[发明专利]颗粒/超临界CO2

说明书

本发明公开了颗粒/超临界CO₂流化床换热系统及其应用。该系统包括流化床、固气分离装置和蜂窝陶瓷蓄热体，流化床设有超临界CO₂管路、高温颗粒入口、第一流化风入口、高温混合气体出口；固气分离装置与高温混合气体出口相连，其固体颗粒出口与流化床相连；蜂窝陶瓷蓄热体具有高温气体入口、低温气体出口、低温空气入口和预热空气出口，预热空气出口与第一流化风入口相连，固气分离装置的高温气体出口向第一蜂窝陶瓷蓄热体和第二蜂窝陶瓷蓄热体中的其中一个供给高温气体时，通过风机向第一蜂窝陶瓷蓄热体和第二蜂窝陶瓷蓄热体中的另一个供给低温空气。采用该系统进行换热不仅能显著降低热损失，还能大幅提高颗粒/超临界CO₂流化床的换热效率及效果。

技术领域

本发明属于高温太阳能热发电领域，具体而言，涉及颗粒/超临界CO₂流化床换热系统及其应用。

背景技术

以超临界CO₂为循环做功工质高温太阳能发电系统的运行压力大于15MPa，温度高于 600℃，具有高效低成本潜力，是目前国际太阳能热发电研究热点。欧盟和美国DOE从2018 年启动该项技术研究计划。限于当前材料和加工技术的发展水平，直接利用太阳能加热超临界CO₂进行热发电的危险系数极大，而通常引入第二介质如颗粒、熔盐等吸收聚光太阳能的高热流密度，然后对超临界CO₂进行加热。固体颗粒如沙粒、陶瓷颗粒、灰粉粒等具有吸热温度高、无腐蚀、耐用和廉价等特点，因此，采用固体颗粒作为高温太阳能的热载体具有其它工质无法比拟的天然优势。美国能源局也将颗粒/超临界CO₂换热器列为新一代聚光太阳能发电系统重点研发的关键部件之一。

颗粒/超临界CO₂换热器可分为移动床和流化床两种。移动床换热器利用颗粒的重力作用自由沉降，通过辐射和接触导热加热管内超临界CO₂。但由于颗粒流速低、颗粒与超临界CO₂管壁的接触面小，换热器内几乎无气流扰动，换热器内的传热系数非常低，导致相同换热量条件下所需要的换热面积较大。且此类换热器容易出现颗粒的堆积堵塞和粘结现象，上述因素很大程度上限制了此类换热器的推广应用。相比而言，颗粒流化床式换热器采用空气作为流化介质对高温颗粒进行流化，气体吸收颗粒热量变成高温气体，流化后的颗粒增加了与管壁的接触频次和面积，颗粒的流化和扰动作用破坏了管壁气体边界层，大大增加了管壁侧高温气体对流换热系数，这些因素使得颗粒携带的热量能够快速高效的传递给超临界CO₂，实现超临界CO₂的快速吸热升温。但颗粒流化床式换热器的缺点是排放的高温流化空气容易造成系统的热损失增大。高效回收高温流化空气的热量，降低系统热损失，提高换热效率，是颗粒/超临界CO₂换热器急需解决的关键问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出颗粒/超临界CO₂流化床换热系统及其应用，采用该系统进行换热不仅能显著降低热损失，还能大幅提高颗粒/超临界CO₂流化床的换热效率及效果，对实现太阳能的高效热利用具有重要意义。

根据本发明的第一个方面，本发明提出了一种颗粒/超临界CO₂流化床换热系统。根据本发明的实施例，该系统包括：

流化床，所述流化床设有超临界CO₂管路、高温颗粒入口、换热后颗粒出口、第一流化风入口、高温混合气体出口，所述超临界CO₂管路具有低温超临界CO₂入口和高温超临界CO₂出口；

固气分离装置，所述固气分离装置设有高温混合气体入口、高温气体出口和固体颗粒出口，所述高温混合气体入口与所述高温混合气体出口相连，所述固体颗粒出口与所述流化床相连；