[发明专利]基于CaCO3

说明书

本发明公开一种基于CaCO₃/CaO体系的流化床式反应器及其太阳能热化学储能系统。反应器自下而上分为进气室、颗粒堆集段、中间段和渐缩段四个部分，其中在进气室和颗粒堆集段之间设置有布风装置，中间段自上而下包含上部导流结构、锯齿形扩展结构和下部导流结构。太阳能热化学储能系统由太阳能集热装置、储能装置、CO₂分离装置、CO₂补充装置、发电装置及相应的热化学储能反应物颗粒、管道、仪表、阀门等组成。本发明中CaCO₃颗粒在N₂气氛下煅烧分解储热，反应生成的CaO颗粒在高压的CO₂气氛下碳酸化释热。本发明有效避免CaCO₃颗粒烧结和反应器在投入能流密度较高时损坏的缺点，实现混合气体产物N₂和CO₂的高效分离和系统在储热和释热阶段内连续发电的优点。

技术领域

本发明涉及用于太阳能热发电领域的反应器，特别涉及一种基于CaCO₃/CaO体系的流化床式反应器及其太阳能热化学储能系统。

背景技术

我国正在广泛部署可再生能源发电技术。当前光伏、风电等技术的功率输出均具有很强的波动性，不利于直接接入电网，必须配置储电系统。然而，当前蓄电池的成本非常昂贵，为1500元/kWh，约为储热的6倍(均按kWh_e计算)。此外，与储热技术相比，电化学储能还存在使用寿命短、爆炸风险、储能时长短、储能容量低等缺点。太阳能热发电技术中具备长周期、大规模高温储热的优势，是构建以新能源为主的新型电力系统的重要组成部分，可以有效平抑电网负荷波动，实现在阴雨、云遮、夜晚等工况下的24h连续稳定电力输出。

常见的储热技术主要有三种：显热储热、相变储热以及热化学储热。其中热化学储热技术是采用可逆化学反应的方式进行热能的储存和释放，其储热密度最高，可以实现跨季节长期存储和长距离输运。常见的热化学反应储热体系包括：金属氧化物还原/再氧化、金属氢化物脱氢/加氢、碳酸盐分解/碳酸化、氨分解/合成、无机氢氧化物脱水/水合等。其中CaCO₃/CaO 体系具有原材料成本低、安全性高、储热密度大(1800kJ/kg)、储放热温度较高(～800℃)等优点，易于与下一代太阳能热发电技术结合。

由于CaCO₃材料的塔曼温度较低(～533℃)，煅烧温度超过该温度时可能会造成颗粒的固相烧结，造成化学反应转化率下降。降低CaCO₃材料的煅烧温度和对CaCO₃材料进行改性处理是维持较高反应转化率的主要手段。大量文献中的研究表明，反应中的气氛条件对CaCO₃的煅烧温度有比较显著的影响，在低CO₂分压和浓度下的惰性气氛下能够降低储热反应所需的煅烧温度，常见的惰性气氛有He和N₂。当前文献中较多是采用固定床反应器作为煅烧装置和碳化装置，由于固定床内颗粒间有效导热系数较低且传热性能较差，易于造成固定床内局部温度过高而加剧颗粒烧结，一般须在CaCO₃粉末中掺杂少量纳米结构材料(如SiO₂、Al₂O₃)有助于降低CaCO₃/CaO粉末高温团聚作用，增强循环稳定性。文献《Thermochemical storage performance of a packed bed of calcium hydroxidecomposite with a silicon-based ceramic honeycomb support》中采用将堆积颗粒填充在泡沫陶瓷和蜂窝陶瓷中以强化固定床内的传热，使颗粒受热均匀，获得了较为理想的储释热性能，但该方法并没有从根本上解决固定床内颗粒间传热差的问题。因此反应器的设计对于CaCO₃/CaO体系热化学储热系统非常关键。