CaO基材料储能辅助燃煤电站碳捕集研究进展

化石燃料大规模燃烧产生的CO_2加剧了温室效应,钙循环技术不仅能实现低能耗碳捕集,也是热化学储能的重要方法之一。为应对全球气候变暖问题,可再生能源大规模开发与利用,太阳能具有大规模工业应用的广阔前景。然而,太阳辐射具有间歇性,热化学储能技术应运而生。笔者介绍了燃煤电站CaO储能辅助碳捕集系统以及太阳能热发电站基于钙循环的高温储能技术,分析了煅烧条件、材料颗粒粒径等因素对CaO基材料循环储能性能的影响,并介绍了提高CaO基材料储能活性和稳定性的多种方法:用机械掺混、化学燃烧合成等方式制备CaO/Al_2O_3、CaO/MgO、CaO/SiO_2多种复合储能材料。结果表明,燃煤电站CaO储能系统可提高发电效率、减少机组煤耗量、实现CO_2减排;CaO/CaCO3高温热化学系统储能密度高达3. 2 GJ/m~3,储能循环稳定性高,能够实现能量长期无热损储存;惰性载体(Al_2O_3、MgO、SiO_2)的加入可以提高CaO储热循环活性和稳定性。基于CaO基材料碳酸化/煅烧反应(钙循环)的高温热化学储能具有巨大应用前景。此外,分析了当前CaO基材料储能存在的问题以及研究难点,并对储能研究方向进行展望。目前CaO基材料储能循环活性降低,高效储能装置距离实际应用还有一定差距。CaO基储能材料制备应向高储能密度、高循环活性方向发展,整体发电效率提高是储能系统优化的关键。     

钙循环捕集CO2后CaO的水合/脱水热化学储热性能

提出了基于CaO的钙循环捕集CO₂与CaO/Ca(OH)₂体系热化学储热耦合新工艺，在双固定床反应器上，研究了循环捕集CO₂中煅烧条件和碳酸化条件对CaO储热性能的影响，探究CaO循环捕集CO₂过程和循环水合/脱水储热过程的相互作用。研究表明，多次循环碳酸化/煅烧捕集CO₂后CaO仍具有较高储热性能，10次循环捕集CO₂后再经10次储热循环，CaO水合转化率可达0.66mol/mol。与苛刻煅烧条件相比，温和煅烧条件下经历多次循环捕集CO₂后CaO的储热性能更高。在碳酸化气氛中加入水蒸气对经历多次循环捕集CO₂后CaO储热性能的影响不大。钙循环捕集CO₂过程和水合/脱水循环储热过程能够相互促进。该工艺有望同时实现CO₂捕集和储热，具有一定的应用前景。     

太阳能热化学储能研究进展

太阳能热发电技术对缓解全球资源紧张和改善环境有广阔的应用前景,大规模高温无损储热是太阳能热发电系统的关键。本文通过对显热储能、潜热储能和热化学储能3种热能储存方式的比较,认为热化学储能方法由于储能密度高,且可长期在环境温度下无热损储存,因而为太阳能热发电中的高温热能储存提供了一种潜在的方法。并对热化学储能在太阳能热力发电的应用上进行了技术经济分析,综述了几种有前景的热化学储能体系的研究进展,总结了各种储能体系的现存问题。根据热化学储能方法在实用化过程中存在的技术经济问题,指出了热化学储能技术的未来研究方向是储能反应器的设计、能量储存/释放循环性能探究、储能体系的选择及热化学储能系统的中试放大研究等。     

基于钙镁二元盐的热化学储能反应器的性能优化

水合盐热化学储能技术储能密度高、再生温度与太阳能集热器的温度一致，在提高太阳能的利用和缓解能源紧张方面具有很好的应用前景，其中热化学储能反应器的设计优化则是重要环节。本文针对硅藻土(WSS)+MgCl₂/2CaCl₂热化学储能系统，对填充床反应器建立了二维数值模型，对填充床的放热过程进行了研究，分析了钙镁二元盐含量、粒径大小、填充床高度对填充床放热过程的影响。数值模拟结果表明，填充床出口空气温升随粒径减小而增大；填充床出口空气温升的衰减速度随钙镁二元盐含量增大而减小，随粒径减小而增大，随填充床高度增大而减小；填充床的放热功率和储能密度随盐含量增大而增大，随粒径减小而增大，填充床高度增大时，填充床放热功率增大，而储能密度则减小。采用粒径为2mm的WSS20颗粒，填充高度为10cm的填充床反应器储能密度达到0.985GJ/m³，几乎是水的4倍。     

