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国家973计划课题“低温余热品味提升与能量储存”简介(上)
发稿时间:2014-03-18         作者:许闽 淮秀兰 蔡军          来源:分布式供能与可再生能源实验室     【字号:

  本项目面向国家对工业、电力等高能耗行业的节能减排重大需求,针对锅炉烟气等低温余热品位低、间歇性、不稳定等特点,开展新型化学热泵高效能量转化、传递及储存的基础性研究,发展相关新理论与新方法。 

  一、发展余热利用和能量储存新技术是实现节能减排的有效途径 

  能源安全是我国经济社会健康发展和国防安全的基本保障。节能是缓解能源瓶颈制约和减少环境污染的根本措施,是提高经济增长质量和效益的重要途径,是促进社会可持续发展的必然要求。随着我国经济的快速发展,能源短缺和能源利用过程中产生的环境污染问题日益凸显;而在工业生产中,大量低温余热资源却不能被有效利用。因此,加强余热回收利用是提高能源利用效率与节能减排的重要途径和有效手段。 

 

  热泵作为一种节能技术可以回收余热、提升余热品位,实现能量梯级利用,近年来得到重视和发展,并在许多工业部门得到应用。其中最为广泛应用的是机械压缩式热泵,但由于工质性能的局限,回收废热所获最高温度为110左右,限制了其进一步发展和应用。随着热泵技术的不断变革、创新和发展,为满足用能过程新要求,新一代化学热泵应运而生。化学热泵是一种集储能和热泵功能于一体的高效节能新技术,可将低品位热源的热能以化学能的形式回收储存起来,然后在较高温度下通过放热反应释放出来用于供热、制冷、干燥及发电等,实现能量的品位提升与储存。化学热泵温度适应范围宽、温度提升能力高、具备能量储存功能等优点,特别适用于间歇性及不稳定性低温余热资源深度利用,具有广阔应用前景。 

  根据反应物系不同,化学热泵可分为无机系化学热泵和有机系化学热泵。无机系化学热泵涉及的化学反应大都是气固反应,由于其反应速率低、反应时间长、周期性运行、热损失大,系统的COP值较低,实际应用受到很大程度限制。有机系化学热泵是以异丙醇/氢气/丙酮(热源温度70~90)等催化反应体系为代表的气液化学反应系统,依靠可逆的吸放热反应来实现低温余热品位提升的,如图所示,异丙醇在80-100低温下进行吸热反应,生成丙酮和氢气,丙酮在180-220的高温下进行加氢放热反应,输出高品位热能,丙酮加氢生成的异丙醇经分离会回热系统后回到吸热反应器完成一个循环。有机化学热泵凭借其优异的传热性能、良好的温度适应性及易于实现连续运行与规模化应用等优点,成为未来发展的主流趋势,相关研究也愈来愈受到人们的重视,美国、法国、日本等发达国家都在围绕有机系化学热泵积极开展相关研究。我国在化学热泵方面研究大都集中在无机系化学热泵,且目前尚处于初级研究阶段。对于有机系化学热泵,国内只有少数几家单位进行研究,相关研究基础非常薄弱,开发与利用水平低,远不能满足当前国内节能降耗的需要。 

  化学热泵系统还具有环保、经济、可靠和灵活等特点。除工业余热外,化学热泵系统还可利用低温太阳能、地热能等可再生能源,且仅需消耗少量电能即可将广泛存在的低温余热的品味提升并同时实现能量的储存,突破化学热泵关键技术是实现低温余热广泛利用和能源可持续发展的有效途径,具有重要学术意义和实用价值。本项目旨在以上关键技术上开展基础研究,为满足我国节能减排重大需求提供有力支撑。 

  二、项目总体目标和关键科学问题 

  项目的总体目标为:针对锅炉低温余热资源深度利用,探索高效能量转化、传递及储存新理论与新方法,构建新一代化学热泵循环系统与高性能反应物系,揭示多组分多相体系化学反应机理与能质转换及传递过程特性、吸放热化学反应与能质转换和传递的协同机制,建立化学热泵系统能量利用效率与经济性综合评价理论体系,发展集蓄热与热泵功能于一体的新型高效化学热泵新技术,为低品位能源高效利用提供重要科学依据与关键技术支撑。同时,培养一批从事相关科学研究的青年学术带头人和研究骨干,造就一支高水平研究队伍。 

  在理论层面:1.示多组分多相体系化学反应机理与能质转换和传递过程特性,发展高效能量转换、存储及传递新理论与新方法;2.索新一代化学热泵系统,建立化学热泵设计理论。 

  在技术层面:1.定适用于低温余热特点的先进高效化学热泵循环方式及过程的有效控制与强化措施;2.出化学热泵系统循环性能改进新方法,得出系统的优化设计、控制及运行的整体解决方案。 

  项目的关键科学问题为:1.用于低温余热特点的新型反应物系及高效循环系统构建;2.学反应动力学特性及其与传热传质的协同与优化。 

  研究特色与创新点包括:1.建适应于低品位能源能量品位与变化特点的新型化学热泵反应体系与高效循环系统;2.示多组分多相体系化学反应机理与能质传递过程特性,发展高效能量转换、存储及传递新理论与新方法;3.建统一的化学热泵系统能量利用衡量标准,建立完善的化学热泵系统经济性与可靠性评价体系。 

 
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