CN105923635B - 一种超临界态的生产方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超临界态的工业生产方法和系统，系统包括氧气储罐、空压机、氧气泵、空分制氧单元、气固分离设备、二氧化碳净化单元、超临界燃烧及反应器、1号蒸汽锅炉、蒸汽轮机、冷凝器、给水泵、原料仓、二氧化碳管路和超临界二氧化碳储存单元。过程为：①空气经空压机压缩和空分制氧单元制成氧气送入氧气储罐；②氧气和碳基燃料、原料在超临界状态下进行高温反应过程；③产物和烟气进蒸汽锅炉回收热量并产生蒸汽后进行气固分离，分离出的烟气进行净化处理；④高温高压二氧化碳进入超临界二氧化碳储存单元储存。本发明拓宽了超临界二氧化碳的利用潜力，开辟了超临界反应在工业生产中的应用途径，有利于提高化学反应的转化率和选择性。

Description

一种超临界态的生产方法和系统

技术领域

本发明涉及一种工业生产技术领域，涉及一种超临界态的工业生产方法和系统。

背景技术

超临界流体（supercritical fluid）是指温度及压力均处于临界点以上的液体，具有许多独特的性质。纯净物质在温度高于某一数值时，任何大的压力均不能使该纯物质由气相转化为液相，此时的温度即被称之为临界温度Tc；而在临界温度下，气体能被液化的最低压力称为临界压力Pc。在临界点附近，会出现流体的密度、粘度、溶解度、热容量、介电常数等所有流体的物性发生急剧变化的现象。当物质所处的温度高于临界温度，压力大于临界压力时，该物质处于超临界状态。

超临界化学反应指的是反应物处于超临界状态或者反应在超临界介质中进行。超临界反应可分为两类:以反应物的临界性质为依据，反应体系中各组分都参与化学反应；通过添加适宜的超临界溶剂调变反应行为，溶剂可能改变了反应机理，宏观上并不参与反应。两类反应体系都是一个复杂的多元体系，体系的组成随反应的进程而不断变化。由于超临界化学反应能够增大化学反应速率、降低反应温度、提高反应物的转化率和产物的选择性，受到学者们的广泛关注。虽然该领域的研究尚处于起步阶段，但研究的结果表明了超临界化学反应技术潜在的优势。近年来，超临界反应在工业生产中的应用得到了广泛的研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种超临界态的工业生产方法，拓宽超临界二氧化碳的利用潜力，开辟超临界反应在工业生产中的应用途径。本发明的另一目的是提供一种实现上述方法的超临界态的工业生产系统。

本发明的技术方案是：超临界态的工业生产方法，过程为：①空气经空压机压缩和空分制氧单元制成氧气送入氧气储罐储存；②氧气储罐（1）的氧气和碳基燃料、原料在二氧化碳气体的输送下进入超临界燃烧及反应器（3），在超临界状态下进行高温反应过程，得到烟气和/或化工产品；③超临界状态下反应的产物和烟气进蒸汽锅炉回收热量并产生蒸汽后到气固分离设备进行气固分离，分离出的产品到产品仓，分离出的烟气到二氧化碳净化单元进行净化处理；④净化处理后高温高压二氧化碳进入超临界二氧化碳储存单元储存；⑤蒸汽锅炉发生的蒸汽送往蒸汽轮机做功驱动空压机运转压缩空气；⑥汽轮机做功后的乏汽经冷凝器冷凝后再经给水泵到蒸汽锅炉发生蒸汽。

超临界状态下进行的高温反应过程包括燃烧、煅烧、冶炼、还原或氧化过程；碳基燃料为煤、焦炭、煤气、一氧化碳气或枫燃料一种或多种的混合。枫燃料为灰分小于0.01%的碳粉。二氧化碳净化单元为去除杂质提纯二氧化碳的工艺过程。煅烧过程为水泥煅烧或石灰石煅烧，冶炼过程为电石生产，还原过程为还原炼铁单元，原料为水泥原料、电石原料或铁矿石。超临界状态的压力为7.4MPa～50MPa，温度为80～3000℃。超临界二氧化碳可用于压差发电、动力驱动和推动交通工具行驶，交通工具为汽车、轮船、飞机和电动车。

