一种基于螺旋床面的颗粒/熔融盐流化床换热器及方法

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(sCO

sCO

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-sCO

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sCO

文献与专利调研情况表明，目前尚未有利用高温颗粒加热熔融盐的设备见诸报道。常规的熔融盐换热一般在熔盐与导热油、空气、蒸汽之间进行，属于液-液或液-气换热，因而换热器主要为列管式或其改进，如专利CN 111595181A公开了一种高温空气熔融盐换热器。由于固体颗粒流动性差，常规的熔融盐换热器无法实现颗粒在管束之间快速、流畅通过，因而无法实现两流体之间持续、高效、稳定的热量交换。

流化床式换热器利用气体使固体颗粒流态化，增加了颗粒的流动性，从而显著提升颗粒与换热管壁的对流换热系数，使高温颗粒能够快速、高效的释放热量。研究表明，流化床中气固接触在临近分布板处比床内更高处更为有效。受此启迪而发展出的浅层流化床较传统深层流化床具有压降小、气固传热效率高、床层利用率高等优点，更适于颗粒与传热流体间壁式换热，在余热回收、颗粒冷却、干燥等工业领域有着广泛应用。然而，将现有的浅层流化床换热器用作颗粒与熔融盐的换热装置仍具有较大难度，主要原因在于现有技术缺乏对熔融盐物性及流动特性的考虑。

与水、空气、sCO

鉴于浅层流化床床高很低，在作为工业换热装置时，更多的是在床层中设置水平埋管。然而，对于熔融盐换热系统水平管道不利于排盐。由于高温熔融盐熔点较高(>300℃)，当换热过程结束后需要及时将液态熔融盐从管路中排出，以防温度降至熔点之下后熔融盐凝固堵塞管道，造成系统再次启动困难。对于水平管道，需要利用带压热风吹扫管路，迫使熔融盐流出，这一排盐方式势必增加系统的能耗及复杂性。将管路倾斜布置(倾角大于5°)，同时避免管路在竖直方向出现回弯、折角等结构(如发明专利CN110332835A中的折线管路、CN206056355U中的蛇形管路均会产生熔盐积存问题)，可借助重力作用方便地排出液态熔融盐。然而，对于浅层流化床，即使5°的换热管倾角，也需要显著增加床层高度，以使倾斜换热管能够充分浸没在床层中(对于长为1米的矩形流化床，5°倾角将使床层高度增加至少87mm，增幅达100％)。床层高度增加将导致床层压降增大，进而增加风机功率。同时，换热管倾斜布置时，难以使整个换热管都处在换热效率最高的分布板区，导致换热性能下降。

熔融盐流速对换热效果影响显著。当熔融盐流量一定时，管内熔融盐流速主要取决于换热管管径和管束数量。增加管束数量，有利于增大熔融盐温升，但受床层高度的限制，需要减小单根换热管的管径，由于高温液态熔融盐粘度较大，管径过小会显著增加管路压降，引起熔盐泵功耗增加。同时，细管内熔融盐流速过低也易造成熔融盐膜温过高，导致熔融盐热分解。而减小管束数量，增加单管直径，则会使熔融盐流速过快，需要采用多级流化床换热才能满足熔融盐升温要求(如发明专利CN109813124A等公布的多级流化床换热技术)，而这将增加流化风热损失，系统也更为庞大复杂，成本也更高。因此，如何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，是颗粒/熔融盐流化床换热器亟待解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于提供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，旨在解决现有技术中流化床颗粒换热过程存在的上述问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于螺旋床面的颗粒/熔融盐流化床换热器，包括颗粒溢流管、熔融盐管道和壳体，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，熔融盐管道一端与熔融盐出口相连，另一端与熔融盐入口相连；

壳体顶部开设有颗粒入口，颗粒入口一侧开设有流化风出口；风室一侧开设有流化风入口；

风室顶部设置有螺旋形分布板，螺旋形分布板上开设有若干板孔。

本发明进一步的改进在于，螺旋形分布板上表面为具有≥5°倾角的螺旋床面，螺旋形分布板下表面为水平面或与上表面相同倾角的螺旋面，螺旋床面上设置有螺旋挡板，螺旋床面及螺旋挡板将螺旋形分布板上方的流化空间分隔为螺旋形流化腔。

本发明进一步的改进在于，螺旋形分布板上敷设金属丝网或设置风帽。

本发明进一步的改进在于，熔融盐管道包括相连的预热管、连接管和主换热管，其中，预热管位于熔融盐入口至颗粒溢流管下端出口之间，连接管位于颗粒溢流管上端进口与下端出口之间，主换热管位于颗粒溢流管上端入口与熔融盐出口之间；主换热管和预热管沿≥5°倾角的锥形螺旋线设置，连接管竖直设置。

