CN105219436A - 一种超临界水气化喷嘴、装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超临界水气化喷嘴、装置和方法，涉及超临界水气化技术领域，能够降低氧气与待处理物反应的难度，充分地对待处理物进行超临界水气化处理。该超临界水气化喷嘴包括至少两个相互独立的通道，其中，至少一个通道用于向超临界水气化装置内通氧气，至少一个通道用于向所述超临界水气化装置内通待处理物和助燃剂，所述助燃剂的燃点低于所述待处理物的燃点。本发明用于对含碳料浆进行超临界水气化处理。

Description

一种超临界水气化喷嘴、装置和方法

技术领域

本发明涉及超临界水气化技术领域，尤其涉及一种超临界水气化喷嘴、装置和方法。

背景技术

超临界水气化是一种将超临界水氧化方法应用于气化技术中的方法，在超临界水气化过程中，以超临界水作为气化的反应介质，对待处理物进行气化处理，当待处理物为含碳料浆时，能够实现含碳料浆中含碳物质的热解和气化，在该过程中不需要事先对含碳料浆进行干燥处理，工艺过程简单，且生成的高压合成气便于下游工艺的综合利用。

其中，超临界水气化过程需要在超临界水气化装置中进行，现有技术中的超临界水气化装置包括喷嘴，喷嘴用于将含碳料浆和氧气送入至超临界水气化装置中进行反应。具体地，喷嘴包括用于通氧气的通道和用于通含碳料浆的通道。本申请的发明人发现，由于在超临界水气化过程中，反应温度不高(一般控制在900℃以下)，且含碳料浆的反应活性比较低，两者直接接触起燃并发生反应的难度较大，进而使得不能充分地对含碳料浆进行超临界水气化处理，在超临界水气化过程中含碳料浆的碳转化率不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超临界水气化喷嘴、装置和方法，用于降低氧气与待处理物反应的难度，充分地对待处理物进行超临界水气化处理。

为达到上述目的，本发明提供一种超临界水气化喷嘴，采用如下技术方案：

一种超临界水气化喷嘴包括至少两个相互独立的通道，其中，至少一个通道用于向超临界水气化装置内通氧气，至少一个通道用于向所述超临界水气化装置内通待处理物和助燃剂，所述助燃剂的燃点低于所述待处理物的燃点。

由于本发明中的超临界水气化喷嘴具有以上所述的结构，从而使得在超临界水气化过程中，通过超临界水气化喷嘴不仅能够向超临界水气化装置内通氧气和待处理物，还可以向超临界水气化装置内通助燃剂，由于助燃剂的燃点低于待处理物的燃点，从而使得在该过程中，助燃剂会先与氧气反应，释放大量的反应热，使得在超临界水气化喷嘴附近形成一个高温区，从而使得待处理物进入该高温区后能够在较短的时间内升温起燃，降低了氧气与待处理物反应的难度，能够充分对待处理物进行超临界水气化处理，当待处理物为含碳料浆时，能够提高在超临界水气化过程中含碳料浆的碳转化率。

进一步地，本发明还提供了一种超临界水气化装置，该超临界水气化装置包括以上所述的超临界水气化喷嘴。由于该超临界水气化装置包括以上所述的超临界水气化喷嘴，因此，上述超临界水气化装置具有和超临界水气化喷嘴相同的有益效果，此处不再进行赘述。

此外，本发明还提供了一种超临界水气化方法，该超临界水气化方法包括在以上所述的超临界水气化装置中进行超临界水气化，所述超临界水气化方法包括：通过超临界水气化喷嘴中的至少一个通道向超临界水气化装置内通氧气，通过至少一个通道向超临界水气化装置内通待处理物和助燃剂。

