氨基熱化學(xué)蓄能太陽能熱力發(fā)電研究的進(jìn)展

1、氨基熱化學(xué)蓄能太陽能熱力發(fā)電研究的進(jìn)展李學(xué)德i，梁平2,曾東平'(1.廣東火電工程總公司，廣東廣州510730； 2.廣東省電力工業(yè)學(xué)校，廣東廣州510520； 3.廣東省電 力集團(tuán)公司,廣東廣州510600)摘 要：應(yīng)用熱化學(xué)能量儲存可使太陽能熱能動力得到一天24 h連續(xù)供給。一個(gè)國際性工業(yè)界與學(xué)術(shù)界聯(lián) 合團(tuán)體正著手研究這類太陽能發(fā)電廠概念，可逆熱催化氨反應(yīng)在該類電廠的能源供給與需求之間起能源重 定向作用。近期的研究已證實(shí)這種太陽能發(fā)電廠概念在技術(shù)上是可行的，并且它可以利用傳統(tǒng)的技術(shù)、設(shè) 備與材料，因此也具有潛在的經(jīng)濟(jì)生存力。為此，討論了該類電廠的概念系統(tǒng)設(shè)計(jì)、操作參數(shù)選擇及能量 流

2、向和再生分析。關(guān)鍵詞：太陽能；太陽能發(fā)電；熱力發(fā)電；熱化學(xué)中圖分類號：tm615文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a基于陣列式拋物面碟片聚光集熱器的太陽能熱力系統(tǒng)，在太陽能發(fā)電方而是最具發(fā)展前途的技術(shù)之一。 該類系統(tǒng)的發(fā)電發(fā)生在碟片的焦點(diǎn)處，或?qū)⑹占奶枱崮軅鬏數(shù)街行奶幵侔l(fā)電。對于后者，傳熱很容易 產(chǎn)生過熱蒸汽，然后再傳送至位于屮心處的渦輪發(fā)電機(jī)。采用閉式循環(huán)熱化學(xué)系統(tǒng)，這種能最傳輸將沒有 熱損，并且在管道絕熱、特種合金鋼及熱膨脹過程方面，能節(jié)省可觀的費(fèi)用。更重要的是，該系統(tǒng)還可捉 供短期能量存儲，從而取消基木負(fù)荷所需的礦物燃料儲備。近兒年來，下列二氧化碳巫整甲烷反應(yīng)得到了最為廣泛的關(guān)注：幾種太陽能接收器和反應(yīng)器

3、設(shè)計(jì)己經(jīng)過測試21，同時(shí)有一個(gè)太陽能閉式循環(huán)得到展示也41。最近， 澳大利亞國立大學(xué)(austral ia nat ionaluni versi ty)的r&d計(jì)劃已開始鼓勵基于下述口j逆熱化學(xué)氨反應(yīng) 的太陽能熱力發(fā)電廠可行性研究：上述熱化學(xué)反應(yīng)為太陽能的高效轉(zhuǎn)換、儲存與傳輸提供了一種具有發(fā)展前途的方法，并有可能使太陽 能得到一夭24 h連續(xù)供給。廣東省地處亞熱帶地區(qū)，太陽能輻射強(qiáng)，日照時(shí)間長，易于太陽能的利用。因 此，利用廣東省的經(jīng)濟(jì)與技術(shù)優(yōu)勢，在本省建立首座10 mw太陽能熱力發(fā)電廠是冇可能的。木文根據(jù)冇關(guān)文獻(xiàn)，討論了一假設(shè)的可24的h運(yùn)行的10 mw太陽能熱力發(fā)電廠的工業(yè)經(jīng)濟(jì)性能

4、，及該類電廠的概念系統(tǒng)設(shè)計(jì)、操作參數(shù)選擇、能量流向和再生分析。1等壓閉式循環(huán)基于氨的等壓閉式熱化學(xué)太陽能蓄能系統(tǒng)操作流程如圖1所示。在設(shè)定的高壓操作環(huán)境下，液氨可在 外界環(huán)境溫度下從反應(yīng)氣體混合物中冷凝出來，由此而發(fā)生的放熱和吸熱反應(yīng)熱被存儲在同一容器中。從 儲液器中提取出的液氨再輸送至位于太陽能集熱器焦點(diǎn)處的氨吸熱分解器。與這種反應(yīng)器相配套的是一臺 逆流熱交換器，用以預(yù)熱氨，并以接近壞境溫度下輸送反應(yīng)熱。儲存器中的氣體是一種氮氮比例為3 ： 1的 混合氣加上對應(yīng)于此時(shí)容器溫度下的氨蒸氣組分。該氣體按要求提取出來，然后輸送至放熱氨合成器。但 是，在輸至氨合成器前，首先必須通過冷卻分離器，以便氨

