CN105264048B - 用于减少反应器系统中的腐蚀的系统和方法 - Google Patents

用于减少反应器系统中的腐蚀的系统和方法 Download PDF

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Abstract

描述了用于减少或消除超临界水气化系统的组件腐蚀的系统和方法。特别地，超临界水气化处理可配置为具有一系列阶段，其中控制流体的温度和压力以将流体的离子产物保持在阈值水平以下。这样，在超临界水气化处理过程中流体中腐蚀性离子的形成减少，因为流体不能达到腐蚀性离子形成所需的临界离子产物。另外，在流体温度升高至转换温度之前，可以在盐沉淀阶段从流体中去除无机盐。如此，在超临界水气化处理的后续阶段期间，在流体内存在较少的可用于形成腐蚀性离子的盐，例如无机盐。

Description

用于减少反应器系统中的腐蚀的系统和方法
背景技术
超临界水气化是一种新兴技术，具有由通常被视为废物的如生物废物或包括煤和其他化石燃料的非清洁燃料源的源产生清洁能源的极大潜力。在超临界水气化处理中，水在防止水转变成蒸汽的高压(例如，约22兆帕斯卡)下被加热到极高的温度(例如，超过约647开尔文)。由于在该温度和压力条件下存在腐蚀性离子，在超临界水气化期间的高温和高压产生了高腐蚀性环境。
常规的用来管理由于超临界水引起的腐蚀的技术涉及到不断更换被腐蚀的部件或者由耐腐蚀材料构造系统组件，其中耐腐蚀性材料可能昂贵且大多无效。这些技术可能过于耗时且成本过高，因为腐蚀性离子仍然能够接触系统组件的表面，这会导致表面毁坏。因此，尚没有这样一种通过在超临界水气化处理期间防止系统组件内实际形成腐蚀性离子而运行的减少腐蚀的方法。
概述
本公开不限于所描述的特定的系统、设备和方法，因为这些可以进行改动。在说明书中使用的术语仅为描述特定的变化形式或实施例的目的，不意在限制范围。
如在该文献中使用的，除非上下文明确做出规定，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代物。除非进行限定，否则本文所使用的全部技术和科学术语具有与本领域普通技术人员所惯常理解的相同的含义。本公开中的任何内容不应解释为承认在本公开中描述的实施例未被给予根据在先发明而先于本公开的权利。如在该文献中使用的，术语“包括”意思是“包括，但不限于”。
在实施例中，超临界水气化处理可以包括：将具有水的浆料提供给多个系统组件中的至少一个系统组件。在该处理期间，多个系统组件中的至少一个系统组件中的温度会升高到第一温度，而在多个系统组件中的至少一个系统组件中的压力保持在第一压力或者低于第一压力。该处理还可以包括：在第一温度下，使多个系统组件中的至少一个系统组件中的压力升高到第二压力，在第一时间段内保持该第一温度和第二压力，使多个系统组件中的至少一个系统组件中的温度和压力分别升高到第二温度和第三压力，以及在第二时间段内保持该第二温度和第三压力。
在实施例中，用于超临界水气化的反应器可以包括腔室和盐收集室，该腔室构造为在保持压力的同时允许温度升高，所述盐收集室构造为收集在所述腔室中执行的处理期间所沉淀的盐。
在实施例中，超临界水气化处理可以包括：使其中布置有腐蚀性离子的浆料移动通过超临界水气化系统以产生燃料产物。可以保持浆料的温度和压力，使得浆料中的水的离子产物不会增加而超过腐蚀性离子产物值，从而减少由于腐蚀性离子引起的超临界水气化系统的至少一部分的腐蚀。
附图说明
图1示出了根据一些实施例的示例性的超临界水系统。
图2A示出了在超临界水气化处理期间流体的温度和压力路径。
图2B示出了根据一些实施例的用于超临界水气化处理的温度和压力路径。
图3示出了根据一些实施例的超临界水气化操作循环。
图4示出了用于减少超临界水气化系统中的腐蚀的示例性的方法的流程图。
具体实施方式
在说明书中使用的术语仅为了描述特定的变化形式或实施例的目的，而不意在限制范围。
本公开一般地涉及通过减少在超临界水反应处理期间所形成的腐蚀性离子的量来减少超临界水气化系统(或超临界水反应器系统)中的腐蚀的系统和方法。特别地，一些实施例提供了控制超临界水气化系统组件(“系统组件”)内的条件来抑制流经超临界水气化系统的流体内的腐蚀性离子形成。示例性的系统组件包括但不限于加热器、预加热器、泵、反应器容器(“反应器”)、换热器和气体/液体分离器。在实施例中，可以控制诸如浆料原料的流体的温度和/或压力，使得流体的离子产物保持在一定值以下和/或一定范围之内。例如，一个实施例提供了流体的离子产物保持在约10-22mol2/l2以下。这样，流体中腐蚀性离子的浓度可以降低或者甚至消除，减少了系统组件的内表面的腐蚀，从而增长了系统组件的使用寿命和系统的总体效率。