由于本发明的超临界水气化方法不仅包括通过超临界水气化喷嘴向超临界水气化装置内通氧气和待处理物的步骤，还包括向超临界水气化装置内通助燃剂的步骤，由于助燃剂的燃点低于待处理物的燃点，从而使得在超临界水气化过程中，助燃剂会先与氧气反应，释放大量的反应热，使得在超临界水气化喷嘴附近形成一个高温区，从而使得待处理物进入该高温区后能够在较短的时间内升温起燃，降低了氧气与待处理物反应的难度，能够充分对待处理物进行超临界水气化处理，当待处理物为含碳料浆时，能够提高在超临界水气化过程中含碳料浆的碳转化率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的超临界水气化喷嘴的纵截面示意图；

图2为本发明实施例中的超临界水气化喷嘴的横截面示意图。

附图标记说明：

1—通道；11—中心通道；12—内环隙通道；

13—外环隙通道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例提供了一种超临界水气化喷嘴，如图1所示，该超临界水气化喷嘴包括至少两个相互独立的通道1，其中，至少一个通道1用于向超临界水气化装置内通氧气，至少一个通道1用于向超临界水气化装置内通待处理物和助燃剂，助燃剂的燃点低于待处理物的燃点。

需要说明的是，上述“至少一个通道1用于向超临界水气化装置内通待处理物和助燃剂”具有多种实现方式，例如，当超临界水气化喷嘴包括两个相互独立的通道1时，一个通道1用于向超临界水气化装置内通氧气，另一个通道用于向超临界水气化装置内通待处理物和助燃剂的混合物。当超临界水气化喷嘴包括至少三个相互独立的通道1时，至少一个通道1用于向超临界水气化装置内通氧气，至少一个通道1用于向超临界水气化装置内通待处理物，至少一个通道1用于向超临界水气化装置内通助燃剂。

其中，待处理物可以为含碳料浆，例如水煤浆、危废、污泥等；助燃剂可以为固态助燃剂、气态助燃剂或者液态助燃剂，当助燃剂为固态助燃剂时，助燃剂与氧气的接触不充分，混合效果太差，因此，本发明实施例中优选助燃剂为气态助燃剂或者液态助燃剂。示例性地，助燃剂为甲醇、乙醇、天然气或者液化气。

为了在使超临界水气化喷嘴能够实现上述功能的基础上，简化超临界水气化喷嘴的结构，降低超临界水气化喷嘴的在制作难度，且能够对待处理物和助燃剂分别进行控制，本发明实施例中优选，如图1和图2所示，超临界水气化喷嘴包括三个相互独立的通道，且三个通道依次套装，位于最内侧的通道为中心通道11、位于中间的通道为内环隙通道12、位于最外侧的通道为外环隙通道13。

进一步地，本发明实施例中优选，如图1所示，中心通道11的出料口相对内环隙通道12的出料口向内缩进，内环隙通道12的出料口相对外环隙通道13的出料口向内缩进，从而使得上述三个通道围成一个预混合空间，氧气与助燃剂可以在预混合空间内更加充分地接触，更有利于氧气与助燃剂进行反应，以达到释放出更多的反应热，进一步降低氧气与待处理物反应的难度，使对待处理物的超临界水气化处理更充分的目的。示例性地，中心通道11的出料口相对于外环隙通道13的出料口的缩进量为5mm～15mm。

当超临界水气化喷嘴具有上述结构时，本发明实施例中优选，中心通道11为氧气通道，用于向超临界水气化装置内通氧气，从而使得氧气对助燃剂和待处理物具有较好的雾化效果。进一步地，由以上所述可知，助燃剂可以有多种形态，例如，助燃剂为液态或者气态，因此，本发明实施例中内环隙通道12和外环隙通道13具体用于向超临界水气化装置内通助燃剂还是待处理物，需要根据助燃剂的形态进行设定，以达到最佳效果。

示例性地，当助燃剂为液态时，其与氧气的混合雾化难度较高，因此本发明实施例中选择，内环隙通道12为助燃剂通道，用于向超临界水气化装置内通助燃剂，外环隙通道13为待处理物通道，用于向超临界水气化装置内通待处理物，以使得氧气与助燃剂充分接触，进而使氧气与助燃剂充分反应，释放出更多的反应热，以进一步降低氧气与待处理物反应的难度，使超临界水气化更充分。

