一种电加热氢氧化钙储热调峰的系统及方法与流程

1.本发明属于火电储热调峰技术领域，具体属于一种电加热氢氧化钙储热调峰的系统及方法。


背景技术：

2.储热技术能够有效提高能源综合利用水平，对电网调峰、工业节能和余热回收等领域都具有重要的应用价值。储热技术主要分为显热储热、潜热储热与热化学储热三大类，其中热化学储热具有储能密度高、能量品质高、且长期保存无热损的明显优势。主要的热化学储热体系中，ca(oh)2/cao体系具有储能密度大、安全无毒、价格低廉和操作简单等特点，其原理是通过可逆反应cao+h2o
→
ca(oh)2实现高品位热能与化学能之间的相互转换进行储热，是目前中高温热化学储能体系中非常具有发展前景的储能方式。
3.火电机组耦合储热技术是实现火电机组灵活改造的主要途径，常见的技术路线是在传统的锅炉和汽轮机之间嵌入一定规模的储热单元，削弱原本刚性联系的“机炉耦合”，特别地对于“以热定电”的供热火电机组，增加储热单元可以更好的实现“热电解耦”，实现灵活供热。
4.热化学储热与火电机组的耦合目前正处于研究阶段，尚未有规模化应用，主要存在着反应器构造复杂、传质和传热效果差、反应难控制、材料的循环稳定性差等问题亟待解决。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种电加热氢氧化钙储热调峰的系统及方法，将锅炉与氢氧化钙/氧化钙储热系统并列运行构建“卡诺电池”，通过电加热分解氢氧化钙储存化学能，通过氧化钙化学反应释热产生蒸汽辅助火电机组调峰，具有系统简单、调峰灵活、效率高的特点。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电加热氢氧化钙储热调峰的系统，包含火电机组和氢氧化钙/氧化钙储热系统，氢氧化钙/氧化钙储热系统包括除盐水箱、氧化钙储罐、氢氧化钙储罐、脱水反应器、分离器和水化反应器，其中火电机组的发电机与脱水反应器电连接，脱水反应器的进口与氢氧化钙储罐的出口连通，脱水反应器的出口与分离器的进口连接，分离器的第二出口与氧化钙储罐的进口连通，氧化钙储罐的出口与水化反应器的第一进口连通，除盐水箱的出口与水化反应器的第二进口连通，水化反应器的蒸汽出口与火电机组的汽轮机高压缸的蒸汽进口连通，水化反应器的反应物出口与氢氧化钙储罐连通。
7.进一步的，所述分离器的第一出口与火电机组的汽轮机低压缸连通，汽轮机低压缸的出气口与除盐水箱进口连通。
8.进一步的，所述水化反应器中采用水蒸气作为流化剂，氧化钙粉末进入布料板上部，水蒸气由布料板下部向上喷入。
9.进一步的，水化反应器中布置水冷壁管，水冷壁管进口与火电机组的锅炉给水出口连通，水冷壁管蒸汽出口与火电机组的汽轮机高压缸的蒸汽进口连通。
10.进一步的，所述脱水反应器采用低压运行，运行压力为0.3mpa～0.8mpa，与火电机组的汽轮机中压缸排气压力保持一致，脱水反应器采用电加热方式升高反应器温度，脱水反应器运行温度为550℃～600℃，所需电源由火电机组发电机提供。
11.进一步的，所述火电机组负荷稳定运行期间，氢氧化钙/氧化钙储热系统保持停止状态。
