CN111889056A - 一种雾化水与氧化钙颗粒的混合反应装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种雾化水与氧化钙颗粒的混合反应装置及方法。本发明的混合反应装置包括相互连通的混合器和反应器，混合器连接有氧化钙进料单元以及雾化水喷洒单元；氧化钙进料单元包括进料管，进料管的出口端连接有物料分散盘，物料分散盘位于混合器上部；雾化水喷洒单元包括水泵、喷水管和高压雾化喷头，喷水管分别连接水泵和高压雾化喷头，高压雾化喷头用于喷洒出螺旋向上的高压雾化水，高压雾化喷头与混合器径向形成一夹角，与水平面形成一夹角度。本发明可以实现氧化钙和水的充分均匀混合，反应放热均匀，放热量大。
Description
技术领域
本发明涉及放热反应控制技术领域，尤其涉及一种雾化水与氧化钙颗粒的混合反应装置及方法。
背景技术
我国工业领域能源消耗量约占全国能源消耗总量的70％，主要工业产品单位能耗平均比国际先进水平高出30％左右，能源(能量)没有得到充分综合利用是造成能耗高的重要原因。我国能源利用率仅为33％左右，比发达国家低约10％，至少50％的工业耗能以各种形式的余热被直接废弃。因此，余热利用率提升空间大，节能潜力巨大。
为了解决余热资源的间歇性和分布不均等缺点，余热资源的储存再利用是必须的一个环节。目前热量储存主要分为显热蓄热，热蓄热，和热化学蓄热三种方式，显热蓄热密度太小，而相变蓄热存在腐蚀都问题，同时显热和相变蓄热密度小，需要进行保温、不能长期储热等缺点也限制了其应用。热化学蓄热相对于其他蓄热方式，有这两个明显的优点：热化学蓄热的蓄热密度大，而且可以在接近室温的情况下长时间存储而不需要绝热措施。CaO/Ca(OH)2系统是一种在高温下蓄热的热化学蓄热系统，拥有广泛的应用前景，但目前的CaO反应放热控制一般采用蒸汽与CaO粉末反应实现，有能耗高，投资成本高等缺点。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种雾化水与氧化钙颗粒的混合反应装置及方法，本发明可以实现氧化钙和水的充分均匀混合，反应放热均匀，放热量大。
本发明的第一个目的是提供一种雾化水与氧化钙颗粒的混合反应装置，其包括相互连通的混合器和反应器，混合器连接有氧化钙进料单元以及雾化水喷洒单元；
氧化钙进料单元用于向混合器中输入微米级氧化钙颗粒，氧化钙进料单元包括进料管，进料管的出口端连接有物料分散盘，物料分散盘位于混合器上部，物料分散盘绕自身轴线转动，微米级氧化钙颗粒通过物料分散盘的转动被甩出后均匀抛洒于混合器中；
雾化水喷洒单元用于向混合器中输入雾化水，雾化水喷洒单元包括水泵、喷水管和多个高压雾化喷头，喷水管的一端连接水泵，另一端连接高压雾化喷头，高压雾化喷头用于喷洒出螺旋向上的高压雾化水，多个高压雾化喷头沿混合器的轴线呈对称分布，高压雾化喷头与混合器径向形成一夹角，高压雾化喷头具有出水口，出水口朝向混合器上部设置且出水口的喷射角度与水平面形成一夹角；
微米级氧化钙颗粒和高压雾化水在混合器中对流运动并混匀后在反应器中反应。
进一步地，高压雾化喷头固定设置于混合器的中下部。
进一步地，出水口与水平面的夹角为1-10°。
进一步地，高压雾化喷头与混合器径向形成1-10°夹角。
进一步地，出水口的个数为4-8个。
进一步地，物料分散盘沿水平方向设置。
进一步地，反应器中设有多个物料搅拌装置，物料搅拌装置沿反应器的高度方向依次间隔设置。
进一步地，物料搅拌装置包括桨叶搅拌机。
进一步地，混合器的内壁还设有刮料器，刮料器与物料分散盘同步转动。刮料器紧贴混合器壁面安装，与物料分散盘同步转动，防止物料挂壁粘结。
进一步地，桨叶搅拌机的个数至少为5个。桨叶搅拌机沿水平方向设置，其桨叶朝向上方，其可实现物料的上下翻滚，有助于桨叶搅拌机上方和下方的物料在反应器中均匀混合反应。
进一步地，反应器位于混合器的下方，反应器沿竖直方向的截面呈倒梯形。
本发明的第二个目的是提供一种热化学蓄热系统，包括本发明的上述混合反应装置以及蓄热装置，混合器的顶部设有蒸汽出口，蒸汽出口连接蓄热装置。
