【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于太陽能熱化學制氫，具體涉及一種太陽能驅動的儲能-制氫系統及其運行方法。
技術介紹
1、氫能是一種來源豐富、零碳且極具潛力的二次能源，對構建清潔低碳、安全高效的能源體系具有重要意義。根據制氫過程中碳排放程度的不同，氫氣可分為綠氫、藍氫和灰氫。其中，綠氫和藍氫的成本較高，當前氫能供應仍以灰氫為主。灰氫是通過煤和天然氣等化石能源制氫，制氫成本較低，但是會排放大量的二氧化碳。在各種化石能源制氫技術中，甲烷制氫技術路線成熟且天然氣儲量豐富。甲烷制氫工藝主要可分為甲烷蒸汽重整、甲烷干重整、甲烷裂解和甲烷部分氧化等，其中甲烷蒸汽重整技術較為成熟，商業應用十分廣泛。
2、甲烷蒸汽重整是一個強吸熱反應，制氫過程中需要消耗大量的熱量。傳統的甲烷蒸汽重整反應主要靠化石能源燃燒供熱，但是，這會進一步增大制氫過程中的碳排放。太陽能是一種清潔、零碳能源，采用太陽能替代化石能源燃燒為甲烷蒸汽重整反應供熱能夠有效降低制氫過程中的碳排放。然而，受制于環境和天氣等因素，太陽能的缺點也很突出。當太陽能充足時，無法有效完全地利用太陽能；而當需要能量時，太陽能輸入又無法滿足要求，能量的供需不平衡問題極為嚴重。耦合儲能技術可有效改善這一問題。因此，為了保障制氫系統的安全穩定運行，提高其連續制氫、供氫能力，亟需對甲烷蒸汽重整制氫系統進行改造升級。
技術實現思路
1、為了解決上述現有技術存在的問題，本專利技術的目的在于提供了一種太陽能驅動的儲能-制氫系統及其運行方法，該系統選取cao/caco3材料體系
2、為了達到上述目的，本專利技術采用如下技術方案：
3、一種太陽能驅動的儲能-制氫系統，包括甲烷蒸汽重整系統和與其耦合的cao/caco3熱化學儲能系統及超臨界二氧化碳布雷頓循環系統；
4、所述甲烷蒸汽重整系統包括甲烷儲罐12、甲烷加壓泵13、甲烷加熱器14、水儲罐16、水泵17、蒸汽發生器18、混合器15、甲烷蒸汽重整反應器19、二氧化碳加熱器20、產物冷卻器21、汽水分離器22、氣體產物儲罐23和液體產物儲罐24；甲烷儲罐12的出口經甲烷加壓泵13與甲烷加熱器14的入口相連，水儲罐16的出口經水泵17和蒸汽發生器18的入口相連；甲烷加熱器14的出口與蒸汽發生器18的出口分別與混合器15的入口相連，混合器15的出口與甲烷蒸汽重整反應器19的反應物入口連接；甲烷蒸汽重整反應器19的產物出口與二氧化碳加熱器20的熱側入口連接，二氧化碳加熱器20的熱側出口與產物冷卻器21連接；產物冷卻器21的出口與汽水分離器22的入口連接，汽水分離器22的出口流體分兩股，一股與氣體產物儲罐23連接，另外一股與液體產物儲罐24連接；
5、所述cao/caco3熱化學儲能系統由儲熱回路和釋熱回路組成；儲熱回路包括定日鏡2、太陽能煅燒反應器1、氧化鈣儲罐3、二氧化碳氣包10、高壓冷卻器9、壓縮機8和低壓冷卻器7；釋熱回路包括碳酸化反應器4、碳酸鈣-二氧化碳換熱器5、碳酸鈣儲罐6、二氧化碳控制閥11、二氧化碳氣包10、高壓冷卻器9、壓縮機8和低壓冷卻器7；儲熱時，太陽能經定日鏡2聚集，由太陽能煅燒反應器1接收；碳酸鈣儲罐6的出口與太陽能煅燒反應器1的反應物入口連接，太陽能煅燒反應器1的產物出口分兩路，一路與氧化鈣儲罐3入口連接，另一路與甲烷蒸汽重整反應器19的二氧化碳入口連接，甲烷蒸汽重整反應器19的二氧化碳出口經低壓冷卻器7與壓縮機8的入口相連，壓縮機8的出口經高壓冷卻器9與二氧化碳氣包10的入口連接；釋熱時，氧化鈣儲罐3出口與碳酸化反應器4的氧化鈣入口連接，二氧化碳氣包10的出口二氧化碳控制閥11與碳酸鈣-二氧化碳換熱器5的二氧化碳工質入口連接，碳酸鈣-二氧化碳換熱器5的二氧化碳工質出口與碳酸化反應器4的二氧化碳工質入口連接；碳酸化反應器4的出口分兩路，一路經碳酸鈣-二氧化碳換熱器5后與碳酸鈣儲罐6相連，另一路與甲烷蒸汽重整反應器19的二氧化碳入口連接，甲烷蒸汽重整反應器19的二氧化碳出口經低壓冷卻器7與壓縮機8的入口相連，壓縮機8的出口經高壓冷卻器9與二氧化碳氣包10的入口連接；