本发明超临界态的工业生产系统，包括氧气储罐、空压机、氧气泵、空分制氧单元、气固分离设备和二氧化碳净化单元。系统设有超临界燃烧及反应器、1号蒸汽锅炉、蒸汽轮机、冷凝器、给水泵、原料仓、燃料仓、二氧化碳管路和超临界二氧化碳储存单元，蒸汽轮机与空压机同轴连接。空压机入口与空气管路连接，连接到空分制氧单元，空分制氧单元的氧气出口连接到氧气储罐。超临界燃烧及反应器设有氧气入口、原料入口和出料口，氧气储罐通过氧气泵连接到氧气入口，原料仓和燃料仓连接到原料入口，出料口连接到1号蒸汽锅炉。二氧化碳管路连接到原料入口管路，用作输送风输送物料。1号蒸汽锅炉连接到气固分离设备，气固分离设备设有固体产品出口和气体出口，固体产品出口连接到产品仓，气体出口通过二氧化碳净化单元连接到超临界二氧化碳储存单元。1号蒸汽锅炉的蒸汽出口连接到蒸汽轮机，蒸汽轮机出口通过冷凝器连接到给水泵，给水泵出口连接到1号蒸汽锅炉。

超临界燃烧及反应器为煅烧设备，煅烧设备为水泥烧制单元或石灰烧制单元，原料仓中的原料为水泥原料或石灰石，燃料仓中的燃料为煤粉或焦粉，产品仓为水泥熟料仓或石灰仓。

系统设有2号蒸汽锅炉，气固分离设备的气体出口通过2号蒸汽锅炉连接到二氧化碳净化单元。给水泵出口并列连接到1号蒸汽锅炉和2号蒸汽锅炉，连接到蒸汽轮机入口。超临界燃烧及反应器为反应器和电石生产单元，反应器为还原炼铁单元。原料仓中原料为煤和铁矿粉或焦粉和石灰。产品仓为还原铁仓或电石仓。1号蒸汽锅炉和2号蒸汽锅炉设有辅助烧嘴或/和辅助原料加入口，二氧化碳净化单元设有灰尘排放口，灰尘排放口与灰分仓连接。燃烧反应器的压力还可以扩展至0～7.4MPa。适用于所有高温下产生二氧化碳的工艺过程，包括还原、氧化、煅烧、冶炼过程，并在得到产物的同时得到高纯二氧化碳。例如水泥和石灰的煅烧、煤的提质、黑色金属和有色金属的还原冶炼、化工产品的生产如电石的生产、石油炼制；设置有等离子枪作为辅助加热设备的工艺过程，其温度范围可扩展至5000℃。

本发明超临界态的工业生产方法和系统，拓宽了超临界二氧化碳的利用潜力，开辟了超临界反应在工业生产中的应用途径。超临界化学反应能够增大化学反应速率、降低反应温度、提高反应物的转化率和产物的选择性。同时本系统回收反应热产生蒸汽，并通过分离得到高纯二氧化碳超临界流体，该二氧化碳超临界流体可进行压差发电、动力驱动和推动交通工具行驶，因此整个系统的能量利用率高。

