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JP7806232B2 - Fluidized bed reactor for the continuous generation of thermochemical heat energy and corresponding method and system - Google Patents
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JP7806232B2 - Fluidized bed reactor for the continuous generation of thermochemical heat energy and corresponding method and system - Google Patents

Fluidized bed reactor for the continuous generation of thermochemical heat energy and corresponding method and system

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JP7806232B2 JP2024522032A JP2024522032A JP7806232B2 JP 7806232 B2 JP7806232 B2 JP 7806232B2 JP 2024522032 A JP2024522032 A JP 2024522032A JP 2024522032 A JP2024522032 A JP 2024522032A JP 7806232 B2 JP7806232 B2 JP 7806232B2
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Description

[001] 本発明は、熱化学的熱エネルギを連続的に発生させるための流動層反応器に関する。好適な実施形態によれば、酸化カルシウム+スチーム->水酸化カルシウム(Ca(OH))の反応からの固体粒子を利用することによる。 [001] The present invention relates to a fluidized bed reactor for the continuous generation of thermochemical heat energy, according to a preferred embodiment, by utilizing solid particles from the reaction calcium oxide + steam -> calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ).

[002] 本発明は、有利には、気相(スチーム)における酸化カルシウム(CaO)+水(HO)->水酸化カルシウム(Ca(OH))の反応からの熱化学的熱エネルギを連続的に発生させるための対応する方法に関する。 [002] The present invention advantageously relates to a corresponding method for the continuous generation of thermochemical heat energy from the reaction calcium oxide (CaO) + water (H 2 O) -> calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ) in the gas phase (steam).

[003] また、本発明は、上記の反応及びその逆反応に基づいて熱エネルギを貯蔵及び放出するための対応するシステムに関する。 [003] The present invention also relates to corresponding systems for storing and releasing thermal energy based on the above reactions and their reverse reactions.

[004] 化石燃料は、便利で広く利用可能なエネルギ源であるが、環境的側面のため、代替的な燃料及びエネルギ生成に対する関心が高まっている。従って、発電及び火力発電、輸送車両への動力供給、並びに世界的なエネルギ貿易を含む、化石燃料の多くの不可欠な役割に対して、高エネルギ密度を有する低炭素エネルギ担体を用いた燃料が代替案であることが分かっている。水を用いるCaO等の可逆発熱反応は、高温熱エネルギ貯蔵のための最も有望な反応の1つと考えられる。クリーンエネルギのリサイクル可能担体として、金属燃料は、今後の低炭素経済において化石燃料に代わる有望な代替案である。金属は高エネルギ密度を有し、従って金属は、多くのバッテリ、エネルギ物質、及び推進剤内の燃料である。金属燃料は、空気と共に燃やすか、又は水と反応させて、様々な発電規模で化学エネルギを放出することができる。金属酸素燃焼の生成物は、捕獲した後にクリーンエネルギによって動力供給されるゼロ炭素電解プロセスを用いてリサイクルすることができる固体であり、リサイクル可能ゼロ炭素太陽燃料又は電気燃料(electro fuel)として金属を用いることが可能となる。金属燃料の使用増加に対する主な技術的障壁は、金属燃料の化学エネルギを動力又は電力(エネルギ)に変換するためのクリーンかつ効率的な燃焼器/反応器/エンジン技術が現在は存在しないことである。 [004] While fossil fuels are a convenient and widely available energy source, environmental aspects have led to growing interest in alternative fuels and energy generation. Accordingly, fuels using low-carbon energy carriers with high energy density have proven to be an alternative for many essential roles of fossil fuels, including electricity and thermal power generation, powering transportation vehicles, and global energy trade. Reversible exothermic reactions, such as CaO, with water are considered one of the most promising reactions for high-temperature thermal energy storage. As recyclable carriers of clean energy, metal fuels are a promising alternative to fossil fuels in the upcoming low-carbon economy. Metals have high energy density and are therefore the fuel in many batteries, energetic materials, and propellants. Metal fuels can be burned with air or reacted with water to release chemical energy at various power generation scales. The products of metal oxy-combustion are solids that can be captured and recycled using clean energy-powered, zero-carbon electrolytic processes, enabling the use of metals as recyclable, zero-carbon solar or electrofuels. The main technological barrier to increased use of metal fuels is the current lack of clean and efficient combustor/reactor/engine technology to convert the chemical energy of metal fuels into motive or electrical energy.

[005] 国際公開第2021/105467号は、エネルギ貯蔵材料を用いた流動層装置を備えるエネルギ貯蔵のためのシステムを開示する。エネルギ貯蔵材料は、CaO、Ca(OH)2、CaCO3、MgO、Mg(OH)2、MgCO3、BaO、Ba(OH)2、BaCO3、及びMgH2等の金属水酸化物から選択された少なくとも1つを含む。一実施形態において、この流動層装置は少なくとも1つの有孔セパレータを備え、この有孔セパレータは流動層装置内に2つ以上の流動化区画を生成する。これにより、流動層装置に複数の流動化ゾーンを生成する。このような機構では、異なるゾーンにおいて異なる条件を有する可能性がある。有孔セパレータは、少なくとも部分的に小孔を有する(foraminous)。有孔セパレータは、一実施形態において、上方及び下方の流動化ゾーンが生成されるように水平方向に配置されている。別の実施形態では、いくつかの有孔セパレータが複数の流動化ゾーンを生成するように配置されている。有孔セパレータは、条件を異なるように保持できるいくつかの流動化ゾーンを生成するという利点を有する。例えば、温度が異なる可能性がある。例えば第1の予熱の後に第2の加熱によって更に高温にする場合、プロセスをいっそう効率的にすることができる。加圧流体を導入するためのデバイスは、この公報には図示されていない。 [005] WO 2021/105467 discloses a system for energy storage that includes a fluidized bed apparatus using an energy storage material. The energy storage material includes at least one metal hydroxide selected from CaO, Ca(OH)2, CaCO3, MgO, Mg(OH)2, MgCO3, BaO, Ba(OH)2, BaCO3, and MgH2. In one embodiment, the fluidized bed apparatus includes at least one perforated separator that generates two or more fluidized compartments within the fluidized bed apparatus. This creates multiple fluidized zones in the fluidized bed apparatus. This arrangement allows for different conditions in different zones. The perforated separator is at least partially foraminous. In one embodiment, the perforated separator is horizontally arranged to create upper and lower fluidized zones. In another embodiment, several perforated separators are arranged to create multiple fluidized zones. The perforated separator has the advantage of creating several fluidization zones in which different conditions can be maintained. For example, the temperatures can be different. For example, if a first preheat is followed by a second heating to a higher temperature, the process can be made more efficient. The device for introducing pressurized fluid is not shown in this publication.

[006] 本発明の目的は、従来技術の解決策に比べて性能が大幅に向上した、熱化学的熱エネルギを発生させるための改良された流動層反応器を提供することである。この性能は特に、反応器の使用中の信頼性の高い動作、実行可能性、歩留まり、及び効率に関して向上する。また、本発明の目的は、反応を均一に起こすことができる工業規模の反応器を達成することである。本発明の目的は、アルカリ土類金属、又は、リチウム(Li)、ホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、鉄(Fe)、及び亜鉛(Zn)から成る群からの金属のうち1つの固体粒子のための、改良された流動層反応器を提供することである。 [006] An object of the present invention is to provide an improved fluidized bed reactor for generating thermochemical heat energy, with significantly improved performance compared to prior art solutions. This performance is improved, particularly with respect to reliable operation, viability, yield, and efficiency during use of the reactor. It is also an object of the present invention to achieve an industrial-scale reactor capable of uniformly carrying out reactions. It is an object of the present invention to provide an improved fluidized bed reactor for solid particles of an alkaline earth metal or one of the metals from the group consisting of lithium (Li), boron (B), magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), iron (Fe), and zinc (Zn).

[007] 本発明の目的は、独立請求項及び本発明の異なる実施形態の詳細を記載している他の請求項に開示されているように実質的に達成することができる。 [007] The objects of the invention can be achieved substantially as disclosed in the independent claims and in the further claims which describe in detail different embodiments of the invention.

[008] 一実施形態によれば、
1)アルカリ土類金属、もしくは、元素形態の、リチウム(Li)、ホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、鉄(Fe)、及び亜鉛(Zn)から成る群からの金属のうち1つの固体粒子と、スチームもしくは酸素を含有するガスもしくは蒸気等の気体もしくは蒸気の形態の酸化剤、又は、
2)アルカリ土類金属、もしくは、酸化形態の、リチウム(Li)、ホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、鉄(Fe)、及び亜鉛(Zn)から成る群からの金属のうち1つの固体粒子と、水酸化物を得るための気体もしくは蒸気の形態の水和化合物、
の反応のうち1つを用いることによって熱化学的熱エネルギを連続的に発生させるための流動層反応器が提供される。
反応器は、
反応器チャンバと、
反応器チャンバの第1の端部に配置され、固体粒子を反応器内へ供給するための入口と、を備え、
反応器チャンバ内に、流動化ステージのアレイが配置され、
流動化ステージの各々は、反応を開始させて進行させるため、反応性流動化剤、酸化剤、又は水和化合物によって固体粒子を流動化するための複数のノズルを備え、
流動化ステージには、反応から放出された熱を選択的に回収するための1つ以上の熱交換器が備えられ、
反応材料を排出するため、反応器チャンバの第1の端部とは反対側の端部に出口が配置されている。
[008] According to one embodiment,
1) solid particles of an alkaline earth metal or one of the metals from the group consisting of lithium (Li), boron (B), magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), iron (Fe), and zinc (Zn) in elemental form, and an oxidizer in gaseous or vapor form, such as steam or an oxygen-containing gas or vapor; or
2) solid particles of an alkaline earth metal or one of the metals from the group consisting of lithium (Li), boron (B), magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), iron (Fe) and zinc (Zn) in oxidized form and its hydrated compound in gaseous or vapor form to obtain a hydroxide;
A fluidized bed reactor is provided for continuously generating thermochemical heat energy by using one of the following reactions:
The reactor is
a reactor chamber; and
an inlet disposed at a first end of the reactor chamber for feeding solid particles into the reactor;
an array of fluidization stages disposed within the reactor chamber;
each of the fluidization stages comprising a plurality of nozzles for fluidizing the solid particles with a reactive fluidizing agent, an oxidizing agent, or a hydration compound to initiate and advance the reaction;
the fluidization stage is equipped with one or more heat exchangers for selectively recovering heat released from the reaction;
An outlet is located at the end of the reactor chamber opposite the first end for discharging reaction materials.