6、所述超臨界二氧化碳布雷頓循環系統包括二氧化碳加熱器20、二氧化碳渦輪25、發電機31、高溫回熱器26、低溫回熱器27、預冷器28、主壓縮機29和再壓縮機30；二氧化碳渦輪25的出口經高溫回熱器26與低溫回熱器27的熱側入口連接，低溫回熱器27的熱側出口分為兩路，一路經過預冷器28后與主壓縮機29的入口相連，另一路與再壓縮機30的入口相連；主壓縮機29的出口與低溫回熱器27的冷側入口相連，低溫回熱器27的冷側出口與再壓縮機30的出口匯合后，共同與高溫回熱器26的冷側入口連接；高溫回熱器26的冷側出口與二氧化碳加熱器20的二氧化碳工質入口連接，二氧化碳加熱器20的二氧化碳工質出口與二氧化碳渦輪25連接，驅動發電機31對外輸出功率。
7、進一步地，所述cao/caco3熱化學儲能系統的工作溫度區間為800～1000℃，所述甲烷蒸汽重整系統的工作溫度為800～900℃。
8、進一步地，所述二氧化碳加熱器20、高溫回熱器26、低溫回熱器27均為氣-氣換熱器；所述碳酸鈣-二氧化碳換熱器5為氣-固換熱器。
9、進一步地，所述二氧化碳氣包10由彈性材料制成，體積可隨壓力變化而變化，二氧化碳常溫、低壓儲存。
10、進一步地，所述甲烷蒸汽重整反應器19所需熱量由cao/caco3熱化學儲能系統提供，儲熱時，由碳酸鈣煅燒生成的高溫二氧化碳提供；釋熱時，由氧化鈣和二氧化碳反應放出的熱量提供，該部分熱量由過量的二氧化碳攜帶。
11、進一步地，為了促進氧化鈣和二氧化碳的反應，提高cao/caco3熱化學儲能系統的儲能效率，所述氧化鈣儲罐3為高溫、絕熱儲罐，氧化鈣的儲存溫度為太陽能煅燒器的反應溫度，不對其進行冷卻；同時，二氧化碳需先經過碳酸鈣-二氧化碳換熱器5預熱。
12、進一步地，為了提高系統能量利用效率，所述二氧化碳加熱器20的熱側流體為甲烷蒸汽重整反應的高溫產物，冷側流體為超臨界二氧化碳，所述超臨界二氧化碳布雷頓循環采用兩級回熱加熱器、再壓縮式循環。
13、一種太陽能驅動的儲能-制氫系統的運行方法，具體如下：
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【技術保護點】
1.一種太陽能驅動的儲能-制氫系統，其特征在于：包括甲烷蒸汽重整系統和與其耦合的CaO/CaCO3熱化學儲能系統及超臨界二氧化碳布雷頓循環系統；所述甲烷蒸汽重整系統包括甲烷儲罐(12)、甲烷加壓泵(13)、甲烷加熱器(14)、水儲罐(16)、水泵(17)、蒸汽發生器(18)、混合器(15)、甲烷蒸汽重整反應器(19)、二氧化碳加熱器(20)、產物冷卻器(21)、汽水分離器(22)、氣體產物儲罐(23)和液體產物儲罐(24)；甲烷儲罐(12)的出口經甲烷加壓泵(13)與甲烷加熱器(14)的入口相連，水儲罐(16)的出口經水泵(17)和蒸汽發生器(18)的入口相連；甲烷加熱器(14)的出口與蒸汽發生器(18)的出口分別與混合器(15)的入口相連，混合器(15)的出口與甲烷蒸汽重整反應器(19)的反應物入口連接；甲烷蒸汽重整反應器(19)的產物出口與二氧化碳加熱器(20)的熱側入口連接，二氧化碳加熱器(20)的熱側出口與產物冷卻器(21)連接；產物冷卻器(21)的出口與汽水分離器(22)的入口連接，汽水分離器(22)的出口流體分兩股，一股與氣體產物儲罐(23)連接，另外一股與液體產物儲
2.根據權利要求1所述的一種太陽能驅動的儲能-制氫系統，其特征在于：所述CaO/CaCO3熱化學儲能系統的工作溫度區間為800～1000℃，所述甲烷蒸汽重整系統的工作溫度為800～900℃。
3.根據權利要求1所述的一種太陽能驅動的儲能-制氫系統，其特征在于：所述二氧化碳加熱器(20)、高溫回熱器(26)、低溫回熱器(27)均為氣-氣換熱器；所述碳酸鈣-二氧化碳換熱器(5)為氣-固換熱器。