图1示出了根据一些实施例的示例性的超临界水气化系统。如图1所示，超临界水气化系统100可以包括原料入口130，用来将浆料155引入系统中。浆料155可以包括高压浆料馈送物。原料可以包括能够经过超临界水气化的任何类型的物质，包括但不限于生物质流体(例如微藻类流体、生物残留物、生物废物或类似物)、煤浆料以及其他化石燃料和可氧化废物。因此，超临界水气化系统100可构造为作为各种气化系统而运行，包括但不限于煤气化系统、生物质气化系统、废物氧化系统、氢加工反应器系统和加压水反应器系统。浆料155连同空气150和流体135一起可以被馈送到加热器105中，例如燃气加热器，至少部分地由压力泵185来控制流。在实施例中，流体135可以包括水。可以在加热器105中加热浆料155和流体135的组合。根据一些实施例，加热器105可以用来在浆料进入反应器容器110中之前加热浆料155。流体135(例如，水)可用来产生例如蒸汽140，从而将热回收到某烟道气体145中。在实施例中，蒸汽140可在气化处理之外使用(例如，作为热源)。某些气体，诸如蒸汽140和烟道气体145可以从加热器中排出。加热的浆料155可以馈送到反应器容器110中。在实施例中，在浆料155馈送到反应器容器110中之前，可以通过将浆料155与过热的蒸汽或超临界水组合来加热浆料155。
在进入或者位于反应器容器110之前，浆料155可以在加压的情况下被加热而变成超临界流体。在实施例中，浆料155的加压可以延迟而使得浆料在离开压力泵185之后将处于超临界。用于产生超临界流体的温度和压力可取决于流体的类型及其组成(例如，处于不同温度和压力下离子的类型和浓度)。在流体155包括水的实施例中，流体可在至少约22兆帕斯卡的压力下被加热到至少约647开尔文而变成超临界流体。在超临界水气化处理期间，浆料155可被加热到其他各种温度，包括约650开尔文，约700开尔文，约800开尔文，约900开尔文，约950开尔文，约1200开尔文，约1500开尔文，或者在这些值中的任意两个之间的范围(包括端点)。处于超临界温度的浆料155可以在超临界水气化处理期间处于各种压力，例如约22兆帕斯卡，约23兆帕斯卡，约24兆帕斯卡，约25兆帕斯卡，约30兆帕斯卡，约35兆帕斯卡，约40兆帕斯卡，或者在这些值中的任意两个之间的值(包括端点)。
浆料155可以包括腐蚀性离子，例如各种无机盐的离子。腐蚀性离子会高度腐蚀超临界水气化系统100的组件，例如包括加热器105、反应器容器110、和/或将组件连接在一起的任意管的系统组件的内表面。在实施例中，腐蚀性离子可以包括阴离子和/或阳离子。阴离子的非限制示例包括氯离子、氟离子、硫离子、硫酸盐离子、亚硫酸盐离子、磷酸盐离子、硝酸盐离子、碳酸盐离子、碳酸氢盐离子、氢氧化物离子、氧化物离子和氰化物离子。阳离子的非限制示例包括但不限于钾阳离子、钙阳离子、铵阳离子、镁阳离子和钠阳离子。
浆料中的超临界流体可以与反应器容器110内的浆料155反应以产生反应器产物160。在实施例中，流体155可以包括配置为利于气化反应的一种或多种催化剂。反应器产物160可以移动通过一个或多个换热器，诸如热回收换热器115和冷却换热器125。气体/液体分离器120可以设置为将反应器产物160分离成所需的燃料气体产物165和废物产物170，例如流体流出物、灰和炭。燃料气体产物165可以包括任意能够响应于在超临界条件下与流体135反应而由原料浆料155产生的燃料。示例性的燃料气体产物165包括但不限于富氢燃料，例如H2和/或CH4。
在超临界水气化处理过程中，流体135可以在超临界水气化系统100内在不同压力下被加热到各种温度。除了超临界条件之外，浆料155可以处于亚临界条件中，其中浆料155处于超临界温度以下的高温或者处于超临界压力以下的高压。在浆料155包括水的实施例中，亚临界水可以具有约570开尔文、约600开尔文、约610开尔文、约620开尔文、约630开尔文、约647开尔文或者在这些值中的任意值之间的范围内(包括端点)的温度。在浆料155包含水的实施例中，处于亚临界温度的流体的压力可以为约8兆帕斯卡、约12兆帕斯卡、约16兆帕斯卡、约20兆帕斯卡、约22兆帕斯卡、约25兆帕斯卡、或者在这些值中的任意值之间的范围内(包括端点)。
浆料155还可以包括例如在亚临界条件下高度腐蚀超临界水气化系统100的系统组件的腐蚀性离子。浆料155中腐蚀性离子的存在可取决于各种因素，例如亚临界浆料的压力和/或温度。例如，在浆料155的压力处于超临界压力以上而浆料的温度处于超临界温度以下的超临界水气化处理中，浆料会是高度腐蚀性的。根据一些实施例，浆料155可被加热到超临界温度，而压力保持在超临界压力以下。对于这些实施例，浆料155可以对系统组件具有弱得多的腐蚀性。
图1所示的超临界水反应器系统100仅为示例性的目的而提供，并且可以根据要求包含更多或更少的组件，例如一个或多个阀门、预加热器、反应器容器、用于泵送流体135通过系统的泵以及本领域普通技术人员所知的其他组件。另外，浆料155流经超临界水反应器系统100不限于图1所示的特定路径，因为该路径仅为示例的目的而提供。超临界水气化系统100的组件，例如反应器容器110、加热器105等可以由各种材料制成，例如普通的耐腐蚀金属，包括但不限于镍合金、铬-钼合金、非磁铁基合金和/或一些陶瓷材料。
