一种流态化钙基化学反应两级取热装置与方法与流程

本发明涉及热化学储能技术领域，主要涉及一种流态化钙基化学反应两级取热装置与方法。

背景技术：

ca(oh)2/cao体系是较为理想的热化学储能体系，具有储能密度大、无毒且安全性好、原料来源广泛且价廉、常压反应且反应温度高等特点，已经得到应用。现有的cao放热装置多采用固定床形式，由于物料不具有流动性，且导热性差，需要水蒸汽完全穿过床层与物料反应，因此容易发生物料结块、床内温度分布不均、输出热功率波动、循环反应物性能衰减等问题。

固定床式反应器对ca(oh)2/cao+h2o储能体系进行了基础实验研究表明：通过对ca(oh)2/cao+h2o储能体系在不同的水合压力下进行了20次的水合-脱水-再水合的循环测试，实验结果显示：150kpa的水蒸汽压力下可实现最高504℃的热能供应,另外,在水合压力分别为70kpa、110kpa、130kpa时，对应的最高热输出温度达455℃、474℃、481℃；在20次的循环过程中，随着循环次数的增加，水合过程和脱水过程的反应程度均有降低的趋势，并在第10次循环之后基本趋于稳定，水合反应分数xh在0.8～0.9之间，脱水反应分数xd约为0.1。实验表明：在20次的反应循环过程中，随着水合压力及循环次数的增加，反应物的平均粒径也随之增大，但反应物依然保持有较好的反应活性；在较高的水蒸汽压力下可提供更高温度的热能输出。

中国专利cn2016102908087一种流态化钙基热化学高温储能/释能系统及其工作方法，该系统利用钙基热化学高温可逆的反应，通过太阳能、热能、化学能之间的相互转化进行能量的存储与释放。该系统主要包括能量输入单元、能量存储单元和能量输出单元。流态化钙基热化学高温储能/释能系统，包括能量输入单元、能量存储单元、能量输出单元，所述的能量输入单元包括太阳能吸热器、电加热器、重油储罐、给油泵、第一加热盘管；其中，重油储罐的出口通过管道与给油泵入口相连接，给油泵的出口与第二三通阀的入口相连接，第二三通阀的一个出口与电加热器的入口相连接，另一个出口与第一三通阀的入口相连接，第一三通阀的一个出口与太阳能吸热器的入口相连接，第一三通阀的另一个出口、太阳能吸热器的出口和电加热器的出口并入同一管道后与第一加热盘管的入口相连接，第一加热盘管的出口则通过第一阀门与重油储罐的入口相连接；所述的能量存储单元包括钙基反应装置、旋风分离器、卧式沸腾流化床、惯性分离器、第二氮气储罐、第一风机、氢氧化钙储罐、氧化钙储罐、第二风机、第三风机、气体分布器、第一氮气储罐、汽水分离器、第一冷凝器；其中，钙基反应装置的气体出口与旋风分离器的入口相连接，旋风分离器的固体出口与卧式沸腾流化床的固体入口相连接，卧式沸腾流化床的气体出口与惯性分离器的入口相连接，惯性分离器的气体出口与第二氮气储罐的入口相连接，第二氮气储罐的出口经第八阀门与第一风机的入口相连接，第一风机的出口与卧式沸腾流化床的气体入口相连接，惯性分离器的固体出口经第二阀门与卧式沸腾流化床的固体出口并入同一管道后与第四三通阀的入口相连接，第四三通阀的一个出口与氢氧化钙储罐的入口相连接，另一个出口与氧化钙储罐的入口相连接，氢氧化钙储罐的出口经第三阀门后、氧化钙储罐的出口经第四阀门后和第二风机的出口通过管道与钙基反应装置的固体入口相连接，旋风分离器的气体出口通过第一冷凝器与汽水分离器入口相连接，汽水分离器的液体出口经第七阀门后与下述能量输出单元的水储罐的一个液体入口相连接，汽水分离器的气体出口与第一氮气储罐的入口相连接，第一氮气储罐的一个出口经第五阀门与第二风机的入口相连接，第一氮气储罐的另一个出口经第6阀门与第三风机的入口相连接，第三风机的出口与气体分布器的一个入口相连接；所述的能量输出单元包括水储罐、给水泵、第二加热盘管、汽包、下降管、水冷壁、蒸气管道、过热器、蒸汽轮机、发电机、第二冷凝器。

