CN111171876A - 一种高温超临界水气化碳基能源制氢***与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温超临界水气化碳基能源制氢***与方法，属于能源清洁高效转化利用领域，气化后产物固液气分离后，重新利用固液相中残炭在超临界水热燃烧反应器中进行超临界水热燃烧，彻底利用煤炭等炭基能源化学能。产生的高温进一步提升超临界流体温度，直接在超临界水气化器中与待气化煤浆发生分子接触式掺混预热，突破了间接换热高压装备结构合金的耐温限制，实现更高温的超临界水气化反应，最大化制氢效率。本发明充分利用了制氢过程中产生的热量，降低了能耗，通过耦合超临界水热燃烧和超临界水气化，结合回热器等多种热能再利用措施，实现了煤炭等炭基能源化学能直接高效转化为氢能，同时满足环保要求，不排放任何氮氧化物等有害气体。

Description

一种高温超临界水气化碳基能源制氢***与方法
技术领域
本发明属于能源清洁高效转化利用技术领域，特别涉及一种高温超临界水气化碳基能源制氢***与方法。
背景技术
氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。在应对全球变暖和能源转型的背景下,氢能因为来源多样、清洁低碳、灵活高效、应用场景丰富等众多优点,被多国列入国家能源战略部署中。氢气属于一种二次能源，自然界中不存在游离态氢，而是以化合物如碳氢化合物、水和生物质等形式存在，因此虽然储量丰富可观，但几乎无法从自然界中直接获取。当今制氢、储氢、用氢的技术也在日益发展完善，全球范围内大约有48％的氢气来自于天然气，30％来自石油，18％来自煤炭，其余则来自水以及生物质。水电解制氢气产物清洁，但是其成本高昂，远远超出化石燃料，所以不适宜大规模的工业化生产。我国是以煤炭为主要能源的国家，以煤炭为原料制取氢气供给终端用户使用，集中处理有害废物将污染降低到最低水平，是一种相对环保的制氢路线。虽然传统煤气化制氢工艺成熟，但其投资成本大、需用纯氧、气体分离成本高、产氢效率偏低、CO2排放量大以及煤炭化学能未被完全利用等劣势阻碍了大规模工业推广。
超临界水热燃烧在高于临界点的水中产生的火焰称为水热火焰，是更为剧烈的氧化反应。水热火焰产生的1000℃以上的局部高温能够加快有机物的去除速率和去除速率，同时燃烧释放的额外热量能够作为热源维持自身反应，无需额外进行加热保持超临界态。超临界气化技术利用温度和压力达到或高于水的临界点(374.3℃、22.1MPa)时水的特殊物理化学性质，将煤中的碳、氢、氧元素气化转化为氢气和二氧化碳，同时热化学分解了部分超临界水制取氢气，将煤炭化学能直接高效转化为氢能。与传统“一把火烧煤”相比，该技术发电和制氢的效率显著提高，大型化后的一次性投资和运行成本则显著降低。气化产物可发电、供热、供蒸汽，还可生产高附加值化工产品，实现了煤炭能源的高效、洁净、无污染转化和利用。但是受限于高压反应器、预热器材料的耐温极限，当前超临界水气化工艺多在400-500℃的温度下进行，氢气产生效率较低，煤炭中相当一部分能量能集中在反应后的固相产物中。其次，气化温度较低还会导致物料中的多环芳烃类化合物无法实现为完全降解，还需对反应产物进行进一步的处理，增加了***流程及设备造价。因此，在不额外消耗外部能量的前提下，如何提高超临界水气化工艺的运行温度，充分利用煤炭中所含的能量，是进一步提升超临界水气化工艺工业前景的关键问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，合理利用煤炭，特别是进一步释放气化后固相产物中相当可观的能量，提升气化温度，提高制氢效率，降低制氢成本，本发明的目的在于提供一种具有残炭水相燃烧内热-矿化残渣自分离功能的高温超临界水气化碳基能源制氢***与方法，可实现煤炭等炭基能源高效清洁制取氢气。