一种基于水合物法的连续蓄冷及CO2捕集多用装置与方法

本发明属于水合物技术应用领域，具体涉及一种基于水合物法的连续蓄冷及co2捕集多用装置与方法。

背景技术：

1、四氢呋喃水合物是一种制冷性能优良的蓄冷用水合物，不同于冰蓄冷，冰的蓄冷温度低，制冰能耗需求大，而四氢呋喃水合物在常压条件冰点以上4.4℃就可结晶固化生成，且四氢呋喃能与水相互溶解，与其他类型水合物相比，诱导期短，过冷度小，生长速度快。通过设定初始四氢呋喃水溶液浓度能够实现浆液的连续生成与转移，保证了在水合物生成量足够的前提下，能够连续流动而不发生堵塞管道及设备。四氢呋喃水合物的分解热为270kj/kg，完全适合用作蓄冷工质，在用电低谷、电价较低时生成四氢呋喃水合物蓄存冷量，在用电高峰、电价较高时利用相变时的汽化潜热，分解四氢呋喃水合物释放冷量，即可满足用户端放冷的工作需求。解决了白天用电负荷大、超峰严重、峰谷用电不平衡的问题，实现了达到“移峰填谷”的目标。

2、随着工业化发展，各行业排放了大量二氧化碳，也带来了很多严重的气候和环境问题，环境治理尤其是“碳”的回收利用成为当前的热点问题。常规捕集储存co2的方法包括吸收法、吸附法、低温分离法、金属氧化物法，但都具有一定的局限性，水合物法工艺流程简单，气体回收率高且成本低，可作为高效率、低能耗捕集回收co2新的工艺路线。co2气体较难溶于水，并且生成水合物的时间较长，添加四氢呋喃可延长co2水合物体系的相界曲线，通过调节四氢呋喃浓度达到最佳热力学条件后，可促进co2水合物的生成，最大程度捕获co2。同时co2水合物性质稳定，常温下储运压力低，蓄冷量大，可与四氢呋喃水合物混合制备冰浆对外供冷。

3、水合物蓄冷兼co2捕集技术的应用实现了储能和减碳的两大目标。

技术实现思路

1、基于上述问题，本发明利用四氢呋喃水合物生成技术、co2水合物生成技术，结合常规制冷剂制冷技术，设计了两种工作状态，为实现储能和减碳的目标，提供了一种基于水合物法的连续蓄冷及co2捕集多用装置与方法。

2、本发明的技术方案：

3、一种基于水合物法的连续蓄冷及co2捕集多用装置与方法，包括一级反应釜、传送破碎器、改流阀18、二级反应釜、四氢呋喃混合液入口、制冷剂入口36、制冷剂出口、纯水入口、co2入口、冰浆出口45和阀门；

4、三个一级反应釜水平排布，第一一级反应釜1和第二一级反应釜2构造相同，均包括柱形空心腔体、制冷剂管束4、折流板5、阻流点6和碎冰刀头；柱形空心腔体上方开有注入口，柱形空心腔体内竖直嵌入制冷剂管束4，制冷剂管束4上方汇集处为制冷剂注入口，制冷剂管束4下方汇集处相对侧分别各开有制冷剂流出口；柱形空心腔体内壁焊接折流板5，折流板5为半圆形钻孔板材，沿柱形空心腔体内壁焊接，制冷剂管束4穿过折流板5上的钻孔；折流板5在柱形空心腔体内相对交错排布，为四氢呋喃混合液提供固定流动通道，每块折流板5的上表面焊接两个阻流点6，阻流点6生长方向与四氢呋喃混合液流动方向相反，阻流点6的凸起生长距离不超过1cm；柱形空心腔体底部安装有两个碎冰刀头，与碎冰刀头位置相对处的底部开有小颗粒水合物冰核流出口；第三一级反应釜3比第一一级反应釜1和第二一级反应釜2多添加两个位移传感器，第一位移传感器13位于柱形空心腔体内壁1/2高度处，第二位移传感器14位于柱形空心腔体内壁底部；

5、一级反应釜的柱形空心腔体底部开孔，均过阀门分别连接传送破碎器；传送破碎器包括传送破碎器外壁76、传送轴77和传送轴叶片78，传送轴叶片78在传送轴77上螺旋分布，整体位于传送破碎器外壁76内；第一传送破碎器15和第三传送破碎器17分别通过管道连接第一二级反应釜19和第二二级反应釜20，第二传送破碎器16过改流阀分成两条管道，左侧管道连接第一二级反应釜19，右侧管道连接第二二级反应釜20；

6、改流阀包括第一球冠阀体79、第二球冠阀体80、把手81和轴体82；改流阀18最大外径近似等于传送破碎器外壁76直径，第一球冠阀体79和第二球冠阀体80对称连接在轴体82上，以轴体82中心点处建立十字坐标，轴体82初始位置与水平负方向夹角为45度，第一球冠阀体79和第二球冠阀体80由直径为l的球体切割组装组成，从球心出发沿球体半径方向距离为m处进行垂面切割，其中2m为改流阀18下方管道直径，把手81垂直连接在轴体82中心点上，拧动把手81使第一球冠阀体79、第二球冠阀体80从初始位置绕球心向右旋转90度，即实现将流动方向从向左改为向右；流动结束后，再次拧动把手81使第一球冠阀体79、第二球冠阀体80绕球心向左旋转90度，即将流动方向恢复为向左；