本发明进一步的改进在于，螺旋床面的最高处位于颗粒入口下方的螺旋形流化腔的最外圈螺旋形通道内，最低处与颗粒溢流管的顶部入口相连，由外圈向内圈过渡时，螺旋床面高度逐渐下降，螺旋床面的回转半径逐渐减小。

本发明进一步的改进在于，螺旋形分布板下表面为螺旋面时，板孔当量直径相等，开孔密度均匀；

螺旋形分布板下表面为水平面时，沿螺旋形分布板锥形螺旋线由内圈向外圈的方向，随螺旋形分布板厚度的增加，逐渐增加板孔的当量直径或开孔密度；

或螺旋形分布板下表面为水平面时，板孔的当量孔径相等，开孔密度均匀，风室为变截面螺旋式风道，变截面螺旋式风道由均匀开孔率的变厚度螺旋式分布板的下表面、壳体内表面、颗粒溢流管的侧壁及颗粒料仓的顶面合围形成；变截面螺旋式风道内设置有变高度螺旋挡板。

本发明进一步的改进在于，壳体为圆柱状结构，颗粒料仓为倒圆锥形结构；

熔融盐管道采用单管结构或多通道换热管束；当熔融盐管道采用多通道换热管束时，壳体内侧靠近熔融盐进口与出口的位置分别设置熔融盐分流器及熔融盐回流器。

一种基于上述的螺旋床面的颗粒/熔融盐流化床换热器的换热方法，包括以下步骤：

(1)将高温热风经流化风入口进入风室，对熔融盐管道进行预热；

(2)将高温颗粒从颗粒入口进入分离室，然后落入颗粒入口下方的靠近流化床壳体的螺旋形流化腔最外圈条状通道，颗粒落至该通道内的螺旋床面后，在流化风及重力共同作用下沿着倾斜螺旋形分布板螺旋下降至颗粒溢流管，并经颗粒溢流管进入颗粒料仓；

(3)当有颗粒从颗粒出口流出后，从熔融盐入口通入熔融盐，熔融盐经底部颗粒料仓及颗粒溢流管中的热颗粒预热后进入螺旋形流化腔，并沿着与螺旋床面平行的主换热管向熔融盐出口流动，完成与流化颗粒的换热。

本发明进一步的改进在于，对进入流化床换热器的颗粒流量进行控制，对进入流化床换热器的风量和风速进行控制，以使螺旋床面上的床层高度达到预设值并覆盖熔融盐管道；待床层高度稳定后，逐渐减小液态熔融盐流量，使熔融盐出口温度逐渐上升，直至目标温度。

本发明进一步的改进在于，热风的温度为450～650℃，高温颗粒的温度为800～1000℃，熔融盐入口温度为450℃～600℃，熔融盐为Na

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

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；螺旋形流化腔设计有利于减小流化床换热器的尺寸，易于双级或多级流化床的集成，有利于换热系统的紧凑化设计。

进一步的，流化床换热器内的换热管沿具有一定倾角(≥5°)的锥形螺旋线布置，可在有限床层空间内实现长管路的连续倾斜布置，一方面倾斜管路有助于依靠重力作用排出液态熔融盐，从而在节约排盐功耗的同时，降低换热管内积存熔融盐凝固后堵塞管路的风险；另一方面，采用螺旋线布置方式，可增加有效换热面积，提高流化床换热器的换热负荷。

进一步的，采用具有一定倾角的螺旋床面，并使床面倾角与换热管倾角相匹配，结合螺旋形挡板对流化空间内颗粒的流动方向进行约束，可解决因换热管倾斜布置而使床层高度沿换热管轴向持续增加的问题，从而避免因床层平均高度增加引起的流化风阻力增大及流化颗粒与换热管传热性能下降。

进一步的，变截面螺旋形风道具有非均匀的沿程阻力特性，与变厚度螺旋式分布板配合使用，可实现均匀流化风供给。

进一步的，可适当增大熔融盐管道管径，降低高粘度熔融盐在小管径换热管内因流速过低引起的熔盐热分解风险。

附图说明

图1是本发明的等厚度螺旋形分布板方案示意图。

图2是等厚度螺旋形分布板的俯视示意图。

图3是本发明的第一种变厚度螺旋形分布板方案示意图。

图4是第一种变厚度螺旋形分布板的俯视示意图。

图5是本发明的第二种变厚度螺旋形分布板方案示意图。

图6是第二种变厚度螺旋形分布板的俯视示意图。

图7是本发明的双级流化床方案示意图。

其中：1-颗粒入口，2-熔融盐出口，3-熔融盐管道，301-预热管，302-连接管，303-主换热管，4-螺旋床面，5-等厚度螺旋形分布板，6-颗粒溢流管，7-熔融盐入口，8-颗粒出口，9-颗粒料仓，10-流化风入口，11-风室，12-螺旋形流化腔，13-螺旋挡板，14-壳体，15-分离室，16-流化风出口，17-板孔，18-非均匀开孔率的变厚度螺旋形分布板，19-均匀开孔率的变厚度螺旋形分布板，20-变截面螺旋式风道，21-变高度螺旋挡板，22-级间颗粒导流管，23-流化风第二入口，24-流化风第二出口，25-级间熔融盐导流管。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本发明技术方案基础上做的同等变换均落入本发明的保护范围。