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高温超临界水气化碳基能源制氢***，包括旋流式超临界水热燃烧反应器10和超临界水气化反应器3，煤浆输入管1接至回热器2冷流体侧入口，回热器2热流体侧出口与超临界水气化反应器3内的若干气化喷嘴24接通，超临界水气化反应器3出口接至回热器2热流体侧入口，回热器2冷流体侧出口经调温调压器A4与气相分离器A5入口接通，气相分离器A5顶部出口接至氢气分离提纯单元6，底部出口接至调温调压器B7，调温调压器B7出口与气相分离器B8入口接通，气相分离器B8底部出口经升压单元9接至安装于旋流式超临界水热燃烧反应器10上部的水热火焰喷嘴14，旋流式超临界水热燃烧反应器10底部中心经超临界热流体引导锥22与超临界水气化反应器3接通；旋流式超临界水热燃烧反应器10底部侧面设有渣浆出流口23。
所述超临界热流体引导锥22位于超临界水气化反应器3顶部，若干气化喷嘴24均布于超临界水气化反应器3侧面上部的同一水平高度上。
所述水热火焰喷嘴14位于超临界水热燃烧反应器10的侧面上部，水热火焰喷嘴14有两个输入口，一个与高压氧化剂输入管13接通，另一个接至升压单元9出口。
所述超临界热流体引导锥22为圆台形状，与超临界水热燃烧反应器10底部凹陷轮廓匹配，超临界水气化反应器3与旋流式超临界水热燃烧反应器10的连通口在圆台中心。
所述超临界水气化反应器3的承压壁A25被高效冷却套A20包裹，所述超临界水热燃烧反应器10的承压壁B17被高效冷却套B16包裹，所述高效冷却套A20上设有冷却剂进口19与冷却剂出口21，高效冷却套B16上设有冷却剂进口15与冷却剂出口18，所述高效冷却套A20与高效冷却套B16的结构可以为夹套、单层螺旋通道或多层螺旋通道等。
所述渣浆出流口23经流量调控阀11与余热回收及后续处理单元12接通。
本发明还提供了一种基于所述高温超临界水气化碳基能源制氢***的制氢方法，超临界水气化反应器3排出的产物回流到回热器2，对煤浆输入管1中新煤浆物料进行预热，预热过后的新煤浆经若干气化喷嘴24喷入超临界水气化反应器3中进行气化；
经过热交换的产物在调温调压器A4中改变温度和压力状态，在气相分离器A5中实现氢气的分离，剩下的产物继续输运到调温调压器B7调整温度和压力，实现二氧化碳为主的气体从产物中分离；固相以残碳为主的产物在升压单元9加压后，重新经水热火焰喷嘴14与高压氧化剂输入管13的氧化剂一同射入超临界水热燃烧反应器10，着火后实现炭基能源能量的完全释放，为后续的超临界水气化所需的超临界热流体提供热量，维持超临界水气化器3中反应的继续进行。
进行排除燃烬渣浆操作时，首先降低煤浆和空气的流量到稳定运行流量的三分之一，然后通过流量调控阀11控制燃烬渣浆流量，防止出流过快影响超临界热流体引导锥22的生成物出流稳定性，排出的燃烬渣浆进入余热回收及后续处理单元做进一步操作。
所述回热器2将煤浆输入管1中新煤浆物料预热至300-450℃；
所述调温调压器A4中改变温度和压力状态，具体改变至温度范围为80-150℃，压力范围为6-10MPa，具体数值视流量确定。调温调压器B7调整温度和压力，具体调整至温度范围为20-60℃，压力范围为0.1-3MPa。所述升压单元9中加压至25-30MPa。
所述氧化剂可以为液氧、氧气或空气等，冷却剂可以为水、空气、导热油、有机浆液或氧化剂等。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明通过耦合超临界水热燃烧和超临界水气化，利用气化后固相产物水热燃烧产生的高温超临界热流体，直接与待气化煤浆发生分子接触式掺混预热，突破了间接换热高压装备结构合金的耐温限制，可实现更高温的超临界水气化反应，最大化制氢效率。
2.本发明通过采用旋流式超临界水热燃烧反应器，保证反应器内产生旋流流动，水热燃烧后的燃烬渣浆依靠惯性沉积在特殊结构的超临界热流体引导锥四周，后续再经渣浆出流口流出，进一步进行余热回收以后续处理。
3.本发明通过回热器的使用，对新煤浆进行预热，充分回收气化产物的高品质热能，实现了在不引入外部能量的前提下，充分提高超临界水气化的温度，提升氢气的产率。
