氧化还原储热体系中气固反应与热量存储/释放的耦合机制

The coupling mechanism between gas-solid reaction and heat storage/release in redox system for thermochemical heat storage will be investigated in this project. Experiments of gas-solid reaction with single crystals will be conducted to collect the mesoscale product growth data, which will be used to analyze the effect of mesoscale product growth on reaction process and explore the gas-solid reaction mechanism. Experiments of gas-solid reaction with porous particles will be conducted to collect the grain temperature data, which will be used to analyze the heat storage/release process on mesoscale associated with the growth process of solid product. A mechanism model will be developed to describe the formation and growth of product on the grain surface. Conservation equation of energy will be developed on the grain scale, and the mechanism of heat transfer and conduction on mesoscale will be studied. Also, the effect of grain temperature on reaction process will be analyzed, and the coupling mechanism between gas-solid reaction and heat storage/release will be clarified using the mechanism model. Based on the above study, the mesoscale model will be integrated into the particle model to describe the macroscopic phenomena, and experimental data will be used to validate the developed model. The proposed project can provide a theoretical foundation for further improving the reaction and heat storage performance of heat storage materials.

本项目针对氧化还原储热体系中气固反应与热量存储/释放的耦合机制展开基础研究。利用单晶样品实验获取介尺度固体产物生长数据，探究介尺度产物生长过程以及对反应进程的影响机制，明确气固反应机理；通过多孔颗粒样品实验获取晶粒温度数据，从介尺度分析产物生长过程中伴随的热量存储/释放过程，探究介尺度热量转化和传递机理；建立描述晶粒表面介尺度产物结构生长过程的动力学模型，并建立晶粒尺度的能量守恒方恒，明确晶粒温度与反应进程的相互影响机制，掌握气固反应与热量存储/释放的耦合机制。在此基础上将晶粒尺度模型引入单颗粒尺度模型，通过实验数据全面验证模型，并形成对宏观现象的综合描述，为进一步改进储热材料的反应与储热性能提供理论依据。

本项目针对热化学气固反应储热体系中气固反应与热量存储/释放的耦合机制展开基础研究。研制了大尺寸快速升温热重分析实验台(Macro-TGA)，通过多孔颗粒样品实验获取样品内部温度数据，积累介尺度产物生长特性实验数据和介尺度温度数据，探究实验条件的影响规律。. 在表面反应机理方面，基于反应过程中介尺度产物结构生长特性，模型中提出了采用分散的产物岛生长模式代替传统模型中关于连续均匀产物层的假设，基于固体产物单体的表面扩散-捕获模式建立了产物岛生长理论，通过引入参数表面裸露份额建立了介尺度反应动力学机理模型，分析了模型中关键参数对反应进程的影响机制，模型可准确解释实际过程中反应动力学从快速阶段向产物层扩散阶段转折现象的本质原因。. 在介尺度反应机理模型基础上进一步考虑了颗粒孔隙内气体传质行为对介尺度反应进程的影响，建立了基于产物岛生长理论的颗粒尺度反应动力学模型，探讨了颗粒结构控制机制，并基于蒂勒模数法建立了解析解形式的颗粒尺度模型快速求解算法，提高了计算效率，方便应用于反应器尺度计算。将基于快速求解算法的单颗粒模型嵌入反应器尺度模型中，建立了晶粒-颗粒-反应器多尺度动力学分析方法，揭示了微观产物结构生长与宏观储热介质动力学特性的跨尺度关联。. 应用多尺度模型分析了实验中测得的热化学储热介质反应动力学特性，包括CaO/CaCO3和CoO/Co3O4体系，获得了储热工作温度最佳区间。探究了表观实验现象背后的跨尺度气固反应步骤，讨论了粒径对动力学影响的三区域特征，反映了气体扩散和化学反应步骤的竞争与协调机制。通过分析反应过程中的颗粒结构变化特征和反应控制步骤，提出了储热反应性能改进策略：CaO介质应改进颗粒结构以避免发生孔隙堵塞，而CoO介质应从改进化学反应活性角度采取措施。研究结果为进一步改进储热材料的反应与储热性能提供理论依据。. 培养出博士和硕士共3名，在国内外核心期刊发表高质量论文6篇，1篇国际学术会议论文，其中被SCI 收录5 篇。