参见图1，一种基于螺旋床面的颗粒/熔融盐流化床换热器，由壳体14、流化风入口10、流化风出口16、颗粒入口1、颗粒出口8、熔融盐入口7及熔融盐出口2等构成。在壳体14内由下向上依次设置有风室11、螺旋形分布板5、螺旋形流化腔12与分离室15，以及由下至上贯穿颗粒料仓9、颗粒溢流管6及螺旋形流化腔12的熔融盐管道3。

具体的，壳体14为圆柱状结构，壳体14底部设置有颗粒料仓9，颗粒料仓9底端开设有颗粒出口8，颗粒料仓9为倒圆锥形结构，颗粒出口8与倒圆锥形颗粒料仓9底面相接，倒圆锥形结构的作用是减少颗粒料仓9中颗粒的积存，使所有颗粒都可通过颗粒出口8流出换热器。壳体14顶部中心开设有流化风出口16，流化风出口16一侧靠近壳体14边缘位置开设有颗粒入口1，颗粒入口1的具体位置与熔融盐出口位置有关。风室11与颗粒料仓9相连通。

壳体14内中部设置有螺旋形分布板5，螺旋形分布板5上表面为具有一定倾角(≥5°)的螺旋床面4，螺旋形分布板5下表面可以为具有相同倾角的螺旋面(即等厚度分布板，如图1所示)，也可以为水平面(即变厚度分布板)，螺旋形分布板5上开设若干细小板孔17，供流化风通过，可进一步在螺旋形分布板5上可敷设金属丝网或增加风帽以避免漏料，螺旋床面4上设置有螺旋挡板13，螺旋床面4及螺旋挡板13共同将螺旋形分布板5上方的流化空间分隔为连续的、等宽度的螺旋形流化腔12，螺旋形流化腔12上方设置有分离室15，其作用是依靠重力或惯性力来减小经流化风出口逃逸的颗粒量。

螺旋形分布板5下方设置有风室11，风室11一侧设置有流化风入口10，流化风入口10开设于风室11底部，风室11和流化风入口10的作用是为螺旋形流化腔12提供均匀的流化风，风室11中心设置有穿过风室11的颗粒溢流管6，颗粒溢流管6上端入口与螺旋形流化腔12中心(即床面最低处)相连通，颗粒溢流管6下端出口与风室11下方的颗粒料仓9相连通。

颗粒料仓9侧壁底部设置有熔融盐入口7，壳体14侧壁设置有熔融盐出口2，在靠近熔融盐出口2所在的壳体14一侧的正上方区域设置有颗粒入口1，熔融盐管道3穿过熔融盐入口7后从壳体14下部向上依次穿过颗粒料仓9、颗粒溢流管6、螺旋形分布板5后从熔融盐出口2伸出，根据所处位置可将熔融盐管道3进一步划分为三部分：熔融盐入口7至颗粒溢流管6下端出口之间的熔融盐管道为预热管301，颗粒溢流管进出口之间的熔融盐管道为连接管302，颗粒溢流管上端入口与熔融盐出口之间的熔融盐管道为主换热管303。为方便排盐，主换热管303和预热管301均沿具有一定倾角(≥5°)的锥形螺旋线布置，连接管302则为采用垂直走向布置。

在颗粒料仓9中，熔盐预热管301沿着倒锥形颗粒料仓9侧壁螺旋向上延伸至颗粒溢流管6下端出口，利用颗粒溢流管6及颗粒料仓9中的余热对进入螺旋形流化腔12前的熔融盐进行预热，溢流管6中，连接管302竖直向上，延伸至颗粒溢流管6入口。主换热管303与连接管302在颗粒溢流管入口处相接。随后，在螺旋形流化腔12中，主换热管303沿着与螺旋床面4平行的方向螺旋上升直至熔盐出口2。

与常规的水平分布板或斜面分布板不同，本发明中流化床换热器的螺旋形分布板5的上表面(即床面)并非等高平面或是仅在单一方向存在一定的高度梯度，而是沿着周向和径向两个方向均存在高度梯度，从而形成按一定倾角(≥5°)连续螺旋下降且回转半径逐渐减小的倒锥形螺旋床面4，螺旋床面4与螺旋挡板13相接，将分布板5上方的流化空间分隔成等宽度的、连续的多圈螺旋形通道，即螺旋形流化腔12。螺旋床面4的最高处位于颗粒入口1下方的最外圈螺旋形通道内，最低处与颗粒溢流管6的顶部入口相连接，由外圈向内圈过渡过程中，螺旋床面4高度逐渐下降，螺旋床面4回转半径也逐渐减小。

