化学热管及其应用

化学热管及其 应用 杭州市化工 公司洪 芳柏 一 化学热管 的原理 见 图 热管 的原理已为人们所通晓 而化学热 管似乎是一个新鲜的名称 众所周知 普通 热管是利用密 闭在管内工质液相和 气相之 间 相变 的热焙变化来实现热能的传递的 而化 学热管是利用化学反应 的 含变来替 代相变的 灶变来实现热能传递 因此这 种热管被认为 是一种化学反应装置 普道热管在形式 上有 类似之处 但 是其工作过程有 本质上 的 区 别 普通热管最大长度一般都在 米以内 它作为一个传热元件 对热能的传递只在小 规模和小范围内进行 而化 学热管是一个可 以进行数十公里以上长距离和大规模传递热 能的系统 因此人们 也把利用相变来传递热 能称之为蒸发一冷 凝型热管 而 利用化学反 应来传递热能的称之为化学热管 化学热管 可以理解为是蒸发一冷凝型热管在概念上的 延伸 它是通过可逆的化学反狡 鑫长实现热量 的 吸收和放出 其工作过程如图 蒸 发一冷凝型热管的工作过程如图 十 八八 召士 一叶 扑 夕励 泪了乙学尧带 热户弓 介介沙娇书仍初为么逝屯台跄 浦卜之味云 东乙偏 属叮职确斌 子舀几几 一 一一 洲 子子 一少 一 从户弋 川川 尸城丫 育 叫舰 一妇 门 曰 曰 声 山一 甘 仙吕护丫 产产产 沪声 尸 洲 厂 卜卜 热汤九僻 才 械 幻羡位一冷凝叙营 灸 化耸鹅管私勤卜凌屏奥长冬厄也 在图 中 物质 从热源 中吸收热 量进 行化学反应生 成 和 然后 把生成物 和 用管线输送到需要热量 的地方 再通 过可逆的放热反应还原生成反应物 回收热 量 再通 过管线输送返回热 源 这样组成 一个封闭系统不断循环地 进行吸热 和放热 从而完成了热能的输送 图 是热管 的 一端吸 收热源的热量 工质蒸发蒸汽传递到 另一端 在此处蒸汽冷 凝放出热量传给热 阱 从而实现了热能的传递 冷凝液通 过毛 细管 或 其他作用力 返回蒸 发一端 从而 构成 了一个封闭循环 从以上 对照 可以看 出化学热管 与蒸发一冷 凝型热管 的工作 过程在形式 上是颇相似 的 因而对化 学热管 的工作原理也就不难理解了 化学热管构成基础是能够实现热量吸 收 和放出的可逆化学反应 亦把被化学热管利 用 的这种可逆化学反应称之为蓄热反应 蓄 热反应 的最重要条件是反应的可逆性 所谓 可逆性是在实用可能 的温度压力范围内 正 逆两个方向的反应都具有相当大的速度 探 索可逆性好 的蓄热反应 系统 是化学热管研 究的 重要课题 作为蓄热反应 系统 要求单位重量 或单 位体积 的蓄热 量大 对于单位体积的蓄热量 气相反应比排气相反应小 以蓄热反应为基 础的化学热管 系统 正在进 行两个方面 的应用 研究 化学蓄热的热贮存技术研究和热输送 技术的开发 对于 固定 的蓄热装置开发 从单位体积 的蓄热量观点要求 气相 的存在有着致命的 弱 点 即作为贮存热业要尽量 避免气相的形 态 相反对于化学热管 即热输送技术 则是 气相或液相适宜输送 而固相的存在难以输 送 虽然 液相的蓄热反应单位体积蓄热 量大 而又输送方便 但是高温反应中往往都有气 相生成 因此化学热管 研究利用 的蓄热反应 的实例 几乎都是气相反应 一个有效的化学热管的热力学体系将选 择相 匹配的热源 和热阱温度 对于 和 之间的热源温度甲烷重态流体被证明 是有效的 而逆向的甲烷化过程产生的热量 大约发生在 表 列出了不含固相 的各种蓄热反应中 反应物 在 个大气压下单位重量 的标准始变 值 物在热源和 热阱之 间传递热能 的装 置 然而 这种化学热管 系统与蒸发一冷 凝型热管比较 存在着一个缺 陷一在回路系统中输送化学反 应物和生成 物需要一个循环泵 为克服这个 缺陷 等人发明一种自驱 动 化 学热管 这 种自驱 动化学热管是利用化学反 应来驱动 蒸发 输送和冷凝 它能促使靠近 热 源的反应物蒸发 业把 生成物输送及冷凝 至热阱 从而实现了自驱动化学热管 的封闭 循环 一种典型的自驱动 化学热管的原理如 图 所示 在图 所示的装置中 液体甲基环己烷 表 不含固相蓄热反应的标准焙变数据 蔡蔡热反应 吸热飞 飞 反应温度 放热十 焦刻克 多合成成 另分解解 一一 玉 碑 匀 与 与 匀 毯 一 与 匀 与 与 匀 刁 刁 专 二 专 合 匀 十 匀 与 心 心 与 二N o g 专 C 2 695 5 5 5 5 5 5 H H H 5 0 H 0 l 匀H 0 1 