[009] 一実施形態によれば、
1)アルカリ土類金属、もしくは、元素形態の、リチウム(Li)、ホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、鉄(Fe)、及び亜鉛(Zn)から成る群からの金属のうち1つの固体粒子と、スチームもしくは酸素を含有するガスもしくは蒸気等の気体もしくは蒸気の形態の酸化剤、又は、
2)アルカリ土類金属、もしくは、酸化形態の、リチウム(Li)、ホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、鉄(Fe)、及び亜鉛(Zn)から成る群からの金属のうち1つの固体粒子と、水酸化物を得るための気体もしくは蒸気の形態の水和化合物、
の反応のうち1つを用いることによって熱化学的熱エネルギを連続的に発生させるための方法が提供される。
方法は、
反応器チャンバの第1の端部で反応器チャンバに固体粒子の原材料を供給するステップと、
反応を開始させるため、第1の流動化ステージの流動化ジェット(fluidizing jet)によって固体粒子を流動化させるステップと、を含み、
反応チャンバ内の熱交換器に、発生した熱が伝達され、
反応器チャンバの第1の端部からの原材料の供給を継続させることにより、原材料/部分的に反応した材料の混合物をその後の(consequent)流動化ステージに移動させ、その流動化ステージでは、流動化ジェットによる混合物の流動化が継続し、放出された熱は熱交換器によって伝達され、流動化が継続するにつれて、混合物の組成はより多くの最終材料に変わり、最後の流動化ステージの後、混合物はわずかな割合のみの原材料を含み、流動化ステージの各々において、流動化ストリームの温度、飽和、及び流速によって反応の収率が制御され、
反応材料は出口を介して反応チャンバから除去される。
[009] According to one embodiment,
1) solid particles of an alkaline earth metal or one of the metals from the group consisting of lithium (Li), boron (B), magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), iron (Fe), and zinc (Zn) in elemental form, and an oxidizer in gaseous or vapor form, such as steam or an oxygen-containing gas or vapor; or
2) solid particles of an alkaline earth metal or one of the metals from the group consisting of lithium (Li), boron (B), magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), iron (Fe) and zinc (Zn) in oxidized form and its hydrated compound in gaseous or vapor form to obtain a hydroxide;
A method is provided for continuously generating thermochemical heat energy by using one of the following reactions:
The method is:
providing a raw material of solid particles into the reactor chamber at a first end of the reactor chamber;
fluidizing the solid particles with a fluidizing jet of the first fluidization stage to initiate the reaction;
The generated heat is transferred to a heat exchanger in the reaction chamber;
Continuing the feed of raw materials from the first end of the reactor chamber moves the raw material/partially reacted material mixture to subsequent fluidization stages, where fluidization jets continue to fluidize the mixture, and the released heat is transferred by a heat exchanger, and as fluidization continues, the composition of the mixture changes to more and more of the final material, and after the last fluidization stage, the mixture contains only a small percentage of the raw materials, and in each of the fluidization stages, the temperature, saturation, and flow rate of the fluidization stream control the yield of the reaction;
The reaction materials are removed from the reaction chamber through an outlet.

[0010] 明確さのみを目的として、反応材料という用語は、最終材料、すなわち出口を介して反応チャンバから除去される反応生成物を表す。例えば、気相すなわちスチームにおける酸化カルシウム(CaO)と水(HO)の反応の場合、反応材料は水酸化カルシウム(Ca(OH))である。 For purposes of clarity only, the term reactant refers to the final material, i.e., the reaction product, that is removed from the reaction chamber via the outlet. For example, in the case of the reaction of calcium oxide (CaO) with water ( H2O ) in the gas phase, i.e., steam, the reactant is calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ).

[0011] 一実施形態によれば、開示されている金属のうち1つが反応器チャンバ内に導入される固体粒子として用いられる場合、かつ、流動化剤が酸素含有ガスである場合、反応器チャンバ内で可燃性条件が生じる。概して、ステージを備えた流動化反応器チャンバと共に金属粉末を用いると、金属が酸化するにつれて可燃性状況が形成される。 [0011] According to one embodiment, when one of the disclosed metals is used as the solid particles introduced into the reactor chamber and the fluidizing agent is an oxygen-containing gas, a flammable condition is created within the reactor chamber. Generally, when a metal powder is used in conjunction with a staged fluidized reactor chamber, a flammable situation is created as the metal oxidizes.

[0012] 上記に開示されている一般的な反応、反応器、及び方法は、いくつかの固体粒子又は粉末材料(powderous material)に適している。ここで、好適な実施形態のうち1つと関連付けて本発明を更に詳しく説明する。反応は、気相すなわちスチームにおける酸化カルシウム(CaO)+水(HO)->水酸化カルシウム(Ca(OH))である。その理由は、これが、この目的のための最も経済的に実行可能な代替案の1つだからである。別の好適な実施形態は、マグネシウムを用いるもの、すなわち、MgO+HO→Mg(OH)である。他の開示されている材料、すなわち、リチウム(Li)、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、鉄(Fe)、及び亜鉛(Zn)も使用され得る。以下の開示では、プロセスがCaO/Ca(OH)の反応を用いるものとして開示されている場合であっても、方法及び反応器は、他の開示されている材料、すなわち、アルカリ土類金属、又は、リチウム(Li)、ホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、鉄(Fe)、及び亜鉛(Zn)から成る群からの金属のうち1つにも直接適用できる。 [0012] The general reaction, reactor, and method disclosed above are suitable for several solid particulate or powdery materials. The invention will now be described in more detail in connection with one of the preferred embodiments. The reaction is calcium oxide (CaO) + water ( H2O ) → calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ) in the gas phase, i.e., steam, because this is one of the most economically viable alternatives for this purpose. Another preferred embodiment uses magnesium, i.e., MgO + H2O → Mg(OH) 2 . Other disclosed materials, i.e., lithium (Li), boron (B), aluminum (Al), silicon (Si), iron (Fe), and zinc (Zn), may also be used. In the following disclosure, even though the process is disclosed as using the CaO/Ca(OH) 2 reaction, the method and reactor are also directly applicable to the other disclosed materials, i.e., alkaline earth metals or one of the metals from the group consisting of lithium (Li), boron (B), magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), iron (Fe), and zinc (Zn).

[0013] 一実施形態によれば、固体粒子サイズは、1~1000μm又は1~500μm、又は100~300μmの範囲内とすればよい。固体粒子サイズは、反応自体及び粒子の流動性の双方に対して影響を及ぼし、粒子サイズが小さくなればなるほど反応性と流動性が速くなる。望ましい制御性を得るため、粒子サイズは、必要に応じて、また実際の動作条件に応じて選択することができる。 [0013] According to one embodiment, the solid particle size may be within the range of 1 to 1000 μm, or 1 to 500 μm, or 100 to 300 μm. The solid particle size affects both the reaction itself and the fluidity of the particles; the smaller the particle size, the faster the reactivity and fluidity. The particle size can be selected as needed and depending on the actual operating conditions to obtain the desired controllability.

[0014] 本発明の一実施形態によれば、反応性流動化剤、酸化剤、又は水和化合物を導入することに加えて、非反応性流動化剤を反応器に導入してもよい。非反応性流動化剤とは、この場合、反応に関与しないことを意味する。有利には、非反応性流動化剤は粒子の分布を改善するので、化学的に関与しないが反応を促進することができる。本発明の一実施形態によれば、気相(スチーム)における酸化カルシウム(CaO)+水(HO)->水酸化カルシウム(Ca(OH))の場合、スチームは反応性流動化剤であり、非反応性流動化剤としての空気及び/又は酸素含有ガスを反応器チャンバ内に導入することができる。本発明の一実施形態によれば、非反応性流動化剤は反応性流動化剤と同じ垂直方向レベルに導入され得る。本発明の一実施形態によれば、反応器には、反応性流動化剤と非反応性流動化剤の混合物を同じノズルを介して反応器チャンバ内に導入するためのノズルが備えられているか、又は、反応器には、反応性流動化剤と非反応性流動化剤のために別個のノズルが備えられている。従って、反応性流動化剤と非反応性流動化剤の混合物は反応性流動化剤と同じノズルを介してノズルによってチャンバ内に導入されるか、又は、反応器には、反応性流動化剤と非反応性流動化剤のために別個のノズルが備えられている。ここで、ノズルとは、ノズル上に実質的に一方向の流れを生成する装置を意味する。従って、流動化ノズルの各々は反応性流動化剤のソースと流体連通して配置されているので、反応性流動化剤は、好ましくは各レベルで別個に、ノズルを通して導入される。本発明の一実施形態によれば、特に、リチウム(Li)、ホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、鉄(Fe)、及び亜鉛(Zn)から成る群からの金属のうち1つの固体粒子の場合、不活性ガス等の非反応性流動化剤を反応器チャンバに導入することができる。 According to one embodiment of the present invention, in addition to introducing a reactive fluidizing agent, an oxidizing agent, or a hydrated compound, a non-reactive fluidizing agent may be introduced into the reactor. A non-reactive fluidizing agent in this case means that it does not participate in the reaction. Advantageously, the non-reactive fluidizing agent improves particle distribution, so that it does not participate chemically but can promote the reaction. According to one embodiment of the present invention, in the case of calcium oxide (CaO) + water (H 2 O) → calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ) in the gas phase (steam), steam is the reactive fluidizing agent, and air and/or an oxygen-containing gas as a non-reactive fluidizing agent can be introduced into the reactor chamber. According to one embodiment of the present invention, the non-reactive fluidizing agent can be introduced at the same vertical level as the reactive fluidizing agent. According to one embodiment of the present invention, the reactor is equipped with a nozzle for introducing a mixture of the reactive fluidizing agent and the non-reactive fluidizing agent into the reactor chamber through the same nozzle, or the reactor is equipped with separate nozzles for the reactive fluidizing agent and the non-reactive fluidizing agent. Therefore, the mixture of reactive and non-reactive fluidizing agents can be introduced into the chamber through the same nozzle as the reactive fluidizing agent, or the reactor can be equipped with separate nozzles for the reactive and non-reactive fluidizing agents. Here, "nozzle" refers to a device that generates a substantially unidirectional flow over the nozzle. Therefore, the reactive fluidizing agents are preferably introduced through the nozzles separately at each level, since each fluidizing nozzle is arranged in fluid communication with a source of reactive fluidizing agent. According to one embodiment of the present invention, a non-reactive fluidizing agent, such as an inert gas, can be introduced into the reactor chamber, particularly in the case of solid particles of one of the metals from the group consisting of lithium (Li), boron (B), magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), iron (Fe), and zinc (Zn).

[0015] 一実施形態によれば、CaOが導入されて流動化剤がスチームである場合、水酸化カルシウムが形成され、燃焼は起こらない。 [0015] According to one embodiment, when CaO is introduced and the fluidizing agent is steam, calcium hydroxide is formed and no combustion occurs.

[0016] 本発明の一実施形態によれば、気相(スチーム)における酸化カルシウム(CaO)+水(HO)->水酸化カルシウム(Ca(OH))の反応からの固体粒子を利用することによって熱化学的熱エネルギを連続的に発生させるための流動層反応器が提供される。
反応器は、
反応器チャンバと、
反応器チャンバの第1の端部に配置され、CaOの固体粒子を反応器内へ供給するための入口と、を備え、
反応器チャンバ内に、流動化ステージのアレイが配置され、
流動化ステージの各々は、反応を開始させて進行させるため、スチームによってCaOを流動化するための複数のスチームノズルを備え、
流動化ステージには、反応において固体材料から放出された熱を選択的に回収するための1つ以上の熱交換器が備えられ、
Ca(OH)を排出するため、反応器チャンバ(10)の第1の端部とは反対側の端部に出口が配置されている。
[0016] According to one embodiment of the present invention, a fluidized bed reactor is provided for continuously generating thermochemical heat energy by utilizing solid particles from the reaction of calcium oxide (CaO) + water ( H2O ) -> calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ) in the gas phase (steam).
The reactor is
a reactor chamber; and
an inlet disposed at a first end of the reactor chamber for supplying solid particles of CaO into the reactor;
an array of fluidization stages disposed within the reactor chamber;
each of the fluidization stages comprising a plurality of steam nozzles for fluidizing the CaO with steam to initiate and advance the reaction;
the fluidization stage is equipped with one or more heat exchangers for selectively recovering heat released from the solid material in the reaction;
An outlet is located at the end opposite the first end of the reactor chamber (10) for discharging the Ca(OH) 2 .

