一種間歇式流態(tài)化熱能與化學(xué)能儲(chǔ)釋反應(yīng)裝置及工作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種間歇式流態(tài)化熱能與化學(xué)能儲(chǔ)釋反應(yīng)裝置及工作方法，裝置包括流態(tài)化系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)和氣固分離系統(tǒng)；流態(tài)化系統(tǒng)位于反應(yīng)裝置的底部，換熱系統(tǒng)在反應(yīng)裝置的中間部分，氣固分離系統(tǒng)在反應(yīng)裝置頂部；流態(tài)化系統(tǒng)通過內(nèi)部水平檔板與換熱系統(tǒng)連接，換熱系統(tǒng)通過旋風(fēng)分離器與氣固分離系統(tǒng)連接，氣固分離系統(tǒng)通過外部物料導(dǎo)管與流態(tài)化系統(tǒng)連接。本發(fā)明使用熱化學(xué)儲(chǔ)能，熱轉(zhuǎn)換效率高；間歇式反應(yīng)使得反應(yīng)物返混較少；二次進(jìn)氣反應(yīng)更加充分；儲(chǔ)能過程與釋能過程分別進(jìn)行，操作容易；以及氣固分離系統(tǒng)內(nèi)置，使得分離出的氣體更加純凈，易于回收等優(yōu)點(diǎn)，可用于太陽能驅(qū)動(dòng)的朗肯發(fā)電或其他大規(guī)模熱能儲(chǔ)存并提高熱能品位的場合。
【專利說明】
一種間歇式流態(tài)化熱能與化學(xué)能儲(chǔ)釋反應(yīng)裝置及工作方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于中高溫?zé)崮軆?chǔ)存領(lǐng)域，特別涉及一種采用間歇式流態(tài)化方式將外部熱 源提供的熱能轉(zhuǎn)化為化學(xué)物質(zhì)中的化學(xué)能進(jìn)行儲(chǔ)存及利用的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于太陽能具有清潔、無污染、可再生等優(yōu)點(diǎn)，越來越多的受到了人們的關(guān)注。太 陽能的大規(guī)模利用對于解決當(dāng)今環(huán)境污染、生態(tài)破壞和能源危機(jī)等問題都具有重要意義。 但由于太陽能具有間歇性和不連續(xù)性，不能穩(wěn)定提供能量的特點(diǎn)，使得太陽能的大規(guī)模熱 利用受到了很大限制。
[0003] 目前太陽能熱利用中的熱儲(chǔ)存主要有三種儲(chǔ)熱方式，顯熱儲(chǔ)能，潛熱儲(chǔ)能以及熱 化學(xué)儲(chǔ)能。其中顯熱儲(chǔ)能和潛熱儲(chǔ)能兩種方式的儲(chǔ)能容量小，儲(chǔ)能溫度較低，能量損失較 大，無法遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。相比之下，熱化學(xué)儲(chǔ)能通過化合物中化學(xué)鍵的重新排列來儲(chǔ)存能量， 儲(chǔ)能容量大，儲(chǔ)能密度大，幾乎沒有能量損失，從而可以實(shí)現(xiàn)對太陽能的中高溫利用。另外， 可以通過運(yùn)輸反應(yīng)體系的反應(yīng)物及反應(yīng)產(chǎn)物實(shí)現(xiàn)對高溫?zé)崮艿倪h(yuǎn)距離運(yùn)輸。
[0004] 目前已經(jīng)可以實(shí)際應(yīng)用的熱化學(xué)儲(chǔ)能體系有氨基熱化學(xué)儲(chǔ)能體系、碳酸化合物分 解體系、金屬氫化物熱分解體系、金屬氫氧化物分解體系等。其中氨基儲(chǔ)能體系雖然可逆性 較好，反應(yīng)速率快，但是需要催化劑，且氮?dú)夂蜌錃獠灰滓夯４?。碳酸化合物體系反應(yīng)需 要高溫高壓，反應(yīng)條件過于苛刻，同時(shí)二氧化碳也同樣存在不易液化儲(chǔ)存的問題。金屬氫化 物體系的可逆性及反應(yīng)速率均一般。相比之下，鈣基體系腐蝕性小、安全性高、造價(jià)便宜。因 此，選擇熱化學(xué)儲(chǔ)能中氫氧化鈣體系實(shí)現(xiàn)對太陽能的中高溫利用具有較好的儲(chǔ)能效率。