当助燃剂为气态时，其与氧气的混合雾化难度较低，因此，本发明实施例中选择，内环隙通道12为待处理物通道，用于向超临界水气化装置内通待处理物，外环隙通道13为助燃剂通道，用于向超临界水气化装置内通助燃剂，以使氧气与待处理物的混合雾化效果好。此时，在预混合空间中，氧气先与待处理物混合雾化，混合雾化后的氧气和待处理物再与气态的助燃剂混合，三者同时进行反应并放热以形成高温区，从而保证了对待处理物的超临界水气化处理能够顺利进行。

进一步地，本发明实施例还需要对各个通道的截面积进行合适的设定。示例性地，本发明实施例中从以下两个方面对各个通道的截面积进行设置。一方面，为了避免待处理物在通道中的堵塞，用于向超临界水气化装置内通待处理物的通道的横截面不易过小，示例性地，待处理物通道的直径大于等于3mm。另一方面，由于流速与通道截面积呈反比关系，其中，通道截面积越小，通道内的物质的流速越大，物质的动能也越大，有利于强化物质的混合雾化效果，但是增加了超临界水气化喷嘴的磨损，缩短了超临界水气化喷嘴的寿命，反之，通道截面积越大，通道内的物质的流速越小，物质的动能也越小，不利于强化物质的混合雾化效果，但是减缓了超临界水气化喷嘴的磨损，延长了超临界水气化喷嘴的寿命，因此，本发明实施例中可以通过综合考虑超临界水气化喷嘴的寿命和物质的混合雾化效果，对通道的截面积进行设定。需要说明的是，本领域技术人员还可以根据其他实际需要对通道的截面积进行设定，本发明实施例对此不进行限定。

此外，可选地，如图1所示，本发明实施例中的内环隙通道12包括竖直管部，以及与竖直管部底端相连且向内倾斜的倾斜管部；外环隙通道13也包括竖直管部，以及与竖直管部底端相连且向内倾斜的倾斜管部，以使从中心通道11、内环隙通道12和外环隙通道13通入的物质在三者围成的预混合空间内接触更充分，以进一步降低氧气与待处理物反应的难度，使对待处理物的超临界水气化处理更充分。示例性地，上述内环隙通道12和外环隙通道13包括的倾斜管部的轴线与竖直方向之间的夹角均大于0°，小于等于70°，优选为30°～70°。本领域技术人员可以首先采用CFD(ComputationalFluidDynamics)模拟计算，然后结合冷模实验的方法对上述两个夹角进行设定，以使其满足超临界水气化装置对其内部流场的具体需求。

由于本发明实施例中的超临界水气化喷嘴具有以上所述的结构，从而使得在超临界水气化过程中，通过超临界水气化喷嘴不仅能够向超临界水气化装置内通氧气和待处理物，还可以向超临界水气化装置内通助燃剂，由于助燃剂的燃点低于待处理物的燃点，从而使得在该过程中，助燃剂会先与氧气反应，释放大量的反应热，使得在超临界水气化喷嘴附近形成一个高温区，从而使得待处理物进入该高温区后能够在较短的时间内升温起燃，降低了氧气与待处理物反应的难度，能够充分对待处理物进行超临界水气化处理，当待处理物为含碳料浆时，能够有效提高在超临界水气化过程中含碳料浆的碳转化率。

此外，本发明实施例还提供了一种超临界水气化装置，该超临界水气化装置包括至少一个以上任一项所述的超临界水气化喷嘴。由于该超临界水气化装置包括以上所述的超临界水气化喷嘴，因此，上述超临界水气化装置具有和超临界水气化喷嘴相同的有益效果，此处不再进行赘述。

实施例二

本发明实施例提供了一种超临界水气化方法，采用以上所述的超临界水气化装置，具体地，超临界水气化方法包括：通过超临界水气化喷嘴中的至少一个通道向超临界水气化装置内通氧气，通过至少一个通道向超临界水气化装置内通待处理物和助燃剂。示例性地，以上所述的助燃剂可以为甲醇、乙醇、天然气或者液化气。

