钙基储热材料的流化反应工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种钙基储热材料的流化反应工艺。本发明专利技术钙基储热材料的流化反应工艺包括如下步骤：S1：惰性固体颗粒和钙基储热材料的固体混合物在流化床反应器内、气流的吹动下使钙基储热材料发生可逆反应得物料A；惰性固体颗粒为不参与所述钙基储热材料可逆反应的A类颗粒，惰性固体颗粒在固体混合物中所占质量百分比为55～90％，气流包括不参与钙基储热材料可逆反应的流化气体；S2：物料A进入旋风分离器，将物料A中的惰性固体颗粒分离并将惰性固体颗粒回输至流化床反应器内。本发明专利技术大幅改善了钙基储热材料Ca(OH)2/CaO粉末的流化效果，提高钙基储热材料转化率及循环性能、提高放热反应温度，产热品质更高。产热品质更高。

【技术实现步骤摘要】
钙基储热材料的流化反应工艺


[0001]本专利技术具体涉及一种钙基储热材料的流化反应工艺。

技术介绍

[0002]推进储能和储热技术发展成为当前研究的重要方向之一，其中钙基储热是其中的热门研究方向之一。钙基储热即通过将Ca(OH)2加热分解生成CaO和H2O，将热能转变成化学能进行存储。使用时，通过将CaO与H2O反应将热量进行放出，放出的热量可以用来生成蒸汽，进而用来推动蒸汽轮机发电或者用于其他用途。
[0003]钙基储热具有反应条件适宜，储热密度大，成本相对低廉等优势，因此是比较适合工业化的反应体系。该反应体系具有较高的储能密度及适宜的储能温度，在太阳能热利用及工业余热回收上具有广阔的应用前景，因此国内外学者针对该体系做了较为广泛的研究。当前已公开报道的装置多采用固定床反应器，如Ca(OH)2/CaO体系的化学热泵等。实际应用时，为达到商业上可行的目的，采用Ca(OH)2/CaO体系的储热系统应达到一定负荷，固定床反应器的尺寸需要达到一定的规模。此时固定床反应器存在尺寸大，换热不均匀，操作压降大等问题。相较于固定床，流化床具有传质、传热效率高、温度均匀、相对易于放大等，因此采用流化床工艺具有较好的应用前途。
[0004]Ca(OH)2的分解/CaO的合成属于气固反应，对于气固反应来说，一般固体颗粒尺寸越小，比表面积越大，反应速率越大，因此降低Ca(OH)2/CaO的尺寸有利于反应的进行。一般商业可购买的Ca(OH)2粉末的尺寸较小，约30微米以下，该尺寸范围的颗粒属于C类颗粒，颗粒间容易发生团聚现象，采用流化床时气体容易形成沟流，难以形成稳定的流化。即便是采用较大尺寸的Ca(OH)2/CaO粉末作为反应介质，初期可能会有较好的流化效果，但随着流化的进行，固体颗粒与壁面、内件表面以及颗粒之间频繁发生碰撞，由于Ca(OH)2/CaO的机械强度相对较低，导致颗粒的磨损非常明显，颗粒的平均尺寸迅速降低，从而使得流化效果迅速恶化。因此，当前急需一种适用于Ca(OH)2/CaO粉末的流化反应工艺，以提高Ca(OH)2/CaO的反应性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术解决的技术问题在于克服了现有的钙基储热材料流化工艺存在的颗粒间容易团聚，容易出现沟流，难以形成稳态流化的缺陷，提供了一种钙基储热材料的流化反应工艺。本专利技术的钙基储热材料的流化反应工艺大幅改善了钙基储热材料(例如Ca(OH)2/CaO粉末)的流化效果，提高了钙基储热材料的转化率及循环性能、提高放热反应温度，产热品质更高。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种钙基储热材料的流化反应工艺，其包括如下步骤：
[0008]S1：惰性固体颗粒和钙基储热材料的固体混合物在流化床反应器内、气流的吹动下进行可逆反应得物料A；所述惰性固体颗粒为不参与所述钙基储热材料可逆反应的A类颗
粒，所述惰性固体颗粒在所述固体混合物中所占质量百分比为55～90％，所述气流包括不参与所述钙基储热材料可逆反应的流化气体；
[0009]S2：所述物料A进入旋风分离器，将所述物料A中的所述惰性固体颗粒分离并回输至所述流化床反应器内。
[0010]按照Geldart对固体颗粒的分类法，根据颗粒平均粒径及气固两相密度差可将固体颗粒分为以下四类颗粒：Geldart A(充气颗粒)、Geldart B(鼓泡颗粒)、Geldart C(粘性颗粒)、Geldart D(过粗颗粒)。
[0011]为进一步细分不同种类颗粒间转换边界，考虑颗粒间力的平衡，Baeyens等给出不同类型颗粒间转变边界公式：
[0012]d
C
‑
A
＝10325/(ρ
s
‑
ρ
g
)
0.725
[0013]d
A
→
B
＝907200/(ρ
s
‑
ρ
g
)
