基于分段反应放热模式的气固化学反应蓄热装置及其使用方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于气固化学反应蓄热领域，具体涉及一种基于分段反应放热模式的气固 化学反应蓄热装置及其使用方法。
【背景技术】
[0002] 目前主要蓄热方法是显热蓄热，但其能量密度较低。潜热蓄热虽然能量密度较大， 但潜热蓄热材料的导热系数较低，致使其在蓄热系统的应用中传热性能差、蓄热效率低。热 化学蓄热的能量密度最高，并且不需要保温、热损失小，具有很大的应用前景。其中，碳酸盐 分解、金属氧化物分解和金属氢化物分解等气固相化学反应蓄热技术具有反应物分离容易 的优点，是较为理想的化学蓄热方法。ZL200710045622.6公开了 "气固化学反应储热利用的 方法及装置"，该方法中储热过程中释放的反应气体需要冷凝储存，热量释放过程中需要将 凝结后的反应气体蒸发后与固体反应物接触发生放热化学反应，需提供额外热量，且装置 结构复杂。此外，现有气固化学反应蓄热系统热量输出不平稳，放热过程中换热流体出口温 度的波动较大，很难满足用热场合的需求(Paskevicius M,Sheppard DA,Williamson K, Buckley CE.Metal hydride thermal heat storage prototype for concentrating solar thermal power[J] .Energy ,2015,88:469-477.)。通过建立金属氢化物蓄热系统的 数学模型，模拟结果也发现热量释放过程中换热流体出口温度很不平稳，影响了其商业应 用（Bao Zff,Yang FS, Zhang ZX. Theoretical investigation of high temperature thermal energy storage system using metal hydrides[C].The 5th International Conference on Applied Energy,Pretoria,South Africa,Jul 1-4,2013·)。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于分段反应放热模式的气固化 学反应蓄热装置及其使用方法，以减弱热量利用过程中换热流体出口温度的波动，提高蓄 热装置的热效率，并简化装置结构。
[0004] 本发明所述基于分段反应放热模式的气固化学反应蓄热装置，包括内装填蓄热反 应物的蓄热反应器、换热流体通道、反应气管道和若干储气罐，每个储气罐通过反应气管道 分别与蓄热反应器连通，并且每个储气罐气体进出口处的反应气管道上设置有控制该储气 罐气体进出的阀门，所述换热流体通道为蓄热反应器壁面上设置的夹层通道和/或为穿过 蓄热反应器内部的换热管道。
[0005] 上述基于分段反应放热模式的气固化学反应蓄热装置，所述换热流体管道为蛇形 结构管、螺旋结构管、螺纹结构管或翅片结构管。
[0006] 上述基于分段反应放热模式的气固化学反应蓄热装置，所述储气罐为2~8个大小 相同的储气罐。
[0007] 上述基于分段反应放热模式的气固化学反应蓄热装置，所述蓄热反应物为金属氢 化物、金属氧化物、碳酸盐中的一种。所述氢化物可选用18出、]\%2附!14、1^附4.741().3116中的一 种，所述氧化物可选用Pb〇2、C〇3〇4、Mn〇2中的一种，所述碳酸盐可选用Mg⑶3、Ca⑶3、FeC〇3中 的一种。由于蓄热反应物蓄热过程中的反应可逆，蓄热反应物有以下两种装填方式：
[0008] 第一种装填方式:直接装填金属氢化物、金属氧化物或碳酸盐。为使热量的利用更 彻底（即气固合成反应进行得更彻底），需要在蓄热反应器中充注一定量的蓄热反应物对应 的反应气体。
[0009] 第二种装填方式:装填金属氢化物、金属氧化物或碳酸盐将要在蓄热过程中发生 的反应对应的反应固体和反应气体，作为间接蓄热反应物。装填后需使反应固体和反应气 体在蓄热反应器中先发生合成反应生成相对应的金属氢化物、金属氧化物或碳酸盐作为蓄 热反应物。如可装填MgH 2对应的Mg和H2，Mg2NiH4对应的Mg2Ni和H 2，LaNi4.7Al〇.3H6对应的 LaNi4.7A1q. 3 和 H2，Pb02 对应的 PbO 和 〇2，Co3〇4 对应的 C〇0 和 〇2，Μη02 对应的 Mn2〇3 和 〇2，MgC03 对应 的 MgO 和 C02，CaC03 对应的 CaO 和 C02，FeC03 对应的 FeO 和 C02。