如图1所示，传感器175可配置为接收与超临界水气化系统100的例如反应器容器110的组件相关联的信息。传感器175可配置为测量各种特性，包括但不限于系统组件内的温度、压力和流速。控制器180可以与传感器175通信。控制器180通常可以包括处理器、用于容纳编程指令、数据或关于一个或多个应用的信息的非暂态存储器或其他存储设备，以及其他硬件，包括例如中央处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器、通信端口、控制器和/或存储器设备、非暂态计算机可读介质以及本领域普通技术人员所知的其他组件。控制器180可以配置为接收来自传感器175的信息。超临界水气化系统100的一些操作方面可以由控制器180来引导，例如加热元件、泵、阀门(例如，构造为排压的阀门)或类似物。在实施例中，控制器180可以执行控制软件，该控制软件配置为控制超临界水气化系统100的一个或多个组件的操作以实施本文所公开的实施例的方面。图1所示的传感器175和控制器180是非限制性的，因为它们仅为示例的目的而提供。实施例提供了其他各种配置，包括但不限于与一个或多个系统组件相关联的一个或多个传感器、与一个或多个传感器和/或系统组件相关联的一个或多个控制器或者其组合。
虽然超临界水气化系统在本文中用作示例性的示例，但是实施例不限于此。例如，实施例可以包括能够根据本文所描述的一些实施例操作的任意其他类型的超临界水反应系统，包括超临界水氧化系统。
图2A示出了在超临界水气化处理期间流体的温度和压力路径。如图2A所示，可以在该处理期间将经过超临界水气化处理的流体控制到各种温度210和压力205。流体可以包括任意能够通过超临界水气化处理来产生产物燃料的流体，例如煤浆料。对于各温度和压力，流体和/或流体中的水可以具有离子产物215值或者离子产物值范围，例如图2A中所示的那些。对于离子产物215所示的单位代表了如下形式的指数“e”：1x 10e。如本领域普通技术人员所公知的，离子产物215Ki通常是对两性溶剂XH在以下反应中取得或失去氢的趋势的度量：XH+XH＝XH2 ++X-。在该反应中，Ki＝aXH2 +×aX -，其中aXH2 +和aX -分别是XH2 +和X-的活度。水的离子产物215KW是由下式给出的：在299开尔文下，KW＝aH3O +×aOH -；KW≈10-14mol2dm-6。如图2A所指示，流体的离子产物215基于流体的温度和/或压力而变化。如本文所使用的，离子产物215不限于纯水的离子产物，因其可指一种或多种其他流体(例如，原料浆料)和/或包含于其中的水。
在超临界水气化处理过程中流体在前进通过处理各阶段时遵循温度和压力路径220。例如，当进入超临界水气化系统时，流体可以处于低于约500开尔文的温度以及约1兆帕斯卡的压力。随后，流体在被馈送到反应器容器中之前可以在约23兆帕斯卡的压力下在加热器中加热至约570开尔文，在反应器容器中，流体可以在约35兆帕斯卡的压力下被加热到超过850开尔文。
图2A所示的路径220图示出了在典型的超临界水气化处理中流体的温度和压力进展。在水的临界点以上(约647开尔文以及约22兆帕斯卡)，无机盐的溶解度快速下降，使得无机盐沉淀且附着到系统组件的内表面上，这会导致腐蚀和/或堵塞连接系统组件的管道。在超过约8兆帕斯卡的压力205以及超过约574开尔文的温度210下，水的离子产物215从约10-45mol2/l2快速升高至约10-12mol2/l2，导致例如无机化合物的离子离解。恰是在超临界水气化处理的一些阶段期间流体的相对高的离子产物215以及异质离子的可用性使得产生了导致系统组件毁坏的腐蚀性环境。例如，煤浆料可以包含异质原子的混合物，包括氯、硫、钾和/或氮，它们在超临界水气化处理期间会变成自由离子。
在低压205下，对于超过约570K 210的温度，水的离子产物保持得极低，例如约10-40mol2/l2或以下。常规的超临界水气化操作循环使得在温度210升高之前以及期间来升高压力205。因此，在亚临界区域中，离子产物215非常高，例如为10-12mol2/l2或以上。随着温度210升高而超过水的临界点，离子产物215下降而使得在约775开尔文和约23兆帕斯卡下，离子产物为约10-25mol2/l2，比在亚临界区域中低多于10个数量级。
图2B示出了根据一些实施例的用于超临界水气化处理的温度和压力路径。如图2B所示，实施例在超临界水气化处理期间在不同温度210下调整压力205，以产生温度和压力路径225，使得流体不具有大于约10-20mol2/l2的离子产物215。如参考图3更详细描述的，实施例提供了，在超临界水气化处理过程中，在升高温度210的同时，保持压力205在约8兆帕斯卡以下。因此，流体避免了其中流体腐蚀性最高的高离子产物区230、235。
图3示出了根据一些实施例的超临界水气化操作循环。如图3所示，超临界水气化操作循环可以包括用于处理流体300以生成燃料产物375的多个阶段380、382、384、386、388、390。如图3所示，超临界水气化操作循环可以开始于，流体300处于环境温度(例如，小于约400开尔文)以及低于约8.6兆帕斯卡的压力(例如，约8兆帕斯卡)，通过浆料入口305馈送到换热器310(例如，热回收换热器)。流体300在换热器310中进入加热阶段380，其中流体300的压力保持低于约8.6兆帕斯卡，同时浆料的温度升高到约674开尔文至约775开尔文的温度。根据一些实施例，必须监视和控制在加热阶段380期间的流体300的压力，因为流体的升高的温度将起到升高流体压力的作用。因此，为了防止流体300的压力升高超过8兆帕斯卡，必须排放或以其他方式释放压力。在实施例中，过压可被俘获以便在操作循环内要求加压时使用，例如在加压阶段382中。在加热阶段380期间，流体300的离子产物可以从约10- 45mol2/l2至约10-28mol2/l2。
