CN112604611B - 一种利用电石渣进行化学储/放能的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用电石渣进行化学储/放能的装置及方法，包括循环流化床反应器、汽粒分离器、水泵、电加热器和雾化喷嘴；循环流化床反应器内设置电加热板和换热管，循环流化床反应器底部设置气体分布板，循环流化床反应器的流化气体进口设置在底部，循环流化床反应器的出气口设置在顶部，循环流化床反应器的底部侧壁分别开设循环固体进口和进料口，进料口设置为用于电石渣粉末的输送；水泵的出口依次连接雾化喷嘴、电加热器、流化气体进口，循环流化床反应器的出气口连接汽粒分离器的进口，汽粒分离器的固相出口连接循环流化床反应器的循环固体进口。本发明能够避免储/放能的过程采用两种气态物质，能防止气口堵塞，简化工艺流程。

Description

一种利用电石渣进行化学储/放能的装置及方法
技术领域
本发明属于热能储存技术领域，涉及热化学储能的方法，具体涉及一种利用电石渣进行化学储/放能的装置及方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
目前的储能工艺主要利用物质的显热或潜热，其储能密度低，储热周期有限，较长时间储存后能量损失大。而化学反应的储能密度高于显热或潜热储能，其将能量稳定存储于物质结构中，长时间储存后的能量损失小，因此利用化学反应储能具有明显的优势。据发明人了解，采用钙基材料的可逆化学反应进行储/放能的研究较多，例如：申请号为201620395787.0的中国专利公开了一种利用固体Ca(OH)2粉末与CaO粉末分别以N2与N2和水蒸气混合物作为流化介质在循环流化床中进行储/放能的系统；申请号为201610291999.9的中国专利公开了一种利用Ca(OH)2和CaO分别在以O2与O2和水蒸气混合物作为流化介质条件下的储/放能反应装置；申请号为201920950991.8的中国专利公开了一种利用CaCO3和CaO分别在煅烧反应器和碳酸化反应器中通过化学反应进行储/放能的系统。
经过本发明的研究发现，采用钙基材料的可逆化学反应进行储/放能，需要对钙基材料的粉末进行流化处理，才能实现化学反应储/放能的最大化利用，但是现有对钙基材料进行流化处理的方法一般采用N2、O2等不与CaO反应的气体，在储/放能的过程中，还有水蒸气、CO2等能与CaO反应的气体参与，即在储/放能的过程需要提供两种气态物质，在反应后还需要对混合气体进行分离，导致工艺流程复杂。
发明内容
在本发明研究过程中，钙基材料储/放能存在两种体系，即Ca(OH)2和CaO体系及CaCO3和CaO体系，由于CaCO3和CaO体系在储/放能过程中存在CO2的固定与释放，不利于节碳环保。因而本发明基于Ca(OH)2和CaO体系进行进一步研究。
在Ca(OH)2和CaO体系的储能过程中，若直接通入水蒸气对其进行流化处理，则会由于水与CaO反应使得气口堵塞造成死床，因而需要在水蒸气中掺入部分N2、O2等对钙基材料进行流化处理。经过本发明的进一步研究发现，直接采用水蒸气对CaO进行流化时，在形成Ca(OH)2后，环境潮湿，容易增加Ca(OH)2的粘度，容易使Ca(OH)2结块，从而对气口进行堵塞，进而造成死床。
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种利用电石渣进行化学储/放能的装置及方法，能够避免储/放能的过程采用两种气态物质，还能防止气口堵塞，简化工艺流程。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一方面，一种利用电石渣进行化学储/放能的装置，包括循环流化床反应器、汽粒分离器、水泵、电加热器和雾化喷嘴；
所述循环流化床反应器竖直设置，循环流化床反应器内设置电加热板和换热管，循环流化床反应器底部设置气体分布板，循环流化床反应器的流化气体进口设置在底部，循环流化床反应器的出气口设置在顶部，循环流化床反应器的底部侧壁分别开设循环固体进口和进料口，所述进料口设置为用于电石渣粉末的输送；