[0010] 上述基于分段反应放热模式的气固化学反应蓄热装置，所述蓄热反应器为管式反 应器、釜式反应器、板式反应器、盘式反应器中的一种。
[0011] 本发明所述基于分段反应放热模式的气固化学反应蓄热装置的使用方法，步骤如 下：
[0012] ⑴热量的存储
[0013] 打开储气罐进出口处的反应气管道上设置的阀门，对蓄热反应物加热，使其分解 为反应固体和反应气体，反应气体通过反应气管道进入储气罐，反应结束后关闭储气罐进 出口处的反应气管道上设置的阀门；
[0014] (2)热量的利用
[0015] 打开一个储气罐进出口处的反应气管道上设置的阀门，使储气罐中的反应气体流 回到蓄热反应器中与反应固体接触发生反应放出热量，放出的热量通过换热流体通道内的 换热流体换热加以利用；该储气罐中的反应气体释放完后，关闭该储气罐进出口处的反应 气管道上设置的阀门，打开下一个储气罐进出口处的反应气管道上设置的阀门，使储气罐 中的反应气体流回到蓄热反应器中发生反应放出热量，放出的热量通过换热流体通道内的 换热流体换热加以利用；如此逐个释放储气罐中的反应气体到蓄热反应器中与反应固体反 应，完成热量的释放和利用。
[0016] 本发明所述基于分段反应放热模式的气固化学反应蓄热方法及装置中，所述的气 固反应阶段数（即储气罐的个数)通常为2~8个。所分阶段数越多则放热过程越平稳，但也 使得系统更复杂。蓄热反应物的装填量和蓄热装置中储气罐和蓄热反应器的尺寸根据需求 的热量和具体蓄热反应物的储热能力决定，具体可按以下方法计算。
[0017] 采用第一种装填方式时，装填到反应器内的蓄热反应物质量、充注的反应气体质 量、储气罐总容积通过以下公式确定：
[0018] (1)装填的蓄热反应物质量：
[0019]
[0020] 式中，mr为蓄热反应物质量(kg) ;Q为需求热量（J) ;Μ为蓄热反应物的摩尔质量 (kg/mol) 为反应转化率，设定Φ = 0.6~0.9; Δ Η为气固反应热(J/mol)。
[0021] (2)充注的反应气体质量：
[0022]
[0023] 式中，mg为需要充注的反应气体质量(kg); ω为蓄热反应物分解后，生成的反应气 体与反应固体的质量比；TjPTd分别为蓄热装置储热和放热过程的反应器操作温度;p eq(Ta) 和Peq(Td)分别为在Ta和Td温度下的气固反应平衡压力(Pa)。
[0024] (^、你与總的矣*口.
[0025]
[0026] 式中，V。为储气罐的总容积(m3);Rg为气体常数(J/(kg*K));T。为储气罐内反应气 体的平均温度(K);T4PTd分别为蓄热装置储热和放热过程的反应器操作温度;p eq(Ta)和 Peq(Td)分别为在Ta和Td温度下的气固反应平衡压力(Pa)。
[0027] 采用第二种装填方式时，装填到反应器内的反应固体质量、反应气体质量和储气 罐的总容积通过以下公式确定：
[0028] (1)装填的反应固体质量：
[0029]
[0030] 式中，11^为反应固体质量(kg) ;Q为需求热量(J) ;M为反应固体摩尔质量(kg/mol); Φ为反应转化率，设定Φ = 0.6~0.9;Δ Η为气固反应热(J/mo 1)。
[0031] (2)充注的反应气体质量：
[0032]
[0033] 式中，mg为需要充注的反应气体质量(kg) ;1^为反应固体质量(kg); ω为蓄热反应 物分解后，生成的反应气体与反应固体的质量比;Ta和Td分别为蓄热装置储热和放热过程的 反应器操作温度;Peq(Ta)和Peq(Td)分别为在Ta和Td温度下的气固反应平衡压力(Pa)。
[0034] (3)储气罐的总容积：
[0035]
[0036] 式中，V。为储气罐的总容积(m3); ω为蓄热反应物分解后，生成的反应气体与反应 固体的质量比;Rg为气体常数(J/(kg*K));T c为储气罐内反应气体的平均温度(K);Ta和Td分 另IJ为蓄热装置储热和放热过程的反应器操作温度;p eq(Ta)和peq(Td)分别为在TjPTd温度下 的气固反应平衡压力(Pa)。
[0037] 热量利用过程总运行时间需根据用热需求确定。总操作时间除以阶段数即得到每 个段的反应时间，每个储气罐的容积通过储气罐总容积V。除以阶段数计算得到。
[0038] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0039] 1、本发明所述蓄热装置设置有多个储气罐储存反应气体，并且在将热量释放(利 用)过程逐个打开储气罐使储气罐中的反应气体与蓄热反应器中的反应固体