度最高，可以實(shí)現(xiàn)跨季節(jié)長期存儲(chǔ)和長距離輸運(yùn)。常見的熱化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱體系包括：金屬氧化物還原/再氧化、金屬氫化物脫氫/加氫、碳酸鹽分解/碳酸化、氨分解/合成、無機(jī)氫氧化物脫水/水合等。其中caco3/cao 體系具有原材料成本低、安全性高、儲(chǔ)熱密度大(1800kj/kg)、儲(chǔ)放熱溫度較高(～800℃)等優(yōu)點(diǎn)，易于與下一代太陽能熱發(fā)電技術(shù)結(jié)合。

4.由于caco3材料的塔曼溫度較低(～533℃)，煅燒溫度超過該溫度時(shí)可能會(huì)造成顆粒的固相燒結(jié)，造成化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率下降。降低caco3材料的煅燒溫度和對caco3材料進(jìn)行改性處理是維持較高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的主要手段。大量文獻(xiàn)中的研究表明，反應(yīng)中的氣氛條件對 caco3的煅燒溫度有比較顯著的影響，在低co2分壓和濃度下的惰性氣氛下能夠降低儲(chǔ)熱反應(yīng)所需的煅燒溫度，常見的惰性氣氛有he和n2。當(dāng)前文獻(xiàn)中較多是采用固定床反應(yīng)器作為煅燒裝置和碳化裝置，由于固定床內(nèi)顆粒間有效導(dǎo)熱系數(shù)較低且傳熱性能較差，易于造成固定床內(nèi)局部溫度過高而加劇顆粒燒結(jié)，一般須在caco3粉末中摻雜少量納米結(jié)構(gòu)材料(如 sio2、al2o3)有助于降低caco3/cao粉末高溫團(tuán)聚作用，增強(qiáng)循環(huán)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)《thermochemical storage performance of a packed bed of calcium hydroxide composite with asilicon-based ceramic honeycomb support》中采用將堆積顆粒填充在泡沫陶瓷和蜂窩陶瓷中以強(qiáng)化固定床內(nèi)的傳熱，使顆粒受熱均勻，獲得了較為理想的儲(chǔ)釋熱性能，但該方法并沒有從根本上解決固定床內(nèi)顆粒間傳熱差的問題。因此反應(yīng)器的設(shè)計(jì)對于caco3/cao體系熱化學(xué)儲(chǔ)熱系統(tǒng)非常關(guān)鍵。

5.除了固定床反應(yīng)器，科研人員還提出了回轉(zhuǎn)窯式、旋轉(zhuǎn)管式、移動(dòng)床式、斜面流式以及流化床式等反應(yīng)器以強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)。其中流化床反應(yīng)器能夠?qū)崿F(xiàn)物料的充分混合形成均勻的溫度場，且大大降低床層內(nèi)顆粒間互相接觸，因此特別有助于緩解顆粒高溫?zé)Y(jié)現(xiàn)象。文獻(xiàn)《an experimental characterization ofcalcium looping integrated with concentrated solar power》中提出一種向下聚光的直接式流化床反應(yīng)器用以煅燒caco3，

該方案能夠承受很高的能流密度，但造成過低的聚光效率，不利于工程化應(yīng)用。文獻(xiàn)《solar calcination at pilot scale in acontinuous flow multistage horizontal fluidizedbed》中提出一種水平流動(dòng)的流化床反應(yīng)器以煅燒caco3，反應(yīng)器中增加豎直擋板以提高顆粒的停留時(shí)間，該方案實(shí)現(xiàn)了較高的cao產(chǎn)量，該方案也存在反應(yīng)器金屬壁面難以承受高能流密度的不足。

6.目前在caco3/cao體系太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)熱方面的研究主要以學(xué)術(shù)期刊進(jìn)行發(fā)表，國內(nèi)外相關(guān)專利還不多見。美國專利us11047601b2公布了一種高溫振動(dòng)水平流化反應(yīng)器，在反應(yīng)器的內(nèi)部設(shè)置有耐高溫的傳送帶促進(jìn)顆粒充分流化，說明該方案需消耗額外的機(jī)械功以實(shí)現(xiàn)顆粒的水平方向的運(yùn)動(dòng)。該方案在煅燒氣氛也是選用的co2，這樣雖然可以避免的分解產(chǎn)物co2的排放，但這種惡劣煅燒條件(950℃)對材料的儲(chǔ)熱性能具有不利的影響。此外，該方案僅能在釋熱階段進(jìn)行電力輸出。中國專利cn113663636a公布了一種回轉(zhuǎn)式caco3/cao 熱化學(xué)儲(chǔ)能反應(yīng)器，該方案采用高溫空氣加熱回轉(zhuǎn)反應(yīng)腔體。并在腔內(nèi)設(shè)置鋼球，在旋轉(zhuǎn)時(shí)對反應(yīng)顆粒進(jìn)行研磨，充分破碎已團(tuán)聚破碎的反應(yīng)物。但這種方案可能造成反應(yīng)物粒徑降低，并粘附于反應(yīng)腔內(nèi)壁和鋼球上，不利于反應(yīng)物的排出。上述兩個(gè)專利的煅燒反應(yīng)器均可以作為碳酸化反應(yīng)器，即煅燒和碳酸化在同一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行。中國專利cn109959177a公布了一種直接吸收太陽能的熱化學(xué)儲(chǔ)熱系統(tǒng)，煅燒和碳酸化在相互獨(dú)立的兩個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行。其中煅燒反應(yīng)器可以采用自由下落式幕簾式或自下而上流化床式，該方案需對caco3顆粒進(jìn)行改性處理使之具有很高的太陽光譜吸收率和抗燒結(jié)特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

7.本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于caco3/cao體系的流化床式反應(yīng)器及其太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，將反應(yīng)器表面做成鋸齒狀擴(kuò)展結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)聚焦太陽能的高效吸收。此外，基于太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)在同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)有效實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱和放熱反應(yīng)，有效置換出熱化學(xué)反應(yīng)釋放的熱能。

8.本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

9.一種基于caco3/cao體系的流化床式反應(yīng)器，所述反應(yīng)器(3)自下而上分為進(jìn)氣室(3a)、顆粒堆集段(3b)、中間段(3c)和漸縮段(3d)四個(gè)部分，其中在進(jìn)氣室(3a)和顆粒堆集段(3b)之間設(shè)置有布風(fēng)裝置(3h)，中間段(3c)自上而下包含上部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)(3e)、鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)(3f)和下部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)(3g)。

10.布風(fēng)裝置(3h)保證反應(yīng)器(3)內(nèi)進(jìn)氣室(3a)上部區(qū)域理想的流化效果。上部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)(3e) 和下部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)(3g)對反應(yīng)器(3)內(nèi)的氣固兩相流起導(dǎo)流作用，防止反應(yīng)器(3)內(nèi)氣固兩相流出現(xiàn)流動(dòng)死區(qū)，便于反應(yīng)產(chǎn)物順利排出。顆粒堆集段(3b)確保在顆粒流態(tài)化開始之前布風(fēng)裝置 (3h)的上部形成有效堆積，漸縮段(3d)作用在于匯聚反應(yīng)產(chǎn)物后將之排出反應(yīng)器(3)。鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)(3f)在工程中容易加工實(shí)現(xiàn)，相比常規(guī)的平面吸熱板具有如下優(yōu)勢：1)增強(qiáng)吸熱體的許用能流密度和反應(yīng)器的安全性；2)增大了流化床內(nèi)氣固兩相流與吸熱壁面的換熱面積，起到強(qiáng)化傳熱的效果；3)鋸齒狀表面有利于光線捕獲，由于表面自身的角系數(shù)，可以降低輻射損失，提高熱效率及化學(xué)反應(yīng)速率。