水泵的出口依次连接雾化喷嘴、电加热器、流化气体进口，水泵的进口设置为用于连接水箱，循环流化床反应器的出气口连接汽粒分离器的进口，汽粒分离器的固相出口连接循环流化床反应器的循环固体进口。
本发明直接以水蒸气作为流化气体，为了避免CaO与水蒸气反应造成堵塞死床，本发明采用电石渣粉末代替Ca(OH)2，由于电石渣不仅含有大量的Ca(OH)2，而且含有杂质，例如CaC2、CaS、Ca2Si、Ca3P2、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO。这些杂质的质量占比可以达到30％，在流态化过程中这些杂质会与CaO颗粒或Ca(OH)2颗粒均匀混合，能够起到分散CaO颗粒或Ca(OH)2颗粒的效果，能够减少钙基颗粒的相互接触，降低潮湿环境中Ca(OH)2及CaO的粘度，避免Ca(OH)2及CaO结块，从而避免对气口进行堵塞，进而防止死床。
同时，本发明还发现，纯氧化钙颗粒的机械性能差，在流化过程中磨损严重，当颗粒粒径减小到一定程度后会导致流化难度增加。本发明采用电石渣中含有杂质元素，在水合和脱水反应过程中这些杂质元素会与钙元素等反应生成少量Na2CaSiO4和Ca2SiO4等钙基酸盐类物质，这些少量的钙基酸盐类物质分散于颗粒物中，会增强颗粒的机械强度，防止磨损过快导致难以流态化，从而可使电石渣物料能进行更多周期的储能与放能反应。
另外，由于电石渣属于工业固废，含有大量的杂质，因此，其在水合和脱水反应过程中的转化率也低于纯氧化钙和氢氧化钙反应体系，所以为了提升电石渣反应体系的储能总量，需要增大反应器中电石渣物料的总量。所以本发明采用循环流化床反应器，依托循环流化床反应器可以实现较高的物料循环流率这一特点来弥补电石渣物料由于纯度较低致使转化率不高这一劣势，从而实现较高的能量储存与输出。
另一方面，一种利用电石渣进行化学储/放能的方法，提供上述装置，包括储能过程和放能过程；
储能过程：将水进行雾化形成水雾，将水雾加热形成水蒸气，水蒸气在分布板的作用下将电石渣粉末流化，电能通过电加热板转化为热能将电石渣粉末中的Ca(OH)2加热分解为氧化钙，然后气固混合物经过汽粒分离器分离，分离后的固体进入循环流化床反应器内；
放能过程：将水进行雾化形成水雾，将水雾加热形成温度低于200℃的水蒸气，水蒸气在分布板的作用下将加热分解后的电石渣粉末流化，电能通过电加热板加热至450±5℃后停止加热，加热分解后的电石渣粉末中的氧化钙与水进行反应放出热量，放出的热量一部分与换热管中的换热介质进行换热，另一部分用来维持反应器中的反应温度，汽粒分离器分离的固体进入循环流化床反应器内。
循环流化床反应器内工作过程的压力为一个大气压，在一个大气压的水蒸气环境下，水合反应的平衡温度是450℃，而在低于450℃的温度条件下时，水合反应速率较低，此时能够直接利用水蒸气作为流化气体对加热分解后的电石渣粉末流化，然后加热至450℃左右引发剧烈反应，从而将更多的化学能转变为热能释放。
由于本发明提供的装置和方法能够维持锅炉负荷稳定的情况下调节电厂的发电负荷，因而第三方面，一种上述利用电石渣进行化学储/放能的装置或利用电石渣进行化学储/放能的方法在调节锅炉发电中的应用。
本发明的有益效果：
1.本发明采用电石渣作为钙基材料，其中含有CaC2、CaS、Ca2Si、Ca3P2、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO等杂质，能够减少钙基颗粒的相互接触，降低潮湿环境中Ca(OH)2及CaO的粘度，避免Ca(OH)2及CaO结块，从而避免对气口进行堵塞，进而防止死床，因而本发明能够仅利用水蒸气作为储能与放能反应过程中的流化介质，无需气体分离装置，而且水蒸气在参与反应后以液态水形式储存，较水蒸气等气态物质更易储存。