7、二级反应釜包括保温层、旋转马达、螺旋中空叶片搅拌器、位移传感器和碎冰刀头；保温层包围在二级反应釜外壁面上；螺旋中空叶片搅拌器位于二级反应釜内，两端安装在二级反应釜上；其中，螺旋中空叶片搅拌器包括卡盘、中空螺旋叶片、锥形注液管、喇状进料口、进料腔、旋转轴体、出料腔、喇状出料口和锥形出液管；旋转轴体为由一体结构的旋转轴体前段、旋转轴体中段和旋转轴体尾段组成，中空螺旋叶片螺旋排布在实心旋转轴体中段上，旋转轴体两端分别设置有卡盘；锥形注液管过卡盘伸入至旋转轴体前段，其末端经喇状进料口连接有进料腔；锥形出液管过卡盘伸入至旋转轴体尾段，其末端经喇状出料口连接有出料腔；第三位移传感器29和第四位移传感器30固定在二级反应釜内壁面上，分别设置二级反应釜内壁中高度为0.95h的位置，h的计算公式为：

8、

9、其中，h为体积混合液生出固态水合物生长膨胀所能达到的最大垂直高度，m；f2为二级反应釜中生成的固体水合物在体系中的体积分数，应控制在70％以内；v2为二级反应釜除螺旋中空搅拌器所占体积外的实际容量，l；s为二级反应釜内部底面积，m2；第五位移传感器31和第六位移传感器32分别设置二级反应釜内壁底部；碎冰刀头安装在二级反应釜底部，位于螺旋中空叶片搅拌器两侧；二级反应釜最上方开有四个孔，用于注入co2、纯水、小颗粒冰核、四氢呋喃混合液，最下方开有一孔，用于流出水合物冰浆；

10、第一四氢呋喃混合液入口33管路分为三支，第一分支过第一阀门50连接第一一级反应釜1；第一一级反应釜1出口过第十五阀门64连接第一传送破碎器15，第一传送破碎器15出口连接第一二级反应釜19，第一二级反应釜19出口过第二十四阀门73连接冰浆出口45；第二分支过第二阀门51连接第二一级反应釜2；第二一级反应釜2过第十六阀门52连接第二传送破碎器16，第二传送破碎器16出口连接改流阀18，改流阀18左侧流道出口连接第一二级反应釜19，改流阀18右侧流道出口连接第二二级反应釜20；第三分支过第三阀门52连接第三一级反应釜3，第三一级反应釜3过第十七阀门66连接第三传送破碎器17，第三传送破碎器17出口连接第二二级反应釜20，第二二级反应釜20出口过第二十五阀门74连接冰浆出口45；

11、第二四氢呋喃混合液入口34过第二十二阀门71连接第一二级反应釜19；

12、第三四氢呋喃混合液入口35过第二十三阀门72连接第二二级反应釜20；

13、制冷剂入口36管路分为五支，第一分支过第四阀门53连接第一制冷剂管束4-1入口，第一制冷剂管束4-1出口过第十一阀门60连接第一制冷剂出口37；第二分支过第五阀门54连接第二制冷剂管束4-2入口，第二制冷剂管束4-2出口分为两端，左端过第九阀门58连接到第一制冷剂管束4-1底端，后过第十一阀门60连接第一制冷剂出口37，右端过第十阀门59连接到第三制冷剂管束4-3底端，后过第十二阀门61连接第二制冷剂出口38；第三分支过第六阀门55连接第三制冷剂管束4-3入口，第三制冷剂管束4-3出口过第十二阀门61连接第二制冷剂出口38；第四分支过第七阀门56连接第一螺旋中空叶片搅拌器23，经第十三阀门62连接第三制冷剂出口39；第五分支过第八阀门57连接第二螺旋中空叶片搅拌器24，经第十四阀门63连接第四制冷剂出口40；

14、第一纯水入口41过第十八阀门67连接第一二级反应釜19；第二纯水入口42过第十九阀门68连接第二二级反应釜20；第一co2入口43过第二十阀门69连接第一二级反应釜19；第二co2入口44过第二十一阀门70连接第二二级反应釜20。

15、进一步的，所述的左侧折流板5以焊接点为原点从水平方向顺时针旋转一定角度，右侧折流板5以焊接点为原点从水平方向逆时针旋转一定角度，旋转角度记为倾斜角度，按照四氢呋喃混合液接触折流板5的顺序进行排序编号，从高到低记为板1、板2、……、板n，板1的倾斜角度为θ1，剩余板对应角度依次为θ2、……、θn，倾斜角度在数值上的大小关系为：θ1<θ2<……<θn。

