超临界CO2流化床中CaO颗粒碳化反应的数值模拟研究：提升钙循环热化学储能效率的关键路径

为解决钙循环（CaL）热化学储能系统中碳化反应速率低、颗粒烧结等问题，研究人员提出采用超临界CO2（sCO2）作为流化介质，通过欧拉-欧拉双流体模型（TFM）结合颗粒动力学理论（KTGF），揭示了压力与CO2分压对流化质量、床-管传热系数（HTC）及反应性能的影响。结果表明，sCO2可显著改善颗粒流化均匀性，但需优化设计以应对反应器内潜在超温风险，为太阳能电站集成sCO2布雷顿循环提供了关键技术支撑。

　　

随着全球能源结构向可再生能源转型，太阳能热发电（CSP）因其可预测性和储能潜力成为研究热点。然而，传统熔盐储热技术受限于温度上限（≤581℃），难以匹配超临界CO₂（sCO₂）布雷顿循环的高温需求（>550℃）。钙循环（Calcium-Looping, CaL）热化学储能（TCES）基于CaCO₃/CaO的可逆碳化-煅烧反应，具有储能密度高、成本低等优势，但多循环反应中颗粒烧结导致的活性下降严重制约其实际应用。尤其碳化反应速率慢、烧结问题突出，亟需创新反应器设计以突破瓶颈。

针对这一挑战，西安交通大学的研究团队在《The Journal of Supercritical Fluids》发表论文，首次通过数值模拟探究了超临界CO₂流化床中CaO颗粒的碳化反应特性。研究采用欧拉-欧拉双流体模型（TFM）结合颗粒动力学理论（KTGF），分析了总压力（1–8 MPa）和CO₂分压（40–4000 kPa）对Geldart B型CaO颗粒流化质量、床-管传热及反应动力学的影响。

关键方法

1. 模型构建：基于TFM-KTGF框架，耦合碳化反应动力学方程，模拟沉浸管式流化床内气-固两相流动与传热。
2. 参数设计：对比常压与超临界压力（7.38 MPa）下流化行为，量化CO₂分压对反应速率的非线性影响。
3. 验证策略：通过颗粒分布均匀性、局部传热系数分布等指标评估sCO₂的流化优化效果。

研究结果

流体动力学特性
超临界压力下（Case 1），床层空隙率（ε）波动幅度较常压（Case 10）降低63%，表明sCO₂的高密度特性抑制了气泡生成，实现颗粒均匀流化。但颗粒-气体密度比降低导致床层膨胀率下降，平均传热系数减少45–119 W·m^-2·K^-1。

反应性能
CO₂分压从40 kPa增至4000 kPa时，碳化反应速率提升近1000倍，但伴随剧烈放热可能引发局部超温。模拟显示，分压>1000 kPa时需强化床内换热设计以避免烧结加剧。

讨论与意义
该研究首次证实sCO₂流化可有效缓解CaO颗粒烧结，但需权衡传热效率与反应速率。成果为CaL-TCES系统与sCO₂布雷顿循环的集成提供了理论依据：（1）超临界压力下可实现颗粒流态化，减少接触烧结；（2）高CO₂分压大幅提升反应效率，但需优化沉浸管布局以控制温升。未来研究可结合实验验证多尺度传热-反应耦合机制，推动太阳能热发电技术商业化应用。