这种分布板上表面沿锥形螺旋线向下延伸、熔融盐主换热管沿锥形螺旋线向上延伸的结构，一方面可以使流化颗粒与熔融盐实现逆流换热，也可通过匹配两者的倾角实现在不增加床层高度的同时使床层有效浸没倾斜换热管，从而提升颗粒与熔融盐的换热系数。同时，本发明利用螺旋挡板可使流化颗粒沿着等宽度的条状通道逐步向下移动，从而延长颗粒在床中的路径和停留时间，使颗粒与熔融盐充分换热，提升熔融盐出口温度。与换热管沿轴向布置的常规矩形流化床相比，在相同换热负荷条件下，则可显著提升流化床空间利用率，降低流化床换热器的尺寸。

能够提供螺旋床面4的螺旋形分布板5是颗粒/熔融盐流化床换热器中的关键部件，螺旋床面4可通过下述两种不同的技术方案来实现。

第一种技术方案为：分布板下表面也为螺旋面，且其倾角与上表面(床面)倾角相同，因此分布板的厚度沿锥形螺旋线方向不发生变化，即等厚度螺旋式分布板方案。对于这种设计方案，分布板下表面形成的落差与分布板距离进风口的距离相比很小，对于均匀布风没有显著影响，而分布板厚度相等又使得流化风通过各处板孔的阻力损失相差不大，因而可采用简单的风室结构，对风室内流化风的流动路径不施加额外约束，分布板各处的板孔当量直径相等、开孔密度均匀恒定，但等厚度螺旋式分布板的设计加工难度较大。

第二种技术方案为：分布板的下表面为水平面，其厚度则沿着锥形螺旋线方向由外圈向内圈逐渐减小，即变厚度螺旋式分布板。变厚度螺旋式分布板的沿程坡度保持不变，分布板的设计坡度依据工况条件而变，但不应小于5°。对于这种设计方案，分布板厚度变化将对板孔的阻力特性产生显著影响，采用均匀的开孔率或简单的风室结构无法使流化风均匀地进入螺旋式流化腔，从而对颗粒的流化质量产生不利影响，分布板上方难以形成均匀厚度的床层。对此问题，本发明也给出了2种解决方法。

其一，采用非单一当量直径板孔或非均匀的开孔密度或两者配合使用，以得到非均匀的分布板开孔率，即变厚度螺旋形分布板(非均匀开孔率)方案。具体而言，沿着分布板锥形螺旋线由内圈向外圈的方向，随分布板厚度的增加，逐渐增加板孔的当量直径或开孔密度以增加单位分布板长度内的开孔率，从而通过增加流通截面积的方法抵消分布板厚度增加引起的阻力增加，实现基于简单风室的螺旋形分布板均匀布风。沿程开孔率需要基于准确的数值模拟或实验方法进行优化设计。

其二，仍采用单一当量孔径及均匀的开孔密度，开孔率沿螺旋形分布板保持不变，即变厚度螺旋形分布板(均匀开孔率)方案。此时要实现均匀布风，需要使通过板孔的流化风量沿分布板锥形螺旋线由内向外的方向逐渐增加。为此，本发明针对性的将简单风室11改进为变截面螺旋式风道20，使流化风沿着螺旋式风道由外圈向内圈流动过程中完成向螺旋式流化腔12的供风。变截面螺旋式风道20由均匀开孔率的变厚度螺旋形分布板19的下表面、壳体14内表面、变高度螺旋挡板21、颗粒溢流管6的侧壁及颗粒料仓9的顶面合围而成。对于变高度螺旋挡板21，其内外圈挡板间距沿螺旋线方向保持不变，且与分布板上方的螺旋形挡板13的板间距相匹配，而挡板高度则沿由外向内的螺旋线方向逐渐减小，从而实现风道截面积沿螺旋线由外圈向内圈逐渐减小的变化。由此，将变截面螺旋式风道固有的沿程阻力效应(由周边入口向中心出口阻力逐渐增大)与变厚度螺旋形分布板的阻力效应(由周边向中心阻力逐渐降低)相叠加，可实现近似均匀的沿程总阻力效应，从而实现均匀布风。

变截面螺旋式风道20内设置有变高度螺旋挡板21与螺旋形分布板5上方螺旋形流化腔内的螺旋挡板13是对应关系，也就是说形成的螺旋形流化腔与变截面螺旋式风道20的宽度相同。变截面螺旋式风道20内变高度螺旋挡板21的高度指的是图5中变截面螺旋式风道20下底面(斜面)与螺旋形分布板5下表面(平面)之间的距离，因此螺旋形分布板5高度沿螺旋线方向是逐渐变化的(由外圈向内圈，高度逐渐降低)。