5、進(jìn)一步冷凝z前降低氨蒸氣分率。從放熱反應(yīng) 得到的反應(yīng)熱也需通過反流熱交換器，將熱量傳遞給輸入的反應(yīng)物。在上述這種半理想配置中，放熱反應(yīng)器內(nèi)裝有一臺逆流熱交換器。該逆流熱交換器有兩方面的作用， 一是進(jìn)一步將輸入的反應(yīng)物預(yù)熱至催化床入口溫度；另一個(gè)是加熱工作液體，以完成動力循壞。為維持等 圧操作，需有另一可變圧力儲存器經(jīng)可逆圧縮一膨脹器與主容器相連，以補(bǔ)償反應(yīng)物比容的變化。這種補(bǔ) 償是按系統(tǒng)充灌狀態(tài)（即氨所占比例）來完成的。2能量存儲為了預(yù)測可達(dá)到頁-實(shí)系統(tǒng)性能，必須考虎熱損及熱力學(xué)不可逆度。最大熱力學(xué)不可逆度發(fā)生在系統(tǒng)的蓄能器末端。在該處，太陽輻射能（可認(rèn)為是溫度5800k的物體的傳熱）經(jīng)反應(yīng)被

6、轉(zhuǎn)換成化學(xué) 能，其最大有用冉生效率受摩爾吉布斯自由能轉(zhuǎn)成摩爾焙變比例的限制。表1給出了 298k吋，系統(tǒng)在各 壓力下的摩爾焰變。由于不可逆度源于反應(yīng)的選擇和系統(tǒng)壓力，因此，對于蓄能器末端，主要的問題是熱 損的大小。其來源于兩方面，一是太陽能接收器木身，二是與其相聯(lián)系的逆流熱交換器。精確的人陽能接 收器熱效率估計(jì)須依靠詳細(xì)的模型或?qū)μ囟ń邮掌骱头磻?yīng)器設(shè)計(jì)的測試，其合理的方法是假設(shè)其熱效率與 同溫度下操作的其它太陽能接收器熱效率相當(dāng)。比如，bannister已測量岀，對于能產(chǎn)生70ctc過熱蒸汽的 空腔式接收器，其熱效率超過90% （工作液體焙變與捕獲到的輻射能之比）同時(shí)作為吸熱反應(yīng)器的逆流熱交換

7、器的絕熱必須達(dá)到這一程度，即通過it壁的熱損小到可 以忽略不計(jì)。隨著能量在后續(xù)未絕熱管道的散失，流出的反應(yīng)物在流入熱交換器z前，必須高于外界溫度。 除熱交換器潛在的傳熱限制外，進(jìn)出反應(yīng)物的熱容不一致（純氨的課點(diǎn)溫度高于含冇高合成氣分率的混合 氣體露點(diǎn)溫度）也令岀口溫度的上升.williams和carden已計(jì)算出基于出口反應(yīng)物組成分率的蓄能效 率限定值。根據(jù)他們的計(jì)算和對反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)，真實(shí)的蓄能效率可達(dá)到85%。相對而言，駱個(gè)系統(tǒng)的蓄能 效果可定量估算。最大不確定因數(shù)在能源再生末端（如氨合成循環(huán)）°3能源再生分析為方便起見，能源再生過程被分成一系列子系統(tǒng)，如圖2所示。其中，箭頭表示質(zhì)

8、量流，并用數(shù)字標(biāo)7j o為使放熱反應(yīng)器配置中的逆流熱再生液體從催化床中吸收熱量過程能較理想地達(dá)到可逆操作，須對這 一配置進(jìn)行研究。假定在溫度與放熱反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)速率z間為固冇的正反饋，可以證明，這種配置能確 保以穩(wěn)定的方式操作。例如，工業(yè)氨轉(zhuǎn)換器常由一系列帶冇熱交換器的絕熱床構(gòu)成，以克服控制上的困難。使用常比熱容的熱再生液體能達(dá)到最優(yōu)效率，并tl也可較方便地建立模型。4概念系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖3所示的是一個(gè)10 mw太陽能概念系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖。構(gòu)成該系統(tǒng)的基礎(chǔ)是吸熱反應(yīng)器和放熱反應(yīng)器, 吸熱反應(yīng)器由太陽能輻射熱驅(qū)動，放熱反應(yīng)器通過產(chǎn)生過熱蒸汽使熱能再生。與這兩個(gè)反應(yīng)器相配套的是 兩個(gè)反流熱交換器，用于進(jìn)出