进一步地，蓄热装置为气液换热器或蒸汽换热器。蒸汽换热器可直接将蒸汽的热量蓄积起来，在气液换热器中，蒸汽的热量被换热液体所吸收，由换热液体蓄积热量。
由于雾化水和氧化钙在混合反应装置中反应后放热，所产生的热量被水蒸汽所带走，水蒸汽由蒸汽出口流出后进入蓄热装置中，在蓄热装置中完成热量的转换和蓄积。
优选地，蓄热装置为蒸汽换热器，蒸汽换热器为管壳式换热器，管壳式换热器包括外壳体和内壳体，外壳体和内壳体之间形成第一空腔，内壳体具有第二空腔，第一空腔与蒸汽出口流体连通，由混合反应装置流出的水蒸汽进入第一空腔中，第二空腔内盛有换热液体，水蒸汽的热量被第二空腔内的换热液体吸收。优选地，换热液体为水。
本发明的第三个目的是提供一种雾化水与氧化钙颗粒的混合反应方法，采用本发明的上述混合反应装置进行，包括以下步骤：
将微米级氧化钙颗粒通过氧化钙进料单元通入并分散于混合器中，氧化钙颗粒的粒径为75微米以下；
并将水通过雾化水喷洒单元通入并分散于混合器中，在高压雾化喷头的作用下形成螺旋向上的高压雾化水，高压雾化水的液滴粒径为100微米以下，高压雾化水的压力为0.1-6MPa，高压雾化水是氧化钙的摩尔量的1.5-2.2倍；
微米级氧化钙颗粒和高压雾化水在混合器中对流运动并混匀后在反应器中反应。
进一步地，反应器中设有多个物料搅拌装置，物料搅拌装置的搅拌速率为80r/min-1000r/min。
优选地，高压雾化水的液滴粒径为10-100微米；氧化钙颗粒的粒径为10-75微米。
由于雾化水是氧化钙的摩尔量的1.5-2.2倍，因此雾化水与氧化钙颗粒的混合反应体系中水是过量的，由此在反应过程中产生的热量会被过量的雾化水吸收，形成高温蒸汽，当混合反应装置连接有蓄热装置时，高温蒸汽的热量可蓄积于蓄热装置中。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
本发明提供了一种高压雾化水与微米级氧化钙颗粒的混合反应装置，该装置设备成本低，有利于水和氧化钙的充分混合和反应，运行成本低，操控方便，能够有效控制化学热反应的反应与放热，非常适合大规模应用。
本发明提供了一种热化学蓄热系统，可有效利用高压雾化水与微米级氧化钙颗粒的混合反应放出的热量。
本发明提供了一种高压雾化水与微米级氧化钙颗粒的混合反应方法，相比于传统的反应方式，本方法运行成本低，不需要提供高温蒸汽，就能提供大量的反应热，使化学反应放热达到可应用的程度。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。
附图说明
图1是本发明雾化水与氧化钙颗粒的混合反应装置的结构示意图；
图2是高压雾化喷头的俯视结构示意图；
图3是高压雾化喷头的侧面结构示意图；
图4是热化学蓄热系统的结构示意图；
附图标记说明：
1-混合器；2-反应器；10-进料管；11-物料分散盘；12-高压雾化喷头；13-喷水管；14-蒸汽出口；15-刮料器；20-桨叶搅拌机；30-第一空腔；31-第二空腔。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明以下实施例中，物料反应效率的计算方法是：η＝(m2-m1)/18×56/m1×100％；
其中η为反应效率；m1：实验初始氧化钙的质量；m2：实验结束粉体产物(Ca(OH)2)的质量。
物料放热量的计算方法是：Q＝(T2-T1)×C×m×100％；
其中Q为热量，T2：换热液体最终温度；T1：换热液体初始温度；C：换热液体比热；m：换热液体总质量。
实施例1
参见附图1-3，本发明一较佳实施例的一种雾化水与氧化钙颗粒的混合反应装置，其包括相互连通的混合器1和反应器2。
其中，混合器1连接有氧化钙进料单元以及雾化水喷洒单元。氧化钙进料单元用于向混合器1中输入微米级氧化钙颗粒，氧化钙进料单元包括进料管10，进料管10与混合器1的顶部连接，进料管10的出口端位于混合器1内部，且进料管10的出口端连接有物料分散盘11，物料分散盘11位于混合器1上部，物料分散盘11绕自身轴线转动，微米级氧化钙颗粒通过物料分散盘11的转动被甩出后由混合器1的上部下落实现均匀抛洒，物料分散盘11沿水平方向设置。
