CN211896821U - 碳基能源超临界水气化制氢及二氧化碳能源化利用*** - Google Patents

碳基能源超临界水气化制氢及二氧化碳能源化利用*** Download PDF

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Abstract

一种碳基能源超临界水气化制氢及二氧化碳能源化利用***，包括：主反应流程，超临界水气化制氢反应产物的热量为物料预热，之后分离得到CO2和液相产物，液相产物调温调压后进行超临界水氧化反应，超临界水氧化反应产物的热量为调温调压后的液相产物预热，之后降压进行三相分离，分离得到CO2和液相产物，液相产物回补进行煤浆制备；能源化固碳流程，利用主反应流程所得CO2进行微藻固碳反应，产出生物原油；氧化剂供应流程，为超临界水气化反应和超临界水氧化反应供氧；物料供给，进行煤浆制备。本实用新型耦合超临界水热燃烧技术、超临界水气化技术、超临界水氧化技术于一身，实现了煤炭全流程的高值清洁转化利用。

Description

碳基能源超临界水气化制氢及二氧化碳能源化利用***
技术领域
本实用新型属于能源清洁高效转化利用及固碳技术领域，特别涉及一种碳基能源超临界水气化制氢及二氧化碳能源化利用***。
背景技术
氢气作为最具潜力的新能源，其具有来源丰富、质量轻、热值高、无碳排放、燃烧产物是水、可以直接用于氢燃料电池等优势。随着社会对环境质量的日益重视，以及氢气可广泛应用于石油、化工、冶金、医药、航天等工业领域，使其成为了近年来各国研究热点。2018年，中国煤炭占一次能源消费比例接近60%，实现煤炭的清洁利用对于节能减排、建设生态强国具有重要意义，以煤炭为原料规模化制取氢源，是一条具有中国特色、符合我国实际的解决氢源问题的制氢路线。然而，传统煤气化工艺存在着氢气产率低；煤种适应性差，煤质要求高；烧嘴和耐火砖的使用寿命短暂，容易损坏；合成气容易带灰、带水，合成气冷却器易积灰；气化装置排渣困难和容易堵塞等技术难题。
超临界水气化技术（SCWG）是利用超临界水（SCW）的特殊性质，在不加入氧化剂的前提下将反应物加入 SCWG 反应器内进行热解气化反应，制取高热值气体，如氢气和甲烷等，而且反应过程中有机物不会生成焦炭等副产物。SCWG制氢技术是一项最具潜力的制氢技术，相比常规煤气化工艺而言，其反应效率高、氢气选择性高。但受限于高压反应器、预热器材料的耐温极限，当前规模化SCWG工艺的反应温度多为400-600℃，较低的气化温度致使氢气产率低、炭气化率低等问题。气化后残炭含量高，气体分离后残余渣浆需要进行无害化处理且具有较高的能源化利用价值。此外，煤炭SCWG制氢过程中会产生大量CO2，其直接排放将带来“温室效应”等诸多问题。如何提高产氢效率、实现对高能源化利用价值残余渣浆的再利用以及CO2的低成本回收利用成为限制SCWG工艺发展的主要障碍。
发明内容
为了克服上述现有技术中常规SCWG制氢工艺的缺点，本实用新型的目的在于提供一种碳基能源超临界水气化制氢及CO2能源化利用***，其耦合超临界水热燃烧技术、超临界水气化技术、超临界水氧化技术于一身，实现了煤炭全流程的高值清洁转化利用
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
一种碳基能源超临界水气化制氢及CO2能源化利用***，包括：
主反应模块，包括超临界水气化反应器1，超临界水气化反应器1底部出口经物料回热器2热流体侧接分离器，分离器的液相出口依次经组分回收单元7、增压浆料泵8以及浆料回热器9冷流体侧接超临界水氧化反应器10的入口，超临界水氧化反应器10出口依次经浆料回热器9热流体侧、节能器11、降压器12接三相分离器13的入口，三相分离器13液相出口接煤浆制备单元21；
