[发明专利]一种基于螺旋床面的颗粒/熔融盐流化床换热器及方法

说明书

一种基于螺旋床面的颗粒/熔融盐流化床换热器及方法，包括壳体，壳体底端设置有颗粒料仓，颗粒料仓底部开设有颗粒出口，在壳体内由下向上依次设置有相连通的风室、螺旋形分布板、螺旋形流化腔与分离室；颗粒溢流管穿过风室，颗粒溢流管上端入口与螺旋形流化腔中心相连通，颗粒溢流管下端出口与颗粒料仓相连通；颗粒料仓侧壁上开设有熔融盐入口，壳体侧壁上开设有熔融盐出口，熔融盐管道贯穿颗粒料仓、颗粒溢流管及螺旋形流化腔。本发明通过设置螺旋形流化腔，可使流化颗粒与熔融盐形成良好的逆流换热，提高传热系数，避免换热管路中熔融盐的凝固与分解，实现床层与倾斜换热管高效、充分换热。

技术领域

本发明属于流化床换热技术领域，具体涉及一种基于螺旋床面的颗粒/熔融盐流化床换热器及换热方法。

背景技术

太阳能是现阶段可开发的存量最大、分布最广的可再生能源。以我国为例，太阳能年辐射超过60亿焦耳/平米，每年可接收的辐射量相当于17000亿吨标准煤，利用太阳能发电潜力巨大。由于太阳能的能量密度低，随机性和间歇性较强，进行光电直接转换面临出力不稳、对电网冲击大等问题。而太阳能热发电采用光-热-交流电的能量转化路径，与常规发电方式和现有电网的匹配性更好，可结合相对廉价的储能系统，实现昼夜连续、稳定可靠的电力供应。

制约太阳能热发电技术发展的主要问题在于效率优势不明显、发电成本较高。动力循环的高参数化是解决上述问题的有效途径。其中，以超临界二氧化碳(sCO₂)为工质的闭式布雷顿循环运行压力大于15MPa，温度高于600℃，具有能量转换效率高、功率密度大、结构紧凑、热源适应性强等优点，是当前高参数太阳能热发电技术领域的研究热点。

sCO₂布雷顿循环要求太阳能吸热器出口介质温度高于700℃。由于sCO₂压力很大，受当前材料和加工技术水平限制，直接在吸热器内加热sCO₂的技术风险过大，因而常采用间接加热的方式。

价格低廉、耐高温且对非均匀太阳辐照适应性较强的颗粒吸热器目前占主导地位，已发展出多种特色鲜明的吸热器技术方案。但以沙粒、陶瓷等颗粒为吸热介质，需要解决太阳能热发电系统中储热和放热过程因颗粒流动性差引起的储热密度低、传热速率低、能量损失大、响应时间长等问题。

高温吸热器的另一条技术途径是熔融盐吸热器，其优点是能直接利用已发展较为成熟的熔融盐蓄热技术。据统计，全球约有一半数量的高温太阳能热发电系统采用熔融盐作蓄热介质，针对熔融盐物性、流动与传热特性的研究也一直在进行。但高温条件下熔融盐离子对金属腐蚀性强，因而对吸收器材料要求高，装置成本也高。

鉴于此，在“颗粒吸热-颗粒储热-sCO₂做功”和“熔盐吸热-熔盐储热-sCO₂做功”两个主要的太阳能sCO₂发电技术路线外，2019年启动的国家重点研发计划“超临界CO₂太阳能热发电关键基础问题研究”还提出了“颗粒吸热-熔盐储热-sCO₂做功”这一折中技术路线，在充分发挥各工作介质优势的同时，显著降低高参数聚光太阳能热发电系统的技术风险，从而促进sCO₂布雷顿循环技术在太阳能热发电领域尽早应用。

以颗粒作为吸热介质，熔融盐作为蓄热介质，需要通过颗粒与熔盐换热系统，将热量从颗粒传递并储存于熔融盐中，当太阳辐照波动或夜间无太阳辐照时，可利用熔融盐中的储热为sCO₂动力循环提供稳定的热源，从而有效减小热源波动对发电系统运行的不利影响。因此，固体颗粒与熔融盐换热系统是该太阳能热发电系统中的核心装置，其传热性能对整个发电系统的安全可靠高效运行起着直接而关键的影响。