一种采用双级流化床的热化学储能系统及其运行方式

本发明涉及储能，具体涉及一种采用双级流化床的热化学储能系统及其运行方式。

背景技术：

1、双碳背景下，新能源发电占比逐年攀升。但是，常规的新型能源如太阳能、风能等能源形式的供能存在间歇性、季节性、不稳定性等特点，难以与复杂的电力需求相适应，“弃光”“弃风”现象严重，造成了巨大的能源浪费。热储能技术是一种与新能源发电技术耦合良好的技术类型，能够消纳新能源发电带来的不稳定因素，使新能源供电实现大规模、可调节的稳定灵活运行。热化学储能是一种新兴的储能技术，与常规储能技术相比，具有高密度、高效率、不受特殊地理因素限制等优点，能够长时间的储存新能源发电产生的电能。其中，碳酸钙钙环(calcium looping，cal)是一种性能优异的储能方案，利用氧化钙与碳酸钙之间的可逆反应实现热能的储存。但是，氧化钙与二氧化碳的化合反应需要提供一定的初始能量来克服反应的活化能壁垒，而常规的电加热方案会导致系统的效率大幅下降。同时，传统的固定床反应器也难以解决反应过程中传热传质困难和多次反应后反应物颗粒烧结等技术难题。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种采用双级流化床的热化学储能系统及其运行方式，优化了普通热化学储能系统的储释能过程，能够长时间、跨距离储能的同时，保证了储能反应的充分进行，降低了释能过程所需活化能，是一种消纳新能源和平抑电网波动的有效方法。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种采用双级流化床的热化学储能系统，包括双级流化床储放能系统1、二氧化碳吸附床2、储能换热器3、膨胀机4、压缩机5、释能换热器6、冷凝器7、储冷床8、电加热器9、干燥器10、发电机11；

4、储能模式下，双级流化床储放能系统1的尾部通道与二氧化碳吸附床2的入口相连通，二氧化碳吸附床2的出口分为两路，一路与双级流化床储放能系统1内的二氧化碳储罐1-9相连通，另一路依次经过储能换热器3、膨胀机4、储冷床8、储能换热器3、压缩机5、电加热器9后返回双级流化床储放能系统1；

5、释能模式下，双级流化床储放能系统1的尾部通道与干燥器10的入口相连通，干燥器10的出口分为两路，一路与双级流化床储放能系统1内的储水罐1-8相连通，另一路依次经过膨胀机4、释能换热器6、冷凝器7、储冷床8、压缩机5、释能换热器6后返回双级流化床储放能系统1；

6、所述双级流化床储放能系统1包括一级流化床反应器1-1、二级流化床反应器1-2、二氧化碳分离器1-3、气体控速阀1-4、输水泵1-5、氧化钙储罐1-6、碳酸钙储罐1-7、储水罐1-8和二氧化碳储罐1-9，其中，一级流化床反应器1-1的固体出口与二级流化床反应器1-2的固体入口相连通，一级流化床反应器1-1的气体出口与二级流化床反应器1-2的气体入口相连通；

7、储能模式下，碳酸钙储罐1-7的出口与一级流化床反应器1-1的固体入口相连通，二氧化碳储罐1-9分别与二氧化碳分离器1-3和二氧化碳吸附床2相连通，氧化钙储罐1-6的入口与二级流化床反应器1-2的固体出口相连通，二氧化碳分离器1-3设置在一级流化床反应器1-1的气体出口处，气体控速阀1-4设置在二级流化床反应器1-2的气体入口处，一级流化床反应器1-1和二级流化床反应器1-2的气体入口与电加热器9的气体出口相连通，二级流化床反应器1-2的气体出口与二氧化碳吸附床2的气体入口相连通；

8、释能模式下，氧化钙储罐1-6的出口与一级流化床反应器1-1的固体入口相连通，储水罐1-8的出口与输水泵1-5的其中一个入口相连通，储水罐1-8的入口与干燥器10的出口相连通，输水泵1-5的另一入口与释能换热器6的出口相连通，输水泵1-5的出口与一级流化床反应器1-1的气体入口相连通，二氧化碳储罐1-9的出口与二级流化床反应器1-2的气体入口相连通，碳酸钙储罐1-7的入口与二级流化床反应器1-2的固体出口相连通，二级流化床反应器1-2的气体出口与干燥器10的入口相连通。