[0005] 流態(tài)化技術(shù)的發(fā)展，始于20世紀(jì)20年代第一臺(tái)流化床粉煤氣化爐的應(yīng)用，至今已 有90年的歷史。由于流化床所特有的優(yōu)點(diǎn)，如高效的傳熱傳質(zhì)、均勻的溫度場、顆粒大的處 理量、很寬的操作范圍等，使其在許多工業(yè)領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用，并且有非常好的工 業(yè)前景。目前將流態(tài)化裝置的基本原理已經(jīng)推廣應(yīng)用的工業(yè)領(lǐng)域有:某些物理過程，如氣力 輸送、造粒、干燥、換熱等;流態(tài)化燃燒;石油化工;煤炭氣化;物料的煅燒和焙燒等，但還很 少見到應(yīng)用于高溫?zé)峄瘜W(xué)儲(chǔ)能的技術(shù)領(lǐng)域。
[0006] 由于熱化學(xué)儲(chǔ)能和流態(tài)化思路的突出優(yōu)點(diǎn)，如何將兩者的優(yōu)點(diǎn)相互結(jié)合成為目前 很多學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的主要目的在于克服目前現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種有效將太陽能 等外部熱源所提供的熱能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，并儲(chǔ)存在化學(xué)物質(zhì)中的裝置及方法。該裝置和方 法結(jié)合了熱化學(xué)法高溫儲(chǔ)能和反應(yīng)物質(zhì)流態(tài)化思路以提高傳熱摶質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，可滿足實(shí)際生 產(chǎn)中對供能穩(wěn)定高效的需求。
[0008] 本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。
[0009] -種間歇式流態(tài)化熱能與化學(xué)能儲(chǔ)釋反應(yīng)裝置，包括流態(tài)化系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)和氣 固分離系統(tǒng);流態(tài)化系統(tǒng)位于反應(yīng)裝置的底部，換熱系統(tǒng)在反應(yīng)裝置的中間部分，氣固分離 系統(tǒng)在反應(yīng)裝置頂部;流態(tài)化系統(tǒng)通過內(nèi)部水平檔板與換熱系統(tǒng)連接，換熱系統(tǒng)通過旋風(fēng) 分離器與氣固分離系統(tǒng)連接，氣固分離系統(tǒng)通過外部物料導(dǎo)管與流態(tài)化系統(tǒng)連接。
[0010] 進(jìn)一步地，流態(tài)化系統(tǒng)包括彎管、氣體預(yù)分布裝置、氣流均布板、風(fēng)帽以及水平內(nèi) 部檔板，其中氣體預(yù)分布裝置在最底端，與彎管焊接連接，帶有風(fēng)帽結(jié)構(gòu)的氣流均布板在流 態(tài)化系統(tǒng)中間部分，水平內(nèi)部檔板在流態(tài)化系統(tǒng)最上方;其中彎管通入氣體為高壓氧氣，壓 力為0.8~2.0MPa。
[0011] 進(jìn)一步地，風(fēng)帽在氣流均布板上的分布方式采用均勻分布，每個(gè)風(fēng)帽的分布點(diǎn)在 等邊三角形的頂點(diǎn)，每兩個(gè)風(fēng)帽之間的距離為50~100mm，風(fēng)帽內(nèi)的氣體導(dǎo)流管直徑均為20 ~30mm，風(fēng)帽底部外徑40~70mm。
[0012] 進(jìn)一步地，流態(tài)化系統(tǒng)中風(fēng)帽采用傘形風(fēng)帽或圓柱形風(fēng)帽中的一種；當(dāng)風(fēng)帽為傘 形風(fēng)帽時(shí)，帽頂頂角a為45°~75°，氣體導(dǎo)流管的直徑與風(fēng)帽底面外沿直徑之比為1/4~1/ 2,套管與風(fēng)帽外殼通過輻條連接，輻條根數(shù)大約為6~8根；當(dāng)風(fēng)帽為圓柱形風(fēng)帽時(shí)，氣體導(dǎo) 流管與風(fēng)帽外沿直徑之比為1/5~3/5,風(fēng)帽底板開有圓形通孔作為氧氣通道，在風(fēng)帽底板 繞有氣體導(dǎo)出管圍兩圈成環(huán)形均勾分布，其開孔直徑為3~5_。