4.根據權利要求1所述的一種太陽能驅動的儲能-制氫系統，其特征在于：所述二氧化碳氣包(10)由彈性材料制成，體積可隨壓力變化而變化，二氧化碳常溫、低壓儲存。
5.根據權利要求1所述的一種太陽能驅動的儲能-制氫系統，其特征在于：所述甲烷蒸汽重整反應器(19)所需熱量由CaO/CaCO3熱化學儲能系統提供，儲熱時，由碳酸鈣煅燒生成的高溫二氧化碳提供；釋熱時，由氧化鈣和二氧化碳反應放出的熱量提供，該部分熱量由過量的二氧化碳攜帶。
6.根據權利要求1所述的一種太陽能驅動的儲能-制氫系統，其特征在于：為了促進氧化鈣和二氧化碳的反應，提高CaO/CaCO3熱化學儲能系統的儲能效率，所述氧化鈣儲罐(3)為高溫、絕熱儲罐，氧化鈣的儲存溫度為太陽能煅燒器的反應溫度，不對其進行冷卻；同時，二氧化碳需先經過碳酸鈣-二氧化碳換熱器(5)預熱。
7.根據權利要求1所述的一種太陽能驅動的儲能-制氫系統，其特征在于：為了提高系統能量利用效率，所述二氧化碳加熱器(20)的熱側流體為甲烷蒸汽重整反應的高溫產物，冷側流體為超臨界二氧化碳。
8.根據權利要求1所述的一種太陽能驅動的儲能-制氫系統，其特征在于：所述超臨界二氧化碳布雷頓循環采用兩級回熱加熱器、再壓縮式循環。
9.權利要求1至8任一項所述的一種太陽能驅動的儲能-制氫系統的運行方法，其特征在于：
10.根據權利要求9所述的一種太陽能驅動的儲能-制氫系統的運行方法，其特征在于：，設定一天24h中，有8h太陽能充足；因此，儲熱回路一天內的運行時間僅為8h，而釋熱回路一天內運行24h；為了保證系統的穩定運行，需要計算碳酸鈣和氧化鈣的質量守恒；根據儲熱回路和釋熱回路的運行時間能夠計算出，氧化鈣儲罐(3)入口的氧化鈣質量流量是出口氧化鈣質量流量的3倍，碳酸鈣儲罐(6)出口的碳酸鈣質量流量是入口碳酸鈣質量流量的3倍。
...【技術特征摘要】
1.一種太陽能驅動的儲能-制氫系統，其特征在于：包括甲烷蒸汽重整系統和與其耦合的cao/caco3熱化學儲能系統及超臨界二氧化碳布雷頓循環系統；所述甲烷蒸汽重整系統包括甲烷儲罐(12)、甲烷加壓泵(13)、甲烷加熱器(14)、水儲罐(16)、水泵(17)、蒸汽發生器(18)、混合器(15)、甲烷蒸汽重整反應器(19)、二氧化碳加熱器(20)、產物冷卻器(21)、汽水分離器(22)、氣體產物儲罐(23)和液體產物儲罐(24)；甲烷儲罐(12)的出口經甲烷加壓泵(13)與甲烷加熱器(14)的入口相連，水儲罐(16)的出口經水泵(17)和蒸汽發生器(18)的入口相連；甲烷加熱器(14)的出口與蒸汽發生器(18)的出口分別與混合器(15)的入口相連，混合器(15)的出口與甲烷蒸汽重整反應器(19)的反應物入口連接；甲烷蒸汽重整反應器(19)的產物出口與二氧化碳加熱器(20)的熱側入口連接，二氧化碳加熱器(20)的熱側出口與產物冷卻器(21)連接；產物冷卻器(21)的出口與汽水分離器(22)的入口連接，汽水分離器(22)的出口流體分兩股，一股與氣體產物儲罐(23)連接，另外一股與液體產物儲罐(24)連接；
2.根據權利要求1所述的一種太陽能驅動的儲能-制氫系統，其特征在于：所述cao/caco3熱化學儲能系統的工作溫度區間為800～1000℃，所述甲烷蒸汽重整系統的工作溫度為800～900℃。
3.根據權利要求1所述的一種太陽能驅動的儲能-制氫系統，其特征在于：所述二氧化碳加熱器(20)、高溫回熱器(26)、低溫回熱器(27)均為氣-氣換熱器；所述碳酸鈣-二氧化碳換熱器(5)為氣-固換熱器。
4.根據權利要求1所述的一種太陽能驅動的儲能-制氫系統，其特征在于：所述二氧化碳氣包(10)...
【專利技術屬性】
技術研發人員：嚴俊杰，扶禹，劉明，王珠，趙永亮，王朝陽，
申請(專利權)人：西安交通大學，
類型：發明
國別省市：
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