中高温钙基材料热化学储热的研究进展与展望

热化学储热由于能量密度高,材料适宜于长时储存和远距离运输,成为高效储热新兴的研究热点。钙基材料热化学储热成本低且无毒无污染,具有广阔应用前景。总结了目前热化学储热的主要体系及分类,针对中高温钙基热化学储热技术从材料改性、反应器设计及系统集成应用三个层面的研究进展进行综述。探讨钙基热化学储热技术研究中面临的挑战与机遇,并对今后的研究与发展方向提出了建议。     

固废源CaO基CO2捕集材料的制备与捕集性能研究进展

CO₂捕集技术是当前应对全球气候变化、缓解温室效应的重要途径。利用含钙固体废弃物制备高效CaO基CO₂捕集材料有利于实现固废资源高值化利用、以废治废和清洁生产,具有重要的环境效益、经济效益和社会效益。基于固废源高效廉价CaO基CO₂捕集材料的良好应用前景,本文介绍了工业废渣、生物质和其他含钙固体废弃物的产生与资源化利用现状,综述了CaO基吸附剂的捕集原理、碳酸化动力学过程和CO₂捕集性能,对比了以不同含钙固体废弃物为前驱体制备CaO基吸附剂的吸附-脱附循环性能和不同改性方法对其吸附稳定性的影响,从经济角度分析了固废源CaO基吸附剂在钢铁厂、燃煤电厂和生物制氢中的应用潜力,展望了固废源CaO基CO₂捕集材料的应用前景和发展方向。该文旨在为固废源CaO基吸附剂前驱体的选择、吸附性能的提高和固废吸附材料的工业应用提供帮助。     

掺杂Ce、Zr对CO2钙基吸附剂循环特性的影响

利用湿法混合-煅烧法将元素Ce、Zr掺杂到CO₂钙基吸附剂中,利用热重分析仪(TGA)研究了24种改性钙基吸附剂吸附CO₂的循环特性。研究发现:CeO₂散布在CaO晶粒之间可抑制晶粒融合,对吸附剂烧结有一定的阻碍作用;CeO₂可明显提高吸附剂在扩散控制阶段对CO₂的吸附速率,原因在于CeO₂中丰富的氧空位可促进CO₂以离子迁移的方式穿过表面产物层到达内部与CaO反应;吸附剂中CeO₂含量越高,稳定性越强;ZrO₂与CaO高温化合成具有高塔曼温度的CaZrO₃,均匀分散在CaO晶粒间,构成稳固的支撑骨架,有效抑制了吸附剂烧结。     

热化学储能的研究现状与发展前景

综述了热化学储能方法的基本原理及特点,并对几种有应用前景的热化学储能体系的研究现状及现存问题进行了评述,包括无机氢氧化物的热分解、甲烷-二氧化碳重整、氨基热化学储能、金属氢化物分解和水合盐分解。结果表明热化学储能方法由于储能密度高且可长期无热损储存等独特优势在太阳能热力发电、高温余热回收等大规模兆瓦级储热领域具有广阔的应用前景。同时基于热化学储能方法在实际应用中存在的诸多问题,指出热化学储能未来的研究方向。     

钙基吸收剂循环吸收CO2技术的研究进展

阐述了对钙基吸收剂循环吸收CO₂技术的研究现状,包括各个可能因素对CaO碳酸化反应的影响,如吸收剂成分、颗粒特性、反应温度、反应时间、CO₂浓度等,并总结了各种CaO吸收CO₂反应动力学模型。同时对钙基吸收剂循环吸收CO₂技术未来的研究方向作了简述。     