能源化固碳模块，包括高碳气体集供单元14，高碳气体集供单元14的输入口连接出分离器和三相分离器13的CO2气体，高碳气体集供单元14出口与微藻固碳反应器15第一入口接通，微藻固碳反应器15出口接入离心分离器16，离心分离器16底部出口接通水热液化反应器17，离心分离器16顶部出口与微藻固碳反应器15第二入口接通；
氧化剂供应模块，包括空分装置19，空分装置19的富氧气体出口与氧气压缩机20入口接通，氧气压缩机20出口分为两路，一路接至超临界水气化反应器1顶部入口，另一路与超临界水氧化反应器10入口接通；
物料供给模块，包括煤浆制备单元21，煤浆制备单元21出口经高压物料泵22接至物料回热器2冷流体侧入口，物料回热器2冷流体侧出口分为两路，一路接至超临界水气化反应器1顶部入口，另一路接至超临界水气化反应器1上部侧面入口。
进一步地，所述主反应模块中，分离器包括高压分离器3和低压分离器6，物料回热器2热流体侧出口接至高压分离器3，高压分离器3底部出口经调温器4、调压器5接至低压分离器6，低压分离器6的液相出口接组分回收单元7，高压分离器3的气相出口接气体分离单元18的入口。
进一步地，所述气体分离单元18设有三个出口，第一出口输出氢气，第三出口输出CO2，接至高碳气体集供单元14。
进一步地，所述高碳气体集供单元14设有三个输入口，其分别与气体分离单元18的CO2出口、三相分离器13顶部气相出口、低压分离器6顶部气相出口接通。
进一步地，所述超临界水气化反应器1上部侧面入口为环形通道结构，环形通道内侧设有若干入射喷口；超临界水气化反应器1内顶部存在水热火焰区，超临界水气化反应器1被高效冷却套包围。
进一步地，所述水热火焰区为球形或者椭球形，超临界水气化反应器1顶部入口位于水热火焰区中心顶部，超临界水气化反应器1上部侧面入口位于水热火焰区下部出口处。
进一步地，所述组分回收单元7用于回收硫单质、氨水、硫酸铵，所述三相分离器13底部出口排出物为彻底矿化、稳定后的灰渣。
进一步地，所述物料包括煤炭、污泥以及油泥。
进一步地，本实用新型还提供了基于所述碳基能源超临界水气化制氢及CO2能源化利用***的方法，包括：
主反应流程，在超临界水气化反应器1中进行超临界水气化制氢反应，超临界水气化制氢反应产物的热量为物料预热，之后分离得到氢气和CO2以及液相产物，液相产物调温调压后送入超临界水氧化反应器10中进行超临界水氧化反应，超临界水氧化反应产物的热量为调温调压后的液相产物预热，之后降压送往三相分离器进行三相分离，分离所得液相回补进行煤浆制备；
能源化固碳流程，以主反应流程所得CO2为主要原料，在微藻固碳反应器15中进行微藻固碳反应，产出生物原油；
氧化剂供应流程，利用空分装置19和氧气压缩机20为超临界水气化反应器和超临界水氧化反应供氧；
物料供给流程，碳基能源及水在煤浆制备单元21进行煤浆制备，以向主反应流程供给物料。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
1、创新性地耦合超临界水热燃烧技术及超临界水气化技术，煤浆在超临界水气化反应器分为两路进入，燃料物料经顶部与氧气混合迅速燃烧升温至1000℃以上高温，并通过分子间掺混直接将气化物料预热至较高的反应温度，解决了常规超临界水气化工艺气化温度较低导致的氢气产量较低的问题。
2、煤炭气化残余浆料经超临界水氧化处理，其自身热值可满足超临界水氧化装置所需热量，无需外部能量提供，可一步实现残余浆料的无害化及能源化利用。
3、通过设置能源化固碳流程，通过微藻固碳反应器将煤炭在超临界水热燃烧和水热气化过程中产生的CO2进行捕集利用，用于生产可再生生物质能源——微藻，并进一步通过水热液化制取生物原油，真正实现煤炭转化利用的“零碳排放”。
附图说明
图1是本实用新型***结构示意图。