9、优选的，使用空气作为系统运行工质。

10、布置二氧化碳吸附床2吸附分离释能模式下工质中的二氧化碳气体，收集的二氧化碳气体进入双级流化床储放能系统1中的二氧化碳储罐1-9中储存；

11、布置干燥器10吸附分离储能模式下工质中的水蒸气，收集的水蒸气液化后进入双级流化床储放能系统1中的储水罐1-8中储存。

12、所述发电机11与膨胀机4和压缩机5同轴布置。

13、在释能模式下，高温工质驱动膨胀机4做功带动发电机11发电。

14、通过布置电加热器9加热工质至900℃。

15、布置冷凝器7冷却工质，同时对热用户供热。

16、对于一级流化床反应器1-1和二级流化床反应器1-2，气体从下侧入口流入，从上侧出口流出，固体从左侧入口流入，从右侧出口流出。

17、在储能模式下，布置二氧化碳分离器1-3分离从一级流化床反应器1-1中流出的混合气体中的二氧化碳，分离的二氧化碳气体进入二氧化碳储罐1-9中储存；布置气体控速阀1-4控制流入二级流化床反应器1-2中的气体流速，使气体流速能够驱动氧化钙颗粒流动，无法驱动碳酸钙颗粒流动。

18、所述的一种采用双级流化床的热化学储能系统的运行方式，

19、储能过程中，启动压缩机5，启动电加热器9，二者共同加热工质至高温状态，高温工质进入双级流化床储放能系统1驱动分解反应储能，随后从双级流化床储放能系统1的气体出口流出，经过二氧化碳吸附床2吸附除碳后进入储能换热器3预冷后进入膨胀机4膨胀，产生的低温气体流经储冷床8储存冷能，从储冷床8流出后进入储能换热器3进行预热，随后返回压缩机5实现循环；

20、释能过程中，启动输水泵1-5将水蒸气泵送至一级流化床反应器中以启动放热反应进行，随后双级流化床储放能系统1中产生高温工质，工质从双级流化床储放能系统1流出后进入干燥器10中进行干燥，随后进入膨胀机4驱动其运行发电，从膨胀机4流出后进入释能换热器6进行预冷，然后在冷凝器7中进一步冷却后进入储冷床8吸收冷能，随后进入压缩机5中被压缩至高温状态，从压缩机5流出后进入释能换热器6进行预热，随后返回双级流化床储放能系统1中的输水泵1-5中实现循环；

21、所述的双级流化床储放能系统1的运行方式如下：

22、储能过程中，将碳酸钙储罐1-7中的碳酸钙颗粒输运至一级流化床反应器1-1中，利用电加热器9流出的高温工质对碳酸钙颗粒进行加热和输运，在一级流化床反应器1-1中发生吸热分解反应，碳酸钙固体受热分解为氧化钙固体和二氧化碳气体，随后碳酸钙分解生成的二氧化碳气体与工质气体混合，从一级流化床反应器1-1的气体出口流出，经过二氧化碳分离器1-3除碳后在气体控速阀1-4入口处与来自电加热器9的高温工质混合，随后经过气体控速阀1-4控速后进入二级流化床反应器1-2，同时，分解生成的氧化钙颗粒和尚未完全反应的碳酸钙颗粒从一级流化床反应器1-1的固体出口流出，进入二级流化床反应器1-2与气体混合，在气体流速的控制下，在二级流化床反应器1-2中碳酸钙分解储能反应彻底进行，随后，分解反应生成的二氧化碳与工质气体混合，从二级流化床反应器1-2的气体出口流出，进入二氧化碳吸附床2中除碳，生成的氧化钙颗粒从二级流化床反应器1-2的固体出口流出，进入氧化钙储罐1-6中储存；

23、释能过程中，将氧化钙储罐1-6中的氧化钙固体颗粒输运至一级流化床反应器1-1中，启动输水泵1-5驱动储水罐1-8中的水与来自干燥器10中的工质混合，以含湿工质的形式泵送至一级流化床反应器1-1中，在一级流化床反应器1-1中发生一级释能反应，氧化钙固体与水化合生成氢氧化钙固体，并释放热量，对工质进行加热，随后，含湿工质从一级流化床反应器1-1的气体出口流出，在二级流化床反应器1-2的气体入口处与来自二氧化碳储罐1-9的二氧化碳气体混合，随后流入二级流化床反应器1-2，同时，氢氧化钙固体颗粒从一级流化床反应器1-1的固体出口流出，进入二级流化床反应器1-2与气体混合，在二级流化床反应器1-2中发生二级释能反应，一级释能反应中生成的氢氧化钙固体与二氧化碳气体发生复分解反应，生成碳酸钙固体和水蒸气，并进一步释放热量加热工质，随后，含湿工质从二级流化床反应器1-2的气体出口流出，进入干燥器10中干燥，生成的碳酸钙颗粒从二级流化床反应器1-2的固体出口流出，进入碳酸钙储罐1-7中储存。

24、和现有技术相比，本发明具有以下优点：

25、(1)使用热泵储能技术与热化学储能耦合，可提高储能过程的循环效率；

26、(2)通过使用双级流化床反应器优化氧化钙与二氧化碳化合放热的反应过程，利用氧化钙与水的反应为后续反应提供能量，使放电过程无需额外加热，提高系统效率；

27、(3)在系统中设置二氧化碳吸附床和二氧化碳分离器，使二氧化碳能够循环利用，降低系统运行成本。