11.一種基于caco3/cao體系的太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括太陽能集熱裝置、儲(chǔ)能裝置、co2分離裝置、co2補(bǔ)充裝置和發(fā)電裝置；

12.所述的太陽能集熱裝置包括定日鏡場(1)和移動(dòng)擋板(2)；所述的移動(dòng)擋板(2)能夠完全覆蓋反應(yīng)器(3)的中間段(3c)中鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)(3f)，位于面向定日鏡場(1)的一側(cè)，移動(dòng)擋板(2) 的移動(dòng)能夠決定鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)(3f)的向光面是否接受來自定日鏡場(1)的聚焦太陽輻照；

13.所述的儲(chǔ)能裝置包括反應(yīng)器(3)、旋風(fēng)分離器(9)、下降管a(11)、下降管b(15)、caco3儲(chǔ)罐(12)、cao儲(chǔ)罐(16)、螺旋給料機(jī)(18)、低溫蓄熱器(24)、風(fēng)機(jī)a(25)、液氮汽化器a(28)、液氮儲(chǔ)罐(30)、高溫蓄熱器(32)、風(fēng)機(jī)b(33)、高壓二氧化碳儲(chǔ)罐(35)、真空泵(44)、水泵b(45) 和水箱(46)；caco3儲(chǔ)罐(12)和cao儲(chǔ)罐(16)中分別存儲(chǔ)caco3顆粒(42)和cao顆粒(43)； caco3儲(chǔ)罐(12)的上部與下降管a(11)的底端連接；cao儲(chǔ)罐(16)的上部與下降管b(15)的底端連接；caco3儲(chǔ)罐(12)和cao儲(chǔ)罐(16)的下部與螺旋給料機(jī)(18)的兩個(gè)頂部接口相連，并在連接處分別設(shè)置有顆粒閥門c(13)和顆粒閥門e(17)；螺旋給料機(jī)(18)與反應(yīng)器(3)中的中間段(3c)連接，兩者之間設(shè)置有顆粒閥門f(19)；反應(yīng)器(3)中的漸縮段(3d)的出口設(shè)置有氣體閥門a(5)和顆粒閥門a(6)；旋風(fēng)分離器(9)的入口(9a)與反應(yīng)器(3)的漸縮段(3d)相連，并在連接處設(shè)有顆粒閥門a(6)；旋風(fēng)分離器(9)的顆粒出口(9c)與下降管a(11)和下降管b(15)的頂端連接，并在與下降管a(11)和下降管b(15)的連接處分別設(shè)置有顆粒閥門b(10)和顆粒閥門d(14)；旋風(fēng)分離器(9)的氣體出口(9b)與高溫蓄熱器(32)的第一氣體入口(32a)之間設(shè)置有氣體閥門 b(7)、溫度分析儀b(8)、氣體閥門d(21)；低溫蓄熱器(24)的氣體出口與反應(yīng)器(3)中的進(jìn)氣室(3a)之間設(shè)置有用于測試下一次化學(xué)反應(yīng)之前的氣體溫度的溫度分析儀a(4)；低溫蓄熱器 (24)的氣體入口與高溫蓄熱器的第一氣體出口(32b)之間設(shè)置有氣體組分分析儀(31)、氣體閥門g26和風(fēng)機(jī)a(25)；高壓二氧化碳儲(chǔ)罐(35)和高溫蓄熱器(32)的第二氣體入口(32c)之間設(shè)置有氣體閥門i(34)和風(fēng)機(jī)b(33)；高溫蓄熱器(32)的第二氣體出口(32d)和反應(yīng)器(3)中的進(jìn)氣室(3a)之間設(shè)置有氣體閥門f(23)和溫度分析儀a(4)；液氮儲(chǔ)罐(30)和液氮汽化器a(28)之間設(shè)置有低溫液體閥門a(29)；液氮汽化器a(28)、水箱(46)和水泵b(45)采用循環(huán)管路依次連接；高溫蓄熱器的第一氣體出口(32b)和真空泵(44)的入口之間設(shè)置有氣體閥門h(27)，真空泵(44)出口氣體用于加熱水箱(46)中的液態(tài)水；

14.所述的co2分離裝置包括低溫液體閥門b(47)、液氮汽化器b(49)、氣體閥門k(50)和低溫氣固分離器(51)；液氮汽化器b(49)的液氮入口(49a)與液氮儲(chǔ)罐(30)之間設(shè)置有低溫液體閥門b(47)；液氮汽化器b(49)的氮?dú)獬隹?49b)將汽化形成的n2的排空；液氮汽化器b(49)的 n2+co2混合氣體入口(49c)和真空泵(44)的出口之間設(shè)置有氣體閥門k(50)，流經(jīng)氣體閥門 k(50)的n2+co2混合氣體在水箱(46)中進(jìn)行冷卻；液氮汽化器b(49)的n2+co2氣固混合物出口(49d)與低溫氣固分離器(51)的入口(51a)相連；低溫氣固分離器(51)的氣體出口(51b)將分離出的n2的排空；低溫氣固分離器(51)的顆粒出口(51c)與固態(tài)co2儲(chǔ)罐(52)相連；

15.所述的co2補(bǔ)充裝置包括固態(tài)co2儲(chǔ)罐(52)、加熱器(53)、氣體閥門l(54)和二氧化碳壓縮機(jī)b(55)；固態(tài)co2儲(chǔ)罐(52)內(nèi)置有加熱器(53)，固態(tài)co2儲(chǔ)罐(52)的出口與氣體閥門l(54)、二氧化碳壓縮機(jī)b(55)和高壓二氧化碳儲(chǔ)罐(35)的入口采用循環(huán)管路順次連接；