1.17
[0014]d
B
→
D
＝266300/(ρ
s
‑
ρ
g
)
0.807
。
[0015][0016]本专利技术中，所述A类颗粒即为如上所述Geldart A类颗粒，一般地满足如下公式：10325/(ρ
s
‑
ρ
g
)
0.725
≤d≤907200/(ρ
s
‑
ρ
g
)
1.17
，其中d为平均粒径，μm；ρ
s
‑
ρ
g
为气固两相密度差，kg/m3。
[0017]本专利技术的某些较佳实施例中，所述惰性固体颗粒为成分A所占质量百分比不小于90％的矿物质颗粒，所述成分A为氧化硅和/或氧化铝；更佳地为石英砂。
[0018]本专利技术的某些较佳实施例中，所述惰性固体颗粒的粒径D
32
较佳地为100～300μm，更佳地为110～250μm，进一步更佳地为180～250μm。
[0019]本专利技术中，所述钙基储热材料为CaO时，所述可逆反应的温度较佳地为470～500℃，更佳地为480～490℃。
[0020]其中，较佳地，所述CaO的进料温度可为本领域常规，较佳地为200～600℃，例如550℃。
[0021]Ca(OH)2粉末在较高温度下分解生成CaO，CaO粉末经过短暂的保温储存后进入流化床反应器，进入流化床反应器的CaO粉末带有一定的温度，使反应能够快速启动并达到上述优选的可逆反应的温度。
[0022]其中，较佳地，所述气流的进气温度较佳地为不低于250℃，更佳地不低于300℃。
[0023]当钙基储热材料为CaO时，所述气流包括反应气体水蒸气和不参与反应的流化气体。上述优选的CaO进料温度和进气温度，使得CaO和水蒸气接触后发生水合反应，放出热量，将系统加热到所述可逆反应的温度，继续反应放出的热量被床层内的换热管带走。
[0024]对于CaO和H2O合成Ca(OH)2的反应，随着操作温度的增加，合成反应转化率降低，但是反应温度过高，合成反应转化率大幅降低，反应器的热负荷也会下降；但若反应温度过低，则反应所释放的热量品质变差，利用价值降低。氧化钙与水合成氢氧化钙的反应属于可逆反应，其平衡温度和压力的关系如下式所示：
[0025]根据此式，水蒸气分压为1个大气压时，平衡反应温度约为505℃，因此反应温度不能超过505℃。反应温度越高，则需要的转化时间越长，反应器的尺寸和颗粒的转化时间有
关，因此为保证反应器尺寸在合理范围内、同时保证反应放热的品质，常压下的反应温度一般选为450℃。
[0026]对于本专利技术加入惰性固体颗粒辅助流化的工艺，流化效果大幅改善，反应速率提升，本专利技术的反应温度可提升至470℃以上的水平，优选反应温度为480～本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钙基储热材料的流化反应工艺，其特征在于，其包括如下步骤：S1：包括惰性固体颗粒和钙基储热材料的固体混合物在流化床反应器内、气流的吹动下使所述钙基储热材料发生可逆反应得物料A；所述惰性固体颗粒为不参与所述钙基储热材料可逆反应的A类颗粒，所述惰性固体颗粒在所述固体混合物中所占质量百分比为55～90％，所述气流包括不参与所述钙基储热材料可逆反应的流化气体；S2：所述物料A进入旋风分离器，将所述物料A中的所述惰性固体颗粒分离并将所述惰性固体颗粒回输至所述流化床反应器内。2.如权利要求1所述的钙基储热材料的流化反应工艺，其特征在于，所述惰性固体颗粒为成分A所占质量百分比不小于90％的矿物质颗粒，所述成分A为氧化硅和/或氧化铝；较佳地为石英砂；和/或，所述钙基储热材料为Ca(OH)2或CaO；和/或，所述惰性固体颗粒的粒径D
32
为100～300μm，较佳地为110～250μm，更佳地为180～250μm。3.如权利要求1所述的钙基储热材料的流化反应工艺，其特征在于，所述钙基储热材料为CaO时，所述惰性固体颗粒占所述固体混合物的质量百分比为60～75％，例如70％；或者，所述钙基储热材料为Ca(OH)2时，所述惰性固体颗粒占所述固体混合物的质量百分比为55～80％，较佳地为65～75％，例如70％。4.如权利要求1所述的钙基储热材料的流化反应工艺，其特征在于，所述钙基储热材料为CaO时，CaO的进料温度为200～600℃，例如550℃；所述钙基储热材料为CaO时，所述气流的进气温度为不低于250℃，较佳地不低于300℃。5.如权利要求1所述的钙基储热材料的流化反应工艺，其特征在于，所述钙基储热材料为CaO时，所述可逆反应...

【专利技术属性】
技术研发人员：高永川，万大阳，沈中杰，郭晓镭，吕凤，段乐章，许建良，陆海峰，拓鹏杰，韩利涛，梁钦锋，赵辉，邵松，刘爽，刘海峰，王辅臣，于广锁，王亦飞，陈雪莉，
申请(专利权)人：洛阳瑞昌环境工程有限公司华东理工大学，
类型：发明
国别省市：