16、进一步的，所述的传送破碎器外壁76为圆柱形管道，内部为传送轴77。要求传送轴叶片78最宽处边缘与传送通道外壁76距离的加工尺寸为e，且e的尺寸大于大容量水合物冰浆生成系统所需冰核的最大尺寸d。传送破碎器对冰核的尺寸可进行筛选，当小颗粒水合物冰核生成系统中生成的颗粒尺寸小于d，颗粒可沿传送通道外壁与传送轴叶片78间的缝隙，直接通过传送破碎通道；当小颗粒水合物冰核生成系统中生成的颗粒尺寸大于d，颗粒进入传送轴77旋挤通道，在传送轴叶片78的搅拌破碎作用下形成小尺寸颗粒，再向下输送至二级反应釜。

17、进一步的，所述的第一旋转马达25、第二旋转马达26提供旋转动力，带动第一卡盘83、第二卡盘84进行旋转，卡盘上加工有凸起爪，与带有卡槽的第一旋转轴体前段89和第一旋转轴体尾段91装备在一起。

18、进一步的，所述的旋转轴体前段沿轴线方向从顶部向下开洞，洞口直径与延伸长度满足锥形注液管在洞内进行相对旋转，同时并保证锥形注液管不与洞壁接触摩擦，旋转轴体尾段沿轴线方向从底部向上开洞，洞口直径与延伸长度满足锥形出液管在洞内进行相对旋转，同时并保证锥形出液管不与洞壁接触摩擦。

19、进一步的，所述的旋转轴体前段内部留有喇状进料口与圆台状进料腔，进料腔一侧壁面切空，与中空螺旋叶片上方边缘焊接，形成制冷剂流动通道；旋转轴体尾段内部留有喇状出料口与圆台状出料腔，出料腔一侧壁面切空，与中空螺旋叶片下方边缘焊接，形成制冷剂流动通道。

20、上述部件组合可构成三个工作模块，包括小颗粒水合物冰核生成模块、传送模块、大容量水合物冰浆生成模块，三个模块满足两种工作需求，包括四氢呋喃水合物冰浆交替式持续制备与蓄冷工作状态与联合二氧化碳捕集利用持续制备混合水合物冰浆工作状态；

21、小颗粒水合物冰核生成模块：主要由三台一级反应釜完成，三台一级反应釜内部的工作流程一致；从四氢呋喃混合液入口向一级反应釜内注入四氢呋喃水合物混合液、从制冷剂入口36向制冷剂管束4注入低温低压制冷剂，完成吸热工作的制冷剂从第一制冷剂出口流出；低温低压的液体工质，在一级反应釜中完成放冷的过程，为四氢呋喃水合物的生成提供低温环境；四氢呋喃混合液在沿着折流板5形成的流道流动的过程中，流动速度减缓，受折流板5上表面阻流点6的扰动影响，增强换热效果，快速生成四氢呋喃水合物冰晶；

22、冰浆传送模块：主要由三个传送破碎器和一个改流阀18完成，传送破碎器主要为水合物的流动提供动力；一级反应釜中的小颗粒冰浆进过传送破碎器筛选、旋挤破碎后流入二级反应釜，其中第二一级反应釜2过改流阀18分别向第一二级反应釜19、第二二级反应釜20分别注入容积一半的小颗粒冰浆；

23、大容量水合物冰浆生成模块：主要由两台二级反应釜完成，两台二级反应釜内部的工作流程一致；制冷剂经阀门经喇状进料口流入中空螺旋叶片，伴随着螺旋中空叶片搅拌器的旋转，低温制冷剂向下流动，在与二级反应釜内的混合物通过大面积叶片表面接触换热的过程中，低温制冷剂释放冷量等温蒸发为气态制冷剂；中空叶片腔内的制冷剂完成换热工作后从中空螺旋叶片流出，受重力影响，混合状态的制冷剂汇合到喇状出料口处，从制冷剂出口流出；

24、在二级反应釜中，四氢呋喃混合液在螺旋中空叶片搅拌器的搅动作用下，依靠一级反应釜中提供的冰核，并吸收制冷剂释放的冷量生成大颗粒水合物晶体，当二级反应釜中生成稳定的四氢呋喃水合物，向二级反应釜中注入续补混合液，同时启动二级反应釜底部的碎冰刀头，碎冰刀头用于将四氢呋喃水合物冰晶块体破碎为冰粒，在二级反应釜内制备均匀的冰浆；

25、本发明的方法有益效果：本发明提出的一种基于水合物法的连续蓄冷及co2捕集多用装置与方法，基于四氢呋喃水合物生成技术、co2水合物生成技术，结合常规制冷剂制冷技术，利用利用夜间低谷电进行水合物蓄冷。进一步地，应用装置自身蓄冷量与四氢呋喃热力学性质捕集co2。进一步地，装置可大规模并联使用，以达到更大规模的蓄冷与捕集co2。该装置实现了储能与减碳两大工作目标，对于水合物应用的后续研究也具有重要意义。