[0017] 本発明の一実施形態によれば、気相(スチーム)における酸化カルシウム(CaO)+水(HO)->水酸化カルシウム(Ca(OH))の反応から熱化学的熱エネルギを連続的に発生させるための方法である。この方法は、
反応器チャンバの第1の端部で反応器チャンバにCaOの固体粒子を供給するステップと、
反応を開始させるため、第1の流動化ステージのスチームジェットによってCaOを流動化させるステップと、を含み、
反応チャンバ内の熱交換器に、発生した熱が伝達され、
反応器チャンバの第1の端部からのCaOの原材料の供給を継続させることにより、部分的に反応したCaO/Ca(OH)の混合物をその後の流動化ステージに移動させ、その流動化ステージでは、スチームジェットによる混合物の流動化が継続し、放出された熱は熱交換器によって伝達され、流動化が継続するにつれて、CaO/Ca(OH)混合物の組成はより多くのCa(OH)に変わり、最後の流動化ステージの後、混合物はわずかな割合のCaOと共にCa(OH)2を含み、流動化ステージの各々において、ストリームの温度、飽和、及び流速によって反応の収率が制御され、
反応生成物Ca(OH)は出口を介して反応チャンバから除去される。
[0017] According to one embodiment of the present invention, there is provided a method for continuously generating thermochemical heat energy from the reaction calcium oxide (CaO) + water ( H2O ) -> calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ) in the gas phase (steam). The method comprises:
providing solid particles of CaO into the reactor chamber at a first end of the reactor chamber;
fluidizing the CaO with steam jets in a first fluidization stage to initiate the reaction;
The generated heat is transferred to a heat exchanger in the reaction chamber;
By continuing to feed CaO raw material from the first end of the reactor chamber, the partially reacted CaO/Ca(OH) 2 mixture is moved to subsequent fluidization stages, where fluidization of the mixture by steam jets continues and the released heat is transferred by heat exchangers, and as fluidization continues, the composition of the CaO/Ca(OH) 2 mixture changes to more Ca(OH) 2 , and after the final fluidization stage, the mixture contains Ca(OH)2 along with a small percentage of CaO, and in each of the fluidization stages the temperature, saturation, and flow rate of the stream control the yield of the reaction.
The reaction product Ca(OH) 2 is removed from the reaction chamber via an outlet.

[0018] これにより得られる効果によって、熱化学的熱エネルギは原材料から効率的に放出され、反応生成物は依然として乾燥粒子又は粉末形態であるので、保管が容易であり、また、逆反応で初期材料に再生すること、すなわち、アルカリ土類金属もしくは元素形態の金属、又はアルカリ土類金属もしくは酸化形態の金属に再生すること、例えばCa(OH)2->CaOが比較的簡単である。従って、熱化学的熱エネルギを連続的に発生させるための反応器、方法、及びシステムの性能は大幅に向上する。本発明は、反応器内部の下から上まで固体粒子の適正な流動化速度と分散を保証する。温度の反応は、平衡曲線の下方で、スチーム分圧の関数である。例えば、100kPa(1バール)では平衡温度は約520Cであり、温度が520Cを超える場合、反応は脱水に変化する。本反応器の1つの利点は、反応器内で反応を均一に起こすことができるので、熱交換器による熱回収が向上することである。 [0018] This results in efficient release of thermochemical heat energy from the raw materials, and the reaction products remain in dry particulate or powder form, allowing for easy storage and relatively simple regeneration to the initial materials via the reverse reaction, i.e., alkaline earth metals or elemental metals, or alkaline earth metals or oxidized metals, e.g., Ca(OH)2 → CaO. This significantly improves the performance of reactors, methods, and systems for continuously generating thermochemical heat energy. The present invention ensures proper fluidization velocity and dispersion of solid particles from bottom to top within the reactor. The temperature response is a function of the steam partial pressure below the equilibrium curve. For example, at 100 kPa (1 bar), the equilibrium temperature is approximately 520°C, and as the temperature exceeds 520°C, the reaction shifts to dehydration. One advantage of this reactor is that the reaction can occur uniformly within the reactor, improving heat recovery via a heat exchanger.

[0019] 実施形態によれば、反応器チャンバ内に流動化ステージのアレイが配置され、流動化ステージの各々は、反応を開始させて進行させるため、スチームによってCaOを流動化するための複数のスチームノズルを備える。なお、最大の効率と収率を得るため、いくつかのステージで効率的な熱化学プロセスを実行する方が良い。しかしながら、酸化カルシウム及び後の酸化カルシウム/水酸化カルシウムの混合物の特性は、プロセス/反応中に、流動化特性が異なるように変化する。従って、反応器チャンバの第1の端部からのCaOの原材料の供給を継続させることにより、部分的に反応したCaO/Ca(OH)の混合物をその後の流動化ステージに移動させ、その流動化ステージでは、スチームジェットによる混合物の流動化が継続し、放出された熱は熱交換器によって伝達され、流動化が継続するにつれて、CaO/Ca(OH)の混合物の組成はより多くのCa(OH)に変わり、最後の流動化ステージの後、混合物はわずかな割合のCaOと共にCa(OH)2を含む。一実施形態によれば、流動化ステージは、1つの区画内に構成されて、反応器チャンバ内でのCaO/Ca(OH)の効率的な流れと反応を可能とする。従来技術の文献である国際公開第2021/105467号では、垂直方向に分割された小孔を有するセパレータすなわち有孔セパレータで分離されたいくつかの区画内で反応が実行されることが開示されている。理論的には、区画を水平方向に配置することも可能である。しかしながら、従来技術の文献では、複数の例が実験室規模で提案され、反応器の容積は約600mlである。本発明は、工業規模の運用とメガワット単位の電力容量が意図されているので、反応器の容積は数立方メートルから数百立方メートルであり、本発明者は、セパレータに潜在的な詰まりの問題があること、セパレータも区画も必要ないように反応器を簡素化する方が良いことを見出した。これは、連続使用される反応器の実行可能性と動作に大きな影響を及ぼす。詰まりが起こると、反応器を停止して、詰まった材料が除去されるまで数日間冷やす必要があるからである。 According to an embodiment, an array of fluidization stages is arranged within the reactor chamber, each of which includes multiple steam nozzles for fluidizing the CaO with steam to initiate and advance the reaction. It is preferable to implement an efficient thermochemical process in several stages for maximum efficiency and yield. However, the properties of calcium oxide and the subsequent calcium oxide/calcium hydroxide mixture change during the process/reaction, resulting in different fluidization characteristics. Therefore, by continuing to feed CaO raw material from the first end of the reactor chamber, the partially reacted CaO/Ca(OH) mixture is transferred to subsequent fluidization stages, where steam jets continue to fluidize the mixture. The released heat is transferred by a heat exchanger. As fluidization continues, the composition of the CaO/Ca(OH) mixture changes to more Ca(OH) until, after the final fluidization stage, the mixture contains Ca(OH) along with a small percentage of CaO. According to one embodiment, the fluidization stage is configured within one compartment, enabling efficient flow and reaction of CaO/Ca(OH) 2 within the reactor chamber. Prior art document WO 2021/105467 discloses that the reaction is carried out in several compartments separated by vertically divided perforated separators, i.e., perforated separators. Theoretically, horizontal arrangement of the compartments is also possible. However, prior art documents suggest several laboratory-scale examples, with reactor volumes of approximately 600 ml. Since the present invention is intended for industrial-scale operation and megawatt-scale power capacities, the reactor volumes range from several cubic meters to several hundred cubic meters. The inventors have discovered that separators have potential clogging issues and that it would be better to simplify the reactor so that neither separators nor compartments are required. This has a significant impact on the viability and operation of continuously operated reactors, as clogging requires the reactor to be shut down and cooled for several days until the clogging material is removed.

[0020] 本発明の実施形態によれば、反応チャンバは、流動化ステージ間に分割壁及び/又は区画及び/又は有孔セパレータが存在しない。反応器チャンバ内に流動化ステージのアレイが配置され、流動化ステージの各々が、反応を開始させて進行させるため、反応性流動化剤によって固体粒子を流動化するための複数のノズルを備えている機構の効果である。反応器は、流動化ステージ間に有孔プレート及び/又は分割壁で分割された区画が存在しないように設計され得る。従って、熱化学反応を促進すると共に熱を回収するため、反応器チャンバ全体を有利に利用することができる。また、これにより、潜在的な詰まりの問題又は材料の他の蓄積も防止する。材料とは、原材料、部分的に反応した材料、又は最終生成物、言い換えると反応材料を意味する。 [0020] According to an embodiment of the present invention, the reaction chamber is free of dividing walls and/or compartments and/or perforated separators between fluidization stages. This is due to the arrangement of an array of fluidization stages within the reactor chamber, each of which includes multiple nozzles for fluidizing solid particles with a reactive fluidizing agent to initiate and advance the reaction. The reactor can be designed without compartments separated by perforated plates and/or dividing walls between fluidization stages. This allows the entire reactor chamber to be advantageously utilized to promote the thermochemical reaction and recover heat. This also prevents potential clogging issues or other accumulations of material. By material, we mean raw materials, partially reacted materials, or final products, in other words, reaction materials.

[0021] 本発明の一実施形態によれば、流動化ステージの1つのアレイは反応器チャンバの下部に配置されて第1の流動化ステージを形成するようになっており、流動化ステージの別のアレイは第1の流動化ステージよりも高い垂直方向レベルに配置されている。有利には、流動化ステージの異なるアレイは異なる垂直方向レベルに配置することができる。反応器チャンバ内で垂直方向に配置された異なるレベルのステージ、又は反応器チャンバの傾斜構成に配置されたステージを利用することができる。有利には、異なる流動化ステージ又は異なる流動化レベルは、以下の相乗効果及び/又は利点を提供し得る。すなわち、粒子の分布を流動化によって向上させながら、反応に関与し原材料及び流動化剤から最終材料を形成する媒体として流動化剤を同時に利用する。流動化剤は、最終材料を形成する反応において「消費」及び/又は「捕獲」され得る。なお、原材料(例えばCaO)は、形成される最終生成物(例えばCa(OH)2)とは異なる密度を有し得る。更に、流動化剤(例えばスチーム)は、原材料及び/又は最終生成物とは異なる密度を有し得る。 [0021] According to one embodiment of the present invention, one array of fluidization stages is disposed at the bottom of the reactor chamber to form a first fluidization stage, and another array of fluidization stages is disposed at a higher vertical level than the first fluidization stage. Advantageously, different arrays of fluidization stages can be disposed at different vertical levels. Stages at different levels vertically disposed within the reactor chamber or disposed in an inclined configuration of the reactor chamber can be utilized. Advantageously, different fluidization stages or different fluidization levels can provide the following synergistic effects and/or advantages: improving particle distribution through fluidization while simultaneously utilizing the fluidizing agent as a medium for participating in the reaction and forming the final material from the raw materials and fluidizing agent. The fluidizing agent can be "consumed" and/or "captured" in the reaction to form the final material. Note that the raw materials (e.g., CaO) can have a different density than the final product (e.g., Ca(OH)2) being formed. Furthermore, the fluidizing agent (e.g., steam) can have a different density than the raw materials and/or the final product.