cn2019110809903公开了一种镁修饰的小球状钙基热化学储能材料及其制备方法。

技术实现要素：

本发明目的：提出一种流态化钙基化学反应两级取热装置与方法，提供一种流态化钙基化学反应两级取热的可控流化床取热方法与装置。可实现cao与水蒸汽的高温化学反应及稳定放热，满足工业用热/汽，代替传统的燃煤、燃气工业锅炉，达到无污染排放，在区域供暖、移动供热等方面发挥巨大作用。

本发明所采用的技术方案如下：一种流态化钙基化学反应两级取热装置与方法，包括一级反应取热筒、二级取热筒，所述的一级反应取热筒外侧布置有同轴心且套筒形的二级取热筒；一级反应取热筒和二级取热筒均是上下端设有锥形口的筒体；

所述的一级反应取热筒内为一级反应取热室，一级反应取热筒包括下端为锥形口的进气扩容室、上端锥形口的气料收缩室；所述的进气扩容室下端与进气管连接，所述的进气扩容室上端与一级反应取热室连接，连接处布置有布风板，所述的一级反应取热室一侧为可拆卸内侧板，另一侧布置开孔与穿过二级取热筒的进料管连接；

所述的二级取热筒包括上端锥形口的气料扩容室、二级取热室(环室)、下端锥形口的出料收缩室。所述的气料扩容室圆周布置排气孔与分支管一端连接，所述的分支管另一端与排气管连接，所述的二级取热室一侧为螺栓连接的可拆卸外侧板，另一侧布置开孔与进料管连接，所述的出料收缩室下端与出料管连接；

所述的一级反应取热室和二级取热室内布置有蛇形管换热器，且在垂直方向上分层布置

进一步的，所述的下端为锥形口的进气扩容室的锥形(扩张)角为45-70°。

进一步的，所述的布风板为进气扩容室上端与一级反应取热室连接处横截面上布置正三角形分布的多孔结构。

进一步的，所述的上端为锥形口的气料收缩室的锥形(收缩)角为45-70°。

进一步的，所述的上端为锥形口的气料扩容室的锥形(扩张)角为20-45°。

进一步的，所述的出料收缩室与进气扩容室呈平行布置。

进一步的，二级取热室上设有若干分支管，若干分支管并联连接到垂直二级取热室正上方的排气管。

进一步的，基于上述装置的流态化钙基化学反应两级取热的可控流化床取热方法，粒径为20-300微米的cao粉料通过进料管进入到一级反应取热室内自然下落，来自储罐的n2和来自蒸汽发生器的0.1mpa，120℃的水蒸汽按约50：1的比例预先混合，混合气体从反应器底部中心的进气管通入进气扩容室后充分扩散，使得布风板上的cao物料处于流化状态，布风板上开有约19微米的圆形孔，孔之间呈正三角形布置，孔隙率大于50％。其中n2起到流化气的作用，同时作为保护气体可提供惰性气氛，防止cao物料被空气氧化。水蒸汽与cao在流化状态下充分接触，在一级反应取热室内发生水合反应生成ca(oh)2，同时放出大量化学热，热量被蛇形管换热器内的冷却水带走，通过控制水流量将床内平均温度控制在200℃以下，蛇形管换热器进口端为冷水，出口端为热水/蒸汽供用户使用。当反应结束后停止通入水蒸汽，一次性通入大量n2将ca(oh)2粉料从气料收缩室吹出。加速吹出的气流撞击到气料扩容室的顶部后折返向下，n2从排气孔通过分支管进入排气管，ca(oh)2粉料在惯性力和重力的作用下下落，经过二级取热室时与蛇形管换热器完成第二次换热，粉料显热充分释放，温度进一步降低，后经过反应器底部出料收缩室加速后从出料管排出。