附图说明
图1是本发明***结构示意图。
其中，1.煤浆输入管；2.回热器；3.超临界水气化反应器；4.调温调压器A；5.气相分离器A；6.氢气分离提纯单元；7.调温调压器B；8.气相分离器B；9.升压单元；10.旋流式超临界水热燃烧反应器；11.流量调控阀；12.余热回收及后续处理单元；13.高压氧化剂输入管；14.水热火焰喷嘴；15.冷却剂进口；16.高效冷却套B；17.承压壁B；18.冷却剂出口；19.冷却剂进口；20.高效冷却套A；21.冷却剂出口；22.超临界热流体引导锥；23.渣浆出流口；24.气化喷嘴；25.承压壁A。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参见图1，超临界水气化反应器3出口接至回热器2热流体侧入口，回热器2热流体侧出口经调温调压器A4与气相分离器A5入口接通，气相分离器A5顶部出口接至氢气分离提纯单元6、底部出口接至调温调压器B7，调温调压器B7出口与气相分离器B8接通，气相分离器B8底部出口经升压单元9与高温氧化剂输入管13共同接至安装于旋流式超临界水热燃烧反应器10上部的水热火焰喷嘴14，旋流式超临界水热燃烧反应器10底部中心经超临界热流体引导锥22与超临界水气化反应器3接通；旋流式超临界水热燃烧反应器10底部侧面设有渣浆出流口23，其经流量调控阀11与余热回收及后续处理单元12接通；煤浆输入管1接至回热器2冷流体侧入口，回热器2热流体侧出口与若干气化喷嘴24接通。
运行过程中，超临界水气化反应器3排出的产物回流到回热器2，对煤浆输入管1中新煤浆物料进行预热，预热过后的新煤浆经布于超临界水气化反应器3侧面上部的同一水平高度上若干气化喷嘴24喷入超临界水气化反应器3中进行气化。经过热交换的产物进一步在调温调压器A4中改变温度和压力状态，在气相分离器A5中实现氢气的分离。剩下的产物继续输运到调温调压器B7进一步调整温度和压力，实现二氧化碳为主的气体从产物中分离。由此，固相以残碳为主的产物在升压单元9加压到25MPa后，重新经水热火焰喷嘴14与高压氧化剂输入管13的氧化剂一同射入超临界水热燃烧反应器10，着火后进一步实现炭基能源能量的完全释放，为后续的超临界水气化所需的超临界热流体提供热量，维持超临界水气化器3中反应的继续进行。运行的过程中，高效冷却套A20和高效冷却套B16维持开启，防止壁面超温。
稳定运行一段时间后，通过观察燃烬渣浆出口23流出物组成，决定是否进行排除燃烬渣浆操作。所述装置进行排除燃烬渣浆操作时，首先降低煤浆和空气的流量到稳定运行流量的三分之一，避免反应不充分造成额外浪费。然后通过流量调控阀11控制燃烬渣浆流量，防止出流过快影响超临界热流体引导锥22的生成物出流稳定性，排出的燃烬渣浆进入余热回收及后续处理单元做进一步操作。高效冷却套A20和高效冷却套B16维持开启，防止壁面超温。
综上，本发明具有残炭水相燃烧内热-矿化残渣自分离功能，气化后产物固液气分离后，重新利用固液相中残炭在超临界水热燃烧反应器中进行超临界水热燃烧，彻底利用煤炭等炭基能源化学能。产生的高温进一步提升超临界流体温度，直接在超临界水气化器中与待气化煤浆发生分子接触式掺混预热，突破了间接换热高压装备结构合金的耐温限制，实现更高温的超临界水气化反应，最大化制氢效率。整套工艺流程中包括回热器以及余热回收及后处理单元的使用，充分利用制氢过程中产生的热量，降低了能耗。本发明通过耦合超临界水热燃烧和超临界水气化，结合回热器等多种热能再利用措施，实现了煤炭等炭基能源化学能直接高效转化为氢能，同时满足环保要求，不排放任何氮氧化物等有害气体。

Claims (10)