附图说明

图1为本发明超临界态工业生产系统的流程示意图；

图2本发明第一种实施方案的流程示意图；

图3为本发明第二种实施方案的流程示意图；

图4为本发明第三种实施方案的流程示意图；

图5为本发明第四种种实施方案的流程示意图。

其中：1—氧气储罐、2—氧气泵、3—超临界燃烧及反应器、4—气固分离设备、5—二氧化碳净化单元、6—超临界二氧化碳储存单元、7—阀门、8—1号蒸汽锅炉、9—辅助烧嘴、10—空分制氧单元、11—蒸汽轮机、12—空压机、13—冷凝器、14—给水泵、15—2号蒸汽锅炉、16—燃料仓、17—原料仓、18—产品仓、19—灰分仓、20—等离子抢。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明超临界态的工业生产系统如图2所示，包括氧气储罐1、空压机12、氧气泵2、空分制氧单元10、气固分离设备4、二氧化碳净化单元5、超临界燃烧及反应器3、1号蒸汽锅炉8、蒸汽轮机11、冷凝器13、给水泵14、煤粉仓、石灰石料仓、二氧化碳管路和超临界二氧化碳储存单元6。超临界燃烧及反应器为石灰烧制单元，蒸汽轮机与空压机同轴连接。空压机入口与空气管路连接，出口连接到空分制氧单元，空分制氧单元的氧气出口连接到氧气储罐。石灰烧制单元设有氧气入口、原料入口和出料口，氧气储罐通过氧气泵连接到氧气入口，石灰石料仓和煤粉仓连接到原料入口，二氧化碳管路连接到原料入口管路，用作原料输送气体。石灰烧制单元的出料口连接到1号蒸汽锅炉， 1号蒸汽锅炉连接到气固分离设备。气固分离设备设有固体产品出口和气体出口，固体产品出口连接到石灰仓，气体出口通过二氧化碳净化单元连接到超临界二氧化碳储存单元，二氧化碳净化单元的灰尘出口也连接到石灰仓。1号蒸汽锅炉的蒸汽出口连接到蒸汽轮机，蒸汽轮机出口通过冷凝器连接到给水泵，给水泵出口连接到1号蒸汽锅炉。石灰烧制单元的燃料也可以是焦粉，枫能源或CO气。净化装置除去粉尘、水份等杂质得到20MPa压力的高纯二氧化碳超临界流体，该超临界流体运至船上，作为船舶的动力来源。

本发明超临界态的工业生产过程为：①空气经空压机12压缩和空分制氧单元10制成氧气送入氧气储罐1储存；②氧气储罐的氧气和煤粉、石灰石在二氧化碳气体的输送下进入石灰烧制单元，在超临界状态下进行煅烧过程，得到烟气和石灰；③石灰和烟气进入1号蒸汽锅炉回收热量并产生蒸汽后到气固分离设备4进行气固分离，分离出的产品到石灰仓，分离出的烟气到二氧化碳净化单元5进行净化处理；④净化处理后高温高压二氧化碳进入超临界二氧化碳储存单元6储存；⑤1号蒸汽锅炉发生的蒸汽送往蒸汽轮机11做功驱动空压机12运转压缩空气；⑥蒸汽轮机做功后的乏汽经冷凝器冷凝后再经给水泵14到1号蒸汽锅炉发生蒸汽。超临界状态下煅烧石灰石的压力为25MPa，温度为1200℃。

实施例2

本发明另一种实施方式如图3所示，包括焦粉仓、水泥原料仓和水泥熟料仓，超临界燃烧及反应器为水泥烧制单元。水泥原料仓和焦粉仓连接到原料入口，二氧化碳管路连接到原料入口管路，用作原料输送气体。水泥烧制单元的出料口连接到1号蒸汽锅炉， 1号蒸汽锅炉连接到气固分离设备。气固分离设备设有固体产品出口和气体出口，固体产品出口连接到水泥熟料仓，气体出口通过二氧化碳净化单元连接到超临界二氧化碳储存单元，二氧化碳净化单元的灰尘出口也连接到水泥熟料仓。氧气储罐的氧气和焦粉、水泥原料在二氧化碳气体的输送下进入水泥烧制单元，在超临界状态下进行煅烧过程，得到烟气和水泥熟料；水泥和烟气进入1号蒸汽锅炉回收热量并产生蒸汽后到气固分离设备4进行气固分离，分离出的产品到水泥熟料仓，分离出的烟气到二氧化碳净化单元5进行净化处理；净化处理后高温高压二氧化碳进入超临界二氧化碳储存单元6储存。煅烧水泥的压力为25MPa，温度为1500℃。其它流程及操作与实施例1相同。