与图1不同，图3和图5其实是简化的流化床换热器结构图，只给出了流化腔、分布板、简单风室(或螺旋风道)这三个主要部分的示意图。从结构上看，无论对于哪种技术方案，流化床换热器都具有相似的布局：壳体内由上至下依次为分离室、流化腔、分布板、风室/风道、颗粒料仓。由于分布板的形状改变，导致底部料仓的形状也发生变化，也导致分别采用简单风室和螺旋风道，这个是无法避免的，但各主要部分的连接关系并未改变。

至于熔融盐出口位置，图3和图5中其实没有标出，因为省略了熔融盐管道。但无论是图3还是图5，熔融盐出口都在螺旋床面最高处，因此不同技术方案下熔融盐出口位置并未改变。进一步，熔融盐入口、颗粒进出口、流化风进出口(对比图3和图5，流化风进口一个在左一个在右，但这个和具体的螺旋圈数有关，其实都是从壳体一侧进风，没有本质区别)位置也未有显著变化。

螺旋风道内的变高度螺旋挡板与分布板上方螺旋形流化腔内的螺旋挡板是对应关系，也就是说形成的螺旋形流化腔与风道的宽度相同。螺旋风道内变高度螺旋挡板的高度指的是图5中风道下底面(斜面)与分布板下表面(平面)之间的距离，因此分布板高度沿螺旋线方向是逐渐变化的(由外圈向内圈，高度逐渐降低)。

颗粒的流量可通过颗粒入口管上游与颗粒出口管下游设置的调节阀(如蝶阀、旋塞阀、柱塞阀等)进行控制；熔融盐的流量可通过熔盐泵变频技术或泵前后的旁通回路进行调节；流化风的流量可通过变频风机、旁通回路、调节阀等不同方式进行调节。

所述流化床换热器中熔融盐换热管不限于单管结构，可根据螺旋通道径向尺寸及床高采用两通道或多通道换热管束。采用换热管束时，需要在壳体内侧靠近熔融盐进口与出口的位置分别设置熔融盐分流器及熔融盐回流器，所有熔融盐管路均应保持倾斜或垂直布置。

本发明中适用的熔融盐有多种，包括但不限于该三元碳酸盐混合物。三元混合盐NaCl-KCl-ZnCl

参见图1和图2，针对采用等厚度螺旋式分布板的颗粒/熔融盐流化床换热器，其换热方法为：

(1)将少量经过干燥、净化处理的高温(450～650℃)热风经进风管道10供给所述流化床换热器，对流化床换热器内的熔融盐管道3进行预热，以防熔盐泵启动后高温熔融盐流经流化床内低温管段发生凝固堵塞管路。通入的流化风量以流化风速达到或略低于热颗粒临界流化速度为宜。预热过程持续30分钟或更长，直至熔融盐管道3沿程最低温度超过熔融盐熔点。

(2)打开颗粒入口1上游的阀门，将少量高温颗粒(800～1000℃)从颗粒入口1供给流化床换热器。高温颗粒进入流化床后首先落入颗粒入口1下方的靠近流化床壳体14的螺旋形流化腔12最外圈条状通道。颗粒落至该通道内的螺旋床面4后，在流化风及重力共同作用下沿着倾斜分布板螺旋下降至颗粒溢流管6，并经颗粒溢流管6进入下方的颗粒料仓9，此时，颗粒料仓9底部颗粒出口8下游管道上的截止阀维持较小开度状态。

(3)当有颗粒从流化床底部的颗粒出口8流出后，打开熔融盐入口7上游的阀门，较低温度的液态熔融盐(如对于三元碳酸盐混合物Na

(4)螺旋形分布板5上方设置有温度与差压传感器，通过测量分布板5上方不同位置的温度与压力数据，可感知螺旋床面4上方的床层高度，通过调节颗粒入口1上游的阀门开度对进入流化床换热器的颗粒流量进行控制，通过调节风机频率或流化风入口10上游的阀门开度对进入流化床换热器的风量和风速进行控制，以使床层高度达到预设值并完全覆盖倾斜换热管。

(5)待床层高度稳定后，通过降低熔盐泵频率或增大旁通回路流量或减小熔融盐入口7上游阀门开度等方法，逐渐减小液态熔融盐流量，使熔融盐出口温度逐渐上升，直至目标温度(≥650℃)。

(6)在上述过程中，经过换热的流化风从所述流化床顶部的流化风出口16流出壳体14，进入下游旋风分离器完成颗粒与气体分离，分离后的气体经过过滤净化、冷却降温(<400℃)后，经引风机输送与另一路低温新风混合，提升进入加热器前流化风的平均温度，从而起到能量回收利用、减小系统能耗的作用。