[0013]進(jìn)一步地，流態(tài)化系統(tǒng)中的內(nèi)部水平檔板采用通孔結(jié)構(gòu)，開孔率為60%~80%，開 孔形狀及開孔分布采用如下方式之一：圓形開孔環(huán)形排列，長方形開孔環(huán)形排列，長方形開 孔橫向排列，菱形開孔環(huán)形排列，或菱形開孔橫向排列。
[0014] 進(jìn)一步地，換熱系統(tǒng)由水平換熱子系統(tǒng)、豎直換熱子系統(tǒng)和3個(gè)二次進(jìn)氣口構(gòu)成； 其中水平換熱子系統(tǒng)由多層直徑50~80mm的水平換熱蛇形管組成，每相鄰兩層蛇形管方向 縱橫相互垂直，構(gòu)成一個(gè)小的換熱結(jié)構(gòu)單元;豎直換熱子系統(tǒng)由下方的液體分配管和蒸汽 收集管之間焊接豎直換熱管構(gòu)成;每根豎直換熱管穿插在水平換熱子系統(tǒng)縱橫交叉形成的 方格空隙之間，使水平換熱子系統(tǒng)和豎直換熱子系統(tǒng)的換熱管相互嵌套，3個(gè)二次進(jìn)氣口在 流化床裝置的殼體四周互成120°均勻分布。
[0015] 進(jìn)一步地，氣固分離系統(tǒng)中，隔板與旋風(fēng)分離器氣體出口處焊接密封，濾網(wǎng)附著在 頂端開口下方，外部物料導(dǎo)管從旋風(fēng)分離器側(cè)面引出連接到流態(tài)化系統(tǒng)。
[0016] 所述的一種間歇式流態(tài)化熱能與化學(xué)能儲(chǔ)釋反應(yīng)裝置的工作方法，包括儲(chǔ)能過程 和蓄能過程，
[0017]釋能過程為:高壓氧氣通過彎管進(jìn)入氣體預(yù)分布裝置，再通過風(fēng)帽，將氣流均布板 上事先放置的物料一一氫氧化鈣粉末均勻流態(tài)化，二次進(jìn)氣口處關(guān)閉，水平換熱子系統(tǒng)內(nèi) 通入高溫重油將氫氧化鈣加熱分解為氧化鈣，隨后氣固混合物進(jìn)入旋風(fēng)分離器，后通過濾 網(wǎng)進(jìn)行氣固分離，氣體從頂端出口分離后將氧氣進(jìn)行回收循環(huán)利用，固體通過外部物料導(dǎo) 管將分離出的氧化鈣固體輸送回流態(tài)化系統(tǒng)；
[0018]釋能過程為:高壓氧氣通過彎管進(jìn)入氣體預(yù)分布裝置，再通過風(fēng)帽，將氣流均布板 上的氧化鈣粉末均勻流態(tài)化，二次進(jìn)氣口通入水蒸氣與氧化鈣反應(yīng)進(jìn)行放熱，豎直換熱子 系統(tǒng)內(nèi)通入高壓液態(tài)水進(jìn)行換熱，液態(tài)水吸收氧化鈣反應(yīng)放出的熱量后逐步汽化為水蒸 氣，經(jīng)收集管匯入總管；氣固混合物進(jìn)入旋風(fēng)分離器，后通過濾網(wǎng)進(jìn)行氣固分離，氣體從頂 端出口分離后將氧氣進(jìn)行回收循環(huán)利用，固體通過外部物料導(dǎo)管將分離出的氫氧化鈣固體 輸送回流態(tài)化系統(tǒng)。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)有：1、將太陽能熱化學(xué)儲(chǔ)能高品位高密度 的優(yōu)點(diǎn)，與流態(tài)化反應(yīng)高效、反應(yīng)徹底的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模、高品位的太陽 能儲(chǔ)能；2、通過對無機(jī)氫氧化物反應(yīng)體系的轉(zhuǎn)換進(jìn)行間歇換熱，可彌補(bǔ)太陽能利用在時(shí)空 上的不均勻性;3、通過二次進(jìn)氣口使促流態(tài)化氣體氧氣和反應(yīng)氣體水蒸氣分別在不同的位 置進(jìn)入反應(yīng)裝置，可避免反應(yīng)物料的結(jié)塊和反應(yīng)放熱不均;4、通過控制氧氣和水蒸氣的壓 力和流速，可實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)過程中反應(yīng)速率的控制，以及對熱量交換速率和熱利用速率的控 制；5、通過外部物料導(dǎo)管將整個(gè)反應(yīng)裝置內(nèi)的固體物料進(jìn)行內(nèi)循環(huán)，同時(shí)對氧氣和水蒸氣 進(jìn)行回收利用，可減少工業(yè)污染，節(jié)能環(huán)保。