16.所述的發(fā)電裝置包括二氧化碳壓縮機(jī)a(36)、二氧化碳透平(37)、二氧化碳-水換熱器(38)、水泵a(39)、蒸汽透平(41)和冷凝器(40)；二氧化碳壓縮機(jī)a(36)和二氧化碳透平

caco3顆粒(42)在煅燒分解過程中，關(guān)閉顆粒閥門a(6)并開啟氣體閥門a(5)，反應(yīng)顆粒被封閉于反應(yīng)器(3)中鼓泡流化形成較高的顆粒濃度，因而具有較高的顆粒-壁面換熱系數(shù)，有助于提高化學(xué)反應(yīng)速率，流經(jīng)氣體閥門a(5)的氣體反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)氣體閥門d(21)進(jìn)入高溫蓄熱器 (32)進(jìn)行充熱后由氣體組分分析儀(31)測定氣體組分含量，再依次經(jīng)氣體閥門g(26)、風(fēng)機(jī) a(25)、低溫蓄熱器(24)進(jìn)入反應(yīng)器(3)對未反應(yīng)完的反應(yīng)物進(jìn)行流化，同時(shí)co2在高溫蓄熱器(32)預(yù)熱后經(jīng)氣體閥門e(22)進(jìn)入發(fā)電裝置進(jìn)行發(fā)電。caco3顆粒(42)完成煅燒分解過程后，開啟顆粒閥門a(6)并關(guān)閉氣體閥門a(5)，反應(yīng)后的氣固混合物由反應(yīng)器(3)的漸縮段(3d) 進(jìn)入旋風(fēng)分離器(9)中進(jìn)行氣固分離。在caco3完全反應(yīng)之后及釋熱階段之前，關(guān)閉氣體閥門g26，打開氣體閥門h(27)，管道內(nèi)部的氣體在真空泵(44)的作用下排空以便于氣氛切換。在釋熱階段，保持開啟顆粒閥門a(6)并關(guān)閉氣體閥門a(5)，co2在高溫蓄熱器(32)預(yù)熱后經(jīng)氣體閥門f(23)進(jìn)入反應(yīng)器(3)與cao反應(yīng)放出大量的熱，從旋風(fēng)分離器(9)流出的高溫co2一路經(jīng)氣體閥門c(20)進(jìn)入發(fā)電裝置進(jìn)行發(fā)電后進(jìn)入高壓二氧化碳儲(chǔ)罐(35)內(nèi)存儲(chǔ)，另一路經(jīng)氣體閥門d(21)在高溫蓄熱器(32)、水箱(46)內(nèi)依次釋放熱量后再經(jīng)氣體閥門j(48)進(jìn)入高壓二氧化碳儲(chǔ)罐(35)內(nèi)存儲(chǔ)。完成釋熱反應(yīng)后，管道內(nèi)部的氣體在真空泵(44)的作用下排空。

22.co2分離裝置主要由液氮儲(chǔ)罐(30)、真空泵(44)、水箱(46)、低溫液體閥門b(47)、液氮汽化器b(49)、氣體閥門k(50)、低溫氣固分離器(51)、固態(tài)co2儲(chǔ)罐(52)以及配套的電機(jī)和管道儀表等組成。液氮汽化器b(49)的液氮入口(49a)與液氮儲(chǔ)罐(30)之間設(shè)置有低溫液體閥門b(47)；液氮汽化器b(49)的氮?dú)獬隹?49b)將汽化形成的n2的排空；液氮汽化器b(49)的 n2+co2混合氣體入口(49c)和真空泵(44)的出口之間設(shè)置有氣體閥門k(50)，流經(jīng)氣體閥門 k(50)的n2+co2混合氣體在水箱(46)中進(jìn)行冷卻；液氮汽化器b(49)的n2+co2氣固混合物出口(49d)與低溫氣固分離器(51)的入口(51a)相連。低溫氣固分離器(51)的氣體出口(51b)將分離出的n2的排空；低溫氣固分離器(51)的顆粒出口(51c)與固態(tài)co2儲(chǔ)罐(52)相連。

23.所述的co2補(bǔ)充裝置主要由高壓二氧化碳儲(chǔ)罐(35)、固態(tài)co2儲(chǔ)罐(52)、加熱器(53)、氣體閥門l(54)、二氧化碳壓縮機(jī)b(55)以及配套的管道儀表等組成。固態(tài)co2儲(chǔ)罐(52)內(nèi)置有加熱器(53)，固態(tài)co2儲(chǔ)罐(52)的出口與氣體閥門l(54)、二氧化碳壓縮機(jī)b(55)和高壓二氧化碳儲(chǔ)罐(35)的入口采用循環(huán)管路順次連接。

24.所述的發(fā)電裝置主要由二氧化碳壓縮機(jī)a(36)、二氧化碳透平(37)、二氧化碳-水換熱器 (38)、水泵a(39)、蒸汽透平(41)、冷凝器(40)以及配套的發(fā)電機(jī)和管道儀表閥門等組成。二氧化碳壓縮機(jī)a(36)和二氧化碳透平(37)同軸連接，膨脹做功后的co2流出二氧化碳透平(37) 在二氧化碳-水換熱器(38)中釋放余熱后進(jìn)入二氧化碳壓縮機(jī)a(36)進(jìn)行壓縮后在高壓二氧化碳儲(chǔ)罐(35)中存儲(chǔ)。水泵a(39)出口的高壓未飽和水在二氧化碳-水換熱器(38)中的吸收余熱后在蒸汽透平(41)中做功，乏汽在冷凝器(40)冷凝后回到水泵a(39)入口，完成朗肯循環(huán)。

25.為實(shí)現(xiàn)良好的流化效果并降低顆粒流化耗功，優(yōu)選的caco3顆粒的平均粒徑為50-300 μm。

26.為實(shí)現(xiàn)整個(gè)熱化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中良好的顆粒流動(dòng)，下降管a(11)和下降管b(15)與水平方向的傾角大于70

°

，螺旋給料機(jī)(18)與反應(yīng)器(3)中的中間段(3c)的連接處與水平方向

傾角大于 70

°

，caco3儲(chǔ)罐(12)和cao儲(chǔ)罐(16)內(nèi)無顆粒流死區(qū)。

27.所述的反應(yīng)器(3)中的鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)(3f)由多組鋸齒單元組成，兩相鄰鋸齒單元在反應(yīng)器(3)內(nèi)部的間隙大于2mm以防止顆?？?。鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)(3f)中鋸齒單元可采用多種布置方式，如平面布置、扇形布置等，形成平面式反應(yīng)器或腔式反應(yīng)器。為增強(qiáng)反應(yīng)器(3)的安全性，提高反應(yīng)器壁面的許用能流，鋸齒單元的夾角低于30

°

。

28.所述的反應(yīng)器(3)中上部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)(3e)和下部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)(3g)分別由多個(gè)相同的四面體單元組成。上部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)(3e)中四面體單元的底面與鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)(3f)中鋸齒單元的上表面重合，下部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)(3g)中四面體單元的底面與鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)(3f)中鋸齒單元的下表面重合，鋸齒單元的上表面和下表面平行。四面體單元的其余三個(gè)面中有一個(gè)面垂直于鋸齒單元的上表面，另外兩個(gè)面為傾斜表面，與鋸齒單元的上表面的夾角相等，傾斜表面與鋸齒單元的上表面的夾角大于70

°

。

29.所述的低溫蓄熱器(24)和高溫蓄熱器(32)中的蓄熱介質(zhì)為無機(jī)固體球，能在1000℃高溫下維持良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，平均粒徑為1cm-5cm，優(yōu)選的材料為廉價(jià)的氧化鋁、二氧化硅等。

30.所述的液氮汽化器b(49)中設(shè)置固態(tài)co2破碎機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)將凝華后不易從液氮汽化器 b(49)中排出的部分固態(tài)co2破碎成顆粒物，便于n2+co2氣固混合物在低溫氣固分離器(51) 中分離。

31.本發(fā)明的具有如下優(yōu)點(diǎn)：

32.(1)與美國專利us11047601b2中在co2氣氛下的煅燒caco3顆粒相比，本發(fā)明在n2氣氛下煅燒儲(chǔ)熱，能夠降低煅燒所需的溫度，可以有效避免材料的燒結(jié)。