基于太阳能蓄热过程的甲烷二氧化碳重整研究进展

热化学储能技术因为其储能密度高、热损小、能长距离运输等优点而成为保证太阳能长久稳定供应的关键技术。本文对基于甲烷二氧化碳重整反应的太阳能热化学储热系统研究现状进行了回顾,重点讨论了甲烷重整催化剂、重整反应器以及储能系统整体的传热特性等3个方向的研究进展。指出新型高效催化剂以及反应器开发和性能测试是目前该领域的主要研究方向。发现辐射热损失、非均匀温度分布特性、辐射热流的时变波动特性,以及由此造成的能量与化学反应的不匹配限制了热化学系统能量储存效率的进一步提高,并提出催化剂的催化特性与物性/结构参数依变关系,反应器辐射吸收特性、传热传质特性和反应特性之间的相互作用机制,以及系统时变动态特性与反应物流/辐射能流的匹配关系是建立甲烷重整热化学储能系统优化设计理论亟待解决的关键问题。     

氯化锰/氨热化学吸附储热的特性

热化学吸附储热具有储热损失小、储热密度高、可实现冷热复合储存等优点，近年来得到了广泛的关注。本文以MnCl₂/NH₃作为吸附储热工质对，基于热化学吸附技术构建了热化学吸附储热实验平台，对MnCl₂/NH₃热化学吸附系统的储热性能进行了理论分析和实验研究。结果表明：在解吸充热温度、吸附放热温度、冷凝/蒸发温度分别为162℃、45℃和25℃的运行条件下，试验获得的吸附储热密度最大，其值为1296.36kJ/kg MnCl₂或1101.90kJ/kg固化复合吸附剂。当放热温度从45℃增大到85℃时，热化学吸附储热系统的吸附储热效率从38.98%降低至24.08%。由于传热传质、化学反应动力学等因素的影响，相同运行工况下吸附储热系统实际所获得的储热性能要低于理论值。     

热化学复合吸附储热循环的理论及实验

对一种基于固-气可逆化学反应的热化学复合吸附储热循环的储热特性以及能量品位提升性能进行了理论分析,并以MnCl₂/SrCl₂/NH₃作为工质对进行了实验研究。理论分析表明,热化学复合吸附储热循环不仅可以降低外界驱动热源的温度并保证输出热能温度稳定,而且能大幅度地提升输出热能的温度品位。在MnCl₂和SrCl₂都参与放热的实验工况下,获得的储热效率为93.31%。MnCl₂复合吸附剂的总储热密度按单位质量反应盐MnCl₂和单位质量的固化吸附剂计量分别为4393.36和3734.36 kJ·kg^-1;SrCl₂复合吸附剂的总储热密度按单位质量反应盐SrCl₂和单位质量的固化吸附剂计量分别为1947.28和1655.19 kJ·kg^-1。结果表明,热化学储热是一种相当有潜力的储热方式,可为低品位热能的高效回收利用提供强有力的技术支持。     

Flow characteristics simulation of spiral coil reactor used in the thermochemical energy storage system

According to environmental and energy issues, renewable energy has been vigorously promoted. Now solar power is widely used in many areas but it is limited by the weather conditions and cannot work continuously. Heat storage is a considerable solution for this problem and thermochemical energy storage is the most promising way because of its great energy density and stability. However, this technology is not mature enough to be applied to the industry. The reactor is an important component in the thermochemical energy storage system where the charging and discharging process happens. In this paper, a spiral coil is proposed and used as a reactor in the thermochemical energy storage system. The advantages of the spiral coil include simple structure, small volume, and so on. To investigate the flow characteristics, the simulation was carried out based on energy-minimization multi-scale model (EMMS) and Eulerian two-phase model. CaCO₃ particles were chosen as the reactants. Particle distribution was shown in the results. The gas initial velocity was set to 2 m·s^-1, 3 m·s^-1, and 4 m·s^-1. When the particles flowed in the coil, gravity, centrifugal force and drag force influenced their flow. With the Reynold numbers increasing, centrifugal and drag force got larger. Accumulation phenomenon existed in the coil and results showed with the gas velocity increasing, accumulation moved from the bottom to the outer wall of the coil. Besides, the accumulation phenomenon was stabilized when φ > 720°. Also due to the centrifugal force, a secondary flow formed, which means solid particles moved from the inside wall to the outside wall. This secondary flow could promote turbulence and mixing of particles and gas. In addition, when the particle volume fraction is reduced from 0.2 to 0.1, the accumulation at the bottom of the coil decreases, and the unevenness of the velocity distribution becomes larger.     