【附圖說明】
[0020]圖1是流化床反應(yīng)裝置主視圖。
[0021] 圖2是氣流均布板花板的風(fēng)帽分布圖。
[0022] 圖3是傘形風(fēng)帽的縱剖面圖。
[0023]圖4是傘形風(fēng)帽的底板圖。
[0024]圖5是圓柱形風(fēng)帽的縱剖面圖。
[0025] 圖6是圓柱形風(fēng)帽的底板圖。
[0026] 圖7是內(nèi)部擋板通孔的圓形開孔環(huán)形排列圖。
[0027] 圖8是內(nèi)部擋板通孔的長方形開孔環(huán)形排列圖。
[0028] 圖9是內(nèi)部擋板通孔的長方形開孔橫向排列圖。
[0029] 圖10是內(nèi)部擋板通孔的菱形開孔環(huán)形排列圖。
[0030]圖11是內(nèi)部擋板通孔的菱形開孔橫向排列圖。
[0031 ]圖12是構(gòu)成水平換熱子系統(tǒng)的橫向換熱蛇形管平面圖。
[0032] 圖13是構(gòu)成水平換熱子系統(tǒng)的縱向換熱蛇形管平面圖。
[0033] 圖14是一個(gè)水平換熱結(jié)構(gòu)單元的截面圖。
[0034]圖15是豎直換熱子系統(tǒng)的主視圖。
[0035]圖16是豎直換熱子系統(tǒng)中豎直換熱管的收集管截面分布圖。
[0036]圖17是水平換熱體系和豎直換熱體系相互嵌套的截面圖。
[0037]圖18是豎直換熱體系的分配管截面。
[0038]圖中：標(biāo)號(hào)所代表的零件為，1 一一彎管，2-一氣體導(dǎo)流管，3-一風(fēng)帽，4一一擋 板，5-一通孔，6-一液體分配管，7-一二次進(jìn)氣口，8-一高溫重油分配管，9 一一橫向換 熱蛇形管，10-一縱向換熱蛇形管，11--豎直換熱管，12-一氣體收集管，13--蒸汽導(dǎo) 出管，14--旋風(fēng)分尚器進(jìn)口，15--隔板，16--濾網(wǎng)，17--氣體頂端出口，18--旋風(fēng) 分尚器，19 低溫重油收集管，20 液態(tài)水進(jìn)口，21 導(dǎo)管，22 裝置外殼，23 氣流均布板，24-一氣體預(yù)分布裝置，25-一傘形風(fēng)帽外殼，26-一風(fēng)帽通孔，27-一套管， 28--福條，29--風(fēng)帽頂面，30--風(fēng)帽回轉(zhuǎn)外殼。
【具體實(shí)施方式】
[0039]以上內(nèi)容已經(jīng)對本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)作了充分的說明，以下再結(jié)合附圖以本發(fā)明應(yīng) 用于450°C、0.25MW的能量儲(chǔ)存及轉(zhuǎn)換裝置為例，對【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)描述，但本發(fā)明 的實(shí)施和保護(hù)不限于此。
[0040] 如圖1所示的，一種間歇式流態(tài)化熱能與化學(xué)能儲(chǔ)釋反應(yīng)裝置，包括流態(tài)化系統(tǒng) m、換熱系統(tǒng)n和氣固分離系統(tǒng)I三個(gè)部分，所述三個(gè)系統(tǒng)均在流化床裝置內(nèi)部。
[0041] 其中流態(tài)化系統(tǒng)在裝置底部，彎管1與氣體預(yù)分布裝置24焊接連接，高壓氧氣通過 彎管1進(jìn)入反應(yīng)裝置，經(jīng)與氣體預(yù)分布裝置24作用后以相對均勻的壓力接觸氣流均布板，通 過風(fēng)帽3時(shí)氣速約為2.5m/s，之后進(jìn)入床層，與物料接觸將物料吹起并進(jìn)行初步流態(tài)化。風(fēng) 帽3在氣流均布板23上的分布成正三角形排列，結(jié)構(gòu)有傘形風(fēng)帽(見附圖3、4)和圓柱形風(fēng)帽 (見附圖5、6)兩種結(jié)構(gòu)可選用，且風(fēng)帽通過套管27與花板進(jìn)氣管口2連接，可在管口褶邊限 制的范圍內(nèi)上下活動(dòng)，可以更好的松動(dòng)床層內(nèi)的反應(yīng)物質(zhì)。