其中：1.超临界水气化反应器；2.物料回热器；3.高压分离器；4.调温器；5.调压器；6.低压分离器；7.组分回收单元；8.增压浆料泵；9.浆料回热器；10.超临界水氧化反应器；11.节能器；12.降压器；13.三相分离器；14.高碳气体集供单元；15.微藻固碳反应器；16.离心分离器；17.水热液化反应器；18.气体分离单元；19.空分装置；20.氧气压缩机；21.煤浆制备单元；22.高压物料泵。
具体实施方式
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
如图1所示，本实施例中提供了一种碳基能源超临界水气化制氢及二氧化碳能源化利用***，包括主反应模块、能源化固碳模块、氧化剂供应模块及物料供给模块。主反应流程包括超临界水气化反应器1，超临界水气化反应器1底部出口经物料回热器2热流体侧接至高压分离器3，高压分离器3底部出口经调温器4、调压器5接至低压分离器6，低压分离器6底部出口依次经组分回收单元7、增压浆料泵8、浆料回热器9冷流体侧接至超临界水氧化反应器10，超临界水氧化反应器10出口依次接通浆料回热器9热流体侧、节能器11、降压器12、三相分离器13，三相分离器13液相出口接至煤浆制备单元21。
能源化固碳模块主要包括高碳气体集供单元14，高碳气体集供单元14设有三个输入口，其分别与气体分离单元18第三出口、三相分离器13顶部出口、低压分离器6顶部出口接通；高碳气体集供单元14出口与微藻固碳反应器15第一入口接通，微藻固碳反应器15出口接入离心分离器16，离心分离器16底部出口接通水热液化反应器17，离心分离器16顶部出口与微藻固碳反应器15第二入口接通。
氧化剂供应模块包括空分装置19，空分装置19的富氧气体出口与氧气压缩机20入口接通，氧气压缩机20出口分为两路，一路接至超临界水气化反应器1顶部入口，另一路接至超临界水氧化反应器10入口，与煤炭气化残余浆料完成超临界水氧化反应。
***中气体分离单元18第三出口、三相分离器13顶部出口、低压分离器6顶部出口产生的CO2等气体经高碳气体集供单元14设置的三个输入口进入高碳气体集供单元14以完成能源化固碳流程。高碳气体集供单元14流出的高碳气体进入微藻固碳反应器15以用于微藻培育，微藻固碳反应器15出口接入离心分离器16，培育后的微藻液在离心分离器16完成分离，浓藻浆经离心分离器16底部出口进入水热液化反应器17，稀藻液经离心分离器16顶部出口进入微藻固碳反应器15第二入口。
超临界水气化反应器1上部侧面入口为环形通道结构，环形通道内侧设有若干入射喷口，气化物料经入射喷口进入。超临界水气化反应器1内顶部存在水热火焰区，燃料物料在水热火焰区迅速燃烧放热，进而向下流动与气化物料混合换热，超临界水气化反应器1被高效冷却套包围，用于防止壁面超温。
气体分离单元18入口与高压分离器3顶部出口接通，气体分离单元18设有三个出口，第一出口输出氢气，第三出口接至高碳气体集供单元14。气体分离方法包括但不限于变压吸附、分子筛吸附等，其根据具体的气体组成和处理规模进行确定。分离得到的氢气进入储氢单元或直接通过氢能利用装置进行利用。组分回收单元7用于回收硫单质、氨水、硫酸铵等。三相分离器13底部出口排出物为彻底矿化、稳定后的灰渣。此外，碳基能源超临界水气化制氢及二氧化碳能源化利用***，其适用物料包括但不限于煤炭、污泥、油泥等。
综上，本实用新型专利公开了一种碳基能源超临界水气化制氢及二氧化碳能源化利用***，其包括超临界水热燃烧耦合气化技术、超临界水氧化技术以及CO2捕集微藻培育技术，实现了煤炭转化利用的“零碳排放”。煤浆在超临界水气化反应器分为两路进入，燃料物料经顶部与氧气混合迅速燃烧升温，并通过分子间直接传热对气化物料进行加热，不仅解决常规超临界水气化中较低温度导致的氢气产量较低的问题，还大大节省了***的能耗。煤炭气化残余浆料经超临界水氧化处理后可实现残余浆料的彻底无害化及能源化利用。将煤炭超临界水热燃烧、气化以及氧化过程中产生的CO2进行分离收集并用于微藻培育，有效完成了碳能源化补集利用。本***不仅可以实现煤炭高值清洁转化利用及近零碳排放，同样可应用污泥、油泥等的资源化回收利用，从而低耗高效地制备氢气。
