CN115475578A - 一种卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置，包括：依次相连的进料输送单元，储放热反应单元，气固分离单元。本发明提出的卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置，通过设置进气挡板、旋转轴、搅拌叶片和气固分离机构，搅拌叶片对物料进行不断搅拌和抛洒，使气固反应物料之间充分接触与反应，不仅能够提升反应过程中的传热性能，还能缓解粉末的团聚行为，并充分的回收反应结束产生的固体粉末，从而提高了热化学反应的储放热效果和循环性能。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种热化学储热领域的技术，具体是一种卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置。
背景技术
热化学储热是一种通过可逆化学反应来存储能量的储热技术，能够有效解决可再生能源和工业余热废热资源的间歇性问题，从而有效促进能源的高效利用。
目前热化学储放热的反应装置主要分为以下几类：固定床反应器、移动床反应器、回转窑反应器和流化床反应器。由于反应固体的低导热系数(0.113W/m/K)，固定床反应器存在反应时间长，传热效率低的问题。移动床反应器的反应性能主要受到反应固体流动性差的限制。而回转窑反应器需要考虑装置的密封性和粉末堵塞问题。相比于前三类反应器，流化床反应器能够实现更优异的反应效果，但是粉末的团聚、机械磨损和难以流化的问题也阻碍了它的工业化应用。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于现有技术中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明的目的是提供一种卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置，为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置，其包括，输送单元包括，固体粉末储存仓、固体粉末进料口和反应气体进气口，所述固体粉末储存仓和所述固体粉末进料口相连；储放热反应单元包括，反应器、进气挡板、旋转轴、搅拌叶片、溢流挡板、固体出口、气体出口和电机，所述旋转轴由所述电机相连带动旋转，所述固体出口和气体出口分别设置在所述储放热反应单元下游的上端和下端，所述进气挡板设置在所述反应气体进气口附近，所述溢流挡板设置在所述固体出口前，所述固体粉末进料口与所述反应气体进气口设置在储放热反应单元的上端；气固分离单元包括，依次相连的U型分离机构、下行锥形导流板分离机构、旋风分离器和固体收集仓，所述U型分离机构与所述气体出口相连，所述固体收集仓同时与所述U型分离机构、所述下行锥形导流板分离机构和所述旋风分离器相连。
作为本发明所述卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置的一种优选方案，其中：所述固体粉末储存仓中存储的固体粉末为Ca(OH)2/CaO或CaCO3/CaO。
作为本发明所述卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置的一种优选方案，其中：所述固体粉末进料口处设置有第一流量控制器，所述反应气体进气口处设置有第二流量控制器，所述气体出口设置有第三流量控制器。
作为本发明所述卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置的一种优选方案，其中：所述反应器的内壁、旋转轴和搅拌叶片上喷有防粘涂层，所述防粘涂层为氮化硼涂层，反应器外侧设置外包加热层。
作为本发明所述卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置的一种优选方案，其中：所述进气挡板与所述反应气体进气口侧相连，所述进气挡板的高度为所述反应器内径的0.6～0.8倍。
作为本发明所述卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置的一种优选方案，其中：所述旋转轴可以控制转速，所述旋转轴上设置有多个搅拌叶片，且多个所述搅拌叶片分级交错设置。
作为本发明所述卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置的一种优选方案，其中：所述旋转轴转速控制范围为200～250rpm。
作为本发明所述卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置的一种优选方案，其中：所述的反应器的轴向与水平存在0～5°的倾角。