1.一种高温超临界水气化碳基能源制氢***，包括旋流式超临界水热燃烧反应器(10)和超临界水气化反应器(3)，其特征在于，煤浆输入管(1)接至回热器(2)冷流体侧入口，回热器(2)热流体侧出口与超临界水气化反应器(3)内的若干气化喷嘴(24)接通，超临界水气化反应器(3)出口接至回热器(2)热流体侧入口，回热器(2)冷流体侧出口经调温调压器A(4)与气相分离器A(5)入口接通，气相分离器A(5)顶部出口接至氢气分离提纯单元(6)，底部出口接至调温调压器B(7)，调温调压器B(7)出口与气相分离器B(8)入口接通，气相分离器B(8)底部出口经升压单元(9)接至安装于旋流式超临界水热燃烧反应器(10)上部的水热火焰喷嘴(14)，旋流式超临界水热燃烧反应器(10)底部中心经超临界热流体引导锥(22)与超临界水气化反应器(3)接通；旋流式超临界水热燃烧反应器(10)底部侧面设有渣浆出流口(23)。
2.根据权利要求1所述高温超临界水气化碳基能源制氢***，其特征在于，所述超临界热流体引导锥(22)位于超临界水气化反应器(3)顶部，若干气化喷嘴(24)均布于超临界水气化反应器(3)侧面上部的同一水平高度上。
3.根据权利要求1所述高温超临界水气化碳基能源制氢***，其特征在于，所述水热火焰喷嘴(14)位于超临界水热燃烧反应器(10)的侧面上部，水热火焰喷嘴(14)有两个输入口，一个与高压氧化剂输入管(13)接通，另一个接至升压单元(9)出口。
4.根据权利要求1或2或3所述高温超临界水气化碳基能源制氢***，其特征在于，所述超临界热流体引导锥(22)为圆台形状，与超临界水热燃烧反应器(10)底部凹陷轮廓匹配，超临界水气化反应器(3)与旋流式超临界水热燃烧反应器(10)的连通口在圆台中心。
5.根据权利要求1或2或3所述高温超临界水气化碳基能源制氢***，其特征在于，所述超临界水气化反应器(3)的承压壁A(25)被高效冷却套A(20)包裹，所述超临界水热燃烧反应器(10)的承压壁B(17)被高效冷却套B(16)包裹，所述高效冷却套A(20)上设有冷却剂进口(19)与冷却剂出口(21)，高效冷却套B(16)上设有冷却剂进口(15)与冷却剂出口(18)，所述高效冷却套A(20)与高效冷却套B(16)的结构为夹套、单层螺旋通道或多层螺旋通道。
6.根据权利要求5所述高温超临界水气化碳基能源制氢***，其特征在于，所述渣浆出流口(23)经流量调控阀(11)与余热回收及后续处理单元(12)接通。
7.基于权利要求1所述高温超临界水气化碳基能源制氢***的制氢方法，其特征在于，超临界水气化反应器(3)排出的产物回流到回热器(2)，对煤浆输入管(1)中新煤浆物料进行预热，预热过后的新煤浆经若干气化喷嘴(24)喷入超临界水气化反应器(3)中进行气化；
经过热交换的产物在调温调压器A(4)中改变温度和压力状态，在气相分离器A(5)中实现氢气的分离，剩下的产物继续输运到调温调压器B(7)调整温度和压力，实现二氧化碳为主的气体从产物中分离；固相以残碳为主的产物在升压单元(9)加压后，重新经水热火焰喷嘴(14)与高压氧化剂输入管(13)的氧化剂一同射入超临界水热燃烧反应器(10)，着火后实现炭基能源能量的完全释放，为后续的超临界水气化所需的超临界热流体提供热量，维持超临界水气化器(3)中反应的继续进行。
8.根据权利要求7所述制氢方法，其特征在于，进行排除燃烬渣浆操作时，首先降低煤浆和空气的流量到稳定运行流量的三分之一，然后通过流量调控阀(11)控制燃烬渣浆流量，防止出流过快影响超临界热流体引导锥(22)的生成物出流稳定性，排出的燃烬渣浆进入余热回收及后续处理单元做进一步操作。
9.根据权利要求7所述制氢方法，其特征在于，所述回热器(2)将煤浆输入管(1)中新煤浆物料预热至300-450℃；所述调温调压器A(4)中改变温度和压力状态，至温度范围为80-150℃，压力范围为6-10MPa，具体数值视流量确定；调温调压器B(7)调整温度和压力，至温度范围为20-60℃，压力范围为0.1-3MPa；所述升压单元(9)中加压至25-30MPa。
10.根据权利要求7所述制氢方法，其特征在于，所述氧化剂为液氧、氧气或空气，冷却剂为水、空气、导热油、有机浆液或氧化剂。
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