实施例3

本发明超临界态的工业生产系统如图4所示，包括氧气储罐1、空压机12、氧气泵2、空分制氧单元10、气固分离设备4、二氧化碳净化单元5、超临界燃烧及反应器3、1号蒸汽锅炉8、2号蒸汽锅炉15、蒸汽轮机11、冷凝器13、给水泵14、铁矿石料仓、一氧化碳储罐、二氧化碳管路和超临界二氧化碳储存单元6。超临界燃烧及反应器为还原炼铁单元，蒸汽轮机与空压机同轴连接。空压机入口与空气管路连接，出口连接到空分制氧单元，空分制氧单元的氧气出口连接到氧气储罐。还原炼铁单元设有氧气入口、原料入口和出料口，氧气储罐通过氧气泵连接到氧气入口，铁矿石仓和一氧化碳储罐连接到原料入口，二氧化碳管路连接到原料入口管路，用作原料输送气体。还原炼铁单元的出料口连接到1号蒸汽锅炉，1号蒸汽锅炉连接到气固分离设备。气固分离设备设有固体产品出口和气体出口，固体产品出口连接到还原铁仓，气体出口通过2号蒸汽锅炉和二氧化碳净化单元连接到超临界二氧化碳储存单元，二氧化碳净化单元的灰尘出口也连接到还原铁仓。1号蒸汽锅炉和2号蒸汽锅炉的蒸汽出口连接到蒸汽轮机，蒸汽轮机出口通过冷凝器连接到给水泵，给水泵出口并列接到1号蒸汽锅炉和2号蒸汽锅炉。一氧化碳作为燃料和还原剂。

本发明超临界态的工业生产过程为：①空气经空压机12压缩和空分制氧单元10制成氧气送入氧气储罐1储存；②氧气储罐的氧气和一氧化碳、铁矿石在二氧化碳气体的输送下进入还原炼铁单元，在超临界状态下进行还原反应，得到烟气和还原铁。③还原铁和烟气进入1号蒸汽锅炉回收热量并产生蒸汽后到气固分离设备4进行气固分离，分离出的产品到还原铁仓。④分离出的烟气到2号蒸汽锅炉15再次完全燃烧并发生蒸汽。两次发生蒸汽的烟气到二氧化碳净化单元5进行净化处理。⑤净化处理后高温高压二氧化碳进入超临界二氧化碳储存单元6储存。⑥ 1号蒸汽锅炉、2号蒸汽锅炉发生的蒸汽送往蒸汽轮机11做功驱动空压机12运转压缩空气。⑦汽轮机做功后的乏汽经冷凝器冷凝后再经给水泵14到1号蒸汽锅炉、2号蒸汽锅炉发生蒸汽。超临界状态下还原炼铁的压力为25MPa，温度为1850℃。

实施例4

本发明第四种实施方式如图5所示，包括石灰或石灰石料仓、焦粉仓和电石仓。超临界燃烧及反应器为电石生产单元，电石生产单元设有等离子枪20。等离子枪入口与燃料仓、物料仓和二氧化碳管路连接，出口与电石生产单元单元连接，等离子枪作为辅助加热设备产生高温进行电石生产，等离子枪也可以不使用。石灰或石灰石料仓和焦粉仓连接到原料入口，二氧化碳管路连接到原料入口管路，用作原料输送气体。电石生产单元的出料口连接到1号蒸汽锅炉， 1号蒸汽锅炉连接到气固分离设备。气固分离设备设有固体产品出口和气体出口，固体产品出口连接到电石仓，气体出口通过2号蒸汽锅炉和二氧化碳净化单元连接到超临界二氧化碳储存单元，二氧化碳净化单元5的灰尘出口也连接到电石仓。氧气储罐的氧气和焦粉、石灰石或石灰在二氧化碳气体的输送下进入电石生产单元进行电石生产，得到烟气和电石。电石和烟气进入1号蒸汽锅炉回收热量并产生蒸汽后到气固分离设备4进行气固分离，分离出的产品到电石产品仓，分离出的烟气在2号蒸汽锅炉中再次燃烧将可燃气体完全耗尽，同时产生蒸汽，之后进行净化处理。净化处理后得到20MPa的二氧化碳送入超临界二氧化碳储存单元6储存。电石生产单元中的生产压力为25MPa，温度为2200℃。其它流程及操作与实施例3相同。

Claims (6)