12.本发明提供一种电加热氢氧化钙储热调峰方法，火电机组负荷降低时，火电机组的发电机将多余的电能提供给脱水反应器，将脱水反应器的温度提高到550℃～600℃，氢氧化钙储罐中的氢氧化钙进入脱水反应器中受热分解为氧化钙和水蒸汽，氧化钙和水蒸汽进入分离器中进行气固分离，水蒸汽经分离器顶部排出与汽轮机中压缸的排气汇合后进入低压缸做功。
13.进一步的，分离器顶部排出的水蒸汽在低压缸中做功后冷凝进入除盐水箱，氧化钙由分离器底部排出，经冷却后进入氧化钙储罐中，实现将电能转化为化学能储存。
14.本发明提供一种电加热氢氧化钙储热调峰方法，火电机组负荷升高时，将氧化钙储罐中的氧化钙粉末和除盐水箱的除盐水一起送入水化反应器中，反应生成氢氧化钙并放热，加热水化反应器水冷壁管中的除盐水产生高温高压蒸汽，高温高压蒸汽进入汽轮机高压缸用于增加汽轮机进汽量实现发电功率增加，将化学能转化为电能。
15.进一步的，氢氧化钙由水化反应器顶部排出，经冷却后进入氢氧化钙储罐中。
16.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
17.本发明提供一种电加热氢氧化钙储热调峰的系统，将锅炉与氢氧化钙/氧化钙储热系统并列运行构建“卡诺电池”，通过电加热分解氢氧化钙储存化学能，通过氧化钙化学反应释热产生蒸汽辅助火电机组调峰，与水储热、熔盐储热等方式相比，ca(oh)2/cao体系储能密度高，长期储存无热损，通过脱水反应器与锅炉汽轮机耦合后能够辅助火电机组调峰，在火电机组降负荷时将电能转化为化学能，降低火电机组出力；在火电机组升负荷时，利用水化反应器将化学能转化为热能，提高火电机组出力，解决火电机组深度调峰运行过程中的安全性和经济性问题。
18.现有技术中，氢氧化钙脱水和氧化钙水化过程采用同一反应器，反应器内物料频繁更换，工质循环在正向和逆向之间切换，控制过程复杂，本发明中氢氧化钙脱水和氧化钙水化过程分别在脱水反应器和水化反应器中进行反应，反应器内物料和工质单向运动，控制方式简单。
19.进一步的，氧化钙和氢氧化钙在反应过程中存在烧结和腐蚀等问题，该体系的循环稳定性较差，本发明中氧化钙和水蒸汽的反应采用流化方式进行，物料接触充分，能够提高反应速率，传热效果好，并防止氧化钙烧结和腐蚀。
20.进一步，氢氧化钙分解产生的水蒸汽温度高、体积大，难以利用和储存，直接冷凝会造成大量热量损失。本发明中脱水反应器采用低压运行，氢氧化钙分解产生的水蒸汽直接进入汽轮机低压缸做功，然后进入除盐水箱，不需要额外的压缩存储设备，水蒸汽的热焓被直接利用，能够提高系统效率。
21.进一步的，本发明中氢氧化钙/氧化钙储热系统中所需物料氢氧化钙、氧化钙和水
均可以循环利用，减小了物料消耗，提高了运行经济性。
22.进一步的，传统的抽取锅炉主蒸汽加热方式需要消耗大量的蒸汽，会引起再热器超温影响锅炉安全。本发明中采用电加热方式加热分解氢氧化钙，能够提高氢氧化钙分解率，并且所需电量由发电机提供，与锅炉和汽轮机独立运行，对火电机组的安全运行不产生影响。
附图说明
23.图1为本发明所述的电加热氢氧化钙储热调峰的系统。
24.图2为本发明所述的电加热氢氧化钙储热调峰系统储热过程的示意图。
25.图3为本发明所述的电加热氢氧化钙储热调峰系统释热过程的示意图。
26.图4为氢氧化钙储热系统在火电机组调峰运行中的应用效果图。