作为本发明所述卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置的一种优选方案，其中：所述U型分离机构内部设置两块对称的固体粉末挡板。
作为本发明所述卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置的一种优选方案，其中：所述下行锥形导流板分离机构中设有一个锥形导流板，并与一根长垂直杆相连。
本发明的有益效果：本发明整体优化并解决了现有热化学储放热反应装置中存在的传热效果差，物料流动性差，循环性能低的问题。
与现有技术相比，本发明提供的卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置，通过设置进气挡板、旋转轴、搅拌叶片和气固分离机构，并控制进料流量、旋转速度和反应器倾角，搅拌叶片对物料进行不断搅拌和抛洒，使气固反应物料之间充分接触与反应，不仅能够提升反应过程中的传热性能，还能缓解粉末的团聚行为，并充分的回收反应结束产生的固体粉末，从而提高了热化学反应的储放热效果和循环性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置的整体系统图。
图2为卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置的输送单元系统图。
图3为卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置的储放热反应单元。
图4为卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置的气固分离单元。
图5为卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置的反应器涂层示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
参照图1～图5，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置，包括输送单元100包括，固体粉末储存仓101、固体粉末进料口102和反应气体进气口103；储放热反应单元200包括，反应器201、进气挡板202、旋转轴203、搅拌叶片204、溢流挡板205、固体出口206、气体出口207和电机208；气固分离单元300包括，依次相连的U型分离机构301、下行锥形导流板分离机构302、旋风分离器303和固体收集仓304。
具体的，所述固体粉末储存仓101和所述固体粉末进料口102相连，所述旋转轴203由所述电机208相连带动旋转，所述固体出口206和气体出口207分别设置在所述储放热反应单元200下游的上端和下端，所述进气挡板202设置在所述反应气体进气口103附近，所述溢流挡板205设置在所述固体出口206前，所述固体粉末进料口102与所述反应气体进气口103设置在储放热反应单元200的上端，所述U型分离机构301与所述气体出口207相连，所述固体收集仓304同时与所述U型分离机构301、所述下行锥形导流板分离机构302和所述旋风分离器303相连。
优选的，所述固体粉末储存仓101中存储的固体粉末为Ca(OH)2/CaO或CaCO3/CaO，所述固体粉末进料口102处设置有第一流量控制器102a，所述反应气体进气口103处设置有第二流量控制器103a，所述气体出口207设置有第三流量控制器207a，所述反应器201的内壁、旋转轴203和搅拌叶片204上喷有防粘涂层M，所述防粘涂层M为氮化硼涂层，反应器201外侧设置外包加热层N。
较佳的，所述进气挡板202与所述反应气体进气口103侧相连，所述进气挡板202的高度为所述反应器201内径的0.6～0.8倍，所述旋转轴203可以控制转速，所述旋转轴203上设置有多个搅拌叶片204，且多个所述搅拌叶片204分级交错设置，所述旋转轴203转速控制范围为200～250rpm，所述的反应器201的轴向与水平存在0～5°的倾角，所述U型分离机构301内部设置两块对称的固体粉末挡板301a，所述下行锥形导流板分离机构302中设有一个锥形导流板302a，并与一根长垂直杆302b相连。
在本实施例中，采用Ca(OH)2/CaO或CaCO3/CaO进行相应的热化学储放热反应。具体在实施时，固体粉末从固体粉末储存仓中通过固体粉末进料口进入到反应器内，气体通过反应气体进气口通入到反应器内，并可以通过流量控制器检测流入到反应器内的流量，在进气挡板的阻挡下，气体会从反应器下部进入到搅拌叶片所在的区域，在电机带动旋转轴旋转的作用下，搅拌叶片对固体粉末进行不断搅拌和抛洒，使气固反应物料之间进行充分接触与反应，同时剩余气体或产生的气体通过气体出口进入到气固分离单元，固体粉末则直接通过固体出口进入到固体收集仓中，以进行下一步的回收利用，气体依次经过U型分离机构、下行锥形导流板分离机构和旋风分离器，最终完成气固分离过程。