一旦流体300达到加热阶段的温度，在小于约8兆帕斯卡的压力下，流体将进入加压阶段382。在加压阶段382中，流体300的压力将升至约23兆帕斯卡至约28兆帕斯卡，其超过了处于流体300的临界点的23兆帕斯卡的压力(利用水作为示例)。在实施例中，压力泵315可用来对流体300加压。在加压阶段382中，流体300的离子产物可以从约10-28mol2/l2至约10-23mol2/l2。在该温度下，在盐沉淀阶段诸如无机盐的盐将在适当的施加压力下从流体300中析出，如下面将要描述的。
随着流体300在加压阶段382中通过水临界点，在盐沉淀反应器320内会发生盐沉淀阶段384。流体中的无机盐在约775开尔文下以及约23兆帕斯卡下具有低溶解率，并且将从流体300中析出。无机盐的非现在示例包括氯化钠、硫酸铵、磷酸铵、氯化铵、碳酸铵、亚硫酸铵、氯化钾、硫酸钾、磷酸钾、硝酸钾、氯化钙、硫酸钙、和硝酸钙。无机盐可以包括腐蚀性离子，例如氯离子、氟离子、硫化物离子、硫酸盐离子、亚硫酸盐离子、磷酸盐离子、硝酸盐离子、碳酸盐离子、碳酸氢盐离子、氢氧离子和氰化物离子。在盐沉淀阶段期间，腐蚀性离子的至少部分可以从流体300中析出。在一些实施例中，沉淀会快速地发生且可以从盐沉淀反应器320中收集和移除。在一个实施例中，重力馈送收集元件可以定位在盐沉淀反应器320的底部以收集沉淀的盐。可以管理在盐沉淀阶段384中流体300通过盐沉淀反应器320的吞吐量以确保流体在该阶段有充足的时间量，使得全部或基本上全部的无机盐从流体中析出。例如，可以控制流体300的流动，使得流体在盐沉淀反应器320中有最小的滞留时间。在实施例中，滞留时间可以为约30秒、约1分钟、约2分钟、约5分钟、或者在这些值中的任意两个值之间的范围(包括端点)。
流体300可以从盐沉淀反应器320流到加热器350。除了接收和加热流体300之外，加热器350可构造为接收水335和空气330且排出蒸汽340和烟道气体345。在加热器350中，流体300可以进入转换阶段386，在该转换阶段中，流体的温度可以升高至约925开尔文至约975开尔文，流体的压力可以升至约25兆帕斯卡至约35兆帕斯卡。在超临界阶段期间，流体300的温度将处于或高于临界温度和临界压力。水的临界温度为约647开尔文，水的临界压力为约22兆帕斯卡。在实施例中，在进入超临界状态之前流体300的温度和压力可保持使得流体中的水处于蒸汽状态。根据实施例，流体300的压力可以至少部分地通过使得加热器和/或反应器的约束空间内的流体温度升高而升高。例如，如果流体300的温度在约束空间(例如，不释放压力或者基本不释放压力的空间)中从约700开尔文升至约925开尔文，则流体的压力可以从约25兆帕斯卡升至约33兆帕斯卡。因此，在转换阶段386期间，可能需要极少的附加加压(如果需要的话)来获得期望压力。在转换阶段期间的流体的离子产物可以为约10-22mol2/l2。
根据一些实施例，转换可以在反应器容器325内快速地发生，例如不到1分钟。因此，实施例提供了管理流体300的吞吐量以确保在转换阶段386的温度和压力条件下流体滞留时间足以进行充分转换。在转换阶段386期间，流体300的浆料部分将在反应器容器325内与流体的超临界水部分反应以产生一种或多种反应器产物，例如少量的氢气、二氧化碳、甲烷和一氧化碳以及其他轻重量碳氢化合物。在实施例中，在转换阶段386期间可以回收热以便在操作循环内的一个或多个其他阶段中使用。
反应器容器325内的离子产物可以为约10-22mol2/l2。离子产物水平比在常规的超临界水气化处理循环期间所达到的离子产物低约10个数量级。另外，当流体300已经达到转换阶段386时，大部分无机盐已经从流体中去除，进一步减少了系统组件腐蚀源。
在压力下降阶段388期间，流体的压力随着从反应器容器325中流出并朝向第二换热器360(例如，冷却换热器)流动而减小。根据一些实施例，假设当流体300达到压力下降阶段388时有效去除了异质离子，则流体的腐蚀性下降很多。因此，压力下降阶段388的参数可具有更大的灵活性，其可被配置以满足其他约束。例如，流体可以在压力下降阶段期间保持在较高的压力下，因为较高的流体密度更有利于高效的热回收以及CO2回收，并且可以利用生产气体的更紧凑储存而发生封存(sequestration)。在实施例中，压力下降阶段388期间的压力可以下降至小于约8兆帕斯卡。实施例提供了，对于超临界水气化处理的其他阶段，例如加压阶段，可以回收压力。例如，已经与无机盐分离的蒸汽、生产气体以及炭废物可以再循环以用于其他处理阶段。在实施例中，压力储器可配置为回收和储存释放的压力。随着压力返回至小于约8兆帕斯卡，流体300的离子产物减至小于大约10-40mol2/l2。
在冷却阶段390期间，可利用换热器355来冷却流体300。气体/液体分离器360可用来从溶液中收集产物气体375以及释放一些废物产物370，例如灰和炭流出物。示例性的产物气体包括氢气(H2)、甲烷(CH4)、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)。在实施例中，可以在冷却阶段390期间回收热以便在超临界水气化操作循环的一个或多个其他阶段，例如加热阶段380期间使用。