9、口反應(yīng)物流的熱交換，以確保系統(tǒng)其它部分（如蓿能器、轉(zhuǎn)輸管道和壓縮機(jī)） 能夠在環(huán)境溫度下操作。1太陽能分解反應(yīng)器；2太陽能熱交換器；3主高壓罐；4變壓罐；5給氨泵；6112+72擴(kuò)充器/ 泵；7-h2+n2復(fù)合與再循環(huán)壓縮器；8過程冷卻/冷凝器；9一氨合成器；10熱交換器（nh3供給/產(chǎn) 出）5操作參數(shù)選擇本文以容量為10 mw的太陽能熱力發(fā)電廠作為討論對象的，因?yàn)樵撊萘侩姀S可滿足一些偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的需要。10 基載太陽能電廠能應(yīng)用傳統(tǒng)的蒸汽rankine循環(huán)、合成氨工業(yè)技術(shù)和己大規(guī)模生產(chǎn)的太 陽能領(lǐng)域方面的零部件，從而能最大限度地減少投資。表2給出了 10 mw系統(tǒng)主要部件的關(guān)鍵操作參數(shù)。所冇這些參

10、數(shù)均是在以下基木假定下作出的，即， 等壓熱化學(xué)氨循環(huán)系統(tǒng)的操作壓力為25 mpa。6系統(tǒng)組成系統(tǒng)由以下幾部分組成：a）為提供10 mw太陽能熱力發(fā)電廠所需的太陽能，應(yīng)將400臺400 n?的拋物血碟片集熱器布置成陣列 式，并將2 800套150 *的延伸金屈膜日光反射裝置按圓形布置在兩個(gè)塔周圍。b）氨分解器采用圓管式固定床催化反應(yīng)器。為使氨分解在準(zhǔn)等溫狀態(tài)下操作，可采用太陽能直接照射 空腔式接收器一多管反應(yīng)器二合一結(jié)構(gòu)，所需熱量由400 hi?的拋物面集熱器供給。c）氨合成器可采用ammonia casale所開發(fā)的日產(chǎn)量為2 000 d的氨合成轉(zhuǎn)換器，該反應(yīng)器能將大部 分反應(yīng)熱利用上，用來產(chǎn)

11、生所需的10 mpa壓力430450°c的過熱蒸汽。d）動力轉(zhuǎn)換裝置采用帶有4個(gè)預(yù)熱器的傳統(tǒng)的單級蒸汽rankine循環(huán)，該循環(huán)應(yīng)設(shè)計(jì)成能與循環(huán)冷卻 水協(xié)調(diào)操作，并采用1個(gè)干燥冷凝塔。e）m分解器熱出口反應(yīng)物與入口常溫下的液氨的顯熱交換，采用逆流熱交換器完成。該熱交換器應(yīng)按 管殼式再沸器設(shè)計(jì)，即將輸送熱合成氣的螺旋盤管放入壓力容器內(nèi)。f）雙功能氣體壓縮機(jī)與汽輪機(jī)軸相聯(lián)，為保證未反應(yīng)合成氣能穩(wěn)態(tài)循環(huán)以及氣體合成，應(yīng)采用渦輪壓 縮機(jī)。在系統(tǒng)吸熱部分，液氨供給泵與拋物而碟片連為一體，該泵受氨分解器內(nèi)實(shí)際過程的溫度狀態(tài)控制, 以確保至少80%氨被分解。高壓儲液器的壓力由往復(fù)式泵一膨脹節(jié)調(diào)整，

12、對t 25mpa系統(tǒng)，它們是按峰值 壓差高達(dá)20 mpa進(jìn)行操作的。g）儲液罐的選擇應(yīng)確保主高壓罐能在25 mpa下等壓操作，這可以通過與帶可變壓力操作的副氣罐的 反應(yīng)交換來達(dá)到。h）碟片陣列間的連接管道構(gòu)成了儲存器的一部分。通過400 ni"碟片兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的常溫反應(yīng)物的輸送可 采用柔性管連接設(shè)計(jì)，每條輸送管線由10根6. 35 rnin內(nèi)徑的鋼管組成的管束構(gòu)成。繞與垂直軸夾角為 ±135°旋轉(zhuǎn)可用12 m長的管束，而繞與垂直軸夾角為±45°旋轉(zhuǎn)則只能用4 m長的管束。7結(jié)論氨基熱化學(xué)蓄能可使太陽能熱力發(fā)電廠取得較好的工業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，在可再生能源

13、利用和環(huán)境保護(hù)方面 具冇顯著的優(yōu)勢，因而具冇廣闊的應(yīng)用前景。木文所討論的這種太陽能電廠概念，能盡可能地利用上已商 業(yè)化生產(chǎn)的材料、工業(yè)技術(shù)和設(shè)備，因而能使投資得到合理應(yīng)用。所提出的具冇創(chuàng)新性的工程方法，主耍 是在蓄能領(lǐng)域，令人滿意。投資分析表明：10hw太陽能熱力電廠所需的投入為0. 9億元人民幣，產(chǎn)出成 木少于0. 2元/kwh。這種技術(shù)適用于陽光充足地區(qū)，如廣東省沿海地區(qū)。參考文獻(xiàn)：1 levi t a n r, ros in h, levy m che mical react i ons in a solarfur nace direct heat ing of the reactori

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