27.附图中：1锅炉主蒸汽管道、2锅炉给水管道、3汽轮机高压缸、4汽轮机中压缸、5汽轮机低压缸、6发电机、7凝汽器、8凝结水泵、9除盐水箱、10低压加热器、11除氧器、12给水泵、13高压加热器、14氧化钙储罐、15氢氧化钙储罐、16脱水反应器、17分离器、18水化反应器。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
29.如图1所示，本发明提出一种电加热氢氧化钙储热调峰的系统，包含火电机组、除盐水箱9、氧化钙储罐14、氢氧化钙储罐15、脱水反应器16、分离器17、水化反应器18，其中，火电机组包括锅炉主蒸汽管道1、锅炉给水管道2、汽轮机、发电机6、凝汽器7、凝结水泵8、低压加热器10、除氧器11、给水泵12和高压加热器13，汽轮机包括高压缸3、中压缸4、低压缸5，火电机组负荷稳定运行时，锅炉主蒸汽通过锅炉主蒸汽管道1送入汽轮机高压缸3做功，高压缸3排气回到锅炉再热升温后进入中压缸4做功，中压缸4排气进入低压缸5做功，高压缸3、中压缸4和低压缸5一起带动发电机转动发电。低压缸5排气经过凝汽器7后冷凝为凝结水，凝结水在凝结水泵8的驱动下进入低压加热器10，从低压缸5中部抽取部分蒸汽进入低压加热器加热凝结水，升温后的凝结水进入除氧器11，与从中压缸4中部抽取的部分蒸汽混合后进一步升温，然后凝结水经过给水泵12升压后成为锅炉给水，锅炉给水进入高压加热器13，与高压缸中部抽取的蒸汽进行换热升温，最后通过锅炉给水管道送入锅炉省煤器中。
30.优选的，除盐水箱9保持常温常压，与大气连通；氧化钙储罐14保持常温常压，密封储存；氢氧化钙储罐15保持常温常压，与大气连通；分离器17采用旋风气固分离器，固相由底部排出，气相由顶部排出。
31.优选的，脱水反应器16采用电加热方式升高反应器温度，所需电源由火电机组发电机6提供。
32.优选的，水化反应器18为管壳式结构，除盐水在水冷壁管内流动，氧化钙粉末和水蒸气在壳内流动。
33.优选的，水化反应器18底部布置有布料板，采用水蒸气作为流化剂，氧化钙粉末进入布料板上部，水蒸气由布料板下部向上喷入，携带氧化钙粉末进入炉膛中成为流化状态，促进氧化钙与水蒸气完全反应。
34.火电机组的发电机6与脱水反应器16电连接，脱水反应器16的进口与氢氧化钙储罐15的出口连通，脱水反应器16的出口与分离器17的进口连接，分离器17的第一出口与汽轮机低压缸5连通，分离器17的第二出口与氧化钙储罐14的进口连通，氧化钙储罐14的出口与水化反应器18的第一进口连通，除盐水箱9的出口与水化反应器18的第二进口连通，水化反应器18中布置水冷壁管，水冷壁管进口与火电机组的锅炉给水出口连通，水冷壁管出口与汽轮机高压缸3的蒸汽进口连通，水化反应器18的反应物出口与氢氧化钙储罐15连通。
35.如图2所示，本发明一种电加热氢氧化钙储热调峰的系统的储热过程，锅炉主蒸汽通过锅炉主蒸汽管道1送入汽轮机高压缸3，带动发电机6做功产生电能，一部分电能送入电网，多余的电能送入脱水反应器16中，将脱水反应器16的温度提高到550～600℃，氢氧化钙储罐15中的氢氧化钙进入脱水反应器16中，受热分解为氧化钙和水蒸汽，化学方程式为ca(oh)2→
cao+h2o。
36.脱水反应器16采用低压运行，运行压力为0.3～0.8mpa，与汽轮机中压缸4排气压力保持一致；氢氧化钙分解产生的氧化钙和水蒸汽由脱水反应器16顶部排出，在分离器17中进行气固分离，水蒸汽由分离器17顶部排出，与中压缸4排气汇合后汇入低压缸5做功；