有益效果：采用流化技术增强了化学粉料的流动性，有效避免了物料团聚和结块堵塞反应器的问题，同时促进了对流换热，解决了化学粉料导热性差的问题；本发明不采用风机与卧式沸腾流化床系统，无需用于气固分离的多个惯性分离器的；床内布置有大量蛇形管换热器，能及时吸收化学反应热，将床内温度控制在合理范围内，解决了化学逆向反应问题；本发明反应器独特的双层设计，延长了物料在反应器内的停留时间，在有限的空间内实现了两级换热，充分释放了化学热和物料显热，增强了换热效率；本发明换热器采用可拆卸蛇形管方式内置于反应器内，便于受热面的清洗和更换，保证换热效率，延长使用寿命。

附图说明

图1为本发明提供的一种流态化钙基化学反应两级取热装置与方法示意图。

图2为本发明提供的蛇形管换热器安装结构示意图(图1的aa剖面)。

图3为本发明提供的布风板结构示意图。

附图标记说明：

1一级反应取热筒，2二级取热筒，3进气管，4进气扩容室，5布风板，6一级反应取热室，7进料管，8内侧板，9气料收缩室，10气料扩容室，11分支管，12排气管，13二级取热室，14外侧板，15出料收缩室，16出料管，17蛇形管换热器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示的一种流态化钙基化学反应两级取热装置与方法，包括一级反应取热筒1，一级反应取热筒1外侧布置有同轴心的二级取热筒2。

一级反应取热筒1包括扩张角为45-70°的进气扩容室4、一级反应取热室6、收缩角为45-70°的气料收缩室9。进气扩容室4下端与进气管3连接，进气扩容室4上端与一级反应取热室6连接，此处布置有特殊结构的布风板5，如图3所示布风板5为正三角形分布的多孔结构。一级反应取热室6右侧为可拆卸内侧板8，起到密封作用，左侧布置开孔与进料管7连通。

二级取热筒2包括扩张角为20-45°的气料扩容室10、二级取热室13、与进气扩容室4呈平行布置的出料收缩室15。气料扩容室10圆周布置排气孔与分支管11一端连接，分支管11另一端与排气管12连接。二级取热室13右侧为螺栓连接的可拆卸外侧板14，左侧布置开孔与进料管7连接但不连通，出料收缩室15下端与出料管16连接。

一级反应取热室6和二级取热室13内布置有蛇形管换热器17。如图2所示，蛇形管换热器17焊接在内侧板8和外侧板14上，内侧板8的尺寸小于外侧板14，以便于蛇形管换热器17的拆装。

本发明一种流态化钙基化学反应两级取热装置与方法工作流程如下：粒径为20-300微米的cao粉料通过进料管7进入到一级反应取热室6内自然下落，来自储罐的n2和来自蒸汽发生器的0.1mpa，120℃的水蒸汽按约50：1的比例预先混合，混合气体从反应器底部中心的进气管3通入进气扩容室4后充分扩散，使得布风板5上的cao物料处于流化状态，布风板5上开有约19微米的圆形孔，孔之间呈正三角形布置，孔隙率大于50％。其中n2起到流化气的作用，同时作为保护气体可提供惰性气氛，防止cao物料被空气氧化。水蒸汽与cao在流化状态下充分接触，在一级反应取热室6内发生水合反应生成ca(oh)2，同时放出大量化学热，热量被蛇形管换热器17内的冷却水带走，通过控制水流量将床内平均温度控制在200℃以下，蛇形管换热器17进口端为冷水，出口端为热水/蒸汽供用户使用。当反应结束后停止通入水蒸汽，一次性通入大量n2将ca(oh)2粉料从气料收缩室9吹出。加速吹出的气流撞击到气料扩容室10的顶部后折返向下，n2从排气孔通过分支管11进入排气管12，ca(oh)2粉料在惯性力和重力的作用下下落，经过二级取热室13时与蛇形管换热器17完成第二次换热，粉料显热充分释放，温度进一步降低，后经过反应器底部出料收缩室15加速后从出料管16排出。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。