[0022] 一実施形態によれば、反応器は断面が円形であり、長さが幅又は直径よりも大きい。流動化及び以下の反応を効率的に実行することができ、この長さによって、反応器が反応器チャンバ内で2~5の流動化ステージを含むこと、好ましくは3~4の流動化ステージを含むことが可能となる。更に、これによってプロセス効率を最適に適合させることができる。ほぼ全ての入力材料は反応して水酸化カルシウムになり、反応器の出口へ流れていく迂回した又はあふれた酸化カルシウムは存在しない。 [0022] According to one embodiment, the reactor is circular in cross section and has a length greater than its width or diameter. This length allows for efficient fluidization and subsequent reactions, and allows the reactor to include 2 to 5 fluidization stages within the reactor chamber, preferably 3 to 4 fluidization stages. This also allows for optimal adaptation of process efficiency. Nearly all input material reacts to calcium hydroxide, and there is no bypassed or overflow calcium oxide flowing to the reactor outlet.

[0023] 一実施形態によれば、反応器は縦型であり、反応器チャンバにおいて相互に対して垂直方向の位置に構成された入口及び出口を有する。好ましくは、垂直方向の反応器構成において、反応器の垂直方向高さは反応器の水平方向幅よりも大きい。この垂直方向構成では、制御パラメータが、入力供給量(質量流量)、各ステージのノズルにおける流動化スチーム速度、スチーム温度、及び飽和(水分含量)であるように、材料の流れと同時反応を制御することができる。更に実施形態によれば、スチーム温度は、流動化ステージからその後の流動化ステージまで、徐々に上昇するか、徐々に低下するか、又は同じ状態を維持することができる。一実施形態によれば、スチームノズルにおけるスチーム速度は、流動化ステージからその後の流動化ステージまで、徐々に低下又は上昇することができる。ノズルのサイズ及び/又は形状は、有利な流動化及び反応を生じるように、1つの流動化ステージ及び/又は複数の流動化ステージにおいて変動し得る。また、一実施形態によれば、反応器に、余分な流動化剤を排出するためのガス排出チャネルが備えられている。 [0023] According to one embodiment, the reactor is vertical, with the inlet and outlet arranged perpendicular to each other in the reactor chamber. Preferably, in a vertical reactor configuration, the vertical height of the reactor is greater than the horizontal width of the reactor. This vertical configuration allows for control of material flow and simultaneous reaction, with control parameters being the input feed rate (mass flow rate), fluidizing steam velocity at the nozzles of each stage, steam temperature, and saturation (moisture content). Furthermore, according to an embodiment, the steam temperature can be gradually increased, gradually decreased, or maintained constant from one fluidization stage to the next. According to an embodiment, the steam velocity at the steam nozzles can be gradually decreased or increased from one fluidization stage to the next. The size and/or shape of the nozzles can be varied in one fluidization stage and/or multiple fluidization stages to produce favorable fluidization and reaction. Also, according to one embodiment, the reactor is equipped with a gas discharge channel for discharging excess fluidizing agent.

[0024] 一実施形態によれば、CaO+HO->Ca(OH)、及び、Ca(OH)+熱->CaO+HOの反応に基づく熱エネルギを貯蔵及び放出するためのシステムが提供される。このシステムは、上記に開示されている方法を利用するための上述した反応器を備える。システムは更に、CaOのための貯蔵部と、Ca(OH)2のための貯蔵部と、Ca(OH)をCaOに戻すプロセスのための再生反応器と、を備える。システムは、必要に応じて熱を放出する際、及び、利用可能な場合に熱を貯蔵する際に利用される。 [0024] According to one embodiment, there is provided a system for storing and releasing thermal energy based on the reactions CaO + H2O → Ca(OH) 2 and Ca(OH) 2 + heat → CaO + H2O . The system comprises the reactor described above for utilizing the method disclosed above. The system further comprises a reservoir for CaO, a reservoir for Ca(OH)2, and a regeneration reactor for the process of converting Ca(OH) 2 back to CaO. The system is utilized to release heat when needed and to store heat when available.

[0025] 例えばCaO+HO->Ca(OH)のような上述した反応で発生し、熱交換器で回収された熱は、例えば地域暖房及び/又は発電のために利用され得る。流動化ステージには、反応から放出された熱を選択的に回収するための1つ以上の熱交換器が備えられている。この「選択的に回収する」という用語は、ここでは、反応器チャンバ内の各位置で最も効率的な熱回収を達成するため、熱交換器が実際の設計又は動作条件において相互に異なり得ることを意味する。好ましくは、発生した熱の一部は反応の維持に用いられて、スチーム等の流動化剤を加熱する。また、反応器チャンバ内に導入されたスチームは、反応器の主要スチームラインから抽出され得る。熱交換器を配置するためにいくつかの可能なやり方がある。例えば、様々な熱交換器順序付けの配置として、過熱器、蒸発器、エコノマイザーがあり得る。反応器チャンバの第1の熱交換器は最も熱い物である可能性が最も高い。実施形態の全てにおいて、目的は、反応で発生した全ての熱を熱交換器に伝達し、出口での反応材料の温度をできる限り低くすることである。 [0025] The heat generated in the above-mentioned reaction, e.g., CaO + H2O -> Ca(OH) 2 , and recovered by a heat exchanger can be utilized, for example, for district heating and/or power generation. The fluidization stage is equipped with one or more heat exchangers for selectively recovering the heat released from the reaction. The term "selectively recover" here means that the heat exchangers can differ from each other in actual design or operating conditions to achieve the most efficient heat recovery at each location in the reactor chamber. Preferably, a portion of the generated heat is used to support the reaction and heat a fluidizing agent, such as steam. Alternatively, the steam introduced into the reactor chamber can be extracted from the reactor's main steam line. There are several possible ways to arrange the heat exchangers. For example, various heat exchanger sequencing arrangements are possible, including superheater, evaporator, and economizer. The first heat exchanger in the reactor chamber is most likely to be the hottest one. In all of the embodiments, the objective is to transfer all the heat generated in the reaction to the heat exchanger and to keep the temperature of the reaction mass at the outlet as low as possible.

[0026] 有利には、流動化ステージによって、流動化による粒子の分布と共に、反応器チャンバの入口側の反応を促進することができる。有利には、流動化及び/又は粒子速度を所望のレベルに及び/又は均一に維持することができ、これにより、例えば反応器チャンバの下部でのみ流動化が行われた場合に、潜在的な浸食の問題を防止できる。ノズルのサイズ及び/又は形状は、有利な流動化及び反応を生じるように、1つの流動化ステージ及び/又は複数の流動化ステージにおいて変動し得る。ステージを用いた流動化によって、反応器の容積は、エネルギ放出で高い強度を達成するように有利に最適化できる。 [0026] Advantageously, the fluidization stage can promote reaction at the inlet side of the reactor chamber, along with particle distribution through fluidization. Advantageously, fluidization and/or particle velocity can be maintained at a desired level and/or uniformity, thereby preventing potential erosion problems, for example, when fluidization occurs only in the lower part of the reactor chamber. The size and/or shape of the nozzles can be varied in one fluidization stage and/or multiple fluidization stages to produce favorable fluidization and reaction. Stage-based fluidization advantageously allows the reactor volume to be optimized to achieve high intensity of energy release.

[0027] 本特許出願で提案された本発明の例示的な実施形態は、添付の特許請求の範囲の適用性に制限を課すとは解釈されない。「備える(comprise)」という動詞は、本特許出願では、言及されていない特徴の存在を排除しない開かれた限定(open limitation)として用いられている。従属クレームで言及される特徴は、特に明記しない限り、相互に自由に組み合わせ可能である。本発明の特徴と見なされる新規の特徴は、添付の特許請求の範囲で特に述べられている。 [0027] The exemplary embodiments of the invention proposed in this patent application are not to be construed as imposing limitations on the applicability of the appended claims. The verb "comprise" is used in this patent application as an open limitation that does not exclude the presence of unrecited features. Features recited in the dependent claims may be freely combined with each other unless expressly stated otherwise. The novel features that are regarded as characteristic of the invention are particularly set forth in the appended claims.

[0028] 以下で、添付の例示的な概略図面を参照して本発明を説明する。 [0028] The present invention will now be described with reference to the accompanying exemplary schematic drawings.

本発明の一実施形態に従った反応器を示す。1 shows a reactor according to one embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に従った断面ノズル構成を示す。1 illustrates a cross-sectional nozzle configuration according to an embodiment of the present invention. 本発明の別の実施形態に従った反応器を示す。1 shows a reactor according to another embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に従ったシステムを示す。1 illustrates a system according to one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に従った反応器を示す。1 shows a reactor according to one embodiment of the present invention.

[0029] 図1は、以下の反応のうち1つを用いることによって熱化学的熱エネルギを連続的に発生させるための流動層反応器1を概略的に示す。
1)アルカリ土類金属、もしくは、元素形態の、リチウム(Li)、ホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、鉄(Fe)、及び亜鉛(Zn)から成る群からの金属のうち1つの固体粒子と、スチーム、空気、もしくは酸素等の気体もしくは蒸気の形態の酸化剤、又は、
2)アルカリ土類金属、もしくは、酸化形態の、リチウム(Li)、ホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、鉄(Fe)、及び亜鉛(Zn)から成る群からの金属のうち1つの固体粒子と、水酸化物を得るための気体もしくは蒸気の形態の水和化合物。
反応器1は、
反応器チャンバ10と、
反応器チャンバ10の第1の端部に配置され、固体粒子を反応器1内へ供給するための入口2と、を備え、
反応器チャンバ10内に、流動化ステージ3のアレイが配置され、
流動化ステージ3の各々は、反応を開始させて進行させるため、反応性流動化剤、酸化剤、又は水和化合物によって固体粒子を流動化するための複数のノズル32を備え、
流動化ステージ3には、反応から放出された熱を選択的に回収するための1つ以上の熱交換器4が備えられ、
反応材料を排出するため、反応器チャンバ10の第1の端部とは反対側の端部に出口5が配置されている。
[0029] Figure 1 shows schematically a fluidized bed reactor 1 for the continuous generation of thermochemical heat energy by using one of the following reactions:
1) solid particles of an alkaline earth metal or one of the metals from the group consisting of lithium (Li), boron (B), magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), iron (Fe), and zinc (Zn) in elemental form, and an oxidizing agent in the form of a gas or vapor, such as steam, air, or oxygen; or
2) Solid particles of an alkaline earth metal or one of the metals from the group consisting of lithium (Li), boron (B), magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), iron (Fe), and zinc (Zn) in oxidized form and its hydrated compound in gaseous or vapor form to obtain a hydroxide.
Reactor 1 is
a reactor chamber 10;
an inlet 2 disposed at a first end of the reactor chamber 10 for feeding solid particles into the reactor 1;
Within the reactor chamber 10, an array of fluidization stages 3 is disposed;
each fluidization stage 3 comprises a plurality of nozzles 32 for fluidizing the solid particles with a reactive fluidizing agent, an oxidizing agent, or a hydration compound to initiate and advance the reaction;
The fluidization stage 3 is equipped with one or more heat exchangers 4 for selectively recovering heat released from the reaction;
An outlet 5 is located at the end of the reactor chamber 10 opposite the first end for discharging the reaction materials.