33.(2)與美國專利us11047601b2中僅在釋熱階段實(shí)現(xiàn)電力輸出相比，本發(fā)明在儲(chǔ)熱階段、 co2分離階段和釋熱階段均能實(shí)現(xiàn)超臨界co2布雷頓循環(huán)和朗肯循環(huán)的耦合發(fā)電。

34.(3)與中國專利cn109959177a中采用獨(dú)立的煅燒反應(yīng)器和碳酸化反應(yīng)器相比，本發(fā)明在同一個(gè)反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)煅燒和碳酸化，降低了顆粒輸運(yùn)所需的成本。

35.(4)液氮是空氣分離行業(yè)的產(chǎn)品，其沸點(diǎn)為-196℃，價(jià)格低廉，約為600-1000元/噸，來源廣泛，可以將常壓co2氣體凝華為干冰，本發(fā)明利用液氮的汽化冷能高效地實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱反應(yīng)產(chǎn)物n2+co2的分離，避免co2的排放。

36.(5)與常規(guī)平面結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明的煅燒反應(yīng)器采用含鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的流化床系統(tǒng)，能夠增強(qiáng)反應(yīng)器的安全性，強(qiáng)化氣固反應(yīng)物與表面的傳熱效果，提高熱效率及化學(xué)反應(yīng)速率。

附圖說明

37.圖1為本發(fā)明的含鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的平面式反應(yīng)器中間段的三維圖；

38.圖2a為本發(fā)明的含鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的平面式反應(yīng)器中間段的前視圖；

39.圖2b為本發(fā)明的含鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的平面式反應(yīng)器中間段的右視圖；

40.圖2c為本發(fā)明的含鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的平面式反應(yīng)器中間段的上視圖；

41.圖3為本發(fā)明的含鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的腔式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖；

42.圖4為本發(fā)明的一種基于caco3/cao體系的含鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)流化床式太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)總示意圖；

43.圖5為本發(fā)明的一種基于caco3/cao體系的含鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)流化床式太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)處于系統(tǒng)預(yù)熱階段時(shí)的示意圖；

44.圖6為本發(fā)明的一種基于caco3/cao體系的含鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)流化床式太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)處于儲(chǔ)熱階段時(shí)的示意圖；

45.圖7為本發(fā)明的一種基于caco3/cao體系的含鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)流化床式太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)處于co2分離階段時(shí)的示意圖；

46.圖8為本發(fā)明的一種基于caco3/cao體系的含鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)流化床式太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)處于釋熱階段時(shí)的示意圖；

47.圖9為本發(fā)明的一種基于caco3/cao體系的含鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)流化床式太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)處于co2補(bǔ)充階段時(shí)的示意圖；

48.圖中，1-定日鏡場、2-移動(dòng)擋板、3-反應(yīng)器、3a-進(jìn)氣室、3b-顆粒堆集段、3c-中間段、 3d-漸縮段、3e-上部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)、3f-鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)、3g-下部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)、3h-布風(fēng)裝置、4-溫度分析儀a、5-氣體閥門a、6-顆粒閥門a、7-氣體閥門b、8-溫度分析儀b、9-旋風(fēng)分離器、9a-旋風(fēng)分離器的入口、9b-旋風(fēng)分離器的氣體出口、9c-旋風(fēng)分離器的顆粒出口、10-顆粒閥門 b、11-下降管a、12-caco3儲(chǔ)罐、13-顆粒閥門c、14-顆粒閥門d、15-下降管b、16-cao 儲(chǔ)罐、17-顆粒閥門e、18-螺旋給料機(jī)、19-顆粒閥門f、20-氣體閥門c、21-氣體閥門d、22

??

氣體閥門e、23-氣體閥門f、24-低溫蓄熱器、25-風(fēng)機(jī)a、26-氣體閥門g、27-氣體閥門h、 28-液氮汽化器a、29-低溫液體閥門a、30-液氮儲(chǔ)罐、31-氣體組分分析儀、32-高溫蓄熱器、 32a-高溫蓄熱器的第一氣體入口、32b-高溫蓄熱器的第一氣體出口、32c-高溫蓄熱器的第二氣體入口、32d-高溫蓄熱器的第二氣體出口、33-風(fēng)機(jī)b、34-氣體閥門i、35-高壓二氧化碳儲(chǔ)罐、36-二氧化碳壓縮機(jī)a、37-二氧化碳透平、38-二氧化碳-水換熱器、39-水泵a、40-冷凝器、41-蒸汽透平、42-caco3顆粒、43-cao顆粒、44-真空泵、45-水泵b、46-水箱、47

??

低溫液體閥門b、48-氣體閥門j、49-液氮汽化器b、49a-液氮汽化器b的液氮入口、49b-液氮汽化器b的氮?dú)獬隹凇?9c-液氮汽化器b的n2+co2混合氣體入口、49d-液氮汽化器b的 n2+co2氣固混合物出口、50-氣體閥門k、51-低溫氣固分離器、51a-低溫氣固分離器的入口、 51b-低溫氣固分離器的氣體出口、51c-低溫氣固分離器的顆粒出口、52-固態(tài)co2儲(chǔ)罐、53

??

加熱器、54-氣體閥門l、55-二氧化碳壓縮機(jī)b。

具體實(shí)施方式

49.下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式進(jìn)一步說明本發(fā)明。

50.如圖1所示，反應(yīng)器3的中間段3c中包含鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)3f、上部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)3e和下部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)3g等特征。反應(yīng)器3中的鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)(3f)由多組鋸齒單元組成，反應(yīng)器3中上部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)3e和下部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)3g分別由多個(gè)相同的四面體單元組成。上部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)3e中四面體單元的底面與鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)3f中鋸齒單元的上表面重合，下部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)3g中四面體單元的底面與鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)3f中鋸齒單元的下表面重合，鋸齒單元的上表面和下表面平行。四面體單元的其余三個(gè)面中有一個(gè)面垂直于鋸齒單元的上表面，另外兩個(gè)面為傾斜表面，與鋸齒單元的上表面的夾角相等，傾斜表面與鋸齒單元的上表面的夾角大于70

°

。反應(yīng)器3工作時(shí)，鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)3f的向光面接受聚焦的太陽輻照，并通過熱傳導(dǎo)的方式將熱量傳導(dǎo)給鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)3f的背光面，再通過對流傳熱的方式加熱反應(yīng)器3內(nèi)的顆粒反應(yīng)

物。鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)3f的主要優(yōu)點(diǎn)是增強(qiáng)吸熱體的許用能流密度和反應(yīng)器的安全性；上部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)3e和下部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)3g的主要是為了避免顆粒流動(dòng)死區(qū)，便于反應(yīng)器3中的顆粒反應(yīng)物的排出。

51.如圖2a、2b和2c所示分別為反應(yīng)器3的中間段3c的前視圖、右視圖和上視圖。鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)3f、上部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)3e和下部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)3g是由多個(gè)平面布置的單元組成。鋸齒形單元的夾角小于30