H 召5 0 1 2 3 0 0 0 0 0 0 0 比比较较 13444 4 4 4 4 4 4 H H H o HZ g 省 02 注 反应式括号内 g 表示气相 1 表示液相 二 白驱动化学热管 2 3 如前所述 化学热管是利用可逆性的 吸 热和放热化学反应 通过 化学反应 物和生成 在热源处被蒸发业且在紧贴 催 化剂表面被脱氢 化学反应导 致在蒸发液体邻近区反应物 甲基环己烷 的局部分压降 低 蒸发速率增加 反应物和 生成 物的分压构成的总压力增 高 这个总压力提供了一个驱 动连接热源到热 阱管中气体流 的压 差 在热阱处发生放热的 加氢反应 生成 的甲环己烷在 热阱的末部被冷凝业且冷却到 热源蒸发温度以下 在冷凝器中热量 的移出与 反应热相比是很小的 因此在 矛令 凝器出口的管路上附加一个 冷却器把反应物冷却 被冷却 的液体甲基环己烷充满 着U型 管形成了热源和热阱之间的压 头 从而导致液体的甲基环己 烷返 回热源 经过实验论证的自驱动化 学热管装置为图 3所示 在化学热管 系统中附加回 热式热 交换器能大大提高 化学热 管能量传递 的效 率 它 的概念框图 为 图4 由于化学热可以把热源和需要 使用热 虫 滋协 夔脚井 热 件 毅续 拟 冬2 自驱动化禅孰管泌理 书书冬沁 沁 皇斗嚼那动 乙味热食脚匹城琢热解 振灸 J 一 高咨透 铸灯 冬狡奴制哪军纹 己协汪味狐卑乙 吞藕丸娜仍堵 卜撤奴叨讲杯盗 加 一 压摊娜创 脚招 囱之守夕卜摸知寻 能的地方隔开数英里的距离 在缺少 热 交换 器的情况下 从脱氢反应中出来的热甲苯和 氢气流体的显热大部分散失到周 围环 境中 去 同样从 甲基环己烷返回至热源 的流体也 是如此 图4所示的 回热式换热器的功能是 利用生成物 的热量去预热反应物流 从而增 加了热能传递的效率 实际试验运行结果 其 效 率可达8 4 而在 没有回热 式热交换 系统 时 其热传递效 率则下降到招 自驱动化学热管概 念的提 出及其试 验成 功 使化学热管的实际应用更具有竞争性 三 化学热管的应用 应 去多 橄弧劫亿洋妻 决管 伪为戈理毒 细云道支 1 EVA 一A D AM系统 化学热管最早出现的实例是 西德I l 匕原子能研究所197 年开始 开发的 E V A一A D AM系统 它是世界 上最 引 人注 目的化学热管 由于现代 的原子 能 装置不能建设在人口稠密地区 因此从 发生热能到消费热能 需要有长距离的 输送 虽然把热能转变成电能 再进行 电力输送在技术上是没有问题 的 但是 能量转变时 的损失增 加 而且电能系统 贮能量是不可能的 EVA 一A D AM系统的流程如图 5 所示 EVA 一A D AM系统建立在高温原 子炉的旁边 把 从高 温炉得到 的95 0 左右的热能变换成化学能 以气体作媒 介用管 线输送到 城市里去 这是一种损 失较小 的能量输送方 法 化学热管 的最 重要 部分是可逆的化学反 E V A一A D AM系统采用如 下 的反应 C H 气 态 H O 气态 葬C O 气态 3 H 气 态 H OZ Zog kJ n 0 1 i 甲烷和水 蒸汽反应是 吸热反应 而可逆 的甲烷化是放热反应 如以液相水进行反应 则为 C H 气态 H 20 液态 之C O 气态 3H Z 气态 H 二 2 5 ok J m o l 2 在图 5的系统中 包 括热量 吸收部分 和把热量排出体系之外部分 A DA M EVA 建在热 源附近 按 1 式所示甲 烷和水蒸汽反应吸 收热量 作为热 源 现在 西德 开发中设计的 是高温气体炉 这和炉子 出口是40 5 火l o spa 气压 5 0 的H e气 反应 炉是以管束形式 和H e气 以对流方式 换热 甲烷气和定量的水蒸汽混合被预热而导入反 应炉内 实验结果 表明 反应温度 在 达到 8 2 5 时以十分快的速度进行 可以达到与换 热速度同等的程度 对于水蒸汽的改质是一 个催化反应 为了避免催化剂中毒生成碳 过量 的水蒸汽是必需的 从有效利用热 能的 目的出发 从改质炉出来的气体显热可以被 利用 于发电和区域性暖房 最后冷却到 常温 的每五升气体中组成为 其中也有一部分副 反应发生 C O一lx 3 C O 一了 7 C H 4一16 9 H 一64 2 如果按上述数据计算 则从高温气体炉 输出能 量约有5 8 变换为化学能 而改质气 体的显热作为发电或把低质热用 于区域性暖 房 