通過風(fēng)帽的氣體不與床層內(nèi)的 物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，只起到松動(dòng)床層，將物料流態(tài)化的作用，可以防止過多的水蒸氣將床內(nèi)物料 粉末變?yōu)檎吵頎钗镔|(zhì)形成死床。當(dāng)采用傘形風(fēng)帽時(shí)，帽頂頂角a為45°~75°，氣體導(dǎo)流管2的 直徑與風(fēng)帽3底面外沿直徑之比為1/4~1/2,套管27與風(fēng)帽外殼25采用輻條28連接，輻條個(gè) 數(shù)大約為6~8個(gè)。當(dāng)采用圓柱形風(fēng)帽時(shí)，氣體導(dǎo)流管2與風(fēng)帽外沿30直徑之比為1/5~3/5， 風(fēng)帽底面的氣體出口 26成圓形通孔，在帽頂?shù)酌胬@氣體導(dǎo)出管圍兩圈成環(huán)形分布，其開口 直徑為3~5mm。內(nèi)部水平檔板4采用通孔結(jié)構(gòu)，開孔率為60%~80%，開孔形狀及分布可選 用圓形開孔環(huán)形排列(見附圖7)，長方形開孔環(huán)形排列（見附圖8)，長方形開孔橫向排列（見 附圖9)，菱形開孔環(huán)形排列(見附圖10)，菱形開孔橫向排列(見附圖11)，共5種方式。
[0042] 如附圖12、13,換熱系統(tǒng)在裝置的中間部分，水平換熱管道(橫向換熱蛇形管9,縱 向換熱蛇形管10)與豎直換熱管道11相互嵌套構(gòu)成，水平換熱體系由多層直徑為50~80mm 的橫向換熱蛇形管9和縱向換熱蛇形管10組成，每相鄰兩層蛇形管的方向相互垂直，構(gòu)成一 個(gè)小的換熱結(jié)構(gòu)單元(見附圖14)。豎直換熱體系（見附圖15)由冷液進(jìn)口 20、液體分配管6 (見附圖18)、豎直換熱管11、蒸汽收集管12(見附圖16)、蒸汽導(dǎo)出管13構(gòu)成，每根豎直換熱 管穿插在水平換熱蛇形管縱橫交叉形成的方格空隙之間（見附圖17)。3個(gè)二次進(jìn)氣口 7在豎 直換熱管體系的液體分配管6稍高的地方，沿裝置回轉(zhuǎn)殼體22均勻分布互成120°角。
[0043]氣固分離系統(tǒng)在裝置頂部，由隔板15、濾網(wǎng)16、外部物料導(dǎo)管21，以及三組旋風(fēng)分 離器18,以及氣體出口 17組成。旋風(fēng)分離器底端連有外部物料導(dǎo)管，分離后的固體殘?jiān)ㄟ^ 導(dǎo)管送回床層底部，重新參與流化床裝置的內(nèi)部反應(yīng)。
[0044] 本實(shí)施方式還提供了一種熱化學(xué)儲(chǔ)能與流態(tài)化思路相結(jié)合的方法，具體步驟如 下：
[0045] 1、床層流態(tài)化過程:從裝置底部通入高壓氧氣，通過氣體預(yù)分步裝置24以及氣流 均布板23，使得氣體均勻進(jìn)入床層，將預(yù)先儲(chǔ)存在裝置中的物料粉末進(jìn)行流態(tài)化，減小物料 粉末在床層底部的堆積密度，以達(dá)到控制反應(yīng)速度和使得反應(yīng)均勻換熱的目的。
[0046] 2、反應(yīng)及換熱過程:釋能時(shí)，二次通入反應(yīng)氣體的進(jìn)口處7通入水蒸氣，由于二次 進(jìn)氣口 7離換熱系統(tǒng)較近，使得水蒸氣一旦與氫氧化鈉開始接觸，便會(huì)發(fā)生釋熱反應(yīng)，其釋 放的熱量可以直接進(jìn)入換熱系統(tǒng)進(jìn)行傳熱，減少能量損失，同時(shí)二次進(jìn)氣口 7在裝置筒體22 周圍均勻分布，可避免裝置內(nèi)部溫度分布不均勻而影響換熱效率或損壞裝置。儲(chǔ)能時(shí)二次 進(jìn)氣口關(guān)閉，水平換熱管(橫向換熱蛇形管9,縱向換熱蛇形管10)通入高溫重油，從彎管1經(jīng) 風(fēng)帽3進(jìn)入反應(yīng)裝置的高壓氧氣將氫氧化鈣充分流態(tài)化后，物料氫氧化鈣進(jìn)入換熱系統(tǒng)進(jìn) 行吸熱分解。