37.做功后的水蒸汽冷凝进入除盐水箱9，氧化钙由分离器17底部排出，经冷却后进入氧化钙储罐14中，实现将电能转化为化学能储存。
38.本发明一种电加热氢氧化钙储热调峰的系统的释热过程，如图3所示，氧化钙储罐14中的氧化钙粉末和除盐水箱9的除盐水一起进入水化反应器18中，反应生成氢氧化钙并放热，反应方程式为cao+h2o
→
ca(oh)2，水化反应器18采用常压流态化运行。
39.氧化钙粉末和除盐水反应放出的热量通过水化反应器18的水冷壁管传递给水冷壁管管内的除盐水，水冷壁管中的除盐水吸收热量产生水蒸汽，水蒸汽与锅炉主蒸汽管道1中的锅炉主蒸汽汇合后，一起汇入汽轮机高压缸3做功，冲转汽轮机带动发电机发电，将氧化钙中储存的化学能转化为电能。
40.反应产物氢氧化钙由水化反应器18顶部排出，经冷却后进入氢氧化钙储罐15中。
41.水化反应器18中水冷壁管管内的除盐水来自锅炉高压加热器13出口。
42.火电机组负荷稳定运行期间，氢氧化钙/氧化钙储热系统保持停止状态，氢氧化钙储罐和氧化钙储罐中的物料体积均保持不变。
43.火电机组需要深度调峰运行时，锅炉运行在最低稳燃负荷，发电机产生的电能一部分送入电网，一部分电能送往脱水反应器16，加热氢氧化钙使其分解为氧化钙和水蒸气，将电能转化为化学能储存，并降低火电机组出力，实现深度调峰运行。
44.火电机组负荷上升时，通过锅炉主蒸汽管道的锅炉主蒸汽量增加，同时将氧化钙和除盐水送入水化反应器18中，反应生成氢氧化钙并放出热量，加热水冷壁管中的除盐水产生高温高压蒸汽。高温高压蒸汽与锅炉主蒸汽管道中的锅炉主蒸汽汇合后进入高压缸3，增加汽轮机进汽量实现发电功率增加，将化学热转化为电能。氧化钙储罐14中的物料体积减小，氢氧化钙储罐15中的物料体积增加。
45.根据图4，在火电机组升负荷运行时，未投运氢氧化钙储热系统时，锅炉调峰速率较慢，只能达到2-3％pe。投运氢氧化钙储热系统后，汽轮机进汽量增加，锅炉调峰速率显著加快。
46.火电机组负荷降低时，通过锅炉主蒸汽管道的锅炉主蒸汽量减小，同时将多余的
电能送入脱水反应器16中，加热分解氢氧化钙，将电能转化为化学能，降低火电机组上网功率。氧化钙储罐14中的物料体积增加，氢氧化钙15储罐中的物料体积减小。

技术特征：
1.一种电加热氢氧化钙储热调峰的系统，其特征在于，包含火电机组和氢氧化钙/氧化钙储热系统，氢氧化钙/氧化钙储热系统包括除盐水箱(9)、氧化钙储罐(14)、氢氧化钙储罐(15)、脱水反应器(16)、分离器(17)和水化反应器(18)，其中火电机组的发电机(6)与脱水反应器(16)电连接，脱水反应器(16)的进口与氢氧化钙储罐(15)的出口连通，脱水反应器(16)的出口与分离器(17)的进口连接，分离器(17)的第二出口与氧化钙储罐(14)的进口连通，氧化钙储罐(14)的出口与水化反应器(18)的第一进口连通，除盐水箱(9)的出口与水化反应器(18)的第二进口连通，水化反应器(18)的蒸汽出口与火电机组的汽轮机高压缸(3)的蒸汽进口连通，水化反应器(18)的反应物出口与氢氧化钙储罐(15)连通。2.根据权利要求1所述的一种电加热氢氧化钙储热调峰的系统，其特征在于，所述分离器(17)的第一出口与火电机组的汽轮机低压缸(5)连通，汽轮机低压缸(5)的出气口与除盐水箱(9)进口连通。