在本实施例中，所述的固体粉末进料口处设置有流量控制器，所述的反应进气口和气体出口处均设置有气体流量控制装置，因此，可以实现对固体粉末和气体的进入和排出速度的控制，从而对储放热反应过程进行控制，即能够使反应物充分反应，提升储放热效果。
在本实施例中，通过设置进气挡板与进气口侧相连，使反应气体能够进入到反应器的下部，与固体粉末充分接触，挡板高度为所述的反应器内径的0.6～0.8倍。
在本实施例中，旋转轴可以控制转速，转速控制的范围为200～250rpm，高转速的叶片能够充分带动物料的流动，以实现物料的机械流态化，传热方式转变为以对流/辐射传热为主导。
在本实施例中，旋转轴上设置有搅拌叶片，搅拌叶片的数量可以为多个，通过分级交错的形式来设置多个搅拌叶片，能够有效减小反应器内部的滞止区，有助于储放热反应快速、完全的进行，从而进一步提高储放热反应的效率。
需要说明的是，在本实施例中，搅拌叶片的具体形状不做限定，只要保证搅拌叶片能够使物料实现不断的抛洒，气固之间能够充分接触与反应即可。
在本实施例中，搅拌叶片与固体材料的碰撞及抛洒作用，抑制了钙基固体材料在反应循环过程中的团聚现象，保证固体以粉末形式存在能够增强物料的循环稳定性。
在本实施例中，溢流挡板的高度并未有特定的限制，仅需根据反应过程的固体填充量来确定相应的高度即可。
在本实施例中，所述的U型分离机构、下行锥形导流板分离机构、旋风分离器依次相连，可以对气体带出的固体粉末进行多级分离，即防止了物料的损失，有助于资源的循环利用，提升了分离效率。
在本实施例中，气体进入到所述的U型分离机构中，由于惯性力的作用，固体粉末与气相脱离，并立即与U型分离机构的底部碰撞，完成第一级气固分离。
在本实施例中，所述的U型分离机构内部设置两块对称的固体粉末挡板，固体粉末挡板的具体尺寸不做限定，只要达到抑制固体粉末随气体带出，进一步提升气固分离效果的目的即可。
在本实施例中，可以在所述的U型分离机构左侧底部设置一个观察孔，以便观测气固分离的进程。
在本实施例中，所述的下行锥形导流板分离机构中设有一个锥形导流板，并与一根长垂直杆相连，通过拉动长垂直杆来调节锥形导流板与下部管口的距离，增强气固分离效果。所述的锥形导流板的顶角为60°。
在本实施例中，气体进入到所述的下行锥形导流板分离机构中，锥形导流板将气体中的粉末引导到内壁上，然后顺着内壁落入固体收集流道，最后进入到固体收集仓中。与此同时，由于压力的变化，气流急剧转向与粉末脱离，进入到旋风分离器中。
在本实施例中，所述的旋风分离器不存在特定的限制，旋风分离器的尺寸结构和处理量只需与储放热反应器适配即可。
在本实施例中，所述的固体收集仓的容量应考虑反应过程中固体的排出量，使反应后的固体和气固分离后回收的固体得以储存。固体收集仓还必须具备良好的防堵塞性能，以保证固体下一步利用过程中稳定的流出。另外，由于反应后的固体温度较高，固体收集仓应具备良好的保温性能来减少散热损失，以便回收固体的高温显热。
为了防止低导热系数的固体粉末粘结在反应装置的壁面上，继而引起传热性能降低，在本实施例中，所述的反应器的内壁、旋转轴和搅拌叶片上喷有防粘涂层，采用氮化硼涂层。
在本实施例中，反应器的加热形式为在反应器外侧设置外包加热层，以实现对反应器稳定、快速的供热。
在本实施例中，空心圆和实心圆分别代表固体反应物和反应产物，可以看到，反应物和反应产物在径向上均有分布，而不是集中在内壁附近，这是因为采用卧式协同搅拌的形式，实现了物料的机械流态化，强烈的物料流动与抛洒作用，使热量能够迅速传递到反应器内各个部位，从而得到均匀的温度场，使反应可以在整个反应器内迅速发生，储放热速率得到明显加快。
需要说明的是，在本实施例中，所述的反应器的轴向与水平方向存在0～5°的倾角，以保证反应过程的连续性，并减少人工操作的成本，有助于该反应装置商业化的推广与应用。
表1热化学储放热反应装置的对比
参照表1，在本实施例中，与现有的热化学储放热反应装置相比，所述的卧式搅拌床反应装置在传热性能、传质性能、设备操作运行等方面都具有明显的优势，只需提供少量额外的辅助能源以驱动旋转部件运行，就可以提升反应装置的传热传质性能和储放热效果。经计算，反应器到床层的有效传热系数可以达到150W/m2/K以上。所述的卧式搅拌床反应装置可以连续运行，通过改变搅拌叶片的形状、数量以及转速等，可以有效地调节停留时间。所述的卧式搅拌床反应装置设有多级气固分离单元，经模拟计算，气固分离效率可以达到99％以上，物料的收集效率良好。
重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或与实现本发明不相关的那些特征)。