[0047] 3、氣固分離過程:三組旋風(fēng)分離器18并聯(lián)安裝在裝置頂端，對氣固混合物進(jìn)行分 離，分離后的氧氣和水蒸氣可以進(jìn)行回收并循環(huán)使用，分離后的物料固體將導(dǎo)回入床層底 部參與新的儲(chǔ)能/釋能過程。
[0048] 僅作為一個(gè)實(shí)例，本裝置所需部分設(shè)備材料安裝參數(shù)詳見表1。
[0049] 表 1
[0052]以下對本裝置的具體使用作進(jìn)一步舉例。
[0053] 1、釋能過程
[0054]高壓氧氣從彎管（1)處進(jìn)入裝置，與氣體預(yù)分步裝置作用后以相對均勻的壓力接 觸氣體分布板，通過氣體分布板上的風(fēng)帽，沿帽頂?shù)牡酌骈_口緊貼花板板面流出，折轉(zhuǎn)后進(jìn) 入床層與物料接觸使氧化鈣流態(tài)化。初步流態(tài)化的氧化鈣粉末經(jīng)內(nèi)部擋板作用使其均勻流 態(tài)化。由于通入的氧氣不與物料相互反應(yīng)，可避免出氣口堵塞造成死床。
[0055]二次進(jìn)氣口通入壓力為0 . IMPa的水蒸氣，在接觸流態(tài)化物質(zhì)后，反應(yīng)迅速反應(yīng)放 熱并進(jìn)入換熱系統(tǒng)內(nèi)，與換熱器進(jìn)行接觸。豎直換熱管體系通入液態(tài)水作為熱流載體，將氧 化鈣水合反應(yīng)放出的熱量導(dǎo)出裝置，避免容器內(nèi)溫度過高或分布不均。液態(tài)水加熱為水蒸 氣后由頂部的蒸汽回收管將各換熱管內(nèi)的熱流體集中然后導(dǎo)出。導(dǎo)出后的高溫水蒸氣可用 于推動(dòng)汽輪蒸汽機(jī)進(jìn)行發(fā)電。
[0056]充分反應(yīng)換熱后，由生成物氫氧化鈣和未參與反應(yīng)的氧氣和水蒸氣所組成的氣固 混合物進(jìn)入容器頂端，因容器頂端內(nèi)徑有所擴(kuò)大而使混合物流速降低，受頂部擋板（15)的 限制，氣固混合物進(jìn)入旋風(fēng)分離器進(jìn)行氣固分離，分離出的氧氣和水蒸氣通過一層過濾網(wǎng) (16)從裝置頂端開口處（17)離開裝置并進(jìn)行回收，回收后的氣體在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)重復(fù)利用。 而分離出的固體產(chǎn)物將通過裝置外側(cè)的物料導(dǎo)管重新導(dǎo)入床層底部進(jìn)行再生。
[0057] 2、儲(chǔ)能過程
[0058] 高壓氧氣從彎管（1)處進(jìn)入裝置，與氣體預(yù)分步裝置作用后以相對均勻的壓力接 觸氣體分布板，通過氣體分布板上的風(fēng)帽，沿帽頂?shù)牡酌骈_口緊貼花板板面流出，折轉(zhuǎn)后進(jìn) 入床層與物料接觸并使氫氧化鈣流態(tài)化。初步流態(tài)化的氫氧化鈣粉末經(jīng)內(nèi)部擋板作用使其 均勻流態(tài)化。由于通入的氧氣不與物料相互反應(yīng)，可避免出氣口堵塞造成死床。
[0059] 此時(shí)二次進(jìn)氣口不再通入任何氣體，流態(tài)化的物料直接進(jìn)入換熱系統(tǒng)內(nèi)，與換熱 器進(jìn)行接觸傳熱。水平換熱管體系通入高溫重油作為熱流載體，對氫氧化鈣進(jìn)行加熱使其 分解。水平換熱管外可增加翅片增大換熱系數(shù)，加強(qiáng)換熱效果。熱流體進(jìn)口處有分配管將熱 流體導(dǎo)入裝置內(nèi)的各層換熱蛇形管，出口處有收集管對完成換熱后的冷流體進(jìn)行回收，再 次利用外部熱源加熱后可在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)利用。通過對熱流體的加熱和重復(fù)利用實(shí)現(xiàn)了裝置 對熱能的儲(chǔ)存。
[0060] 充分反應(yīng)加熱分解后，由分解物氧化鈣和水蒸氣，以及促流態(tài)化氣體氧氣所組成 的氣固混合物進(jìn)入容器頂端，因容器頂端內(nèi)徑有所擴(kuò)大而使混合物流速降低，受頂部擋板 (15)的限制，氣固混合物進(jìn)入旋風(fēng)分離器進(jìn)行氣固分離，分離出的氧氣和水蒸氣通過一層 過濾網(wǎng)（16)從裝置頂端開口處（17)離開裝置并進(jìn)行回收，回收后的氣體在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)重復(fù) 利用。而分離出的氧化鈣產(chǎn)物將通過裝置外側(cè)的物料導(dǎo)管重新導(dǎo)入床層底部參與新的釋能 過程。