[0030] 言い換えると、反応性流動化剤によって固体粒子を流動化するため、流動化ステージ3の各々のノズル32を介して反応性流動化剤が導入される。固体粒子を流動化するための反応性流動化を供給するための複数のノズルが例示されている。従って、これにより、図1の異なるレベルのノズルを介して異なる垂直方向レベルに反応性流動化剤を導入することができる。反応性流動化剤を供給することに加えて、同一のノズルから非反応性流動化剤を供給すること、又は同一のノズルから反応性と非反応性の流動化剤の混合物を供給することが可能であり得る。このため、各流動化ステージ3における反応と共に流動化を有利に制御することができる。 [0030] In other words, to fluidize the solid particles with the reactive fluidizing agent, the reactive fluidizing agent is introduced through the nozzles 32 in each of the fluidization stages 3. Multiple nozzles are illustrated for supplying reactive fluidization to fluidize the solid particles. This therefore allows the reactive fluidizing agent to be introduced at different vertical levels through nozzles at different levels in FIG. 1. In addition to supplying a reactive fluidizing agent, it may be possible to supply a non-reactive fluidizing agent from the same nozzle, or to supply a mixture of reactive and non-reactive fluidizing agents from the same nozzle. This allows advantageous control of the fluidization along with the reaction in each fluidization stage 3.

[0031] 好適な実施形態によれば、図1は、気相(スチーム)における酸化カルシウム(CaO)+水(HO)->水酸化カルシウム(Ca(OH))の反応からの固体粒子を利用することにより、熱化学的熱エネルギを連続的に発生させるための流動層反応器1を概略的に示す。
反応器1は、
反応器チャンバ10と、
反応器チャンバ10の第1の端部に配置され、CaOの固体粒子を反応器1内へ供給するための入口2と、を備え、
反応器チャンバ10内に、流動化ステージ3のアレイが配置され、
流動化ステージ3の各々は、反応を開始させて進行させるため、スチームによってCaOを流動化するための複数のスチームノズル32を備え、
流動化ステージ3には、反応において固体材料から放出された熱を選択的に回収するための1つ以上の熱交換器4が備えられ、
Ca(OH)を排出するため、反応器チャンバ10の第1の端部とは反対側の端部に出口5が配置されている。反応器1自体に加えて、図1には、原材料CaOが貯蔵部6に貯蔵され、そこからスクリューコンベア(図示せず。バルブ及び他の器具類も図1には示されていない)等の適切な手段によって反応器1内へ供給される実施形態が提案されている。反応器1の後、反応材料又は最終材料は貯蔵部7へ移される。反応器1は縦型であり、反応器チャンバ10において相互に対して垂直方向の位置に構成された入口2及び出口5を有する。図1に示されている実施形態によれば、固体粒子材料を導入するための入口2は反応器チャンバ10の上部に配置され、反応した材料を排出するための出口5は、反応器チャンバ10の下部であるので入口2とは反対側の端部に配置されている。図1には、図2a又は図2bで概略的に示されている適切なパターンに構成されたノズル32を備えた5つの流動化ステージ3のアレイが提案されている。このパターンは、例えばノズルが特定の間隔で取り付けられたパイプ31が存在するように形成できる。流動化ステージという用語は、相互に特定の垂直方向距離内に配置された流動化レベルを意味する。言い換えると、1つの流動化ステージは、実質的に1つの垂直方向レベルで反応性流動化剤を導入するためのノズル32を備える。言い換えると、反応性流動化剤は、固体粒子を流動化して反応に関与するようにノズル32を介して導入される。流動化ステージ又はレベル間の垂直方向距離は、等しく分布させることができる。これはつまり、垂直方向で相互に一定の距離を意味する。従って、反応器チャンバ内の下から上まで固体粒子の適正な流動化速度と分散が保証される。ノズル32のサイズ及び/又は形状は、有利な流動化及び反応を行うため、1つの流動化ステージ及び/又は複数の流動化ステージで変動し得る。
[0031] According to a preferred embodiment, Figure 1 shows a schematic diagram of a fluidized bed reactor 1 for continuously generating thermochemical heat energy by utilizing solid particles from the reaction of calcium oxide (CaO) + water ( H2O ) -> calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ) in gas phase (steam).
Reactor 1 is
a reactor chamber 10;
an inlet 2 disposed at a first end of the reactor chamber 10 for feeding solid particles of CaO into the reactor 1;
Within the reactor chamber 10, an array of fluidization stages 3 is disposed;
Each of the fluidization stages 3 comprises a plurality of steam nozzles 32 for fluidizing the CaO with steam to initiate and advance the reaction;
The fluidization stage 3 is equipped with one or more heat exchangers 4 for selectively recovering heat released from the solid material in the reaction;
An outlet 5 is arranged at the end of the reactor chamber 10 opposite the first end for discharging Ca(OH) 2. In addition to the reactor 1 itself, FIG. 1 proposes an embodiment in which the raw material CaO is stored in a reservoir 6 and fed from there into the reactor 1 by suitable means, such as a screw conveyor (not shown; valves and other equipment are also not shown in FIG. 1). After the reactor 1, the reacted or final material is transferred to a reservoir 7. The reactor 1 is vertical and has an inlet 2 and an outlet 5 arranged in a mutually perpendicular position in the reactor chamber 10. According to the embodiment shown in FIG. 1, the inlet 2 for introducing the solid particulate material is arranged at the top of the reactor chamber 10, while the outlet 5 for discharging the reacted material is arranged at the bottom of the reactor chamber 10, at the end opposite the inlet 2. FIG. 1 proposes an array of five fluidization stages 3 with nozzles 32 arranged in a suitable pattern, as shown diagrammatically in FIG. 2a or 2b. This pattern can be formed, for example, by pipes 31 with nozzles attached at specific intervals. The term fluidization stage refers to fluidization levels located within a specific vertical distance from one another. In other words, one fluidization stage comprises a nozzle 32 for introducing a reactive fluidizing agent at substantially one vertical level. In other words, the reactive fluidizing agent is introduced through the nozzle 32 to fluidize the solid particles and allow them to participate in the reaction. The vertical distances between the fluidization stages or levels can be equally distributed, meaning at a constant vertical distance from one another. Thus, proper fluidization velocity and distribution of the solid particles from bottom to top within the reactor chamber are ensured. The size and/or shape of the nozzle 32 can be varied within one fluidization stage and/or multiple fluidization stages to achieve favorable fluidization and reaction.

[0032] パイプ31は、スチーム又は他の何らかの適切な反応性流動化剤(fluidizer)又は流動化剤(fluidizing agent)、例えば空気又は酸素のためのマニホルドを形成する。パイプ31の断面は、少数の好適な断面を挙げると、円形断面又は矩形断面を有し得る。図1では、熱交換器は基本的な構成で配置され、各流動化ステージ3ごとに1つの熱交換器4層が配置されている。しかしながら、熱交換器4の数が流動化ステージ3の数よりも多いように、又は熱交換器4の数が流動化ステージ3の数よりも少ないように変更してもよい。1つの熱交換器4は、反応器1から熱を伝達する熱伝達媒体(水、スチーム、何らかの他の流体)のための少なくとも1つの熱交換器入口41及び少なくとも1つの熱交換器4出口42を含む。熱交換器入口41及び出口42は適切なやり方でグループ化することができ、一実施形態では直列に又は並列に接続することができ、熱交換器のための流体源は任意の適切なソースからとすればよい。また、熱交換器からの加熱された流体のターゲットは任意の適切なものとすればよい。熱交換器の実際の構成は反応器又はプラントの設計に関する問題であり、内壁を熱交換器で形成するか、又は、熱交換器を反応器チャンバ10内へ半径方向に延出するよう構成することができ(図2aで示されているように)、熱交換器4内への熱伝達は例えば対流又は伝導に基づくものとすればよい。熱交換器は管を含むことができ、管束として反応器チャンバ内へ延出するように構成され得る(図示せず)。反応及び熱の回収は反応器内で均一に実行できるので、排出される粒子の温度は低下する。これは、熱交換器4によって熱が回収されることを意味する。 [0032] The pipes 31 form a manifold for steam or any other suitable reactive fluidizer or fluidizing agent, such as air or oxygen. The cross section of the pipes 31 may have a circular or rectangular cross section, to name a few suitable cross sections. In FIG. 1, the heat exchangers are arranged in a basic configuration, with one heat exchanger 4 layer for each fluidization stage 3. However, variations may be made so that the number of heat exchangers 4 is greater than the number of fluidization stages 3, or less than the number of fluidization stages 3. One heat exchanger 4 includes at least one heat exchanger inlet 41 and at least one heat exchanger 4 outlet 42 for a heat transfer medium (water, steam, some other fluid) that transfers heat from the reactor 1. The heat exchanger inlets 41 and outlets 42 can be grouped in any suitable manner and, in one embodiment, can be connected in series or in parallel. The fluid source for the heat exchanger can be from any suitable source. The target for the heated fluid from the heat exchanger can be any suitable source. The actual configuration of the heat exchanger is a matter of reactor or plant design; the inner wall can be formed by the heat exchanger, or the heat exchanger can be configured to extend radially into the reactor chamber 10 (as shown in FIG. 2a), with heat transfer into the heat exchanger 4 being based, for example, on convection or conduction. The heat exchanger can include tubes and can be configured to extend into the reactor chamber as a tube bundle (not shown). Because reaction and heat recovery can occur uniformly within the reactor, the temperature of the exiting particles is reduced. This means that heat is recovered by the heat exchanger 4.

[0033] 図2a及び図2bには、図1の反応器チャンバの水平断面が示されており、流動化ステージ3を形成するパイプ31上に配置されたノズル32のいくつかの可能な構成が概略的に示されている。ノズルを介して、反応器チャンバ10内に反応性流動化剤が導入される。また、ノズルを介して反応器チャンバ10内に非反応性流動化剤を導入することも可能である。本開示の全ての図は概略的であるので、要素は一定の縮尺通りに示されておらず、例示のみの目的で相対的な寸法が示されている。しかしながら、全ての流動化ステージ3は1つの区画内に構成されて、反応器チャンバ10内でのCaO/Ca(OH)の効率的な流れと反応を可能とする。このため、図2a及び図2bに示されているパイプ31は、各流動化ステージ3のための区画を形成しておらず、材料はパイプ31の構成を通過できる。従って、粒子の詰まりを回避又は軽減することができ、既知の解決策に比べて動作の有用性及び効率が向上する。流動化ステージ、言い換えると流動化導入ステージのこの構成により、反応は反応器チャンバ内で均一に発生する。 2a and 2b show a horizontal cross section of the reactor chamber of FIG. 1 and schematically illustrate several possible configurations of nozzles 32 arranged on pipes 31 forming the fluidization stage 3. A reactive fluidizing agent is introduced into the reactor chamber 10 through the nozzles. It is also possible to introduce a non-reactive fluidizing agent into the reactor chamber 10 through the nozzles. Since all figures in this disclosure are schematic, elements are not drawn to scale, and relative dimensions are shown for illustrative purposes only. However, all fluidization stages 3 are arranged in one compartment to allow efficient flow and reaction of CaO/Ca(OH) 2 within the reactor chamber 10. Therefore, the pipes 31 shown in FIGS. 2a and 2b do not form compartments for each fluidization stage 3, and material can pass through the arrangement of pipes 31. Therefore, particle clogging can be avoided or reduced, improving the availability and efficiency of operation compared to known solutions. This configuration of the fluidization stages, or in other words, the fluidization introduction stages, allows the reaction to occur uniformly within the reactor chamber.