在图3所示的超临界水气化处理中，流体300的离子产物不超过10-22mol2/l2。因此，在超临界水气化处理期间流体300的腐蚀性可独立于会对腐蚀率有影响的其他因素而减小，其他因素例如系统组件设计、系统组件材料、浆料浓度等。
图3所示的超临界水气化处理仅为示例的目的并且可以包括按一种或多种不同顺序的更多或更少的阶段380、382、384、386、388、390。另外，针对阶段380、382、384、386、388、390描述的温度和压力是非限制性的，因为在能够根据本文教导操作的任意阶段中可以使用任意的温度、压力和/或温度-压力组合。
虽然诸如图3所示的处理的实施例被描述为发生在多个系统组件(例如，盐沉淀反应器320、加热器350等)内，实施例不限于此。更多或更少的组件，包括比图3所示的更多或更少的组件，可以根据实施例来使用。
图4示出了用于减少超临界水气化系统中的腐蚀的示例性的方法的流程图。如图4所示，超临界水气化系统可以接收405包含腐蚀性离子的浆料。超临界水气化系统的组件可配置为410随着浆料流经超临界水气化系统而控制浆料的温度和压力。超临界水气化系统的组件可以保持415浆料的温度和压力，使得浆料中的水的离子产物不升高而超过腐蚀性离子产物值。例如，一个实施例提供，流体的离子产物保持在约10-22mol2/l2以下。超临界水气化系统可以运行以通过超临界水气化处理由浆料产生420合成气体。
示例
示例1：生物质超临界水气化系统
超临界水气化系统(“系统”)将配置为由有机植物废物形成的含水生物质浆料产生H2合成气体。系统将包括彼此串联地流体连通连接的热回收换热器、盐沉淀容器、反应器容器、加热器和冷却换热器。系统组件将由镍合金材料形成。
一系列泵将用来促动生物质浆料通过系统，将在约350开尔文的温度和约0.5兆帕斯卡的压力下进入。生物质浆料将在热回收换热器中进入加热阶段。在加热阶段中，生物质浆料将被加热至约720开尔文的温度，压力将超过约8兆帕斯卡。用于加热阶段的热的一部分将来自在后续冷却阶段俘获的热能。通过排出在煤浆料加热期间积聚的来自热回收换热器的压力，压力将保持在约8兆帕斯卡。
在加压阶段期间，生物质浆料将流向压力泵，该压力泵构造为随着生物质浆料流向盐沉淀容器而将生物质浆料加压到约24兆帕斯卡的压力。在盐沉淀容器内，生物质浆料将在约24兆帕斯卡的压力下达到约720开尔文的温度。诸如氯化钠、硫酸铵、磷酸铵、氯化铵、碳酸铵、和亚硫酸铵等无机盐将从盐沉淀容器内的生物质浆料中析出。控制生物质浆料流经盐沉淀容器，使得生物质浆料滞留在盐沉淀容器内的时间足以从浆料中去除沉淀的盐，大约2分钟。
在转换阶段期间，生物质浆料将流经加热器而进入反应器容器。利用间接加热将生物质浆料加热至约925开尔文的温度。作为在有限空间内加热生物质浆料的结果，生物质浆料的压力将升高至约31兆帕斯卡。在该转换阶段期间，生物质浆料的离子产物将为约10-22mol2/l2。在转换阶段期间，生物质浆料将与超临界水反应以产生反应器产物和废物产物，例如液态流出物、灰和碳。
在压力下降阶段期间，反应器产物和废物产物将从反应器容器中流出，在压力下降阶段中包括反应器产物和废物产物在内的流体的压力将为约5兆帕斯卡。在压力下降阶段期间所释放的压力将被俘获且用来在加压阶段期间对生物质浆料进行加压。反应器产物和废物产物将在冷却阶段期间进入冷却换热器，在该冷却阶段中包含反应器产物和废物产物的流体将降至约450开尔文。气体/液体分离器将用来分离H2燃料气体产物和液态流出物、灰和炭废物产物。
从生物质浆料中去除无机盐以及将生物质浆料的离子产物保持在10-22mol2/l2以下起到减少流经系统的流体中的腐蚀性离子的数量的作用。这样，用来形成系统组件的镍合金材料将以与常规系统相比低的速率腐蚀，延长了系统组件的使用寿命且提高了超临界水气化处理的效率。另外，与常规的系统相比，系统将具有更长的使用寿命间隔且要求更少的清洁和维护。
示例2：用于超临界水煤气化系统的传感器系统
超临界水气化系统(“系统”)将配置为由含水液态煤浆料产生合成气体，包括H2,CO2,CH4和CO。系统将包括以下系统组件：热回收换热器、加热器和冷却换热器，这些由镍合金材料形成；盐沉淀容器和反应器容器，其由镍合金材料形成；加压泵；和减压组件。系统组件将按以下顺序与流经系统组件的煤浆料流体连通，串联地连接：热回收换热器、加压泵、盐沉淀容器、加热器、反应器容器、减压组件和冷却换热器。
除了加压泵和减压组件之外的各系统组件将包括温度传感器，其配置为测量流经系统组件的流体的温度。每个温度传感器将配置为测量范围在约600开尔文至约1400开尔文内的温度。另外，每个系统组件将包括压力传感器，其配置为测量系统组件内的压力。每个压力传感器将配置为测量范围在约0.1兆帕斯卡至约45兆帕斯卡内的压力。每个系统组件还将包括流动传感器，其配置为指示流体是否正在流经系统组件。
中央控制设备将与温度传感器、压力传感器和流动传感器中的每一个通信。中央控制设备将包括处理器，其配置为执行适于从各个传感器接收信息的控制软件。控制软件将利用流动传感器确定煤浆料正在系统内的哪处流动，将利用经过了煤浆料流动的系统组件的温度传感器和压力传感器来确定煤浆料的温度和压力。控制软件将配置为在超临界水气化处理的各阶段期间获得各系统组件的操作温度和压力。系统组件的操作方面将由控制软件来控制以便在它们不在距限值的阈值变差内则保持操作温度和压力。