2.电石渣中含有杂质元素，在水合和脱水反应过程中这些杂质元素会与钙元素等反应生成少量钙基酸盐类物质，这些少量的钙基酸盐类物质分散于颗粒物中，会增强颗粒的机械强度，防止磨损过快导致难以流态化，从而可使电石渣物料能进行更多周期的储能与放能反应。
3.本发明采用电石渣替换常规的Ca(OH)2，能够利用工业固废电石渣实现能量的储存与释放，将固废资源化利用，既节省了高品质的钙基材料，也在一定程度上缓解电石渣堆积对环境的污染问题，更降低了物料使用成本。
4.本发明采用循环流化床反应器，依托循环流化床反应器可以实现较高的物料循环流率这一特点来弥补电石渣物料由于纯度较低致使转化率不高这一劣势，从而实现较高的能量储存与输出。
5.本发明提供的装置中，水泵、雾化喷嘴、电加热器依次连接，通过水泵加压雾化喷嘴控制水滴大小，能够通过电加热器快速将液态水变为水蒸气；同时，水经过水泵加压,通过喷嘴雾化后再经过加热气化，体积进一步膨胀，从而进一步增加水蒸气的压力，从而使形成的水蒸气在进入气体分布板前达到14～15kPa的测量压力值，能够使电石渣粉末在循环流化床反应器中实现流化。
6.本发明的方法流程简单、反应效率高、能耗低，可以应用该储能体系在维持锅炉负荷稳定的情况下调节电厂的发电负荷，即在用户端需求较少时将多余的电能转化为化学能储存，待用户端需求增多时将储存的化学能转化为电能。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1的利用电石渣进行化学储/放能的装置结构示意图；
其中，1、一级水箱，2、一级阀门，3、净化水箱，4、排渣口，5、补水口，6、二级水箱，7、二级阀门，8、水泵，9、雾化喷嘴，10、转换阀，11、风机，12、电加热器，13、气体分布板，14、进/卸料口，15、循环流化床反应器，16、内置电加热板，17、内置换热管，18、汽粒分离器，19、冷凝器。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
鉴于现有钙基材料储/放能体系在储/放能的过程中需要提供两种气态物质导致工艺流程复杂的问题，本发明提出了一种利用电石渣进行化学储/放能的装置及方法。
本发明的一种典型实施方式，提供了一种利用电石渣进行化学储/放能的装置，包括循环流化床反应器、汽粒分离器、水泵、电加热器和雾化喷嘴；
所述循环流化床反应器竖直设置，循环流化床反应器内设置电加热板和换热管，循环流化床反应器底部设置气体分布板，循环流化床反应器的流化气体进口设置在底部，循环流化床反应器的出气口设置在顶部，循环流化床反应器的底部侧壁分别开设循环固体进口和进料口，所述进料口设置为用于电石渣粉末的输送；
水泵的出口依次连接雾化喷嘴、电加热器、流化气体进口，水泵的进口设置为用于连接水箱，循环流化床反应器的出气口连接汽粒分离器的进口，汽粒分离器的固相出口连接循环流化床反应器的循环固体进口。
本发明采用电石渣粉末能够避免死床，从而在储/放能的过程中仅提供水蒸气就能实现上述目的。同时，电石渣粉末还能够增加原料的使用周期，降低成本。
本发明采用循环流化床反应器，能够弥补电石渣中Ca(OH)2纯度低导致能量储存与输出不足的问题。
本发明水泵、雾化喷嘴、电加热器依次连接，能够使水蒸气达到满足电石渣粉末的流化的要求。
本发明中雾化喷嘴通过管道与循环流化床反应器连接，电加热器设置在循环流化床反应器与雾化喷嘴之间的管道上。
循环流化床反应器内盛有电石渣粉末。
该实施方式的一些实施例中，包括冷凝器、一级水箱，汽粒分离器的气相出口依次连接冷凝器、一级水箱。能够对水蒸气进行回收利用，避免浪费水。一级水箱的水出口连接水泵进口。实现水的循环利用。
在一种或多种实施例中，包括净化水箱，一级水箱的出口连接净化水箱。由于电石渣中含有大量杂质，采用净化水箱，能够进一步避免水蒸气携带部分杂质冷凝进入液态水中，提高液态水的回收利用效率。净化水箱的水出口连接水泵进口。实现水的循环利用。
在一种或多种实施例中，包括二级水箱，二级水箱开设补水口、进水口及出水口，二级水箱的进水口连接净化水箱的水出口，二级水箱的出水口连接水泵进口，补水口连接水源。通过二级水箱能够对水进行循环利用，同时避免出现水量不足的问题。