3.根据权利要求1所述的一种电加热氢氧化钙储热调峰的系统，其特征在于，所述水化反应器(18)中采用水蒸气作为流化剂，氧化钙粉末进入布料板上部，水蒸气由布料板下部向上喷入。4.根据权利要求1所述的一种电加热氢氧化钙储热调峰的系统，其特征在于，水化反应器(18)中布置水冷壁管，水冷壁管进口与火电机组的锅炉给水出口连通，水冷壁管蒸汽出口与火电机组的汽轮机高压缸(3)的蒸汽进口连通。5.根据权利要求1所述的一种电加热氢氧化钙储热调峰的系统，其特征在于，所述脱水反应器(16)采用低压运行，运行压力为0.3mpa～0.8mpa，与火电机组的汽轮机中压缸(4)排气压力保持一致；脱水反应器(16)采用电加热方式升高反应器温度，脱水反应器(16)运行温度为550℃～600℃，所需电源由火电机组发电机(6)提供。6.根据权利要求1所述的一种电加热氢氧化钙储热调峰的系统，其特征在于，所述火电机组负荷稳定运行期间，氢氧化钙/氧化钙储热系统保持停止状态。7.一种电加热氢氧化钙储热调峰方法，其特征在于，火电机组负荷降低时，火电机组的发电机(6)将多余的电能提供给脱水反应器(16)，将脱水反应器(16)的温度提高到550℃～600℃，氢氧化钙储罐(15)中的氢氧化钙进入脱水反应器(16)中受热分解为氧化钙和水蒸汽，氧化钙和水蒸汽进入分离器(17)中进行气固分离，水蒸汽经分离器(17)顶部排出与汽轮机中压缸(4)的排气汇合后进入低压缸(5)做功。8.根据权利要求7所述的一种电加热氢氧化钙储热调峰方法，其特征在于，分离器(17)顶部排出的水蒸汽在低压缸(5)中做功后冷凝进入除盐水箱(9)，氧化钙由分离器(17)底部排出，经冷却后进入氧化钙储罐(14)中，实现将电能转化为化学能储存。9.一种电加热氢氧化钙储热调峰方法，其特征在于，火电机组负荷升高时，将氧化钙储罐(14)中的氧化钙粉末和除盐水箱(9)的除盐水一起送入水化反应器(18)中，反应生成氢氧化钙并放热，加热水化反应器(18)水冷壁管中的除盐水产生高温高压蒸汽，高温高压蒸汽进入汽轮机高压缸(3)用于增加汽轮机进汽量实现发电功率增加，将化学能转化为电能。10.根据权利要求9所述的一种电加热氢氧化钙储热调峰方法，其特征在于，氢氧化钙由水化反应器(18)顶部排出，经冷却后进入氢氧化钙储罐(15)中。

技术总结
本发明提供一种电加热氢氧化钙储热调峰的系统及方法，包括除盐水箱、氧化钙储罐、氢氧化钙储罐、脱水反应器、分离器和水化反应器，其中火电机组的发电机与脱水反应器电连接，脱水反应器的进口与氢氧化钙储罐的出口连通，脱水反应器的出口与分离器的进口连接，分离器的第二出口与氧化钙储罐的进口连通，氧化钙储罐的出口与水化反应器的第一进口连通，除盐水箱的出口与水化反应器的第二进口连通，水化反应器的蒸汽出口与火电机组的汽轮机高压缸的蒸汽进口连通，水化反应器的反应物出口与氢氧化钙储罐连通。本发明通过电加热分解氢氧化钙储存化学能，通过氧化钙化学反应释热产生蒸汽辅助火电机组调峰，具有系统简单、调峰灵活、效率高的特点。的特点。的特点。


技术研发人员：张向宇 王志超 方顺利 张喜来 杜智华 向小凤 张波 姚伟
受保护的技术使用者：西安热工研究院有限公司
技术研发日：2023.02.28
技术公布日：2023/7/13