(7)流态化换热器运行过程中，当热源侧参数(如颗粒入口温度)或用能侧参数(熔融盐出口流量)发生变化时，可通过调节颗粒入口流量、颗粒出口流量、流化风温度、速度对流态化颗粒与熔融盐的换热过程进行控制，实现变工况运行。

(8)换热过程完成或系统需要停止运行时，关闭颗粒入口1上游及出口8下游的阀门，使螺旋形流化腔12、溢流管6、颗粒料仓9中留存一定量的高温颗粒，同时维持流化风入口温度并逐渐降低流化风速度，避免颗粒温度下降过快，此后停止熔盐泵，流化床换热器内失去动力的液态熔融盐在重力作用下由熔融盐入口7排出流化床，最终流入位置更低的熔盐槽。排盐过程结束后，关闭流化风加热器，打开颗粒出口阀，颗粒在重力作用下流出流化床换热器，待颗粒全部排出后，关闭流化风风机。

参见图3和图4，针对采用非均匀开孔率的变厚度螺旋式分布板18的颗粒/熔融盐流化床换热器，其换热方法与前述基于等厚度螺旋式分布板的颗粒/熔融盐流化床换热器的换热方法基本一致，具体如下：

(1)将少量经过干燥、净化处理的高温(450～650℃)热风经流化风入口管道10供给所述流化床换热器，对流化床换热器内的熔融盐管路3进行预热，以防熔盐泵启动后高温熔融盐流经流化床内低温管段发生凝固堵塞管路。通入的流化风量以流化风速达到或略低于热颗粒临界流化速度为宜。预热过程持续30分钟或更长，直至熔融盐管道3沿程最低温度超过熔融盐熔点。

(2)打开颗粒入口1上游的阀门，将少量高温颗粒(800～1000℃)从颗粒入口1供给流化床换热器。高温颗粒进入流化床后首先落入颗粒入口1下方的靠近流化床壳体14的螺旋形流化腔12最外圈条状通道。颗粒落至该通道内的螺旋床面4后，在流化风及重力共同作用下沿着倾斜分布板螺旋下降至颗粒溢流管6，并经颗粒溢流管6进入下方的颗粒料仓9，此时，颗粒料仓9底部颗粒出口下游管道上的截止阀维持较小开度状态。

(3)当有颗粒从流化床底部的颗粒出口8流出后，打开熔融盐入口1上游的阀门，较低温度的液态熔融盐(如对于三元碳酸盐混合物Na

(4)非均匀开孔率的变厚度螺旋式分布板18上方设置有温度与差压传感器，通过测量非均匀开孔率的变厚度螺旋式分布板18上方不同位置的温度与压力数据，可感知螺旋床面4上方的床层高度，通过调节颗粒入口1上游的阀门开度对进入流化床换热器的颗粒流量进行控制，通过调节风机频率或流化风入口10上游的阀门开度对进入流化床换热器的风量和风速进行控制，以使床层高度达到预设值并完全覆盖倾斜换热管。

(5)待床层高度稳定后，通过降低熔盐泵频率或增大旁通回路流量或减小熔融盐入口7上游阀门开度等方法，逐渐减小液态熔融盐流量，使熔融盐出口温度逐渐上升，直至目标温度(≥650℃)；

(6)在上述过程中，经过换热的流化风从所述流化床顶部的流化风出口16流出壳体14，进入下游旋风分离器完成颗粒与气体分离，分离后的气体经过过滤净化、冷却降温(<400℃)后，经引风机输送与另一路低温新风混合，提升进入加热器前流化风的平均温度，从而起到能量回收利用、减小系统能耗的作用。

(7)流态化换热器运行过程中，当热源侧参数(如颗粒入口温度)或用能侧参数(熔融盐出口流量)发生变化时，可通过调节颗粒入口流量、颗粒出口流量、流化风温度、速度对流态化颗粒与熔融盐的换热过程进行控制，实现变工况运行。

(8)换热过程完成或系统需要停止运行时，关闭颗粒入口1上游及出口8下游的阀门，使螺旋形流化腔12、颗粒溢流管6、颗粒料仓9中留存一定量的高温颗粒，同时维持流化风进口温度并逐渐降低流化风速度，避免颗粒温度下降过快，此后停止熔盐泵，流化床换热器内失去动力的液态熔融盐在重力作用下由熔融盐入口7排出流化床，最终流入位置更低的熔盐槽。排盐过程结束后，关闭流化风加热器，打开颗粒出口阀，颗粒在重力作用下流出流化床换热器，待颗粒全部排出后，关闭流化风风机。

参见图5和图6，针对采用均匀开孔率的变厚度螺旋式分布板19的颗粒/熔融盐流化床换热器，其换热方法与前述基于等厚度螺旋式分布板5的颗粒/熔融盐流化床换热器的换热方法基本一致，区别只是在于向螺旋形流化腔的供风方式或路径不同，具体而言，前者采用变截面螺旋形风道向上方流化腔供风，而后者采用简单风室向流化腔供风，未对风室内的流化风流动路径进行约束，所述流化床换热的具体换热方法如下：