该实施方式的一些实施例中，雾化喷嘴的出口管道设置转换阀，转换阀的一个进口连接雾化喷嘴的出口，转换阀的另一个进口连接风机。储能或放能后，能够利用热空气对循环流化床反应器进行干燥，防止物料结块。
本发明的另一种实施方式，提供了一种利用电石渣进行化学储/放能的方法，提供上述装置，包括储能过程和放能过程；
储能过程：将水进行雾化形成水雾，将水雾加热形成水蒸气，水蒸气在分布板的作用下将电石渣粉末流化，电能通过电加热板转化为热能将电石渣粉末中的Ca(OH)2加热分解为氧化钙，然后气固混合物经过汽粒分离器分离，分离后的固体进入循环流化床反应器内；
放能过程：将水进行雾化形成水雾，将水雾加热形成温度低于200℃的水蒸气，水蒸气在分布板的作用下将加热分解后的电石渣粉末流化，电能通过电加热板加热至450±5℃后停止加热，加热分解后的电石渣粉末中的氧化钙与水进行反应放出热量，放出的热量一部分与换热管中的换热介质进行换热，另一部分用来维持反应器中的反应温度，汽粒分离器分离的固体进入循环流化床反应器内。
该实施方式的一些实施例中，汽粒分离器分离的气体经过冷凝后储存。储存的水用于制备水蒸气。
该实施方式的一些实施例中，冷凝后的水经过净化后进行储存，并用于制备水蒸气。
该实施方式的一些实施例中，储能后或放能后，向循环流化床反应器内通入热空气进行干燥。
本发明的第三种实施方式，提供了一种上述利用电石渣进行化学储/放能的装置或利用电石渣进行化学储/放能的方法在调节锅炉发电中的应用。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
一种利用电石渣进行化学储/放能的装置，如图1所示，包括一级水箱1、一级阀门2、净化水箱3、排渣口4、补水口5、二级水箱6、二级阀门7、水泵8、雾化喷嘴9、转换阀10、风机11、电加热器12、气体分布板13、进/卸料口14、循环流化床反应器15、内置电加热板16、内置换热管17、汽粒分离器18、冷凝器19。
将粉末状电石渣直接通过进/卸料口14放入循环流化床反应器15内，无需进行筛分；储能过程中，关闭一级阀门2，开启二级阀门7，二级水箱6中预存的液态水通过水泵8进入雾化喷嘴9，产生雾化的液滴群，液滴群被电加热器12加热汽化变为水蒸气；水蒸气经由气体分布板13进入循环流化床反应器15，在反应器下部形成均匀的汽流，对循环流化床反应器15中的粉末状电石渣进行流态化；在气固流态化过程中电站多余的电能便通过内置电加热板16转化为热能对循环流化床反应器15中的气固反应进行加热；循环流化床反应器15内温度达到550℃左右时电石渣中的固体Ca(OH)2便会发生吸热反应，分解成CaO固体和水蒸气；大颗粒的固体物料始终在循环流化床反应器15内运动，少量小颗粒物料会随水蒸气逃逸出循环流化床反应器15，因此在流经汽粒分离器18时实现固体颗粒与水蒸气的分离，将固体颗粒返回循环流化床反应器15，高温水蒸气则进入冷凝器19，水蒸气通过冷凝变为液态水储存在一级水箱1中，这部分释放的显热和汽化潜热可用于加热生活热水；至此储能过程结束。
储能过程结束后，对反应后的液态水进行净化，开启一级阀门2，关闭二级阀门7，一级水箱1中的液态水进入净化水箱3进行水中杂质的处理，净化后的水进入二级水箱6，杂质通过排渣口4排放。若净化水量不足，可通过二级水箱6的补水口5进行补充。
在储能结束后调节转换阀10打开风机11，将空气经过加热并通入循环流化床反应器15内，对循环流化床反应器15进行流态化干燥处理，待物料完全干燥后停止通入热空气，可使物料在干燥条件下储存，防止物料结块。