MnCl2-CaCl2-NH3再吸附温度提升系统储能特性

吸附储热因其储热密度高、储热周期长、工作模式灵活而备受关注。基于热化学变温再吸附原理,构建了低品位热能温度提升实验系统,并采用吸附工质对MnCl₂-CaCl₂-NH₃对其升温储能特性进行了理论分析和实验研究。结果表明在储热、释热温度分别为135℃和140℃的条件下,最大储热密度和最大潜热显热比分别为614 kJ·kg^-1、0.418。在储热、释热温度分别为125℃和130℃的条件下,最大储热效率为28.57%。实验验证了热化学温度提升系统的可行性。     

镁负载CaO基吸附剂捕集CO2性能及抗烧结机理

复合钙基吸附剂制备成本过高是限制其工业化应用的主要瓶颈问题。本文以不可溶的CaCO₃和Ca(OH)₂作为钙源,通过燃烧合成法制备钙镁复合吸附剂,在双固定床反应器上研究了其循环捕集CO₂性能。结果显示：制备得到的钙镁复合吸附剂具有更发达的孔隙结构,吸附剂表面Ca和Mg分散均匀,MgO均匀分布于CaO晶粒之间,有效提高了钙镁复合吸附剂的抗烧结特性,因此钙镁复合吸附剂循环反应过程中具有高捕集CO₂活性。以Ca(OH)₂作为钙源时,燃烧合成过程中Ca和Mg均匀同时析出,分散更加均匀,有效避免了CaCO₃作为钙源时Mg的团聚问题,因此得到的钙镁复合吸附剂循环捕集CO₂性能最优。最佳的Ca/Mg摩尔比为(8∶2)~(7.5∶2.5)。本研究以不可溶钙源制备得到高活性钙镁复合吸附剂,有效控制了吸附剂成本,具有更好的工程应用前景。     

氧化钙调理污泥气化过程中重金属的迁移转化规律

以CaO为主要成分的石灰常用于污泥的调理和稳定。为探究其对污泥气化过程中重金属迁移转化规律的影响,在沉降炉-固定床反应器和固定床上于600、800、1000℃进行了污泥的热解及气化实验,并分析了不同污泥样品、热解焦和气化灰中典型重金属（Mn、Zn、Cu、Cr、Ni）的含量及形态分布。结果表明,CaO的加入将稀释调理污泥中的重金属,并使Mn、Zn、Cr向稳定态转化;CaO会使重金属离子与OH-结合生成沉淀,继而在气化反应中分解成氧化物。在气化过程中,CaO会提高重金属的残留率,也会吸收其氯化物、硫酸盐等在高温下分解生成的HCl、SO₂等酸性气体,促使氧化物的生成和抑制重金属的释放。     

太阳能甲烷干重整复杂反应体系的热化学储能特性

基于热力学第一和第二定律对太阳能甲烷干重整复杂反应体系的热力学特性进行建模分析,研究该体系在不同太阳光照强度时的反应器温度响应及热化学储能特性,以及副反应和各部分能量损失对整个体系能量效率的影响规律。通过平衡常数法计算反应器平衡状态时的物质组成,并进而利用热力学模型计算不同条件下入口气转化率、选择性、功效率和能量转换效率的变化规律。结果表明：进料比n(CO₂)/n(CH₄)的升高有助于提高甲烷转化率、选择性、功效率和能量转换效率;反应器温度的变化对系统热化学储能特性的影响显著,在较低温区（923～1123K）,副反应较多,且随着温度的升高副反应逐渐受到抑制,积炭减少,功效率和能量转换效率逐渐升高,并在1123K时达到峰值;温度继续升高（>1123K）,反应器辐射损失显著增加,导致功效率和能量转换效率随温度升高而降低;高温区（>1200K）,副反应受到抑制,复杂反应体系的系统效率同单一反应体系趋于一致,副反应基本对系统性能无影响。