由实施例一种描述内容可知，超临界水气化喷嘴可以有多种结构，因此，当超临界水气化喷嘴的结构不同时，超临界水气化方法也有所区别。示例性地，当超临界水气化喷嘴包括两个相互独立的通道时，上述通过至少一个通道向超临界水气化装置内通待处理物和助燃剂的步骤具体包括：通过一个通道向超临界水气化装置内通待处理物和助燃剂的混合物。当超临界水气化喷嘴包括至少三个相互独立的通道时，上述通过至少一个通道向超临界水气化装置内通待处理物和助燃剂的步骤具体包括：通过至少一个通道向超临界水气化装置内通待处理物，通过至少一个通道向超临界水气化装置内通助燃剂。

进一步地，上述通氧气的通道内氧气的流速可以根据超临界水气化装置中需要的流场进行设定，示例性地，通氧气的通道内，氧气流速为50m/s～100m/s。其中，使通氧气的通道内氧气具有以上流速的方式有多种，示例性地，本发明实施例中通过调节通氧气的通道内氧气压力与超临界水气化装置内压力的比值的方式控制通氧气的通道内氧气的流速，示例性地，当通氧气的通道内氧气压力与超临界水气化装置内压力的比值为1.05～1.2时，通氧气的通道内，氧气流速为50m/s～100m/s。进一步地，本申请的发明人发现，通氧气的通道内，氧气压力与超临界水气化装置内压力之间的差值越大，通氧气的通道内氧气流速越快，氧气的动能越大，混合雾化效果越好，但是能耗也越大，因此，综合考虑混合雾化效果和能耗后，本发明实施例中优选通氧气的通道内，氧气压力与超临界水气化装置内压力的比值为1.1。

由于本发明的超临界水气化方法不仅包括通过超临界水气化喷嘴向超临界水气化装置内通氧气和待处理物的步骤，还包括向超临界水气化装置内通助燃剂的步骤，由于助燃剂的燃点低于待处理物的燃点，从而使得在超临界水气化过程中，助燃剂会先与氧气反应，释放大量的反应热，使得在超临界水气化喷嘴附近形成一个高温区，从而使得待处理物进入该高温区后能够在较短的时间内升温起燃，降低了氧气与待处理物反应的难度，能够充分对待处理物进行超临界水气化处理，当待处理物为含碳料浆时，能够有效提高在超临界水气化过程中含碳料浆的碳转化率。

实施例三

为了便于本领域技术人员进一步理解本发明的优势，现将应用以上所述的超临界水气化装置和方法，以及应用现有技术中的超临界水气化装置和方法，分别对含碳物料进行超临界水气化处理的处理结果对比如下：

应用本发明和现有技术中的超临界水气化装置和方法对含碳物料进行处理时，超临界水气化装置的处理量均为6t/d，含碳物料均通过加热炉加热至400℃后通过喷嘴中的通道进入超临界水气化装置内。但是，应用现有技术中的超临界水气化装置和方法对含碳物料进行处理时，由于氧气流速较低，氧气和含碳物料混合雾化效果不佳，使得对含碳物料的超临界水气化处理不充分，造成含碳物料中的碳转化率不高，仅为92.8％。而应用以上所述的超临界水气化装置和方法对含碳物料进行处理时，由于氧气与含碳物料的混合雾化效果好，氧气与含碳物料的反应难度低，使得对含碳物料的超临界水气化处理充分，含碳物料中的碳转化率接近99.8％，远高于现有技术中的92.8％。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (19)

1.一种超临界水气化喷嘴，其特征在于，包括至少两个相互独立的通道，其中，至少一个通道用于向超临界水气化装置内通氧气，至少一个通道用于向所述超临界水气化装置内通待处理物和助燃剂，所述助燃剂的燃点低于所述待处理物的燃点。