[0034] 図3に、反応器1の一実施形態が提案されている。この実施形態では、反応器チャンバ10の中央エリアにノズル32のためのマニホルドとして機能する中央パイプ31が存在し、更に、反応器チャンバ10の壁に配置されたノズルが存在するように、流動化ステージ3が配置されている。流動化の効果は、流動化媒体(スチーム等)の速度と共にノズル32の適切な方向付けによって決定される。図1、図2a、図2b(断面で示されている)、及び図3の実施形態によれば、反応器1は、大まかな流れ方向に対して垂直な断面が円形であり、長さが幅よりも大きい。この特徴は、反応器における反応時間に影響を及ぼし、適切には、ステージの長さ、直径、及び数は、反応器の設計に対して選択されるパラメータである。他の可能な反応器の断面形状は、矩形や、六角形又は八角形等の多角形である。熱交換器は、図2b及び図3には示されていないが、図1におけるように流動化ステージ間に配置され得る。同様に、図1におけるように、1つの流動化ステージ3は、異なる垂直方向レベルのノズル32の垂直方向距離によって規定される。 [0034] One embodiment of the reactor 1 is proposed in Figure 3. In this embodiment, the fluidization stages 3 are arranged so that there is a central pipe 31 in the central area of the reactor chamber 10, which serves as a manifold for the nozzles 32, and there are further nozzles arranged in the walls of the reactor chamber 10. The fluidization effect is determined by the velocity of the fluidizing medium (such as steam) as well as the appropriate orientation of the nozzles 32. According to the embodiments of Figures 1, 2a, 2b (shown in cross section), and 3, the reactor 1 has a circular cross section perpendicular to the general flow direction, with a length greater than a width. This characteristic affects the reaction time in the reactor, and the length, diameter, and number of stages are suitably parameters selected for the reactor design. Other possible reactor cross-sectional shapes are rectangular or polygonal, such as hexagonal or octagonal. Heat exchangers, not shown in Figures 2b and 3, can be arranged between the fluidization stages as in Figure 1. Similarly, as in Figure 1, one fluidization stage 3 is defined by the vertical distance between nozzles 32 at different vertical levels.

[0035] 図4に、以下の反応のうち1つを用いることにより、反応のうち1つに基づく熱化学的熱エネルギを連続的に貯蔵及び放出するためのシステム100が概略的に提案されている。
1)アルカリ土類金属、もしくは、元素形態の、リチウム(Li)、ホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、鉄(Fe)、及び亜鉛(Zn)から成る群からの金属のうち1つの固体粒子と、スチーム、空気、もしくは酸素等の気体もしくは蒸気の形態の酸化剤、又は、
2)アルカリ土類金属、もしくは、酸化形態の、リチウム(Li)、ホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、鉄(Fe)、及び亜鉛(Zn)から成る群からの金属のうち1つの固体粒子と、水酸化物を得るための気体もしくは蒸気の形態の水和化合物。
システムは反応器1を備え、システム100は更に、原材料のための貯蔵部6と、最終材料のための貯蔵部7と、最終材料を原材料に戻すプロセスのための再生反応器8と、を備える。システム100は、必要に応じて熱を放出する際、及び、利用可能な場合に熱を貯蔵する際に利用される。本開示の反応器において、このエネルギの貯蔵及び放出及び/又はエネルギの蓄積(charging)/排出(discharging)は1つの位置で実行することができるか、あるいは、エネルギが利用可能である場所でエネルギ蓄積を実行し、次いで、エネルギが蓄積された材料を、エネルギが材料から排出される位置へ輸送することができる。
[0035] In Figure 4, a system 100 is proposed for continuously storing and releasing thermochemical heat energy based on one of the reactions by using one of the following reactions:
1) solid particles of an alkaline earth metal or one of the metals from the group consisting of lithium (Li), boron (B), magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), iron (Fe), and zinc (Zn) in elemental form, and an oxidizing agent in the form of a gas or vapor, such as steam, air, or oxygen; or
2) Solid particles of an alkaline earth metal or one of the metals from the group consisting of lithium (Li), boron (B), magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), iron (Fe), and zinc (Zn) in oxidized form and its hydrated compound in gaseous or vapor form to obtain a hydroxide.
The system includes a reactor 1, and system 100 further includes a storage section 6 for raw materials, a storage section 7 for final materials, and a regeneration reactor 8 for processing the final materials back into raw materials. System 100 is utilized to release heat when needed and store heat when available. In the reactors of the present disclosure, this energy storage and release and/or energy charging/discharging can be performed in one location, or energy storage can be performed where energy is available and the energy-stored material can then be transported to a location where the energy is discharged from the material.

[0036] システム100の動作において、1)アルカリ土類金属、もしくは、元素形態の、リチウム(Li)、ホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、鉄(Fe)、及び亜鉛(Zn)から成る群からの金属のうち1つの固体粒子、又は、2)アルカリ土類金属、もしくは、酸化形態の、リチウム(Li)、ホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、鉄(Fe)、及び亜鉛(Zn)から成る群からの金属のうち1つの固体粒子は、貯蔵部6に貯蔵可能な原材料と見なされ、また、反応した化合物、又は他の用語では最終生成物、すなわち、1)酸化した又は2)水和した(水酸化物)粒子は、貯蔵部7に貯蔵可能な最終材料と見なされる反応材料である。 [0036] In the operation of system 100, 1) solid particles of an alkaline earth metal or one of the metals from the group consisting of lithium (Li), boron (B), magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), iron (Fe), and zinc (Zn) in elemental form, or 2) solid particles of an alkaline earth metal or one of the metals from the group consisting of lithium (Li), boron (B), magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), iron (Fe), and zinc (Zn) in oxidized form, are considered raw materials that can be stored in reservoir 6, and the reacted compound, or in other terms the final product, i.e., 1) oxidized or 2) hydrated (hydroxide) particles, are the reaction materials that can be considered final materials that can be stored in reservoir 7.

[0037] 図5に、以下の反応のうち1つを用いることにより、熱化学的熱エネルギを連続的に発生させるための流動層反応器(1)の実施形態が提案されている。
1)アルカリ土類金属、もしくは、元素形態の、リチウム(Li)、ホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、鉄(Fe)、及び亜鉛(Zn)から成る群からの金属のうち1つの固体粒子と、スチームもしくは酸素を含有するガスもしくは蒸気等の気体もしくは蒸気の形態の酸化剤、又は、
2)アルカリ土類金属、もしくは、酸化形態の、リチウム(Li)、ホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、鉄(Fe)、及び亜鉛(Zn)から成る群からの金属のうち1つの固体粒子と、水酸化物を得るための気体もしくは蒸気の形態の水和化合物。
反応器1は、
反応器チャンバ10と、
反応器チャンバ10の第1の端部に配置され、固体粒子を反応器1内へ供給するための入口2と、を備え、
反応器チャンバ10内に、流動化ステージ3のアレイが配置され、
流動化ステージ3の各々は、反応を開始させて進行させるため、反応性流動化剤、酸化剤、又は水和化合物によって固体粒子を流動化するための複数のノズル32を備え、
流動化ステージ3には、反応から放出された熱を選択的に回収するための1つ以上の熱交換器4が備えられ、
反応材料を排出するため、反応器チャンバ10の第1の端部とは反対側の端部に出口5が配置されている。この実施形態において、固体粒子はプロセスに対する原材料として用いられ、最初に貯蔵部6に貯蔵され、入口2を介して反応器1及び反応器チャンバ10内へ供給され、次いで流動化され、反応が開始して進行する。この実施形態では、2列の流動化ノズルが構成されている。反応器は、反応性流動化剤と非反応性流動化剤の混合物を同一のノズル32を介して反応器チャンバ内へ導入するための単一のノズル32、32aを備えることができる。図5の実施形態では、反応器は2列のノズル32、32aが備えられている、すなわち、反応性流動化剤のためのノズル32と非反応性流動化剤のためのノズル32aが提供されるように別個のノズルを用いて構成されている。この実施形態は、流動化に労力を要する材料、すなわち、より高密度の粒子材料又はそのようなものでは、特に適切であり得る。反応性流動化剤及び非反応性流動化剤の双方が反応器チャンバ10内に供給される場合、材料(容積)の入力/出力のバランスは、別個のガス排出チャネル9が必要となり得るようなものである。実際のプロセス条件に応じて、ガス排出チャネルに粒子分離器又は同様のものを搭載して、固体粒子がこのルートを通って反応器チャンバから逃げるのを回避することができる。プロセスにおいて、反応性流動化剤の量が反応に関与している実際の量を超えている必要がある場合は、単一タイプの流動化剤供給のみを有する、すなわち反応性流動化剤のためのノズル32のみを有する反応器1でも、このようなガス排出チャネルが必要となり得る。
[0037] In Figure 5 an embodiment of a fluidized bed reactor (1) is proposed for the continuous generation of thermochemical heat energy by using one of the following reactions:
1) solid particles of an alkaline earth metal or one of the metals from the group consisting of lithium (Li), boron (B), magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), iron (Fe), and zinc (Zn) in elemental form, and an oxidizer in gaseous or vapor form, such as steam or an oxygen-containing gas or vapor; or
2) Solid particles of an alkaline earth metal or one of the metals from the group consisting of lithium (Li), boron (B), magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), iron (Fe), and zinc (Zn) in oxidized form and its hydrated compound in gaseous or vapor form to obtain a hydroxide.
Reactor 1 is
a reactor chamber 10;
an inlet 2 disposed at a first end of the reactor chamber 10 for feeding solid particles into the reactor 1;
Within the reactor chamber 10, an array of fluidization stages 3 is disposed;
each fluidization stage 3 comprises a plurality of nozzles 32 for fluidizing the solid particles with a reactive fluidizing agent, an oxidizing agent, or a hydration compound to initiate and advance the reaction;
The fluidization stage 3 is equipped with one or more heat exchangers 4 for selectively recovering heat released from the reaction;
An outlet 5 is located at the end of the reactor chamber 10 opposite the first end for discharging the reaction materials. In this embodiment, solid particles are used as the raw material for the process, initially stored in a reservoir 6, fed into the reactor 1 and reactor chamber 10 via an inlet 2, and then fluidized to initiate and proceed the reaction. In this embodiment, two rows of fluidizing nozzles are configured. The reactor can be equipped with a single nozzle 32, 32a for introducing a mixture of reactive and non-reactive fluidizing agents into the reactor chamber through the same nozzle 32. In the embodiment of FIG. 5, the reactor is equipped with two rows of nozzles 32, 32a, i.e., configured with separate nozzles so that a nozzle 32 for the reactive fluidizing agent and a nozzle 32a for the non-reactive fluidizing agent are provided. This embodiment may be particularly suitable for materials that require effort to fluidize, i.e., denser particulate materials, or the like. If both reactive and non-reactive fluidizing agents are fed into the reactor chamber 10, the balance of material (volume) input/output may be such that a separate gas discharge channel 9 is required. Depending on the actual process conditions, the gas discharge channel may be equipped with a particle separator or the like to prevent solid particles from escaping the reactor chamber through this route. Such a gas discharge channel may also be required in a reactor 1 having only a single type of fluidizing agent feed, i.e., only a nozzle 32 for the reactive fluidizing agent, if the process requires that the amount of reactive fluidizing agent exceeds the actual amount participating in the reaction.