雾化水喷洒单元用于向混合器1中输入雾化水，雾化水喷洒单元包括水泵、喷水管13和多个高压雾化喷头12，喷水管13的的一端连接水泵，另一端连接高压雾化喷头12，高压雾化喷头12固定设置于混合器1的中下部。优选的，高压雾化喷头12的个数为4个。高压雾化喷头12用于喷洒出螺旋向上的高压雾化水，多个高压雾化喷头12沿混合器1的轴线呈对称分布。高压雾化喷头12与混合器1径向形成1-10°的夹角。高压雾化喷头12具有出水口，出水口朝向混合器1上部设置且出水口的喷射角度与水平面形成1-10°的夹角。高压雾化水形成螺旋向上的流动轨迹，使得氧化钙与高压雾化水形成对流运动，增加二者接触时间。
微米级氧化钙颗粒和高压雾化水在混合器1中对流运动并混匀后在反应器2中反应。反应器2位于混合器1的下方，反应器2沿竖直方向的截面呈倒梯形。反应器2中设有多个物料搅拌装置，物料搅拌装置沿反应器2的高度方向依次间隔设置。物料搅拌装置包括桨叶搅拌机20，优选地，桨叶搅拌机20的个数至少为5个。桨叶搅拌机20的搅拌速率在80r/min-1000r/min,使得混合后的氧化钙和水，在搅拌的作用下充分反应，释放热量。桨叶搅拌机20沿水平方向设置，其桨叶朝向上方，其可实现物料的上下翻滚，有助于桨叶搅拌机20上方和下方的物料在反应器2中均匀混合反应。
混合器的内壁还设有刮料器15，刮料器15绕自身轴线转动且刮料器15与物料分散盘同步转动。刮料器15紧贴混合器壁面安装，与物料分散盘11同步转动，防止物料挂壁粘结。
实施例2
利用实施例1中的混合反应装置进行高压雾化水与微米级氧化钙颗粒的混合反应，步骤如下：
将微米级氧化钙颗粒通过氧化钙进料单元通入并分散于混合器1中，氧化钙颗粒的粒径为45微米。同时将水通过雾化水喷洒单元通入并分散于混合器1中，在高压雾化喷头12的作用下形成螺旋向上的高压雾化水，高压雾化水的液滴粒径为70微米，高压雾化水的压力为0.7MPa，高压雾化水是氧化钙的摩尔量的2倍。微米级氧化钙颗粒和高压雾化水在混合器1中对流运动并混匀后在反应器2中反应并放热。反应器2中物料搅拌装置的搅拌速率为500r/min。
本实施例的放热反应的物料反应效率达到92％，物料放热量达到100％。
实施例3
利用实施例1中的混合反应装置进行高压雾化水与微米级氧化钙颗粒的混合反应，操作步骤与实施例2相同，不同之处在于：氧化钙颗粒的粒径为75微米。
该对比例的放热反应的物料反应效率达到80％，物料放热量达到90％。
实施例4
利用实施例1中的混合反应装置进行高压雾化水与微米级氧化钙颗粒的混合反应，操作步骤与实施例2相同，不同之处在于：高压雾化水是氧化钙的摩尔量的1.5倍。
该对比例的放热反应的物料反应效率达到90％，物料放热量达到90％。
对比例1
利用实施例1中的混合反应装置进行高压雾化水与微米级氧化钙颗粒的混合反应，操作步骤与实施例2相同，不同之处在于：高压雾化水的液滴粒径为200微米。
该对比例的放热反应的物料反应效率达到70％，物料放热量达到80％。
对比例2
利用实施例1中的混合反应装置进行高压雾化水与微米级氧化钙颗粒的混合反应，操作步骤与实施例2相同，不同之处在于：高压雾化水的液滴粒径为200微米，氧化钙颗粒的粒径为75微米。
该对比例的放热反应的物料反应效率达到60％，物料放热量达到70％。
对比例3
利用实施例1中的混合反应装置进行高压雾化水与微米级氧化钙颗粒的混合反应，操作步骤与实施例2相同，不同之处在于：高压雾化水的液滴粒径为500微米，氧化钙颗粒的粒径为75微米。
该对比例的放热反应的物料反应效率达到50％，物料放热量达到60％。
对比例4
利用实施例1中的混合反应装置进行高压雾化水与微米级氧化钙颗粒的混合反应，操作步骤与实施例2相同，不同之处在于：高压雾化水是氧化钙的摩尔量的1倍。
该对比例的放热反应的物料反应效率达到40％，物料放热量达到50％。
对比例5