[0061] 實(shí)施效果分析：
[0062]以應(yīng)用于20MW的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)為例，80個(gè)本流化床反應(yīng)裝置相互并聯(lián)進(jìn)行發(fā) 電。由于裝置內(nèi)原料價(jià)格低廉，幾乎無熱損，儲(chǔ)能密度高，在其他條件相同的情況下，相比于 傳統(tǒng)煤發(fā)電系統(tǒng)，每年可節(jié)省煤炭資源200~240萬噸。另外，還可減少溫室氣體、硫氧化物、 氮氧化物等有害氣體的排放，經(jīng)濟(jì)效益高。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種間歇式流態(tài)化熱能與化學(xué)能儲(chǔ)釋反應(yīng)裝置，其特征在于包括流態(tài)化系統(tǒng)απ)、 換熱系統(tǒng)（π)和氣固分離系統(tǒng)（I);流態(tài)化系統(tǒng)位于反應(yīng)裝置的底部，換熱系統(tǒng)在反應(yīng)裝置 的中間部分，氣固分離系統(tǒng)在反應(yīng)裝置頂部;流態(tài)化系統(tǒng)通過內(nèi)部水平檔板(4)與換熱系統(tǒng) 連接，換熱系統(tǒng)通過旋風(fēng)分離器（18)與氣固分離系統(tǒng)連接，氣固分離系統(tǒng)通過外部物料導(dǎo) 管(21)與流態(tài)化系統(tǒng)連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種間歇式流態(tài)化熱能與化學(xué)能儲(chǔ)釋反應(yīng)裝置，其特征在于 流態(tài)化系統(tǒng)0Π )包括彎管（1)、氣體預(yù)分布裝置(24)、氣流均布板(23)、風(fēng)帽⑶以及水平內(nèi) 部檔板(4)，其中氣體預(yù)分布裝置(24)在最底端，與彎管（1)焊接連接，帶有風(fēng)帽（3)結(jié)構(gòu)的 氣流均布板(23)在流態(tài)化系統(tǒng)（ΙΠ )中間部分，水平內(nèi)部檔板(4)在流態(tài)化系統(tǒng)（ΙΠ )最上方； 其中彎管（1)通入氣體為高壓氧氣，壓力為0.8~2. OMPa。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種間歇式流態(tài)化熱能與化學(xué)能儲(chǔ)釋反應(yīng)裝置，其特征在于 風(fēng)帽（3)在氣流均布板(23)上的分布方式采用均勻分布，每個(gè)風(fēng)帽的分布點(diǎn)在等邊三角形 的頂點(diǎn)，每兩個(gè)風(fēng)帽之間的距離為50~100mm，風(fēng)帽內(nèi)的氣體導(dǎo)流管(2)直徑均為20~30mm，風(fēng) 帽底部外徑40~70mm。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種間歇式流態(tài)化熱能與化學(xué)能儲(chǔ)釋反應(yīng)裝置，其特征在于 流態(tài)化系統(tǒng)ΟΠ )中風(fēng)帽（3)采用傘形風(fēng)帽或圓柱形風(fēng)帽中的一種；當(dāng)風(fēng)帽（3)為傘形風(fēng)帽 時(shí)，帽頂頂角α為45°~75°，氣體導(dǎo)流管（2)的直徑與風(fēng)帽（3)底面外沿直徑之比為1/4~1/2， 套管(27)與風(fēng)帽外殼(25)通過輻條(28)連接，輻條根數(shù)大約為6~8根；當(dāng)風(fēng)帽（3)為圓柱形 風(fēng)帽時(shí)，氣體導(dǎo)流管（2)與風(fēng)帽外沿(30)直徑之比為1/5~3/5,風(fēng)帽底板開有圓形通孔(26) 作為氧氣通道，在風(fēng)帽底板繞有氣體導(dǎo)出管圍兩圈成環(huán)形均勻分布，其開孔直徑為3~5mm。