储存和释放热能的热化学方法技术

本发明专利技术涉及一种通过化学式为AO

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】储存和释放热能的热化学方法


[0001]本专利技术涉及基于固体的可逆水合/脱水反应以热化学形式储存热能的领域。

技术介绍

[0002]在产热地点或可能地在产热地点以外的热能回收地点进行热能的回收/再分配，对于解决适应在一天内和/或不同季节之间的需求变化的能量供应(电力或热力)问题具有重要意义。能够储存来自太阳的多余热能(废热)或使用化石能源或生物质的工业装置产生的多余热能(废热)以便之后根据需求高峰将储存的热能释放利用，将能够解决这个问题。例如，在收集太阳热能的领域，可以将阳光充足的时间内产生的过剩热量储存起来，然后在一天结束时再使用。
[0003]储能领域主要有三种方法，即显热储存、潜热储存和热化学储存。
[0004]以显热形式的储存涉及使用固体或液体材料，使其温度在不引起相变的情况下发生变化。以显热形式储存的能量的量等于：
[0005]Q＝m(ΔT)C
p
，
[0006]其中，m是材料的质量，ΔT是以K为单位的温差，Cp是以J
·
K
‑1·
kg
‑1为单位的热容。
[0007]显热储存的缺点是所使用的材料通常具有低能量密度，这需要使用大量的所述材料。这样的系统由于其在地面上的巨大体积而难以以工业规模或在城市环境中实施。
[0008]潜热形式的储存使用通常为固体/液体或液体/蒸气的相变材料(PCM)，其温度变化很小。因此，当材料被加热时，它首先会积累显热以达到其相变温度，在该温度下，热能仅用于提供相变所需的能量。液体
‑
气体转化因其通常具有高潜热而最为有利，但具有与液体蒸发相关的体积变化有关的实施缺陷，以及与气体冷却期间发生的压降现象有关的风险。固体/液体相变材料是在安全性和储存性能之间的良好折衷。
[0009]显热和潜热形式的这两种储存方法通常需要实施有效的隔热，但是随着时间的推移，储存的热量不可避免地会损失。
[0010]热化学形式的热量储存包括使用可逆的化学反应，该反应在一个方向上吸热，在另一个方向上放热，以便根据需求分别储存热量然后释放热量。
[0011]储存例如可涉及吸附/解吸型反应，其中，化合物(称为吸附物)吸附在固体材料(称为吸附剂)的表面上，或者被吸收在多孔固体材料内部，并伴随有热量的释放，相反，在存在能量供应的情况下，吸附或吸收的溶质从固体材料中解吸出来。
[0012]可以设想的一类可逆反应是结晶化合物的可逆的脱水/水合反应。因此，脱水反应(该脱水反应可以进行至直到获得无水形式的化合物)需要热能的供应，之后，当脱水或部分脱水的化合物重新与水或水蒸气接触时可以释放该热能。
[0013]这种形式的储热具有能够长时间储存能量而几乎没有损失以及无需依赖于复杂的隔热系统的优点，前提是反应产物是分开以及独立保存的。为了使上述方法能够工业化，必须提供一种材料，该材料除了具有高能量密度外，还可以进行多次水合/脱水循环，同时
保持其储存和返还(restitution)热量的能力。
[0014]已经设想了各种固体材料以用于热化学储存。例如，文献FR 3 004 246描述了一种使用固体形式的Ca(OH)2/CaO和Mg(OH)2/MgO对来储存热量的方法。
[0015]本专利技术的一个目的是提供一种基于钍或铀的固体材料的可逆的脱水/水合反应的新储存方法，其中该固体材料是铀提取和浓缩工业的副产品。