以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种碳基能源超临界水气化制氢及二氧化碳能源化利用***，其特征在于，包括：
主反应模块，包括超临界水气化反应器（1），超临界水气化反应器（1）底部出口经物料回热器（2）热流体侧接分离器，分离器的液相出口依次经组分回收单元（7）、增压浆料泵（8）以及浆料回热器（9）冷流体侧接超临界水氧化反应器（10）的入口，超临界水氧化反应器（10）出口依次经浆料回热器（9）热流体侧、节能器（11）、降压器（12）接三相分离器（13）的入口，三相分离器（13）液相出口接煤浆制备单元（21）；
能源化固碳模块，包括高碳气体集供单元（14），高碳气体集供单元（14）的输入口连接出分离器和三相分离器（13）的CO2气体，高碳气体集供单元（14）出口与微藻固碳反应器（15）第一入口接通，微藻固碳反应器（15）出口接入离心分离器（16），离心分离器（16）底部出口接通水热液化反应器（17），离心分离器（16）顶部出口与微藻固碳反应器（15）第二入口接通；
氧化剂供应模块，包括空分装置（19），空分装置（19）的富氧气体出口与氧气压缩机（20）入口接通，氧气压缩机（20）出口分为两路，一路接至超临界水气化反应器（1）顶部入口，另一路与超临界水氧化反应器（10）入口接通；
物料供给模块，包括煤浆制备单元（21），煤浆制备单元（21）出口经高压物料泵（22）接至物料回热器（2）冷流体侧入口，物料回热器（2）冷流体侧出口分为两路，一路接至超临界水气化反应器（1）顶部入口，另一路接至超临界水气化反应器（1）上部侧面入口。
2.根据权利要求1所述碳基能源超临界水气化制氢及二氧化碳能源化利用***，其特征在于，所述主反应模块中，分离器包括高压分离器（3）和低压分离器（6），物料回热器（2）热流体侧出口接至高压分离器（3），高压分离器（3）底部出口经调温器（4）、调压器（5）接至低压分离器（6），低压分离器（6）的液相出口接组分回收单元（7），高压分离器（3）的气相出口接气体分离单元（18）的入口。
3.根据权利要求2所述碳基能源超临界水气化制氢及二氧化碳能源化利用***，其特征在于，所述气体分离单元（18）设有三个出口，第一出口输出氢气，第三出口输出CO2，接至高碳气体集供单元（14）。
4.根据权利要求2所述碳基能源超临界水气化制氢及二氧化碳能源化利用***，其特征在于，所述高碳气体集供单元（14）设有三个输入口，其分别与气体分离单元（18）的CO2出口、三相分离器（13）顶部气相出口、低压分离器（6）顶部气相出口接通。
5.根据权利要求1所述碳基能源超临界水气化制氢及二氧化碳能源化利用***，其特征在于，所述超临界水气化反应器（1）上部侧面入口为环形通道结构，环形通道内侧设有若干入射喷口；超临界水气化反应器（1）内顶部存在水热火焰区，超临界水气化反应器（1）被高效冷却套包围。
6.根据权利要求5所述碳基能源超临界水气化制氢及二氧化碳能源化利用***，其特征在于，所述水热火焰区为球形或者椭球形，超临界水气化反应器（1）顶部入口位于水热火焰区中心顶部，超临界水气化反应器（1）上部侧面入口位于水热火焰区下部出口处。
7.根据权利要求1所述碳基能源超临界水气化制氢及二氧化碳能源化利用***，其特征在于，所述组分回收单元（7）用于回收硫单质、氨水、硫酸铵，所述三相分离器（13）底部出口排出物为彻底矿化、稳定后的灰渣。
8.根据权利要求1所述碳基能源超临界水气化制氢及二氧化碳能源化利用***，其特征在于，所述物料包括煤炭、污泥以及油泥。
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