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種間歇式流態(tài)化熱能與化學(xué)能儲(chǔ)釋反應(yīng)裝置，其特征在于 流態(tài)化系統(tǒng)（ΙΠ )中的內(nèi)部水平檔板(4)采用通孔結(jié)構(gòu)，開孔率為60%~80%，開孔形狀及開孔 分布采用如下方式之一：圓形開孔環(huán)形排列，長方形開孔環(huán)形排列，長方形開孔橫向排列， 菱形開孔環(huán)形排列，或菱形開孔橫向排列。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種間歇式流態(tài)化熱能與化學(xué)能儲(chǔ)釋反應(yīng)裝置，其特征在于 換熱系統(tǒng)（Π )由水平換熱子系統(tǒng)、豎直換熱子系統(tǒng)和3個(gè)二次進(jìn)氣口（7)構(gòu)成;其中水平換 熱子系統(tǒng)由多層直徑50~80mm的水平換熱蛇形管(9，10)組成，每相鄰兩層蛇形管方向縱橫 相互垂直，構(gòu)成一個(gè)小的換熱結(jié)構(gòu)單元;豎直換熱子系統(tǒng)由下方的液體分配管(6)和蒸汽收 集管（12)之間焊接豎直換熱管（11)構(gòu)成;每根豎直換熱管穿插在水平換熱子系統(tǒng)縱橫交叉 形成的方格空隙之間，使水平換熱子系統(tǒng)和豎直換熱子系統(tǒng)的換熱管相互嵌套，3個(gè)二次進(jìn) 氣口（7)在流化床裝置的殼體(22)四周互成120 °均勻分布。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種間歇式流態(tài)化熱能與化學(xué)能儲(chǔ)釋反應(yīng)裝置，其特征在于 氣固分離系統(tǒng)（I)中，隔板(15)與旋風(fēng)分離器(18)氣體出口處焊接密封，濾網(wǎng)（16)附著在頂 端開口（17)下方，外部物料導(dǎo)管(21)從旋風(fēng)分離器(18)側(cè)面引出連接到流態(tài)化系統(tǒng)（ΙΠ )。8. 權(quán)利要求1~7任一項(xiàng)所述的一種間歇式流態(tài)化熱能與化學(xué)能儲(chǔ)釋反應(yīng)裝置的工作方 法，其特征在于包括儲(chǔ)能過程和蓄能過程， 釋能過程為:高壓氧氣通過彎管（1)進(jìn)入氣體預(yù)分布裝置(24)，再通過風(fēng)帽（3)，將氣流 均布板(23)上事先放置的物料一一氫氧化鈣粉末均勻流態(tài)化，二次進(jìn)氣口處關(guān)閉，水平換 熱子系統(tǒng)內(nèi)通入高溫重油將氫氧化鈣加熱分解為氧化鈣，隨后氣固混合物進(jìn)入旋風(fēng)分離器 (18)，后通過濾網(wǎng)（16)進(jìn)行氣固分離，氣體從頂端出口（17)分離后將氧氣進(jìn)行回收循環(huán)利 用，固體通過外部物料導(dǎo)管(21)將分離出的氧化鈣固體輸送回流態(tài)化系統(tǒng)（m); 釋能過程為:高壓氧氣通過彎管（1)進(jìn)入氣體預(yù)分布裝置(24)，再通過風(fēng)帽（3)，將氣流 均布板(23)上的氧化鈣粉末均勻流態(tài)化，二次進(jìn)氣口（7)通入水蒸氣與氧化鈣反應(yīng)進(jìn)行放 熱，豎直換熱子系統(tǒng)內(nèi)通入高壓液態(tài)水進(jìn)行換熱，液態(tài)水吸收氧化鈣反應(yīng)放出的熱量后逐 步汽化為水蒸氣，經(jīng)收集管（12)匯入總管（13);氣固混合物進(jìn)入旋風(fēng)分離器（18)，后通過濾 網(wǎng)（16)進(jìn)行氣固分離，氣體從頂端出口（17)分離后將氧氣進(jìn)行回收循環(huán)利用，固體通過外 部物料導(dǎo)管(21)將分離出的氫氧化鈣固體輸送回流態(tài)化系統(tǒng)（ΙΠ )。
【文檔編號(hào)】F28D20/00GK105841537SQ201610291999
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月3日
【發(fā)明人】龍新峰, 張麗樺, 賴永鑫, 唐永銓, 廖珊珊
【申請人】華南理工大學(xué)