技术实现思路

[0016]因此，本专利技术涉及一种通过化学式为AO
x
B
y
·
zH2O的固体形式的化合物来储存和释放热能的热化学方法，其中：
[0017]A是选自铀(U)和钍(Th)的元素；
[0018]O是元素氧；
[0019]B是阴离子或含氧阴离子；
[0020]x是介于0和4之间的数字；
[0021]y是介于0和2之间的数字；和
[0022]z是大于0且小于或等于10的数字；
[0023]要理解的是：x和y中的至少一个不为0，并且化学式为Th(SO4)2·
xH2O的化合物被排除在外。
[0024]该方法包括以下连续的步骤：
[0025](a)加热所述化合物以达到足以使所述化合物至少部分脱水的温度和时间；
[0026](b)使至少部分脱水的化合物远离湿气；
[0027](c)使至少部分脱水的化合物与水接触以释放在步骤(a)中储存的热能；以及
[0028](d)回收释放的热能。
[0029]根据本专利技术的方法因此可以通过充入(charge)和排放循环的交替来操作，并且适合于解决在时间上以及可能地在空间上切换能量供应的问题。
[0030]根据本专利技术的方法因此利用金属盐或金属氧化物盐的水合焓来确保热能的储存。水(一种无毒试剂)的使用提供了能够在开放系统(可能需要采取必需的措施以确保含水排放物符合标准)中工作以及减少健康和环境风险的可能性。
[0031]由于使用了如上定义的化合物，根据本专利技术的方法具有以下几个其他的优点：
[0032]以高能量密度，例如至少1GJ/m3储存；
[0033]可以在几乎恒定的温度下进行热量的返还；
[0034]理论上无限的储存期；
[0035]在与能够提供脱水反应所需的热量的工业装置(例如发电站、精炼厂或例如材料加工厂)相容的储存温度范围内操作的可能性；
[0036]在等待贫铀和钍的物料将来用作快中子核反应堆的原料的同时，开发这些物料的短期和中期利用。
[0037]根据本专利技术，B优选地选自卤离子、氢氧根离子和硫酸根离子。
[0038]在优选的实施方式中，储热化合物选自下式的化合物：
[0039]UO2B2·
zH2O，B选自离子F
‑
、Br
‑
和Cl
‑
；
[0040]AB4·
zH2O，B选自离子F
‑
和Br
‑
；
[0041]UO4·
zH2O；
[0042]UO3·
zH2O，和
[0043]U(SO4)
y
·
zH2O。
[0044]在优选的实施方式中，热化学化合物选自下式的化合物：ThBr4·
10H2O、UF4·
2H2O、UF4·
2.5H2O、UO2F2·
4H2O、UO2F2·
1.6H2O、U(SO4)2·
4H2O、UO4·
2H2O、UO3·
2H2O和UO3·
0.8
‑
1H2O。
[0045]根据实施该方法的一个实施方式，进行步骤(a)直到实现化合物的脱水以形成无水或几乎无水的化合物。在本专利技术的上下文中，术语“几乎无水”用于表示对于每摩尔的固相，结构水介于0＜z＜0.6摩尔之间的固相。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.通过化学式为AO
x
B
y
·
zH2O的固体形式的化合物来储存和释放热能的热化学方法，其中：A是选自铀(U)和钍(Th)的元素；O是元素氧；B是阴离子或含氧阴离子；x是介于0和4之间的数字；y是介于0和2之间的数字；和z是大于0且小于10的数字；要理解的是：x和y中的至少一个不为0，并且化学式为Th(SO4)2·
xH2O的化合物被排除在外，所述方法包括以下连续的步骤：(a)加热所述化合物以达到足以使所述化合物至少部分脱水的温度和时间；(b)使至少部分脱水的化合物远离湿气；(c)使至少部分脱水的化合物与水接触以释放在步骤(a)中储存的热能；以及(d)回收所释放的热能。2.根据前述权利要求所述的方法，其中，进行步骤(a)直到获得无水化合物。3.根据前述权利要求中之一项所述的方法，其中，在水蒸气的存在下进行步骤(c)。4.根据前述权利要求中之一项所述的方法，其中，使用太阳能和/或工业来源的热能来进行步骤(a)的加热。5.根据权利要求4所述的方法，其中，由发电站、精炼厂或材料加工厂产生所述热能。6.热能储存装置(1)，包括：包含至少一个床(13)的外壳(12)，其中，床(13)含有化学式为AO
x
B
y
·
zH2O的固体形式的化合物，其中：A是选自铀(U)和钍(Th)的元素；O是元素氧；B是阴离子或含氧阴离子；x是介于0和4之间的数字；y是介于0和2之间的数字；z是大于0且小于10的数字；要理解的是：x和y中的至少一个不为0，并且化学式为Th(SO4)2·
xH2O的化合物被排除在外，用于床(13)的至少一个加热装置(20、21、22、23)；和用于脱去的水的至少一个抽出装置(17)...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿尔特姆，
申请(专利权)人：国家科学研究中心里尔大学里尔国立高等化工学校，
类型：发明
国别省市：