控制软件将在加热阶段期间控制热回收换热器的加热元件和加压元件以确保流体在8兆帕斯卡以下的压力下被加热至约720开尔文。随着流体在加压阶段期间流入加压泵，控制软件将监视流体的压力以确保流体的压力升至约25兆帕斯卡。控制软件将从流动传感器接收流体正流经盐沉淀容器以及盐沉淀阶段已经开始的信息。控制软件将控制盐沉淀容器的温度要素和压力要素以确保流体的温度为约720开尔文且压力为约25兆帕斯卡。控制软件将控制流体流经盐沉淀容器以使流体在盐沉淀容器内的滞留时间足以确保从流体中去除全部沉积的盐，大约1分钟。
控制软件将检测流体正在流经加热器且进入反应器容器，以及转换阶段已经开始。控制软件将控制加热器和反应器容器的加热元件和加压元件，使得流体的温度将在反应器容器内在大约32兆帕斯卡的压力下达到约920开尔文，从而产生反应器产物。控制软件将检测流体正在流入减压组件且将利用压力传感器来监视压力，从而确保流体的压力降至低于约8兆帕斯卡。随着流体流入冷却换热器，控制软件将监视流体的温度以确保其在进入气体/液体分离器之前冷却至570开尔文以下的温度，在气体/液体分离器中燃料气体产物与流体分离。
超临界水气化处理的各阶段期间的流体的温度、压力和/或流动的监视和控制将确保腐蚀性离子的浓度将在转换阶段期间充分减小。腐蚀性离子的浓度减小将减轻在反应器容器内超临界水与煤浆料反应的过程中的腐蚀效应，从而延长系统组件的使用寿命以及提高操作系统的总效率。另外，与常规的系统相比，系统将具有更长的使用寿命间隔且要求更少的清洁和维护。
在上面的详细说明中，将参考附图，附图构成了详细说明的一部分。在附图中，除非上下文指出，否则相似的符号通常表示相似的部件。在详细说明、附图和权利要求中所描述的示例性实施例不意在限制。可以使用其它实施例，并且可以做出其它改变，而不偏离本文呈现的主题的精神或范围。将易于理解的是，如本文大致描述且如图中所图示的，本公开的方案能够以各种不同配置来布置、替代、组合、分离和设计，所有这些都在本文中明确地构思出。
本公开不受在本申请中所描述的特定实施例限制，这些特定实施例意在为各个方案的示例。本领域技术人员显而易见的是，能够进行各种改进和变型，而不偏离其精神和范围。根据前面的说明，除了本文列举的那些之外，在本公开范围内的功能上等同的方法和装置对于本领域技术人员而言将是显而易见的。旨在这些改进方案和变型例落在随附权利要求书的范围内。连同这些权利要求书所给予权利的等同方案的整个范围内，本公开仅受随附权利要求书限制。将理解的是，本公开不限于特定的方法、试剂、化合物、组成或生物系统，当然这些可以变化。还应理解的是，本文所使用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，而不意在限制。
关于本文中基本上任何复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员能够根据上下文和/或应用适当地从复数变换成单数和/或从单数变换成复数。为了清晰的目的，本文中明确地阐明了各单数/复数的置换。
本领域技术人员将理解，一般地，本文所使用的术语，尤其是随附权利要求(例如，随附权利要求的主体)中所使用的术语，通常意在为“开放式”术语(例如，术语“包括”应当解释为“包括但不限于”，术语“具有”应解释为“至少具有”，术语“包括”应解释为“包括但不限于”，等等)。虽然根据“包括”各组件或步骤(解释为意指“包括，但不限于”)描述了各组成物、方法和设备，所述组成物、方法和设备还可以“主要由各组件和步骤构成”或者“由各组件和步骤构成”，并且这些术语应当解释为限定了实质上闭合成员组。本领域技术人员还理解，如果意图表达引导性权利要求记述项的具体数量，该意图将明确地记述在权利要求中，并且在不存在这种记述的情况下，不存在这样的意图。例如，为辅助理解，下面的随附权利要求可能包含了引导性短语“至少一个”和“一个或多个”的使用以引导权利要求记述项。然而，这种短语的使用不应解释为暗示不定冠词“一”或“一个”引导权利要求记述项将包含该所引导的权利要求记述项的任何特定权利要求局限于仅包含一个该记述项的实施例，即使当同一权利要求包括了引导性短语“一个或多个”或“至少一个”以及诸如不定冠词“一”或“一个”的(例如，“一”和/或“一个”应当解释为表示“至少一个”或“一个或多个”)；这同样适用于对于用于引导权利要求记述项的定冠词的使用。另外，即使明确地记述了被引导的权利要求记述项的具体数量，本领域技术人员将理解到这些记述项应当解释为至少表示所记述的数量(例如，没有其它修饰语的裸记述“两个记述项”表示至少两个记述项或两个以上的记述项)。此外，在使用类似于“A、B和C等中的至少一个”的惯用法的那些实例中，通常这样的构造旨在表达本领域技术人员理解该惯用法的含义(例如，“具有A、B和C中的至少一个的系统”将包括但不限于仅具有A、仅具有B、仅具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B和C等等的系统)。在使用类似于“A、B或C等中的至少一个”的惯用法的那些实例中，通常这样的构造旨在表达本领域技术人员理解该惯用法的含义(例如，“具有A、B或C中的至少一个的系统”将包括但不限于仅具有A、仅具有B、仅具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B和C等等的系统)。本领域技术人员将进一步理解，呈现两个以上可选项的几乎任何分离词和/或短语，无论是在说明书、权利要求或附图中，都应理解为设想包括一项、任一项或两项的可能性。例如，术语“A或B”将理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。
