氧化钙-氢氧化钙热化学储热系统放热数值分析

热化学储热与显热、潜热储热相比,储热密度高且能够实现常温下季节性储热。基于氧化钙-氢氧化钙热化学储热系统,建立了二维轴对称非稳态气固化学反应模型,对直接传热式氧化钙-氢氧化钙储热装置的放热过程进行了研究,并分析了压力、流量、床体孔隙率、床体高度等参数对放热过程的影响。该模型耦合了气固化学反应、多孔介质内的传热传质和流体流动。模拟结果表明,在反应床内存在一个反应速率较快的区域,随着放热的进行该区域由入口逐渐向出口移动;压力、流量分别是影响出口温度、放热功率的主要因素;改变反应物高度,系统的最大放热功率不变。

基于分子动力学的热化学储能过程中CaO/Ca(OH)_(2)分子扩散机制研究

在CaO/Ca(OH)_(2)热化学储能过程中,CaO晶粒的结构演变会影响材料的储能和机械性能.本文通过分子动力学模拟研究了热化学储能过程中CaO/Ca(OH)_(2)晶粒中分子的扩散强度和晶格结构的变化.结果表明,脱水反应过程中Ca(OH)_(2)分子的运动符合体扩散机制.其中,O/H原子的扩散指前因子为7.9×10^(-8)m^(2)/s,而Ca原子的扩散指前因子仅为4.7×10^(-8) m^(2)/s,O/H的快速扩散破坏了材料原有的晶格结构,使得脱水后CaO的结晶度降低.在水合反应过程中,CaO晶粒外层分子的扩散指前因子为3.2×10^(-8) m^(2)/s,为内层分子的2.5倍,CaO分子扩散符合表面扩散机制.由于水合过程中CaO分子的整体扩散强度较弱,因此对CaO晶格结构影响较小.从分子层面揭示了CaO/Ca(OH)_(2)分子在热化学储能过程中的扩散机制.

基于CFD-DEM的新型挡板式移动床反应器内Ca(OH)_(2)/CaO热化学储能过程模拟

Ca(OH)_(2)/CaO热化学储能技术因其高储能密度和低成本等优势而备受关注,被认为是一种具有潜力的新型储能技术。普通的固定床反应器存在Ca(OH)_(2)颗粒储热速率过低的问题,为改善储能速率,引入了一种挡板式移动床结构,并采用计算流体力学与离散元耦合方法(CFD-DEM)对重力作用下移动反应床内Ca(OH)_(2)颗粒的储热过程进行了研究。相比多孔渗流模型,CFD-DEM更接近真实的流动情况,能提供颗粒尺度的物理信息。结果表明,相同条件下移动床能获得比固定床更高的储能速率,证明了将移动床用作热化学反应器的可行性;移动床内挡板的引入能有效延长颗粒在反应器中的停留时间,从而提高反应器的储能速率与能源利用率,但也会增加气体侧的压降。提高反应器进口气体温度能提高储能速率;在一定范围内提升进口气体流速可提高储能速率,但过高的流速可能引起堵塞,导致储能速率降低;进口固体流量存在最优值,使反应床的总储能速率最高。

基于CaO/CaCO_(3)的高温热化学储能改性机制研究

基于CaO/CaCO_(3)循环的热化学储能体系由于CaO晶粒的烧结导致储能性能下降。本文从晶格能的角度为材料改性提供筛选标准,发现相结合的改性机制下的高价态金属氧化物能够提升储能材料的循环稳定性。以柠檬酸钙为CaO的前驱体并添加10%摩尔分数TiO_(2)的钙基材料,经15次循环后有效转化率高达0.66,是未改性钙基材料的2.1倍。在材料的制备过程中掺杂TiO_(2)后形成部分CaTiO_(3)的复合相,经改性后的储能材料表观粒径小且能够保持复杂的孔结构,抗烧结性能好。

CaO/Ca(OH)_(2)核壳结构颗粒的制备及其储热性能

热化学储热具有储热密度高,可实现跨季节储热的优点。在中高温储热领域,氧化钙/氢氧化钙储热系统目前仍存在储热材料易结块、难以流态化等问题。本文通过在氢氧化钙颗粒外包覆一层烧结的碳化硅陶瓷壳的方法,制备了一种可用于氧化钙/氢氧化钙储热系统的具有核壳结构的储热颗粒。研究表明,该核壳结构颗粒壳体和芯体的内部孔隙呈现出不同的孔径分布,壳体的孔径大于内部芯体的孔径,因此壳体的包裹对于内部氢氧化钙的储放热反应进程影响较小,相对于纯氢氧化钙,核壳结构颗粒在反应速率和力学性能方面也有所提升。表征结果显示,颗粒的壳体化学性质较为稳定,不会与氢氧化钙发生反应导致储热密度的降低。此外,该核壳结构颗粒具有较好的循环稳定性,在空气氛围下,对所制备颗粒进行了25次储放热循环,发现该颗粒储热密度的下降在20%以内且未发生开裂和破碎。颗粒储热密度的下降是由于氢氧化钙与空气中的二氧化碳反应生成了碳酸钙,经过高温煅烧除去碳酸钙后,颗粒的储热密度可恢复至初始储热密度的96.7%。综上,本工作制备储热颗粒对热化学储热技术的实际应用具有重要意义。

快速反应热重分析仪的开发和基础特性

热能储存是提高能量利用效率的重要途径。基于Ca(OH)_(2)/CaO的流态化热化学储热可实现大规模热能的快速储存和释放,因此研究Ca(OH)_(2)/CaO在流态化条件下的反应动力学尤为重要。热重分析仪(TGA)无法为Ca(OH)_(2)提供恒温反应条件,且传质抑制现象显著。基于此,提出了一种快速反应热重分析仪,相比常规TGA,其可为Ca(OH)_(2)/CaO提供更接近流态化的反应条件。通过快速移动高温反应器和实施高速吹扫气,快速反应热重分析仪可为储热材料提供更高的升温速率和更好的传质条件。通过一系列解耦试验,明确了反应器温度、反应器移动速度和吹扫气流对快速反应热重分析仪性能的影响。利用分析纯Ca(OH)_(2)进行测试,对比快速反应热重分析仪和TGA获得的材料转化率,发现偏差仅为0.81%,证明了快速反应热重分析仪的准确性。