(1)将少量经过干燥、净化处理的高温(450～650℃)热风经流化风入口10供给变截面螺旋形风道20，然后供给均匀开孔率的变厚度螺旋式分布板19上方的螺旋形流化腔12，对流化床换热器内的熔融盐管路3进行预热，以防熔盐泵启动后高温熔融盐流经流化床内低温管段发生凝固堵塞管路。通入的流化风量以流化风速达到或略低于热颗粒临界流化速度为宜。预热过程持续30分钟或更长，直至熔融盐管道3沿程最低温度超过熔融盐熔点。

(2)打开颗粒入口1上游的阀门，将少量高温颗粒(800～1000℃)从颗粒入口1供给流化床换热器。高温颗粒进入流化床后首先落入颗粒入口1下方的靠近流化床壳体14的螺旋形流化腔12最外圈条状通道。颗粒落至该通道内的螺旋床面4后，在流化风及重力共同作用下沿着倾斜分布板螺旋下降至颗粒溢流管6，并经颗粒溢流管6进入下方的颗粒料仓9，此时，颗粒料仓9底部颗粒出口8下游管道上的截止阀维持较小开度状态。

(3)当有颗粒从流化床底部的颗粒出口8流出后，打开熔融盐入口上游的阀门，较低温度的液态熔融盐(如对于三元碳酸盐混合物Na

(4)均匀开孔率的变厚度螺旋式分布板19上方设置有温度与差压传感器，通过测量均匀开孔率的变厚度螺旋式分布板19上方不同位置的温度与压力数据，可感知螺旋床面4上方的床层高度，通过调节颗粒入口1上游的阀门开度对进入流化床换热器的颗粒流量进行控制，通过调节风机频率或流化风入口10上游的阀门开度对进入流化床换热器的风量和风速进行控制，以使床层高度达到预设值并完全覆盖倾斜换热管。

(5)待床层高度稳定后，通过降低熔盐泵频率或增大旁通回路流量或减小熔融盐入口7上游阀门开度等方法，逐渐减小液态熔融盐流量，使熔融盐出口温度逐渐上升，直至目标温度(≥650℃)；

(6)在上述过程中，经过换热的流化风从所述流化床顶部的流化风出口16流出壳体14，进入下游旋风分离器完成颗粒与气体分离，分离后的气体经过过滤净化、冷却降温(<400℃)后，经引风机输送与另一路低温新风混合，提升进入加热器前流化风的平均温度，从而起到能量回收利用、减小系统能耗的作用。

(7)流态化换热器运行过程中，当热源侧参数(如颗粒入口温度)或用能侧参数(熔融盐出口流量)发生变化时，可通过调节颗粒入口流量、颗粒出口流量、流化风温度、速度对流态化颗粒与熔融盐的换热过程进行控制，实现变工况运行。

(8)换热过程完成或系统需要停止运行时，关闭颗粒入口1上游及出口8下游的阀门，使螺旋形流化腔12、溢流管6、颗粒料仓9中留存一定量的高温颗粒，同时维持流化风入口温度并逐渐降低流化风速度，避免颗粒温度下降过快，此后停止熔盐泵，流化床换热器内失去动力的液态熔融盐在重力作用下由熔融盐入口7排出流化床，最终流入更低处的熔盐槽。排盐过程结束后，关闭流化风加热器，打开颗粒出口阀，颗粒在重力作用下流出流化床换热器，待颗粒全部排出后，关闭流化风风机。

为了提高能源的利用率，基于前述基于等厚度螺旋形分布板或变厚度螺旋形分布板的单级颗粒/熔融盐流化床换热器，本发明进一步提出一种颗粒/熔融盐双级(或多级)流化床换热器结构及换热方法。下面以基于等厚度螺旋形分布板的单级流化床换热器为例，对双级颗粒/熔融盐流化床换热器的结构及特点进行说明：

所述双级流化床换热器由两个单级流化床串联而成，且两个单级换热器采用一上一下的同轴布置方式，并封装于同一圆柱形壳体14内，其中位于壳体上部的是第一级流化床换热器，位于壳体下部的是第二级流化床换热器。在双级流化床换热器内，各级换热器的熔融盐回路为串联结构，熔融盐入口7设置于第二级流化床换热器底部颗粒料仓9侧壁处，熔融盐出口2设置于第一级流化床换热器壳体14中部一侧；各级换热器的颗粒回路也为串联结构，颗粒入口1设置于第一级流化床换热器顶部一侧，颗粒出口8设置于第二级流化床换热器底部颗粒料仓9侧壁处；各级换热器的流化风回路为并联结构，因而在第一级流化床换热器风室侧壁开设流化风第二入口23，在第二级流化床换热器风室侧壁开设流化风第二出口24。