另外，在根据马库什组(Markush group)描述本公开的特征或方案的情况下，本领域技术人员将理解的是本公开也因此以马库什组的任何独立成员或成员的子组来描述。
本领域技术人员将理解的是，为了任何以及全部的目的，诸如在提供所撰写的说明书方面，本文所公开的全部范围也涵盖了任何和全部的可能的子范围及其子范围的组合。能够容易地认识到任何所列范围都充分地描述了同一范围并且使同一范围分解成至少均等的一半、三分之一、四分之一、五分之一、十分之一等等。作为非限制示例，本文所论述的每个范围能够容易地分解成下三分之一、中三分之一和上三分之一，等等。本领域技术人员还将理解的是，诸如“多达”、“至少”等所有的语言包括所记述的数量并且是指如上文所论述的随后能够分解成子范围的范围。最后，本领域技术人员将理解的是，范围包括每个独立的成员。因此，例如，具有1-3个单元的组是指具有1个、2个或3个单元的组。类似地，具有1-5个单元的组是指具有1个、2个、3个、4个、或5个单元的组，等等。
上述公开的以及其他各特征和功能或其可选方案可以组合到许多其他不同的系统或应用中。本领域技术人员随后可以做出各种在本文中当前未预见的或未预期的可选方案、改进方案、变型例或改进，其中每个也旨在由公开的实施例所涵盖。

Claims (58)

1.一种超临界水气化处理的方法，包括：
将具有水的浆料提供给多个系统组件中的至少一个系统组件；
在保持所述多个系统组件中的至少一个系统组件中的压力处于第一压力或者低于所述第一压力的同时，使所述多个系统组件中的至少一个系统组件中的温度升高至第一温度；
在所述第一温度，使所述多个系统组件中的至少一个系统组件中的压力升高至第二压力；
在第一时间段内保持所述第一温度和所述第二压力；
使所述多个系统组件中的至少一个系统组件中的温度和压力分别升高至第二温度和第三压力；以及
在第二时间段内保持所述第二温度和第三压力。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述多个系统组件包括至少一个加热器、至少一个预加热器、至少一个泵、至少一个反应器容器、至少一个换热器、至少一个气体/液体分离器或者其任意组合。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述超临界气化处理是以下之一：超临界煤气化处理、超临界生物质气化处理以及超临界废物氧化处理。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述水的离子产物保持低于10-22mol2/l2。
5.如权利要求1所述的方法，其中，当使所述多个系统组件中的所述至少一个系统组件中的温度升高至所述第一温度时，所述水的离子产物低于10-18mol2/l2。
6.如权利要求1所述的方法，其中，当使所述多个系统组件中的所述至少一个系统组件中的温度升高至所述第一温度时，所述水的离子产物低于10-24mol2/l2。
7.如权利要求1所述的方法，其中，当使所述多个系统组件中的所述至少一个系统组件中的温度升高至所述第一温度时，所述水的离子产物低于10-28mol2/l2。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述第一温度为674开尔文至775开尔文。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述第一压力为7兆帕斯卡至10兆帕斯卡。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述第一压力为8.6兆帕斯卡。
11.如权利要求1所述的方法，其中当保持所述第一温度和所述第二压力时，所述水的离子产物低于10-23mol2/l2。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述第二压力为23兆帕斯卡至28兆帕斯卡。
13.如权利要求1所述的方法，其中所述第二压力为25兆帕斯卡。
14.如权利要求1所述的方法，还包括：在使所述多个系统组件中的所述至少一个系统组件中的温度升高至所述第二温度且将所述压力升高至所述第三压力之前，使溶解于所述水中的盐沉淀。
15.如权利要求14所述的方法，还包括：利用重力馈送收集机构来收集沉淀的盐。
16.如权利要求1所述的方法，其中，当保持所述第二温度和所述第三压力时，所述水的离子产物低于10-22mol2/l2。
17.如权利要求1所述的方法，其中所述第二温度为775开尔文至1475开尔文。
18.如权利要求1所述的方法，其中所述第二温度为925开尔文。
19.如权利要求1所述的方法，其中所述第三压力为32兆帕斯卡至38兆帕斯卡。
20.如权利要求1所述的方法，其中所述第三压力为25兆帕斯卡。
