CN106190331A - 一种连续式超临界水气化兰炭末系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续式超临界水气化兰炭末系统及方法，包括超临界水流化床反应器、换热器、冷却器、排渣锁斗、气液分离器、热源、储料罐及水箱；水箱的出水口与换热器的冷流体入口相连通，换热器的冷流体出口经热源与超临界水流化床反应器的预热水入口相连通，储料罐的出料口与超临界水流化床反应器的浆料入口相连通，超临界水流化床反应器的出口与换热器的热流体入口相连通，换热器的热流体出口与冷却器与气液分离器的入口相连通，气液分离器的液体出口与水箱的入口相连通，排渣锁斗的入口与超临界水流化床反应器的残渣出口相连通，该系统及方法能够实现超临界水气化兰炭。

Description

一种连续式超临界水气化兰炭末系统及方法
技术领域
本发明属于能源清洁利用及有机废弃物高效处理领域，涉及一种连续式超临界水气化兰炭末系统及方法。
背景技术
兰炭是指由无黏结性或弱黏结性的高挥发分烟煤在中低温条件下干馏热解，得到的较低挥发份的固体炭质产品。经过20多年的发展，兰炭产业已成为承接原煤生产和煤化工及载能工业、市场遍布全国、生产集中在陕蒙晋宁接壤区的特色产业。随着原煤开采设备的不断升级改进，开采出的原煤中块煤所占份额变少，而末煤所占份额变多。这导致煤化工产生的兰炭中，块状兰炭变少，而兰炭末变多。兰炭末是指粒度小于6mm的兰炭。现在全国兰炭产能已达6500万t/a以上，其中约10％左右为兰炭末，也就是每年有大约650万吨兰炭末产生。
现在大量兰炭末被用来掺杂煤粉作为锅炉原料燃烧，但是由于兰炭本身挥发分含量低，燃绕困难，造成锅炉效率下降。也有一小部分兰炭末被用来生产型焦或者活性炭，但仍没有取得好的利用效果。因此寻找一种清洁高效的兰炭末利用方式将是非常有必要的。
超临界水具有很多特殊的性质，它的表面张力几乎为零，是一种均匀的、有高扩散性、高传递特性的非极性溶剂。作为化学反应介质，它具有良好的传递和溶解特性，有机物和一些永久性气体比如氮气、氢气、氧气等均能与超临界水以任意比混溶。并且超临界水的物性很容易通过调节温度和压力来实现控制。
而兰炭末作为一种多孔结构的炭质材料，有利于超临界水渗透到兰炭颗粒内部，使兰炭末在超临界水中能够高效气化，并促进气化反应完全。
因此利用超临界水气化兰炭末制氢将是一种有前景的兰炭末利用方法，然而现在没有能够连续式超临界水气化兰炭末的技术。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种连续式超临界水气化兰炭末系统及方法，该系统及方法能够实现超临界水气化兰炭末。
为达到上述目的，本发明所述的连续式超临界水气化兰炭末系统包括超临界水流化床反应器、换热器、冷却器、排渣锁斗、气液分离器、热源、储料罐及水箱；
水箱的出水口与换热器的冷流体入口相连通，换热器的冷流体出口经热源与超临界水流化床反应器的预热水入口相连通，储料罐的出料口与超临界水流化床反应器的浆料入口相连通，超临界水流化床反应器的出口与换热器的热流体入口相连通，换热器的热流体出口经冷却器与气液分离器的入口相连通，气液分离器的液体出口与水箱的入口相连通，排渣锁斗的入口与超临界水流化床反应器的残渣出口相连通。
水箱的出水口经预热水泵与换热器的冷流体入口相连通。
储料罐的出料口经泥浆泵与超临界水流化床反应器的浆料入口相连通。
冷却器与气液分离器之间设有背压阀。
本发明所述的连续式超临界水气化兰炭末方法包括以下步骤：
1)将兰炭进行粉碎，并将粉碎后的兰炭制备成兰炭浆料，再将兰炭浆料加入到储料罐中；
2)水箱中的水经换热器及热源进入到超临界水流化床反应器中，使超临界水流化床反应器内的压力稳定在超临界压力以上；
3)启动热源，通过换热器及热源对进入到超临界水流化床反应器中的水进行预热，使超临界水流化床反应器内水的水温达到预设温度；
4)将储料罐中的兰炭浆料注入到超临界水流化床反应器中进行气化反应，其中，气化反应产生的气体与超临界水的混合物进入到换热器中，并与进入到换热器冷端中的水进行换热，然后再进入到气液分离器中进行气液分离，其中，分离出来的液体进入到水箱中，分离出来的气体回收利用，气化反应产生的残渣通过排渣锁斗收集。
通过超临界水流化床反应器实现对不同粒度的兰炭在不同预热水温度、不同反应器压力、不同预热水流量、不同浆料浓度、不同浆料流量下的超临界水气化反应。