2.根据权利要求1所述的超临界水气化喷嘴，其特征在于，所述超临界水气化喷嘴包括两个相互独立的通道，其中，一个通道用于向所述超临界水气化装置内通氧气，另一个通道用于向所述超临界水气化装置内通待处理物和助燃剂的混合物。

3.根据权利要求1所述的超临界水气化喷嘴，其特征在于，所述超临界水气化喷嘴包括至少三个相互独立的通道，其中，至少一个通道用于向所述超临界水气化装置内通氧气，至少一个通道用于向所述超临界水气化装置内通待处理物，至少一个通道用于向所述超临界水气化装置内通助燃剂。

4.根据权利要求3所述的超临界水气化喷嘴，其特征在于，所述超临界水气化喷嘴包括三个相互独立的通道，且三个通道依次套装，位于最内侧的通道为中心通道，位于中间的通道为内环隙通道，位于最外侧的通道为外环隙通道。

5.根据权利要求4所述的超临界水气化喷嘴，其特征在于，所述中心通道的出料口相对所述内环隙通道的出料口向内缩进，所述内环隙通道的出料口相对所述外环隙通道的出料口向内缩进。

6.根据权利要求5所述的超临界水气化喷嘴，其特征在于，所述中心通道的出料口相对于所述外环隙通道的出料口的缩进量为5mm～15mm。

7.根据权利要求6所述的超临界水气化喷嘴，其特征在于，所述中心通道为氧气通道。

8.根据权利要求7所述的超临界水气化喷嘴，其特征在于，所述助燃剂为液态，所述内环隙通道为助燃剂通道，所述外环隙通道为待处理物通道。

9.根据权利要求7所述的超临界水气化喷嘴，其特征在于，所述助燃剂为气态，所述内环隙通道为待处理物通道，所述外环隙通道为助燃剂通道。

10.根据权利要求8或9所述的超临界水气化喷嘴，其特征在于，所述待处理物通道的直径大于等于3mm。

11.根据权利要求4所述的超临界水气化喷嘴，其特征在于，

所述内环隙通道包括竖直管部，以及与所述竖直管部底端相连且向内倾斜的倾斜管部；

所述外环隙通道包括竖直管部，以及与所述竖直管部底端相连且向内倾斜的倾斜管部。

12.根据权利要求11所述的超临界水气化喷嘴，其特征在于，所述内环隙通道和所述外环隙通道包括的倾斜管部的轴线与竖直方向之间的夹角均大于0°，小于等于70°。

13.一种超临界水气化装置，其特征在于，包括至少一个如权利要求1～12任一项所述的超临界水气化喷嘴。

14.一种超临界水气化方法，其特征在于，采用权利要求13所述的超临界水气化装置，所述超临界水气化方法包括：

通过超临界水气化喷嘴中的至少一个通道向超临界水气化装置内通氧气，通过至少一个通道向超临界水气化装置内通待处理物和助燃剂。

15.根据权利要求14所述的超临界水气化方法，其特征在于，所述超临界水气化喷嘴包括两个相互独立的通道时，通过至少一个通道向超临界水气化装置内通待处理物和助燃剂包括：通过一个通道向所述超临界水气化装置内通待处理物和助燃剂的混合物。

16.根据权利要求14所述的超临界水气化方法，其特征在于，所述超临界水气化喷嘴包括至少三个相互独立的通道时，通过至少一个通道向超临界水气化装置内通待处理物和助燃剂包括：通过至少一个通道向所述超临界水气化装置内通待处理物，通过至少一个通道向所述超临界水气化装置内通助燃剂。

17.根据权利要求14所述的超临界水气化方法，其特征在于，通氧气的通道内，氧气流速为50m/s～100m/s。

18.根据权利要求17所述的超临界水气化方法，其特征在于，通氧气的通道内，氧气压力与超临界水气化装置内压力的比值为1.05～1.2。

19.根据权利要求14～18任一项所述的超临界水气化方法，其特征在于，助燃剂为甲醇、乙醇、天然气或者液化气。