这样共有7 7 的能 量可被利用 这样得到 的以C O和H 为主成份 的改质 气体 通常 用气体管线输送 虽然 对于输送 距离在技术上无 限制 的 但是经济上 最适宜 的距离确定为数十公里至数百公里 方案中 的300oMW出力的高温气体炉 从E V A到 A D AM的改质气体以40 5 K10 p a 的压力 需要采用直径为1 2 米的管 线输送 相反从 A D AM 到E V A的 甲烷 化 气体以20 3 xl 力P a压输送 则需 要 直径为1 米的管线 改质的气体被输送到 消费地 进行 分 配 它可作为城市燃料气 而脱除C O可 得到合 成氨用的H Z气 ADA M系统中进行甲烷化 反应时 该反应温度为30 0 4沁 超过 50 0 催化剂的 活性将下降 因而希望 温度越 高越好 这一点与一般甲烷化过程有根本 的 不同 这样就提出开发高 温 耐热 催化剂 的课 题 现在 最高反应温度50 0 的催化剂已见报 导 业正在努力开发到65 0 的催化剂 在A D AM中发生的最高65 0 的热量 可以被利用 于 民间暖房 小规 模发电 工业 用热源等 根据 推算输入A D AM的 化学能 有9 0 可被利用 生成的甲烷用气体管路返 送回E V A系统 EVA 一A D AM不是 完全 的封闭系统 ADA M 中的水从甲烷气体中 分 离排出系统之外 在E V人中再把水导 入 EVA 一A D AM系统正在大规模设计开 发 它具有每小时1000 标准立方米的改质 气体的流量装置 EVA 一A D AM系统原预 定1979年投入运行 2 S o l c h e m 系统 美国 海军研究 所开发的So l che 11系统是 一个利用太阳能 的发电计划 是化学热管 的 又一典型 应 用实例 S o l c h e m的原理示意图 如 图6 渗 么 二 州忆 葺斌毛爪渗玉 S o l chom 系统是 由若干个太阳辐射灶在 80 0 90 0 下进行如下的气相热分解反应 5 0 3 Q 5 0 令O 这是一个吸热反应 分解以后生成气体 的显热 通 过逆流换热器预热进入太阳辐射 灶的5 0 3气体 分解生成的气体约以10 0 由管线输送2公里外的中心蓄热系统 在这 里再通过逆流的换热器 业且由从蓄热槽出 来的高温5 0 3把分解生成 的气体加热到50 0 左右 在蓄热槽 中在催化剂 的存在下发生 如下的反应 5 0 于O 50 3 Q 下转第6页 三 计划 用 电要 既管严 又用 活 当前 许多企业因 缺电生产 停三并 四 可以说有电就可 创造出产值 由于 电力不易 贮存的特点 决定 了发 供 用电必须随 时 协调 平衡 所以 各地区必须严格按 照 发 供 电计划安排用 电计 划 将指标层 层落实到 用户 合 理地使用电力 亚 严格执行 按 日 考核 月底结算 谁超限谁 今超明还 的 规定 从另一方面 看 电网内机组出力受计 划 检修 临 时小修 以及小水 电来水量多少等 因素影响 较大 电网内用户涉及各行各业 用电性质差异很大 加之 气候 季节等影响 就是 一日中用电负荷也是 峰谷迭现 瞬 时多 变 为适应 电网的变化 应按排2 0 左右的 机动负荷或多种 供 电方案 最大限度地 挖掘 上 接第14页 这个反 应在50 0 60 0 下放出热 量 生 成的50 气体通过 逆换热 器以后 约 在10 0 以 3x1 66Pa气压下用 管线输送到太 阳辐射 灶 在这个条件下5 0 不 会冷凝 在 蓄热槽 中发生 的50 0 蒸 汽进行发电 S o l c h e m系统与E V A 一A D AM系统的 不同点在于 后 者以长距离输送热为目的 而前者是以热能 的积集为目的 对于太l泪能 发电短距离输送和贮存是有利的 事 实上 5 0 气体管 线要 保持10 0 左右才 使气 体不 会冷凝 而常温 下长距 离输送则不行 3 其 他热 能系统 用电潜力 计划用电要 用 活 是以 管 严 为前 提的 如 管而不严 用电负荷就会 无法控 制 也就谈不上 用 活 如一味强 调 管 严 没有调节措施 就会白 白损失用 电时机和工农业产值 就会把 电 管死 因此 计划 用电又要 严而不 死 活而不 乱 还有 要加 强 三电 人员和调度人员 的 配合 加 强调度 台之 问 的配合 做到 死 指标 活调度 要 运用 电子计算机 遥讯 等各种先进的仪器设备 及 时掌握用电的情 况 分析用 电 趋势