°

，其作用是增強(qiáng)反應(yīng)器3的安全性，提高反應(yīng)器壁面的許用能流。相鄰的兩個(gè)單元之間的間隙大于2mm，其作用是避免顆粒堵塞或卡澀。

52.如圖3為含鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的腔式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖，鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)由多個(gè)扇形布置的鋸齒形單元組成，采用腔式結(jié)構(gòu)后反應(yīng)器3中太陽輻照的入口面積遠(yuǎn)小于鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的向光面面積。其作用是進(jìn)一步降低鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的向光面對太陽輻照的入口的角系數(shù)，因此更多地降低在煅燒反應(yīng)時(shí)反應(yīng)器表面的熱損失。

53.如圖4所示，基于caco3/cao體系的含鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)流化床式太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)由反應(yīng)器3、太陽能集熱裝置、儲(chǔ)能裝置、co2分離裝置、co2補(bǔ)充裝置、發(fā)電裝置及相應(yīng)的熱化學(xué)儲(chǔ)能反應(yīng)物顆粒、管道、儀表、閥門等組成。

54.所述的反應(yīng)器3自下而上分為進(jìn)氣室3a、顆粒堆集段3b、中間段3c和漸縮段3d四個(gè)部分，其中在進(jìn)氣室3a和顆粒堆集段3b之間設(shè)置有布風(fēng)裝置3h，中間段3c自上而下包含上部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)3e、鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)3f和下部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)3g。

55.太陽能集熱裝置主要由定日鏡場1和移動(dòng)擋板2組成。移動(dòng)擋板2能夠完全覆蓋鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)3f，位于面向定日鏡場1的一側(cè)，移動(dòng)擋板2的移動(dòng)能夠決定鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)3f 的向光面是否接受來自定日鏡場1的聚焦太陽輻照。

56.儲(chǔ)能裝置主要由反應(yīng)器3、旋風(fēng)分離器9、下降管a11、下降管b15、caco3儲(chǔ)罐12、 cao儲(chǔ)罐16、螺旋給料機(jī)18、低溫蓄熱器24、風(fēng)機(jī)a25、液氮汽化器a28、液氮儲(chǔ)罐30、高溫蓄熱器32、風(fēng)機(jī)b33、高壓二氧化碳儲(chǔ)罐35、真空泵44、水泵b45和水箱46等組成。 caco3儲(chǔ)罐12和cao儲(chǔ)罐16中分別存儲(chǔ)caco3顆粒42和cao顆粒43；caco3儲(chǔ)罐12的上部與下降管a11的底端連接；cao儲(chǔ)罐16的上部與下降管b15的底端連接。caco3儲(chǔ)罐12和cao儲(chǔ)罐16的下部與螺旋給料機(jī)18的兩個(gè)頂部接口相連，并在連接處分別設(shè)置有顆粒閥門c13和顆粒閥門e17。螺旋給料機(jī)18與反應(yīng)器3中的中間段3c連接，兩者之間設(shè)置有顆粒閥門f19。反應(yīng)器3中的漸縮段3d的出口設(shè)置有氣體閥門a5和顆粒閥門a6。旋風(fēng)分離器9的入口9a與反應(yīng)器3的漸縮段3d相連，并在連接處設(shè)有顆粒閥門a6；旋風(fēng)分離器9的顆粒出口9c與下降管a11和下降管b15的頂端連接，并在與下降管a11和下降管 b15的連接處分別設(shè)置有顆粒閥門b10和顆粒閥門d14；旋風(fēng)分離器9的氣體出口9b與高溫蓄熱器32的第一氣體入口32a之間設(shè)置有氣體閥門b7、溫度分析儀b8、氣體閥門d21。低溫蓄熱器24的氣體出口與反應(yīng)器3中的進(jìn)氣室3a之間設(shè)置有用于測試下一次化學(xué)反應(yīng)之前的氣體溫度的溫度分析儀a4；低溫蓄熱器24的氣體入口與高溫蓄熱器的第一氣體出口32b 之間設(shè)置有氣體組分分析儀31、氣體閥門g26和風(fēng)機(jī)a25。高壓二氧化碳儲(chǔ)罐35和高溫蓄熱器32的第二氣體入口32c之間設(shè)置有氣體閥門i34和風(fēng)機(jī)b33；高溫蓄熱器32的第二氣體出口32d和反應(yīng)器3中的進(jìn)氣室3a之間設(shè)置有氣體閥門f 23和溫度分析儀a4。液氮儲(chǔ)罐30和液氮汽化器a28之間設(shè)置有低溫液體閥門a29。液氮汽化器a28、水箱46和水泵b45 采用循環(huán)管路依次連接。高溫蓄熱器的第一氣體出口32b和真空泵44的入口之間設(shè)置有氣體閥門h27，真空泵44出口氣體用于加熱水箱46中的液態(tài)水。

57.co2分離裝置主要由低溫液體閥門b47、液氮汽化器b49、氣體閥門k50、低溫氣固分離器51以及配套的電機(jī)和管道儀表等組成。液氮汽化器b49的液氮入口49a與液氮儲(chǔ)罐30 之間設(shè)置有低溫液體閥門b47；液氮汽化器b49的氮?dú)獬隹?9b將汽化形成的n2的排空；液氮汽化器b49的n2+co2混合氣體入口49c和真空泵44的出口之間設(shè)置有氣體閥門k50，流經(jīng)氣體閥門k50的n2+co2混合氣體在水箱46中進(jìn)行冷卻；液氮汽化器b49的n2+co2氣固混合物出口49d與低溫氣固分離器51的入口51a相連。低溫氣固分離器51的氣體出口 51b將分離出的n2的排空；低溫氣固分離器51的顆粒出口51c與固態(tài)co2儲(chǔ)罐52相連。

58.co2補(bǔ)充裝置主要由固態(tài)co2儲(chǔ)罐52、加熱器53、氣體閥門l54、二氧化碳壓縮機(jī)b55 以及配套的管道儀表等組成。固態(tài)co2儲(chǔ)罐52內(nèi)置有加熱器53，固態(tài)co2儲(chǔ)罐52的出口與氣體閥門l54、二氧化碳壓縮機(jī)b55和高壓二氧化碳儲(chǔ)罐35的入口采用循環(huán)管路順次連接。

59.發(fā)電裝置主要由二氧化碳壓縮機(jī)a36、二氧化碳透平37、二氧化碳-水換熱器38、水泵 a39、蒸汽透平41、冷凝器40以及配套的發(fā)電機(jī)和管道儀表閥門等組成。二氧化碳壓縮機(jī) a36和二氧化碳透平37同軸連接，膨脹做功后的co2流出二氧化碳透平37在二氧化碳-水換熱器38中釋放余熱后進(jìn)入二氧化碳壓縮機(jī)a36進(jìn)行壓縮后在高壓二氧化碳儲(chǔ)罐35中存儲(chǔ)。水泵a39出口的高壓未飽和水在二氧化碳-水換熱器38中的吸收余熱后在蒸汽透平41中做功，乏汽在冷凝器40冷凝后回到水泵a39入口，完成朗肯循環(huán)。