对于第一级流化床换热器，其风室底部与第二级流化床换热器分离室顶部直接接触，即第一级流化床换热器中不存在颗粒料仓，颗粒溢流管6从中心处贯穿第一级流化床换热器风室，颗粒溢流管6出口与位于第二级流化床换热器分离室内的级间颗粒导流管22入口相连，其作用是将来在从第一级流化床换热器颗粒溢流管流出的颗粒引导至第二级流化床换热器螺旋形流化腔的最外圈条状通道内，以使颗粒可以从螺旋床面最高处螺旋下降至位于最内圈通道的螺旋床面最低处，并经由颗粒溢流管进入颗粒料仓。相应地，在级间颗粒导流管22内设置级间熔融盐导流管25，以使熔融盐能够从第二级流化床换热器进入第一级流化床换热器。除此之外，各级流化床换热器的其他结构均与前述单级流化床相同。采用上述双级(或多级)流化床换热器方案，可以进一步增大颗粒与熔融盐的换热面积，减小漏入损失，提高能源利用效率，从而实现大换热负荷条件下颗粒与熔融盐之间的高效换热。

参见图7，针对双级流化床，其具体换热方法为：

(1)将少量经过干燥、净化处理的高温(450～650℃)热风经流化风入口管道10和流化风第二入口23管道分别供给所述第二级与第一级流化床换热器，对双级流化床换热器内的熔盐管道3进行预热，以防熔盐泵启动后高温熔盐流经流化床内低温管段发生凝固堵塞管路。通入的流化风量以流化风速达到或略低于热颗粒临界流化速度为宜。预热过程持续30分钟或更长，直至熔融盐管道3沿程最低温度超过熔融盐熔点。

(2)打开颗粒入口1上游的阀门，将少量热颗粒(800～100℃)经颗粒入口1更给所述双级流化床换热器。颗粒进入第一级流化床后首先落入颗粒入口下方的靠近流化床壳体14的螺旋形流化腔最外圈条状通道，颗粒落至分布板后，在流化风及重力共同作用下沿着倾斜分布板螺旋下降至颗粒溢流管6，并经颗粒溢流管进入位于第二级流化床换热器分离室内的级间颗粒导流管22，级间颗粒导流管22将来自第一级流化床换热器的颗粒引导至第二级流化床换热器螺旋形流化腔的最外圈条状通道内，颗粒落至分布板后，在流化风及重力共同作用下沿着倾斜分布板螺旋下降至颗粒溢流管入口，并经颗粒溢流管进入下方颗粒料仓9，料仓底部颗粒出口8下游的截止阀维持较小开度状态。

(3)当有颗粒从流化床底部的颗粒出口8流出后，打开熔融盐入口上游的阀门，较低温度的液态熔融盐(如对于三元碳酸盐混合物Na

(4)各级流化床换热器分布板上方设置有温度与差压传感器，通过测量分布板上方不同位置的温度与压力数据，可感知螺旋床面上方的床层高度。通过调节颗粒入口1上游的阀门开度对进入双级流化床换热器的颗粒流量进行控制，通过调节风机频率或流化风入口上游的阀门开度对进入各级流化床换热器的风量和风速进行控制，以使床层高度达到预设值并完全覆盖倾斜换热管。

(5)待各级流化床床层高度稳定后，通过降低熔盐泵频率或增大旁通回路流量或减小熔盐入口阀门开度等方法，逐渐减小液态熔盐流量，使熔盐出口温度缓慢上升，直至目标温度(≥650℃)；

(6)在上述过程中，经过换热的流化风从流化风出口16和流化风第二出口24流出换热器壳体14，两路流化风汇合后进入旋风分离器完成颗粒与气体分离，分离后的气体经过过滤净化、冷却降温(<400℃)后，经引风机输送与另一路低温新风混合，提升进入加热器前流化风的平均温度，可以起到能量回收利用、减小能耗的作用。

(7)流态化换热器运行过程中，当热源侧参数(如颗粒入口温度)或用能侧参数(熔盐出口流量)发生变化时，可通过调节颗粒入口1上游阀门开度、颗粒出口8下游的阀门开度、流化风温度、速度对流态化颗粒与熔融盐的换热过程进行控制，实现变工况运行。

(8)换热过程完成或系统需要停止运行时，关闭颗粒入口1上游阀门及颗粒出口8下游阀门，使双级流化床换热器内的流化腔、溢流管以及颗粒料仓中存有一定量的高温颗粒，同时维持流化风温度、降低流化风速度，停止熔盐泵，双级流化床换热器内失去动力的液态熔融盐在重力作用下由熔融盐入口7排出流化床，最终流入更低处的熔盐槽。排盐过程结束后，关闭流化风加热器，打开颗粒出口阀，颗粒在重力作用下流出流化床换热器，待颗粒全部排出后，关闭流化风风机。