[0038] 本方法の一実施形態によれば、反応性流動化剤としてスチームが導入され、スチームの温度は、流動化ステージ3からその後の流動化ステージ3まで、徐々に上昇するか、徐々に低下するか、又は同じ状態を維持する。この方法、反応器、及びシステムには、多くの動作モードが存在し得る。 [0038] According to one embodiment of the present process, steam is introduced as a reactive fluidizing agent, and the temperature of the steam is gradually increased, gradually decreased, or remains the same from fluidization stage 3 to subsequent fluidization stages 3. This process, reactor, and system can have many modes of operation.

[0039] 本方法の一実施形態によれば、スチームノズル32におけるスチーム速度は、流動化ステージ3からその後の流動化ステージ3まで、徐々に低下又は上昇する。 [0039] According to one embodiment of the present method, the steam velocity at the steam nozzle 32 gradually decreases or increases from fluidization stage 3 to subsequent fluidization stages 3.

[0040] 本明細書では、現時点で最も好適な実施形態と見なされるものと関連付けて本発明を一例として記載したが、本発明は開示された実施形態に限定されず、その特徴の様々な組み合わせ又は変更、及び、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の範囲内に含まれるいくつかの他の用途を包含することが意図されることは理解されよう。上述した任意の実施形態に関連付けて述べた詳細事項と別の実施形態との組み合わせが技術的に実現可能である場合、それらは関連付けて使用され得る。 [0040] While the present invention has been described by way of example herein in connection with what are presently considered to be the most preferred embodiments, it will be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but is intended to encompass various combinations or modifications of its features and several other applications which fall within the scope of the invention as defined by the appended claims. Details discussed in connection with any of the above-described embodiments may be used in connection with other embodiments where such combinations are technically feasible.

構成要素リスト
1 反応器
10 反応器チャンバ
11 内壁
100 システム
2 入口
3 流動化ステージ
31 パイプ
32、32a ノズル
4 熱交換器
41 熱交換器入口
42 熱交換器出口
5 出口
6 貯蔵部(原材料用)
7 貯蔵部(最終生成物用)
8 再生反応器
9 ガス排出チャネル
List of components 1 Reactor 10 Reactor chamber 11 Inner wall 100 System 2 Inlet 3 Fluidization stage 31 Pipes 32, 32a Nozzle 4 Heat exchanger 41 Heat exchanger inlet 42 Heat exchanger outlet 5 Outlet 6 Storage (for raw materials)
7. Reservoir (for final product)
8 Regeneration reactor 9 Gas discharge channel

Claims (14)