21.如权利要求1所述的方法，其中所述第三压力基本等于所述第二压力。
22.如权利要求1所述的方法，其中所述第三压力为35兆帕斯卡。
23.如权利要求1所述的方法，还包括：在将温度保持在大约所述第一温度的同时，使所述多个系统组件中的所述至少一个系统组件中的压力下降至低于所述第一压力。
24.如权利要求23所述的方法，还包括：当使所述多个系统组件中的所述至少一个系统组件中的压力下降时，储存所释放的压力。
25.如权利要求1所述的方法，还包括：使所述多个系统组件中的所述至少一个系统组件内的温度下降至环境温度。
26.如权利要求25所述的方法，还包括：当使所述多个系统组件中的所述至少一个系统组件中的温度下降时，储存所释放的热。
27.如权利要求1所述的方法，还包括：从所述多个系统组件中的所述至少一个系统组件中收获氢气、甲烷、一氧化碳和二氧化碳中的一种或多种。
28.一种用于实施根据权利要求1-27中任一项所述的超临界水气化处理的方法的用于超临界水气化的反应器，包括：
腔室，其构造为在保持压力的同时允许温度升高；以及
盐收集室，其构造为收集在所述腔室中执行的处理期间所沉淀的盐，
其中所述腔室进一步构造为在保持所述腔室内的温度的同时允许所述腔室内的压力升高。
29.如权利要求28所述的反应器，其中所述超临界水气化是以下之一：超临界煤气化、超临界生物质气化以及超临界废物氧化。
30.如权利要求28所述的反应器，其中所述腔室构造为允许最大压力为32兆帕斯卡至40兆帕斯卡。
31.如权利要求28所述的反应器，其中所述腔室构造为允许最大压力为35兆帕斯卡。
32.如权利要求28所述的反应器，其中所述腔室构造为允许最大温度为775开尔文至1475开尔文。
33.如权利要求28所述的反应器，还包括浆料馈送器。
34.如权利要求28所述的反应器，还包括用于改变所述腔室内的压力的至少一个压力泵。
35.如权利要求28所述的反应器，还包括至少一个换热器，其构造为回收、储存和使用当降低所述腔室中的温度时所释放的热。
36.如权利要求28所述的反应器，还包括至少一个压力储器，其构造为回收和储存当降低所述腔室中的压力时所释放的压力。
37.如权利要求28所述的反应器，还包括用于监视和控制所述腔室中的温度和压力的至少一个控制器单元。
38.如权利要求28所述的反应器，其中所述盐收集室构造为重力馈送。
39.如权利要求1-27中任一项所述的方法，其中所述浆料具有布置在其中的腐蚀性离子，所述处理进一步包括：
使所述浆料移动通过超临界水气化系统以产生燃料产物；以及
保持所述浆料的温度和压力，使得所述浆料中的水的离子产物不升高而超过腐蚀性离子产物值，从而减少由于腐蚀性离子引起的所述超临界水气化系统的至少一部分的腐蚀。
40.如权利要求39所述的方法，其中所述腐蚀性离子产物值为10-22mol2/l2。
41.如权利要求39所述的方法，还包括加热阶段，其中所述浆料的温度升高至725开尔文，所述浆料的压力保持在低于8兆帕斯卡。
42.如权利要求41所述的方法，其中所述离子产物值为10-45mol2/l2至10-28mol2/l2。
43.如权利要求41所述的方法，其中所述加热阶段之后是加压阶段，并且其中所述浆料的温度保持在674开尔文至725开尔文，压力升高至23兆帕斯卡至28兆帕斯卡。
44.如权利要求43所述的方法，其中所述离子产物值为10-28mol2/l2至10-23mol2/l2。
45.如权利要求43所述的方法，还包括盐沉淀阶段，其中腐蚀性离子的至少一部分从所述浆料中沉淀出。
46.如权利要求45所述的方法，其中所述腐蚀性离子的所述至少一部分包括无机盐。
47.如权利要求45所述的方法，还包括：将从所述浆料中沉淀出的所述腐蚀性离子的所述至少一部分收集在重力馈送收集单元中。
48.如权利要求45所述的方法，还包括：在所述盐沉淀阶段期间管理所述浆料的吞吐量以在滞留时间内保持所述浆料的至少一部分处于所述盐沉淀阶段。
49.如权利要求48所述的方法，其中所述滞留时间为0.5分钟至30分钟。
50.如权利要求39所述的方法，其中响应于加热所述浆料而产生的过压被俘获以便在所述超临界水气化系统内使用。
51.如权利要求39所述的方法，还包括：在转换阶段期间将所述浆料转换成所述燃料产物，其中所述浆料的温度为925开尔文至975开尔文，并且压力为25兆帕斯卡至35兆帕斯卡。
52.如权利要求51所述的方法，其中所述离子产物值为10-20至10-24mol2/l2。
53.如权利要求51所述的方法，还包括：回收所述转换阶段期间的热以加热提供给所述超临界水气化系统的浆料。
54.如权利要求39所述的方法，还包括：在超临界阶段中产生超临界水，其中所述浆料的温度为超临界温度，所述压力为超临界压力。
55.如权利要求54所述的方法，其中所述超临界温度高于645开尔文。
56.如权利要求54所述的方法，其中所述超临界压力高于22兆帕斯卡。
57.如权利要求39所述的方法，其中所述温度和所述压力被保持而使 得浆料中的水处于蒸汽状态，直至水进入超临界阶段。
58.如权利要求39所述的方法，其中所述超临界水反应器系统构造为如下之一：煤气化系统、生物质气化系统和废物氧化系统。
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