放能过程中，关闭一级阀门2，开启二级阀门7，二级水箱6中的液态水通过水泵8进入雾化喷嘴9，产生雾化的液滴群，液滴群被电加热器12加热汽化变为水蒸气；水蒸气经由气体分布板13进入循环流化床反应器15，在反应器下部形成均匀的汽流，对循环流化床反应器15中的以CaO固体粉末为主的物料进行流态化；内置电加热板16需要将循环流化床反应器15中的温度加热至450℃左右，随后便可以停止加热；在气固流态化过程中CaO固体和水蒸气发生放热反应生成固体Ca(OH)2，反应释放出的高温热量通过内置换热管17传递给锅炉系统用于产生电能；大颗粒的固体物料始终在循环流化床反应器15内运动，少量小颗粒物料会随水蒸气逃逸出循环流化床反应器15，因此在流经汽粒分离器18时实现固体颗粒与水蒸气的分离，将固体颗粒返回循环流化床反应器15，高温水蒸气则进入冷凝器19，水蒸气通过换热变为液态水储存在一级水箱1中，这部分释放的显热和汽化潜热可用于加热生活热水；至此放能过程结束。
在放能结束后调节转换阀10打开风机11，将空气经过加热并通入循环流化床反应器15内，对循环流化床反应器15进行流态化干燥处理，待物料完全干燥后停止通入热空气，可使物料在干燥条件下储存，防止物料结块。
电石渣的品质会随储能/放能过程的交替性进行而下降，因此当其储能性能无法满足要求时，可以通过进/卸料口14进行更换。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种利用电石渣进行化学储/放能的方法，其特征是，提供一种利用电石渣进行化学储/放能的装置，所述装置包括循环流化床反应器、汽粒分离器、水泵、电加热器和雾化喷嘴；
所述循环流化床反应器竖直设置，循环流化床反应器内设置电加热板和换热管，循环流化床反应器底部设置气体分布板，循环流化床反应器的流化气体进口设置在底部，循环流化床反应器的出气口设置在顶部，循环流化床反应器的底部侧壁分别开设循环固体进口和进料口，所述进料口设置为用于电石渣粉末的输送；
水泵的出口依次连接雾化喷嘴、电加热器、流化气体进口，水泵的进口设置为用于连接水箱，循环流化床反应器的出气口连接汽粒分离器的进口，汽粒分离器的固相出口连接循环流化床反应器的循环固体进口；
所述方法包括储能过程和放能过程；
储能过程：将水进行雾化形成水雾，将水雾加热形成水蒸气，水蒸气在气体分布板的作用下将电石渣粉末流化，电能通过电加热板转化为热能将电石渣粉末中的Ca(OH)2加热分解为氧化钙，然后气固混合物经过汽粒分离器分离，分离后的固体进入循环流化床反应器内；
放能过程：将水进行雾化形成水雾，将水雾加热形成温度低于200℃的水蒸气，水蒸气在气体分布板的作用下将加热分解后的电石渣粉末流化，循环流化床反应器通过电加热板加热至450±5℃后停止加热，加热分解后的电石渣粉末中的氧化钙与水进行反应放出热量，放出的热量一部分与换热管中的换热介质进行换热，另一部分用来维持反应器中的反应温度，汽粒分离器分离的固体进入循环流化床反应器内。
2.如权利要求1所述的利用电石渣进行化学储/放能的方法，其特征是，所述装置包括冷凝器、一级水箱，汽粒分离器的气相出口依次连接冷凝器、一级水箱。
3.如权利要求2所述的利用电石渣进行化学储/放能的方法，其特征是，所述装置包括净化水箱，一级水箱的出口连接净化水箱。
4.如权利要求3所述的利用电石渣进行化学储/放能的方法，其特征是，所述装置包括二级水箱，二级水箱开设补水口、进水口及出水口，二级水箱的进水口连接净化水箱的水出口，二级水箱的出水口连接水泵进口，补水口连接水源。
5.如权利要求1所述的利用电石渣进行化学储/放能的方法，其特征是，雾化喷嘴的出口管道设置转换阀，转换阀的一个进口连接雾化喷嘴的出口，转换阀的另一个进口连接风机。
6.如权利要求1所述的利用电石渣进行化学储/放能的方法，其特征是，汽粒分离器分离的气体经过冷凝后储存。
7.如权利要求6所述的利用电石渣进行化学储/放能的方法，其特征是，冷凝后的水经过净化后进行储存，并用于制备水蒸气。
8.如权利要求1所述的利用电石渣进行化学储/放能的方法，其特征是，储能过程后或放能过程后，向循环流化床反应器内通入热空气进行干燥。
9.一种权利要求1所述的利用电石渣进行化学储/放能的方法在调节锅炉发电中的应用。
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