利用实施例1中的混合反应装置进行高压雾化水与微米级氧化钙颗粒的混合反应，操作步骤与实施例2相同，不同之处在于：高压雾化水是氧化钙的摩尔量的2.5倍。
该对比例的放热反应的物料反应效率达到100％，物料放热量达到50％。
实施例5
如图4所示，本发明一较佳实施例的热化学蓄热系统，包括实施例1的雾化水与氧化钙颗粒的混合反应装置以及蓄热装置，其中，混合器1的顶部边缘处设有蒸汽出口14，蒸汽出口14连接蓄热装置。
蓄热装置为管壳式换热器，管壳式换热器包括外壳体和内壳体，外壳体和内壳体之间形成第一空腔30，内壳体具有第二空腔31，第一空腔30与蒸汽出口14流体连通，由混合反应装置流出的水蒸汽进入第一空腔30中，第二空腔31内盛有换热液体，优选换热液体为水，水蒸汽的热量被第二空腔31内的水所吸收。
雾化水和氧化钙在混合反应装置中反应后放热，由于雾化水是氧化钙的摩尔量的1.5-2.2倍，因此雾化水与氧化钙颗粒的混合反应体系中水是过量的，由此在反应过程中产生的热量会被过量的雾化水吸收，形成高温蒸汽，高温蒸汽由蒸汽出口14流出后进入蓄热装置的第一空腔30中，在蓄热装置中完成热量的转换和蓄积。
以上仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种雾化水与氧化钙颗粒的混合反应装置，其特征在于：包括相互连通的混合器和反应器，所述混合器连接有氧化钙进料单元以及雾化水喷洒单元；
所述氧化钙进料单元用于向所述混合器中输入微米级氧化钙颗粒，所述氧化钙进料单元包括进料管，所述进料管的出口端连接有物料分散盘，所述物料分散盘位于所述混合器上部，所述物料分散盘绕自身轴线转动，所述微米级氧化钙颗粒通过所述物料分散盘的转动被甩出；
所述雾化水喷洒单元用于向所述混合器中输入雾化水，所述雾化水喷洒单元包括水泵、喷水管和多个高压雾化喷头，所述喷水管的一端连接水泵，另一端连接所述高压雾化喷头，所述高压雾化喷头用于喷洒出螺旋向上的高压雾化水，多个所述高压雾化喷头沿所述混合器的轴线呈对称分布，所述高压雾化喷头与混合器径向形成一夹角，所述高压雾化喷头具有出水口，所述出水口朝向所述混合器上部设置且所述出水口的喷射角度与水平面形成一夹角。
2.根据权利要求1所述的混合反应装置，其特征在于：所述高压雾化喷头固定设置于所述混合器的中下部。
3.根据权利要求1所述的混合反应装置，其特征在于：所述出水口与水平面的夹角为1-10°；所述高压雾化喷头与混合器径向形成1-10°夹角。
4.根据权利要求1所述的混合反应装置，其特征在于：所述物料分散盘沿水平方向设置。
5.根据权利要求1所述的混合反应装置，其特征在于：所述反应器中设有多个物料搅拌装置，所述物料搅拌装置沿所述反应器的高度方向依次间隔设置。
6.根据权利要求1所述的混合反应装置，其特征在于：所述混合器的内壁还设有刮料器，所述刮料器与所述物料分散盘同步转动。
7.一种热化学蓄热系统，其特征在于：包括权利要求1-6中任一项所述的混合反应装置以及蓄热装置，所述混合器的顶部设有蒸汽出口，所述蒸汽出口连接所述蓄热装置。
8.根据权利要求7所述的热化学蓄热系统，其特征在于：所述蓄热装置为气液换热器或蒸汽换热器。
9.一种雾化水与氧化钙颗粒的混合反应方法，其特征在于，采用权利要求1-6中任一项所述的混合反应装置进行，包括以下步骤：
将微米级氧化钙颗粒通过所述氧化钙进料单元通入并分散于所述混合器中，所述氧化钙颗粒的粒径为75微米以下；
并将水通过所述雾化水喷洒单元通入并分散于所述混合器中，在所述高压雾化喷头的作用下形成螺旋向上的高压雾化水，高压雾化水的液滴粒径为100微米以下，高压雾化水的压力为0.1-6MPa，高压雾化水是氧化钙的摩尔量的1.5-2.2倍；
所述微米级氧化钙颗粒和所述高压雾化水在所述混合器中对流运动并混匀后在所述反应器中反应。
10.根据权利要求9所述的混合反应方法，其特征在于：所述反应器中设有多个物料搅拌装置，所述物料搅拌装置的搅拌速率为80r/min-1000r/min。
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