1.一种超临界态的工业生产方法，过程为：①空气经空压机（12）压缩和空分制氧单元（10）制成氧气送入氧气储罐（1）储存；②氧气储罐（1）的氧气和碳基燃料、原料在二氧化碳气体的输送下进入超临界燃烧及反应器（3），在超临界状态下进行高温反应过程，得到烟气和/或化工产品；③超临界状态下反应的产物和烟气进1号蒸汽锅炉回收热量并产生蒸汽后到气固分离设备（4）进行气固分离，分离出的产品到产品仓，分离出的烟气到2号蒸汽锅炉再次完全燃烧并发生蒸汽，两次发生蒸汽的烟气到二氧化碳净化单元（5）进行净化处理；④净化处理后高压二氧化碳进入超临界二氧化碳储存单元（6）储存；⑤所述1号蒸汽锅炉、2号蒸汽锅炉发生的蒸汽送往蒸汽轮机（11）做功驱动空压机（12）运转压缩空气；⑥所述汽轮机做功后的乏汽经冷凝器冷凝后再经给水泵（14）到1号蒸汽锅炉、2号蒸汽锅炉发生蒸汽；所述超临界状态下进行的高温反应过程包括燃烧、煅烧、冶炼、还原或氧化过程；所述碳基燃料为煤、焦炭、煤气、一氧化碳气和枫燃料一种或多种的混合；所述枫燃料为灰分小于0.01%的碳粉；所述二氧化碳净化单元为去除杂质提纯二氧化碳的工艺过程。

2.根据权利要求1所述的超临界态的工业生产方法，其特征是：所述煅烧过程为水泥煅烧或石灰石煅烧，所述冶炼过程为电石生产，所述还原过程为还原炼铁，所述原料为水泥原料、电石原料或铁矿石。

3.根据权利要求1所述的超临界态的工业生产方法，其特征是：所述超临界状态的压力为7.4MPa～50MPa，温度为80～3000℃；所述超临界二氧化碳用于压差发电、动力驱动和推动交通工具行驶，所述交通工具为汽车、轮船、飞机和电动车。

4.一种超临界态的工业生产系统，包括氧气储罐（1）、空压机（12）、氧气泵（2）、空分制氧单元（10）、气固分离设备（4）和二氧化碳净化单元（5），其特征是：所述系统设有超临界燃烧及反应器（3）、1号蒸汽锅炉（8）、蒸汽轮机（11）、冷凝器（13）、给水泵（14）、原料仓（17）、燃料仓（16）、二氧化碳管路和超临界二氧化碳储存单元（6），所述蒸汽轮机与空压机同轴连接；所述空压机入口与空气管路连接，连接到空分制氧单元，空分制氧单元的氧气出口连接到氧气储罐；所述超临界燃烧及反应器设有氧气入口、原料入口和出料口，所述氧气储罐通过氧气泵连接到氧气入口，所述原料仓和燃料仓连接到原料入口，所述二氧化碳管路连接到原料入口管路，所述出料口连接到1号蒸汽锅炉，所述1号蒸汽锅炉连接到气固分离设备，所述气固分离设备设有固体产品出口和气体出口，所述固体产品出口连接到产品仓（18），所述气体出口通过二氧化碳净化单元连接到超临界二氧化碳储存单元（6）；所述1号蒸汽锅炉的蒸汽出口连接到蒸汽轮机，所述蒸汽轮机出口通过冷凝器连接到给水泵，所述给水泵出口连接到1号蒸汽锅炉；所述系统设有2号蒸汽锅炉（15）或等离子枪（20），所述等离子枪为辅助加热设备，或去掉空分制氧单元单独采用或完全不使用；所述气固分离设备的气体出口通过2号蒸汽锅炉（15）将可燃气体燃尽后连接到二氧化碳净化单元（5）；所述给水泵（14）出口连接到1号蒸汽锅炉或并列连接到2号蒸汽锅炉；所述1号蒸汽锅炉和2号蒸汽锅炉设有辅助烧嘴（9）或/和辅助原料加入口，所述二氧化碳净化单元（5）设有灰尘排放口，灰尘排放口与灰分仓连接。

5.根据权利要求4所述的超临界态的工业生产系统，其特征是：所述超临界燃烧及反应器（3）为煅烧设备，所述煅烧设备为水泥烧制单元或石灰烧制单元，所述原料仓（17）中的原料为水泥原料或石灰石，所述燃料仓（16）中的燃料为煤粉或焦粉，所述产品仓（18）为水泥熟料仓或石灰仓。

6.根据权利要求4所述的超临界态的工业生产系统，其特征是：所述超临界燃烧及反应器（3）为反应器和电石生产单元，所述反应器为还原炼铁单元；所述原料仓（17）中原料为铁矿粉或石灰，所述燃料仓（16）中的燃料为煤或焦粉或一氧化碳气；所述产品仓（18） 为还原铁仓或电石仓。