60.下降管a11和下降管b15與水平方向的傾角大于70

°

。所述的螺旋給料機(jī)18與反應(yīng)器 3中的中間段3c的連接處與水平方向傾角大于70

°

。所述的caco3儲(chǔ)罐12和cao儲(chǔ)罐16 內(nèi)無顆粒流死區(qū)。

61.所述caco3顆粒12的平均粒徑為50-300μm。

62.所述的低溫蓄熱器24和高溫蓄熱器32中的蓄熱介質(zhì)為無機(jī)固體球，能在1000℃高溫下維持良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，平均粒徑為1cm-5cm，優(yōu)選的材料為廉價(jià)的氧化鋁、二氧化硅等。

63.本發(fā)明中，所述的液氮汽化器b49中設(shè)置固態(tài)co2破碎機(jī)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)將凝華后不易從液氮汽化器b49中排出的部分固態(tài)co2破碎成顆粒物，便于n2+co2氣固混合物在低溫氣固分離器51中分離。

64.高溫蓄熱器的第二氣體出口32d和二氧化碳透平37之間連接管路上設(shè)置有氣體閥門 e22。水箱46和高壓二氧化碳儲(chǔ)罐35之間的連接管路上設(shè)置有氣體閥門j48。在高溫蓄熱器的第一氣體入口32a與二氧化碳透平37之間的連接管路上設(shè)置有氣體閥門c20。

65.如圖5所示，這一運(yùn)行模式是在熱化學(xué)儲(chǔ)熱反應(yīng)開始之前利用n2吸收聚焦太陽能對系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱，caco3顆粒42完全存儲(chǔ)于caco3儲(chǔ)罐12中，cao儲(chǔ)罐16內(nèi)無顆粒。在這一模式運(yùn)行前，系統(tǒng)處于真空狀態(tài)。在這一模式運(yùn)行時(shí)，顆粒閥門b10、顆粒閥門c13、顆粒閥門d14、顆粒閥門e17和顆粒閥門f19保持關(guān)閉狀態(tài)，顆粒閥門a6、氣體閥門b7、氣體閥門d21和氣體閥門g26保持開啟狀態(tài)。首先，開啟低溫液體閥門a29，液氮儲(chǔ)罐30中的液氮在液氮汽化器a28中汽化為n2后在風(fēng)機(jī)a25的作用下依次流經(jīng)低溫蓄熱器24、反應(yīng)器 3、旋風(fēng)分離器9、高溫蓄熱器32形成n2環(huán)路。n2充滿環(huán)路系統(tǒng)后關(guān)閉低溫液體閥門a29，鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)3f的向光面接受來自定日鏡場1的聚焦太陽輻照。當(dāng)?shù)蜏匦顭崞?4和高溫蓄熱器32充熱完成后，該運(yùn)行模式結(jié)束。

66.如圖6所示，這一運(yùn)行模式是對caco3顆粒在高溫下煅燒分解儲(chǔ)熱，首先，調(diào)節(jié)移動(dòng)

擋板2使反應(yīng)器3中的鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)3f的向光面暫時(shí)不接受聚焦太陽輻照，風(fēng)機(jī)a25停機(jī)，開啟顆粒閥門c13和顆粒閥門f19，caco3儲(chǔ)罐12中的caco3顆粒42在自身重力和螺旋給料機(jī)18的作用下進(jìn)入反應(yīng)器3的顆粒堆集段3b形成有效堆集。之后，顆粒閥門a6、氣體閥門b7、顆粒閥門c13和顆粒閥門f19保持關(guān)閉狀態(tài)，氣體閥門a5、氣體閥門d21、氣體閥門e22、氣體閥門g26和氣體閥門i34保持開啟狀態(tài)。然后風(fēng)機(jī)a25啟動(dòng)，并調(diào)節(jié)移動(dòng)擋板2使反應(yīng)器3中的鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)3f的向光面接受聚焦太陽輻照。caco3顆粒被封閉于反應(yīng)器3中鼓泡流化并與鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)3f的背光面進(jìn)行熱交換，caco3顆粒在反應(yīng)器中分解成cao+co2，反應(yīng)過程中n2+co2混合氣體流經(jīng)高溫蓄熱器32、風(fēng)機(jī)a25后低溫蓄熱器24進(jìn)入反應(yīng)器3中形成氣體環(huán)路繼續(xù)對未反應(yīng)完全的caco3顆粒進(jìn)行流化。

67.當(dāng)氣體組分分析儀31探測的co2含量達(dá)到峰值時(shí)，說明反應(yīng)器3中的caco3煅燒反應(yīng)完成。然后調(diào)控定日鏡場1使反應(yīng)器3中的鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)3f的向光面不接受聚焦太陽輻照，將顆粒閥門a6、氣體閥門b7、顆粒閥門d14、氣體閥門d21、氣體閥門g26開啟，氣體閥門a5、顆粒閥門b10、顆粒閥門c13、顆粒閥門e17、顆粒閥門f19關(guān)閉，在風(fēng)機(jī)a25 的作用下增大氣體流量使煅燒反應(yīng)后的cao顆粒和n2+co2混合氣體由反應(yīng)器3中的漸縮段 3d流出進(jìn)入旋風(fēng)分離器9進(jìn)行氣固分離。分離后的n2+co2混合氣體在高溫蓄熱器32-風(fēng)機(jī) a25-低溫蓄熱器24-反應(yīng)器3-旋風(fēng)分離器9的氣體環(huán)路中循環(huán)流動(dòng)，分離后的cao顆粒由下降管b15流入cao儲(chǔ)罐16進(jìn)行存儲(chǔ)，直至反應(yīng)器內(nèi)所有的cao顆粒均進(jìn)入cao儲(chǔ)罐16，儲(chǔ)熱運(yùn)行模式結(jié)束。在這一運(yùn)行模式下，高壓二氧化碳儲(chǔ)罐35中的高壓二氧化碳在風(fēng)機(jī)b33 的作用下進(jìn)入高溫蓄熱器32加熱成高溫高壓co2后進(jìn)入發(fā)電裝置發(fā)電。

68.如圖7所示，這一運(yùn)行模式是將系統(tǒng)中的n2+co2混合氣體進(jìn)行分離，并將系統(tǒng)抽真空，為釋熱運(yùn)行模式做準(zhǔn)備。在這一模式運(yùn)行時(shí)，氣體閥門a5、顆粒閥門b10、顆粒閥門e17 和氣體閥門g26保持關(guān)閉，顆粒閥門a6、氣體閥門b7、顆粒閥門c13、顆粒閥門f19、氣體閥門d21、氣體閥門e22、氣體閥門h27、氣體閥門i34、低溫液體閥門b47和氣體閥門 k50保持開啟，風(fēng)機(jī)a25停機(jī)，風(fēng)機(jī)b33和真空泵44啟動(dòng)。煅燒儲(chǔ)熱反應(yīng)的產(chǎn)物n2+co2混合氣體在真空泵44的作用下將熱量傳遞給水箱46中的液態(tài)水后進(jìn)入液氮汽化器b49將來自液氮儲(chǔ)罐30的液氮汽化，n2+co2混合氣體中的co2凝華為固態(tài)co2，n2+co2混合氣體中的n2仍保持氣態(tài)，汽化后的液氮排空。從液氮汽化器b49流出的n2+co2氣固混合物在低溫氣固分離器51中氣固分離，分離后的n2排空，分離后的固態(tài)co2進(jìn)入固態(tài)co2儲(chǔ)罐 52存儲(chǔ)。在這一運(yùn)行模式下，高壓二氧化碳儲(chǔ)罐35中的高壓二氧化碳在風(fēng)機(jī)b33的作用下進(jìn)入高溫蓄熱器32加熱成高溫高壓co2后進(jìn)入發(fā)電裝置發(fā)電。