应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置，其特征在于：包括，
输送单元(100)包括，固体粉末储存仓(101)、固体粉末进料口(102)和反应气体进气口(103)，所述固体粉末储存仓(101)和所述固体粉末进料口(102)相连；
储放热反应单元(200)包括，反应器(201)、进气挡板(202)、旋转轴(203)、搅拌叶片(204)、溢流挡板(205)、固体出口(206)、气体出口(207)和电机(208)，所述旋转轴(203)由所述电机(208)相连带动旋转，所述固体出口(206)和气体出口(207)分别设置在所述储放热反应单元(200)下游的上端和下端，所述进气挡板(202)设置在所述反应气体进气口(103)附近，所述溢流挡板(205)设置在所述固体出口(206)前，所述固体粉末进料口(102)与所述反应气体进气口(103)设置在储放热反应单元(200)的上端；
气固分离单元(300)包括，依次相连的U型分离机构(301)、下行锥形导流板分离机构(302)、旋风分离器(303)和固体收集仓(304)，所述U型分离机构(301)与所述气体出口(207)相连，所述固体收集仓(304)同时与所述U型分离机构(301)、所述下行锥形导流板分离机构(302)和所述旋风分离器(303)相连。
2.如权利要求1所述的卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置，其特征在于：所述固体粉末储存仓(101)中存储的固体粉末为Ca(OH)2/CaO或CaCO3/CaO。
3.如权利要求2所述的卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置，其特征在于：所述固体粉末进料口(102)处设置有第一流量控制器(102a)，所述反应气体进气口(103)处设置有第二流量控制器(103a)，所述气体出口(207)设置有第三流量控制器(207a)。
4.如权利要求3所述的卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置，其特征在于：所述反应器(201)的内壁、旋转轴(203)和搅拌叶片(204)上喷有防粘涂层(M)，所述防粘涂层(M)为氮化硼涂层，反应器(201)外侧设置外包加热层(N)。
5.如权利要求4所述的卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置，其特征在于：所述进气挡板(202)与所述反应气体进气口(103)侧相连，所述进气挡板(202)的高度为所述反应器(201)内径的0.6～0.8倍。
6.如权利要求5所述的卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置，其特征在于：所述旋转轴(203)可以控制转速，所述旋转轴(203)上设置有多个搅拌叶片(204)，且多个所述搅拌叶片(204)分级交错设置。
7.如权利要求6所述的卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置，其特征在于：所述旋转轴(203)转速控制范围为200～250rpm。
8.如权利要求7所述的卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置，其特征在于：所述的反应器(201)的轴向与水平存在0～5°的倾角。
9.如权利要求8所述的卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置，其特征在于：所述U型分离机构(301)内部设置两块对称的固体粉末挡板(301a)。
10.如权利要求9所述的卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置，其特征在于：所述下行锥形导流板分离机构(302)中设有一个锥形导流板(302a)，并与一根长垂直杆(302b)相连。
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| CN202211053940.8A CN115475578A (zh) | 2022-08-30 | 2022-08-30 | 一种卧式协同搅拌的气固热化学储放热反应装置 |
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2022
- 2022-08-30 CN CN202211053940.8A patent/CN115475578A/zh active Pending
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