1)アルカリ土類金属、もしくは、元素形態の、リチウム(Li)、ホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、鉄(Fe)、及び亜鉛(Zn)から成る群からの金属のうち1つの固体粒子と、気体もしくは蒸気の形態の酸化剤、又は、
2)アルカリ土類金属、もしくは、酸化形態の、リチウム(Li)、ホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、鉄(Fe)、及び亜鉛(Zn)から成る群からの金属のうち1つの固体粒子と、水酸化物を得るための気体もしくは蒸気の形態の水和化合物、
の反応のうち1つにる反応生成物の生成に伴い反応熱を発することで熱化学的熱エネルギを連続的に発生させるための流動層反応器(1)であって、
前記流動層反応器(1)は、
反応器チャンバ(10)と、
前記反応器チャンバ(10)の第1の端部に配置され、前記固体粒子を前記流動層反応器(1)内へ供給するための入口(2)と、
反応材料を排出するため、前記反応器チャンバ(10)の前記第1の端部とは反対側の端部に配置される出口(5)と、を備え、
前記反応器チャンバ(10)内に、複数の流動化ステージ(3)を有して構成されるアレイが前記入口(2)と前記出口(5)との間に配置され、
前記流動化ステージ(3)の各々は、前記反応を開始させて進行させるため、反応性流動化剤、前記酸化剤、又は前記水和化合物によって前記固体粒子を流動化するための複数のノズル(32)を備え、
前記アレイには、前記反応熱を選択的に回収するための1つ以上の熱交換器(4)が備えられ
流動層反応器(1)は縦型であり、
前記入口(2)及び前記出口(5)は、前記反応器チャンバ(10)において相互に対して垂直方向の位置に構成され、
前記ノズル(32)は、前記流動化ステージ(3)を形成するパイプ(31)上に配置され、
前記流動化ステージ(3)の全ては、1つの区画内に構成されて、前記反応器チャンバ(10)内での固体粒子の流れを可能とする、流動層反応器(1)。
1) solid particles of an alkaline earth metal or one of the metals from the group consisting of lithium (Li), boron (B), magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), iron (Fe), and zinc (Zn) in elemental form , and an oxidizing agent in gaseous or vapor form; or
2) solid particles of an alkaline earth metal or one of the metals from the group consisting of lithium (Li), boron (B), magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), iron (Fe) and zinc (Zn) in oxidized form and its hydrated compound in gaseous or vapor form to obtain a hydroxide;
A fluidized bed reactor (1) for continuously generating thermochemical heat energy by generating heat of reaction accompanying the production of a reaction product by one of the following reactions:
The fluidized bed reactor (1) comprises:
a reactor chamber (10);
an inlet (2) disposed at a first end of the reactor chamber (10) for feeding the solid particles into the fluidized bed reactor (1);
an outlet (5) located at an end of the reactor chamber (10) opposite the first end for discharging reaction materials ;
an array of fluidization stages (3) disposed within the reactor chamber (10) between the inlet (2) and the outlet (5) ;
each of the fluidization stages (3) comprises a plurality of nozzles (32) for fluidizing the solid particles with a reactive fluidizing agent, the oxidizing agent, or the hydrated compound to initiate and advance the reaction;
The array is equipped with one or more heat exchangers (4) for selectively recovering the heat of reaction ;
The fluidized bed reactor (1) is a vertical type,
the inlet (2) and the outlet (5) are arranged in a perpendicular position relative to each other in the reactor chamber (10) ;
the nozzle (32) is arranged on the pipe (31) forming the fluidization stage (3);
A fluidized bed reactor (1) in which all of said fluidization stages (3) are arranged in one compartment to allow flow of solid particles within said reactor chamber (10).
化カルシウム(CaO)である固体粒子気相における水(HO)であるスチーム->水酸化カルシウム(Ca(OH))の反応から発する反応熱を利用することによって、熱化学的熱エネルギを連続的に発生させるための流動層反応器(1)であって、
前記流動層反応器(1)は、
反応器チャンバ(10)と、
前記反応器チャンバ(10)の第1の端部に配置され、CaOの前記固体粒子を前記流動層反応器(1)内へ供給するための入口(2)と、
Ca(OH) を排出するため、前記反応器チャンバ(10)の前記第1の端部とは反対側の端部に配置される出口(5)と、を備え、
前記反応器チャンバ(10)内に、複数の流動化ステージ(3)を有して構成されるアレイが前記入口(2)と前記出口(5)との間に配置され、
前記流動化ステージ(3)の各々は、前記反応を開始させて進行させるため、スチームによってCaOを流動化するための複数の蒸気ノズル(32)を備え、
前記アレイには、前記反応熱を選択的に回収するための1つ以上の熱交換器(4)が備えられ
流動層反応器(1)は縦型であり、
前記入口(2)及び前記出口(5)は、前記反応器チャンバ(10)において相互に対して垂直方向の位置に構成され、
前記ノズル(32)は、前記流動化ステージ(3)を形成するパイプ(31)上に配置され、
前記流動化ステージ(3)の全ては、1つの区画内に構成されて、前記反応器チャンバ(10)内での固体粒子の流れを可能とする、流動層反応器(1)。
A fluidized bed reactor (1) for continuously generating thermochemical heat energy by utilizing the heat of reaction generated from the reaction of calcium oxide (CaO) solid particles + steam (H 2 O) in the gas phase - > calcium hydroxide ( Ca(OH) 2 ),
The fluidized bed reactor (1) comprises:
a reactor chamber (10);
an inlet (2) located at a first end of the reactor chamber (10) for feeding the solid particles of CaO into the fluidized bed reactor (1);
an outlet (5) located at an end of the reactor chamber (10) opposite the first end for discharging Ca(OH) 2 ;
an array of fluidization stages (3) disposed within the reactor chamber (10) between the inlet (2) and the outlet (5) ;
each of said fluidization stages (3) comprising a plurality of steam nozzles (32) for fluidizing the CaO with steam to initiate and advance the reaction;
The array is provided with one or more heat exchangers (4) for selectively recovering the heat of reaction ;
The fluidized bed reactor (1) is a vertical type,
the inlet (2) and the outlet (5) are arranged in a perpendicular position relative to each other in the reactor chamber (10) ;
the nozzle (32) is arranged on the pipe (31) forming the fluidization stage (3);
A fluidized bed reactor (1) in which all of said fluidization stages (3) are arranged in one compartment to allow flow of solid particles within said reactor chamber (10).
前記熱交換器(4)は、前記アレイにおいて前記反応器チャンバの内壁(11)を形成するように構成されている、請求項1又は2に記載の流動層反応器(1) 3. The fluidized bed reactor (1) according to claim 1 or 2, wherein the heat exchangers (4) are arranged in the array to form the inner walls (11) of the reactor chambers. 前記流動層反応器(1)には、
反応性流動化剤と非反応性流動化剤の混合物を同一のノズル(32)を介して前記反応器チャンバ内へ導入するためのノズル(32、32a)が備えられているか、又は
応性流動化剤と非反応性流動化剤のために別個のノズル(32、32a)が備えられている、請求項1から3の何れか一項に記載の流動層反応器(1)
The fluidized bed reactor (1) includes:
Nozzles (32, 32a) are provided for introducing a mixture of reactive and non-reactive fluidizing agents into the reactor chamber through the same nozzle (32), or
4. A fluidized bed reactor (1) according to any one of claims 1 to 3 , wherein separate nozzles (32, 32a) are provided for reactive and non-reactive fluidizing agents.
前記流動層反応器(1)は、断面が円形であり、長さが前記幅よりも大きい、請求項1から4の何れか一項に記載の流動層反応器(1) 5. The fluidized bed reactor (1) according to any one of claims 1 to 4, wherein the fluidized bed reactor (1) is circular in cross section and has a length greater than its width . 前記流動層反応器(1)は、前記反応器チャンバ(10)内に、2つから5つの流動化ステージ(3)を備える、請求項1から5の何れか一項に記載の流動層反応器(1) 6. The fluidized bed reactor (1) according to any one of claims 1 to 5 , wherein the fluidized bed reactor (1) comprises two to five fluidization stages (3 ) within the reactor chamber ( 10 ). 前記流動層反応器(1)は、前記反応を開始させて進行させるために固体粒子を反応性流動化剤によって流動化するための第1のセットのノズル(32)と、固体粒子の流動化を増大させるために前記固体粒子を不活性の又は反応性の低い流動化剤によって流動化するための第2のセットのノズル(32a)と、を備える、請求項1から6の何れか一項に記載の流動層反応器(1) 7. The fluidized bed reactor (1) according to any one of claims 1 to 6, comprising a first set of nozzles (32) for fluidizing the solid particles with a reactive fluidizing agent to initiate and progress the reaction , and a second set of nozzles (32a ) for fluidizing the solid particles with an inert or less reactive fluidizing agent to increase the fluidization of the solid particles. 前記流動層反応器(1)に、余分な流動化剤を排出するためのガス排出チャネル(9)が備えられている、請求項1から7の何れか一項に記載の流動層反応器(1) 8. The fluidized bed reactor (1) according to any one of claims 1 to 7 , wherein the fluidized bed reactor ( 1) is provided with a gas discharge channel (9) for discharging excess fluidizing agent. 1)アルカリ土類金属、もしくは、元素形態の、リチウム(Li)、ホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、鉄(Fe)、及び亜鉛(Zn)から成る群からの金属のうち1つの固体粒子と、気体もしくは蒸気の形態の酸化剤、又は、
2)アルカリ土類金属、もしくは、酸化形態の、リチウム(Li)、ホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、鉄(Fe)、及び亜鉛(Zn)から成る群からの金属のうち1つの固体粒子と、水酸化物を得るための気体もしくは蒸気の形態の水和化合物、
の反応のうち1つにる反応生成物の生成に伴い反応熱を発することで熱化学的熱エネルギを連続的に発生させるための方法であって、前記方法は、
流動層反応器(1)の反応器チャンバ(10)の第1の端部で前記反応器チャンバ(10)に固体粒子の原材料を供給するステップと、
前記反応を開始させるため、複数の流動化ステージ(3)を有して構成されるアレイにおける第1の流動化ステージ(3)の、ノズル(32)を介して導入されている流動化ジェットによって前記固体粒子を流動化させるステップと、を含み、
前記反応チャンバ(10)内の熱交換器に、前記反応熱が伝達され、
前記反応器チャンバ(10)の前記第1の端部からの原材料の前記供給を継続させることにより、前記原材料部分的に反応した材料の混合物をその後の流動化ステージ(3)に移動させ、その流動化ステージ(3)では、流動化ジェットによる混合物の流動化が継続し、前記反応熱は前記熱交換器(4)によって伝達され、前記流動化が継続するにつれて、前記混合物の組成はより多くの最終材料に変わり、前記アレイにおける最後の流動化ステージ(3)の後、前記混合物はわずかな割合のみの前記原材料を含み、前記流動化ステージの各々において、前記流動化ストリームの温度、飽和、及び流速によって前記反応の収率が制御され、
前記流動層反応器(1)は、縦型であり、前記反応器チャンバ(10)において相互に対して垂直方向の位置に構成された入口(2)及び出口(5)を有し、
前記ノズル(32)は、前記流動化ステージ(3)を形成するパイプ(31)上に配置され、
前記流動化ステージ(3)の全ては、1つの区画内に構成されて、前記反応器チャンバ(10)内での固体粒子の流れを可能とし、
前記反応材料は、前記出口(5)を介して前記反応チャンバから除去される、方法。
1) solid particles of an alkaline earth metal or one of the metals from the group consisting of lithium (Li), boron (B), magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), iron (Fe), and zinc (Zn) in elemental form , and an oxidizing agent in gaseous or vapor form; or
2) solid particles of an alkaline earth metal or one of the metals from the group consisting of lithium (Li), boron (B), magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), iron (Fe) and zinc (Zn) in oxidized form and its hydrated compound in gaseous or vapor form to obtain a hydroxide;
1. A method for continuously generating thermochemical heat energy by generating heat of reaction associated with the production of a reaction product by one of the following reactions:
supplying a raw material of solid particles to a reactor chamber (10) of a fluidized bed reactor (1) at a first end of said reactor chamber (10);
fluidizing the solid particles with a fluidizing jet introduced through a nozzle (32) of a first fluidization stage (3) in an array of fluidization stages ( 3) to initiate the reaction;
The reaction heat is transferred to a heat exchanger ( 4 ) in the reaction chamber (10),
Continuing the feed of raw materials from the first end of the reactor chamber (10) moves the mixture of raw materials and partially reacted material to a subsequent fluidization stage (3) in which fluidization jets continue to fluidize the mixture, the heat of reaction is transferred by the heat exchanger (4), and as the fluidization continues, the composition of the mixture changes to more and more final material, so that after the last fluidization stage (3) in the array , the mixture contains only a small proportion of the raw materials, and in each of the fluidization stages, the temperature, saturation, and flow rate of the fluidization stream control the yield of the reaction;
The fluidized bed reactor (1) is vertical and has an inlet (2) and an outlet (5) arranged in a mutually perpendicular position in the reactor chamber (10),
The nozzle (32) is arranged on the pipe (31) forming the fluidization stage (3),
all of said fluidization stages (3) are arranged in one compartment to allow flow of solid particles within said reactor chamber (10);
The method wherein the reaction material is removed from the reaction chamber through the outlet (5).
化カルシウム(CaO)である固体粒子気相における水(HO)であるスチーム->水酸化カルシウム(Ca(OH))の反応から発する反応熱を利用することによって、熱化学的熱エネルギを連続的に発生させるための方法であって、この方法は、
流動層反応器(1)の反応器チャンバ10の第1の端部で前記反応器チャンバ(10)にCaOの固体粒子を供給するステップと、
前記反応を開始させるため、複数の流動化ステージ(3)を有して構成されるアレイにおける第1の流動化ステージ(3)の、ノズル(32)を介して導入されているスチームジェットによってCaOを流動化させるステップと、を含み、
前記反応チャンバ(10)内の熱交換器(4)に、前記反応熱が伝達され、
前記反応器チャンバ(10)の前記第1の端部からのCaOの原材料の前記供給を継続させて、前記部分的に反応したCaO/Ca(OH)の混合物を前記アレイにおけるその後の流動化ステージ(3)に移動させ、その流動化ステージ(3)では、スチームジェットによる混合物の流動化が継続し、前記反応熱は前記熱交換器(4)によって伝達され、前記流動化が継続するにつれて、前記CaO/Ca(OH)の混合物の組成はより多くのCa(OH)に変わり、前記アレイにおける最後の流動化ステージ(3)の後、前記混合物はわずかな割合のCaOと共にCa(OH) を含み、前記流動化ステージ(3)の各々において、前記スチーム温度、飽和、及び流速によって前記反応の収率が制御され、
前記流動層反応器(1)は縦型であり、前記反応器チャンバ(10)において相互に対して垂直方向の位置に構成された入口(2)及び出口(5)を有し、
前記ノズル(32)は、前記流動化ステージ(3)を形成するパイプ(31)上に配置され、
前記流動化ステージ(3)の全ては、1つの区画内に構成されて、前記反応器チャンバ(10)内での固体粒子の流れを可能とし、
前記反応生成物Ca(OH)は、前記出口(5)を介して前記反応チャンバ(10)から除去される、方法。
A method for continuously generating thermochemical heat energy by utilizing the heat of reaction generated from the reaction of calcium oxide (CaO) solid particles + steam (H 2 O) in the gas phase → calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ), the method comprising:
supplying solid particles of CaO into a reactor chamber (10 ) of a fluidized bed reactor (1) at a first end of said reactor chamber (10);
fluidizing the CaO by steam jets introduced through nozzles (32) of a first fluidization stage (3) of an array of fluidization stages (3) to initiate the reaction;
The reaction heat is transferred to a heat exchanger (4) in the reaction chamber (10),
The feed of CaO raw material from the first end of the reactor chamber (10) is continued to move the partially reacted CaO/Ca(OH) 2 mixture to subsequent fluidization stages (3) in the array , where fluidization of the mixture by steam jets continues and the heat of reaction is transferred by the heat exchanger (4), and as the fluidization continues, the composition of the CaO/Ca(OH) 2 mixture changes to more Ca(OH) 2 , so that after the last fluidization stage (3) in the array , the mixture contains Ca(OH) 2 with a small percentage of CaO, and in each of the fluidization stages (3) the steam temperature, saturation, and flow rate control the yield of the reaction;
The fluidized bed reactor (1) is vertical and has an inlet (2) and an outlet (5) arranged in a mutually perpendicular position in the reactor chamber (10),
The nozzle (32) is arranged on the pipe (31) forming the fluidization stage (3),
all of said fluidization stages (3) are arranged in one compartment to allow flow of solid particles within said reactor chamber (10);
The reaction product Ca(OH) 2 is removed from the reaction chamber (10) via the outlet (5).
反応性流動化剤としてスチームが導入され、
前記スチームの温度は、流動化ステージ(3)からその後の流動化ステージ(3)まで、徐々に上昇するか、徐々に低下するか、又は同じ状態を維持する、請求項9又は10に記載の方法。
Steam is introduced as a reactive fluidizer.
11. The method according to claim 9 or 10, wherein the temperature of the steam is gradually increased, gradually decreased or remains the same from one fluidization stage (3) to the subsequent fluidization stage (3).
スチームノズル(32)における前記スチーム速度は、流動化ステージからその後の流動化ステージ(3)まで徐々に低下又は上昇する、請求項9、10又は11に記載の方法。 12. The method according to claim 9, 10 or 11, wherein the steam velocity in the steam nozzle (32) gradually decreases or increases from the fluidization stage ( 3 ) to the subsequent fluidization stage (3). 反応性流動化剤と非反応性流動化剤の混合物が、前記反応性流動化剤と同じノズルを介してノズルによって前記チャンバ内に導入されるか、又は、
前記流動層反応器には、反応性流動化剤と非反応性流動化剤のために別個のノズルが備えられている、請求項9に記載の方法。
A mixture of reactive and non-reactive fluidizing agents is introduced into the chamber by a nozzle through the same nozzle as the reactive fluidizing agent, or
10. The method according to claim 9, wherein the fluidized bed reactor ( 1 ) is equipped with separate nozzles for reactive and non-reactive fluidizing agents.
1)アルカリ土類金属もしくは元素形態の金属の固体粒子と、気体もしくは蒸気の形態の酸化剤、又は、
2)アルカリ土類金属もしくは酸化形態の金属の固体粒子と、水酸化物を得るための気体もしくは蒸気の形態の水和化合物、
の反応のうち1つを用いることにより、反応のうち1つに基づく熱化学的熱エネルギを連続的に貯蔵及び放出するためのシステム(100)であって、
前記システムは、請求項9から13の何れか一項の方法を利用するための、請求項1から8の何れか一項に記載の前記流動層反応器を備え、
前記システム(100)は更に、原材料のための貯蔵部(6)と、最終材料のための貯蔵部(7)と、前記最終材料を原材料に戻すプロセスのための再生反応器(8)と、を備え、
前記システム(100)は、必要に応じて熱を放出する際、及び、利用可能な場合に熱を貯蔵する際に利用される、システム(100)。
1) solid particles of an alkaline earth metal or metal in elemental form and an oxidizing agent in gas or vapor form, or
2) solid particles of alkaline earth metals or metals in oxidized form and their hydrated compounds in gaseous or vapor form to obtain hydroxides;
1. A system (100) for continuously storing and releasing thermochemical heat energy based on one of the reactions by using one of the reactions:
The system comprises the fluidized bed reactor ( 1 ) according to any one of claims 1 to 8 for applying the method according to any one of claims 9 to 13,
The system (100) further comprises a storage section (6) for raw materials, a storage section (7) for final materials, and a regeneration reactor (8) for the process of returning the final materials to raw materials,
The system (100) is utilized to release heat when needed and to store heat when available.
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