69.如圖8所示，這一運(yùn)行模式是cao顆粒與過量的高壓co2反應(yīng)釋放大量反應(yīng)熱而獲得高溫co2進(jìn)行發(fā)電。在這一模式運(yùn)行時(shí)，首先開啟顆粒閥門e17和顆粒閥門f19，cao儲(chǔ)罐 16中的cao顆粒43在螺旋給料機(jī)18的作用下進(jìn)入反應(yīng)器3中的顆粒堆集段3b。之后，顆粒閥門a6、氣體閥門b7、顆粒閥門b10、顆粒閥門c13、顆粒閥門f19、氣體閥門c20、氣體閥門d21、氣體閥門f23、氣體閥門h27、氣體閥門i34和氣體閥門j48保持開啟，顆粒閥門d14和顆粒閥門e17保持關(guān)閉，螺旋給料機(jī)18和風(fēng)機(jī)b33保持啟動(dòng)狀態(tài)，真空泵44 保持停機(jī)狀態(tài)。高壓二氧化碳儲(chǔ)罐35中的高壓co2在風(fēng)機(jī)b33的作用下進(jìn)入高溫蓄熱器32 預(yù)熱后進(jìn)入反應(yīng)器3中的進(jìn)氣室3a對cao顆粒流化并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放熱量加熱co2，反應(yīng)后的氣固產(chǎn)物由反應(yīng)器3中的漸縮段3d進(jìn)入旋風(fēng)分離器9氣固分離。分離后的co2一路進(jìn)入發(fā)電裝置發(fā)電后回到高

壓二氧化碳儲(chǔ)罐35，另一路進(jìn)入高溫蓄熱器32對其充熱后進(jìn)一步在水箱46中釋放熱量后回到高壓二氧化碳儲(chǔ)罐35，分離后的固體顆粒依次經(jīng)由下降管a11、 caco3儲(chǔ)罐12和螺旋給料機(jī)18后進(jìn)入反應(yīng)器3中的顆粒堆集段3b繼續(xù)被高壓co2流化并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)溫度分析儀a4和溫度分析儀b8探測的溫度信號一致時(shí)，說明釋熱反應(yīng)結(jié)束。此后，風(fēng)機(jī)b33停機(jī)，關(guān)閉顆粒閥門c13和顆粒閥門f19，使反應(yīng)生成的caco3顆粒進(jìn)入caco3儲(chǔ)罐12中存儲(chǔ)。然后關(guān)閉顆粒閥門b10，啟動(dòng)真空泵44將系統(tǒng)抽成真空，為之后的儲(chǔ)熱反應(yīng)做準(zhǔn)備。

70.如圖9所示，這一運(yùn)行模式是在多次儲(chǔ)/釋熱循環(huán)后出現(xiàn)高壓二氧化碳儲(chǔ)罐35內(nèi)的co2消耗過多時(shí)，將固態(tài)co2儲(chǔ)罐52中存儲(chǔ)的固態(tài)co2升華為氣態(tài)co2進(jìn)行對高壓二氧化碳儲(chǔ)罐35進(jìn)行補(bǔ)充。當(dāng)高壓二氧化碳儲(chǔ)罐35內(nèi)氣體不足時(shí)，啟動(dòng)加熱器53并開啟氣體閥門l54，固態(tài)co2儲(chǔ)罐52內(nèi)的固態(tài)co2升化后經(jīng)二氧化碳壓縮機(jī)b55壓縮后進(jìn)入高壓二氧化碳儲(chǔ)罐 35存儲(chǔ)。

71.本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。以上所述的實(shí)施例僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，優(yōu)選實(shí)施例并沒有詳盡敘述所有的細(xì)節(jié)，也不限制該發(fā)明僅為所述的具體實(shí)施方式。在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。技術(shù)特征：

1.一種基于caco3/cao體系的流化床式反應(yīng)器，其特征在于，所述反應(yīng)器(3)自下而上分為進(jìn)氣室(3a)、顆粒堆集段(3b)、中間段(3c)和漸縮段(3d)四個(gè)部分，其中在進(jìn)氣室(3a)和顆粒堆集段(3b)之間設(shè)置有布風(fēng)裝置(3h)，中間段(3c)自上而下包含上部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)(3e)、鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)(3f)和下部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)(3g)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)(3f)由多組鋸齒單元組成，兩相鄰鋸齒單元在反應(yīng)器(3)內(nèi)部的間隙大于2mm以防止顆粒卡澀。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)(3f)中鋸齒單元采用平面布置方式或扇形布置方式，形成平面式反應(yīng)器或腔式反應(yīng)器。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的反應(yīng)器，其特征在于，鋸齒單元的夾角低于30

°

。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述上部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)(3e)和下部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)(3g)分別由多個(gè)相同的四面體單元組成；所述上部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)(3e)中四面體單元的底面與鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)(3f)中鋸齒單元的上表面重合，下部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)(3g)中四面體單元的底面與鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)(3f)中鋸齒單元的下表面重合，鋸齒單元的上表面和下表面平行；四面體單元的其余三個(gè)面中有一個(gè)面垂直于鋸齒單元的上表面，另外兩個(gè)面為傾斜表面，與鋸齒單元的上表面的夾角相等，傾斜表面與鋸齒單元的上表面的夾角大于70

°

。6.一種基于caco3/cao體系的太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括太陽能集熱裝置、儲(chǔ)能裝置、co2分離裝置、co2補(bǔ)充裝置和發(fā)電裝置；所述的太陽能集熱裝置包括定日鏡場(1)和移動(dòng)擋板(2)；所述的移動(dòng)擋板(2)能夠完全覆蓋反應(yīng)器(3)的中間段(3c)中鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)(3f)，位于面向定日鏡場(1)的一側(cè)，移動(dòng)擋板(2)的移動(dòng)能夠決定鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)(3f)的向光面是否接受來自定日鏡場(1)的聚焦太陽輻照；所述的儲(chǔ)能裝置包括反應(yīng)器(3)、旋風(fēng)分離器(9)、下降管a(11)、下降管b(15)、caco3儲(chǔ)罐(12)、cao儲(chǔ)罐(16)、螺旋給料機(jī)(18)、低溫蓄熱器(24)、風(fēng)機(jī)a(25)、液氮汽化器a(28)、液氮儲(chǔ)罐(30)、高溫蓄熱器(32)、風(fēng)機(jī)b(33)、高壓二氧化碳儲(chǔ)罐(35)、真空泵(44)、水泵b(45)和水箱(46)；caco3儲(chǔ)罐(12)和cao儲(chǔ)罐(16)中分別存儲(chǔ)caco3顆粒(42)和cao顆粒(43)；caco3儲(chǔ)罐(12)的上部與下降管a(11)的底端連接；cao儲(chǔ)罐(16)的上部與下降管b(15)的底端連接；caco3儲(chǔ)罐(12)和cao儲(chǔ)罐(16)的下部與螺旋給料機(jī)(18)的兩個(gè)頂部接口相連，并在連接處分別設(shè)置有顆粒閥門c(13)和顆粒閥門e(17)；螺旋給料機(jī)(18)與反應(yīng)器(3)中的中間段(3c)連接，兩者之間設(shè)置有顆粒閥門f(19)；反應(yīng)器(3)中的漸縮段(3d)的出口設(shè)置有氣體閥門a(5)和顆粒閥門a(6)；旋風(fēng)分離器(9)的入口(9a)與反應(yīng)器(3)的漸縮段(3d)相連，并在連接處設(shè)有顆粒閥門a(6)；旋風(fēng)分離器(9)的顆粒出口(9c)與下降管a(11)和下降管b(15)的頂端連接，并在與下降管a(11)和下降管b(15)的連接處分別設(shè)置有顆粒閥門b(10)和顆粒閥門d(14)；旋風(fēng)分離器(9)的氣體出口(9b)與高溫蓄熱器(32)的第一氣體入口(32a)之間設(shè)置有氣體閥門b(7)、溫度分析儀b(8)、氣體閥門d(21)；低溫蓄熱器(24)的氣體出口與反應(yīng)器(3)中的進(jìn)氣室(3a)之間設(shè)置有用于測試下一次化學(xué)反應(yīng)之前的氣體溫度的溫度分析儀a(4)；低溫蓄熱器(24)的氣體入口與高溫蓄熱器的第一氣體出口(32b)之間設(shè)置有氣體組分分析儀(31)、氣體閥門g(26)和風(fēng)機(jī)a(25)；高壓二氧化碳儲(chǔ)罐(35)和高溫蓄熱器(32)的第二氣體入口(32c)之間設(shè)置有氣體閥門i(34)和風(fēng)機(jī)b(33)；高溫蓄熱器(32)的第二氣體出口(32d)和反應(yīng)器(3)中的進(jìn)氣室(3a)之間設(shè)置有氣體閥門f(23)和溫度分析

儀a(4)；液氮儲(chǔ)罐(30)和液氮汽化器a(28)之間設(shè)置有低溫液體閥門a(29)；液氮汽化器a(28)、水箱(46)和水泵b(45)采用循環(huán)管路依次連接；高溫蓄熱器的第一氣體出口(32b)和真空泵(44)的入口之間設(shè)置有氣體閥門h(27)，真空泵(44)出口氣體用于加熱水箱(46)中的液態(tài)水；所述的co2分離裝置包括低溫液體閥門b(47)、液氮汽化器b(49)、氣體閥門k(50)和低溫氣固分離器(51)；液氮汽化器b(49)的液氮入口(49a)與液氮儲(chǔ)罐(30)之間設(shè)置有低溫液體閥門b(47)；液氮汽化器b(49)的氮?dú)獬隹?49b)將汽化形成的n2的排空；液氮汽化器b(49)的n2+co2混合氣體入口(49c)和真空泵(44)的出口之間設(shè)置有氣體閥門k(50)，流經(jīng)氣體閥門k(50)的n2+co2混合氣體在水箱(46)中進(jìn)行冷卻；液氮汽化器b(49)的n2+co2氣固混合物出口(49d)與低溫氣固分離器(51)的入口(51a)相連；低溫氣固分離器(51)的氣體出口(51b)將分離出的n2的排空；低溫氣固分離器(51)的顆粒出口(51c)與固態(tài)co2儲(chǔ)罐(52)相連；所述的co2補(bǔ)充裝置包括固態(tài)co2儲(chǔ)罐(52)、加熱器(53)、氣體閥門l(54)和二氧化碳壓縮機(jī)b(55)；固態(tài)co2儲(chǔ)罐(52)內(nèi)置有加熱器(53)，固態(tài)co2儲(chǔ)罐(52)的出口與氣體閥門l(54)、二氧化碳壓縮機(jī)b(55)和高壓二氧化碳儲(chǔ)罐(35)的入口采用循環(huán)管路順次連接；所述的發(fā)電裝置包括二氧化碳壓縮機(jī)a(36)、二氧化碳透平(37)、二氧化碳-水換熱器(38)、水泵a(39)、蒸汽透平(41)和冷凝器(40)；二氧化碳壓縮機(jī)a(36)和二氧化碳透平(37)同軸連接，膨脹做功后的co2流出二氧化碳透平(37)在二氧化碳-水換熱器(38)中釋放余熱后進(jìn)入二氧化碳壓縮機(jī)a(36)進(jìn)行壓縮后在高壓二氧化碳儲(chǔ)罐(35)中存儲(chǔ)；水泵a(39)出口的高壓未飽和水在二氧化碳-水換熱器(38)中的吸收余熱后在蒸汽透平(41)中做功，乏汽在冷凝器(40)冷凝后回到水泵a(39)入口，完成朗肯循環(huán)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，下降管a(11)和下降管b(15)與水平方向的傾角大于70

°

；所述的螺旋給料機(jī)(18)與反應(yīng)器(3)中的中間段(3c)的連接處與水平方向傾角大于70

°

；所述的caco3儲(chǔ)罐(12)和cao儲(chǔ)罐(16)內(nèi)無顆粒流死區(qū)。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述caco3顆粒(12)的平均粒徑為50-300μm。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的低溫蓄熱器(24)和高溫蓄熱器(32)中的蓄熱介質(zhì)為無機(jī)固體球，能在1000℃高溫下維持良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，平均粒徑為1cm-5cm。10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的液氮汽化器b(49)中設(shè)置固態(tài)co2破碎機(jī)構(gòu)。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開一種基于CaCO3/CaO體系的流化床式反應(yīng)器及其太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。反應(yīng)器自下而上分為進(jìn)氣室、顆粒堆集段、中間段和漸縮段四個(gè)部分，其中在進(jìn)氣室和顆粒堆集段之間設(shè)置有布風(fēng)裝置，中間段自上而下包含上部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)、鋸齒形擴(kuò)展結(jié)構(gòu)和下部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)。太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)由太陽能集熱裝置、儲(chǔ)能裝置、CO2分離裝置、CO2補(bǔ)充裝置、發(fā)電裝置及相應(yīng)的熱化學(xué)儲(chǔ)能反應(yīng)物顆粒、管道、儀表、閥門等組成。本發(fā)明中CaCO3顆粒在N2氣氛下煅燒分解儲(chǔ)熱，反應(yīng)生成的CaO顆粒在高壓的CO2氣氛下碳酸化釋熱。本發(fā)明有效避免CaCO3顆粒燒結(jié)和反應(yīng)器在投入能流密度較高時(shí)損壞的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)混合氣體產(chǎn)物N2和CO2的高效分離和系統(tǒng)在儲(chǔ)熱和釋熱階段內(nèi)連續(xù)發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)。熱階段內(nèi)連續(xù)發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)。熱階段內(nèi)連續(xù)發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：聶輔亮 李鑫 常哲韶 張強(qiáng)強(qiáng) 付銘凱

受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院電工研究所

技術(shù)研發(fā)日：2022.02.25

技術(shù)公布日：2022/5/25