步骤4)中气液分离器输出的气体经分离提纯后作为清洁能源或化工原料使用。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的连续式超临界水气化兰炭末系统及方法在具体操作时，先对兰炭进行粉碎，再将粉碎后的兰炭制备成兰炭浆料，兰炭浆料与超临界水在超临界水流化床反应器中进行反应，从而将兰炭分解成气体产物及残渣，其中，残渣经排渣锁斗回收，气体产物经气液分离器分离回收，从而实现超临界水气化兰炭末。同时，在操作时，通过分解出来的气体产物对水进行预热形成预热水，然后再将预热水通过热源加热后通入到超临界水流化床反应器中，实现热量的回收利用，残渣通过排渣锁斗回收，防止残渣堵塞超临界水流化床反应器，据检测，本发明能够实现碳气化率95.26％，氢气产量为85.9mol/kg。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
其中，1为超临界水流化床反应器、2为换热器、3为冷却器、4为背压阀、5为气液分离器、6为热源、7为排渣锁斗、8为储料罐、9为水箱、10为泥浆泵、11为预热水泵。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的连续式超临界水气化兰炭末系统包括超临界水流化床反应器1、换热器2、冷却器3、排渣锁斗7、气液分离器5、热源6、储料罐8及水箱9；水箱9的出水口与换热器2的冷流体入口相连通，换热器2的冷流体出口经热源6与超临界水流化床反应器1的预热水入口相连通，储料罐8的出料口与超临界水流化床反应器1的浆料入口相连通，超临界水流化床反应器1的出口与换热器2的热流体入口相连通，换热器2的热流体出口经冷却器3与气液分离器5的入口相连通，气液分离器5的液体出口与水箱9的入口相连通，排渣锁斗7的入口与超临界水流化床反应器1的残渣出口相连通。
水箱9的出水口经预热水泵11与换热器2的冷流体入口相连通；储料罐8的出料口经泥浆泵10与超临界水流化床反应器1的浆料入口相连通；冷却器3与气液分离器5之间设有背压阀4。
本发明所述的连续式超临界水气化兰炭末方法包括以下步骤：
1)将兰炭进行粉碎，并将粉碎后的兰炭制备成兰炭浆料，再将兰炭浆料加入到储料罐8中；
2)水箱9中的水经换热器2及热源6进入到超临界水流化床反应器1中，使超临界水流化床反应器1内的压力稳定在超临界压力以上；
3)启动热源6，通过换热器2及热源6对进入到超临界水流化床反应器1中的水进行预热，使超临界水流化床反应器1内水的水温达到预设温度；
4)将储料罐8中的兰炭浆料注入到超临界水流化床反应器1中进行气化反应，其中，气化反应产生的气体与超临界水的混合物进入到换热器2中，并与进入到换热器2冷端中的水进行换热，然后再进入到气液分离器5中进行气液分离，其中，分离出来的液体进入到水箱9中，分离出来的气体回收利用，气化反应产生的残渣通过排渣锁斗7收集。
通过超临界水流化床反应器1实现对不同粒度的兰炭在不同预热水温度、不同反应器压力、不同预热水流量、不同浆料浓度、不同浆料流量下的超临界水气化反应。
步骤4)中气液分离器5输出的气体经分离提纯后作为清洁能源或化工原料使用。
本发明采用超临界水流化床反应器1，在超临界水流化床反应器1中兰炭颗粒呈流化状态，可以大幅度提高颗粒在超临界水流化床反应器1中的反应时间，并且颗粒与超临界水之间有较强的传热传质。
本发明可以实现对不同粒度的兰炭在不同预热水温度、不同反应器压力、不同预热水流量、不同浆料浓度、不同浆料流量下的超临界水气化反应。
热源6为锅炉燃烧加热、电加热和太阳能加热等加热方式的一种或多种。
实施例一
在预热水温度为660℃、反应器内压力为23MPa、预热水流量为60g/min、物料流量为20g/min、物料浓度为10wt％、碳酸钾添加量为5wt％时，碳气化率可以达到95.26％，其中，碳气化率为气态产物中碳元素的质量与原料中碳元素的质量的比值，氢气产量达到85.9mol/kg，即一吨兰炭末可产氢气1924.16Nm3，表明本发明中提供的系统及方法可以实现兰炭末的清洁高效转化，证明超临界水气化兰炭末制氢将是一种有前景的兰炭末利用方法。
本实例中所述的仅是本发明的一个特定实施例，而不是全部实例。在本发明的实施例基础上，本领域的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畴。

Claims (7)

1.一种连续式超临界水气化兰炭末系统，其特征在于，包括超临界水流化床反应器(1)、换热器(2)、冷却器(3)、排渣锁斗(7)、气液分离器(5)、热源(6)、储料罐(8)及水箱(9)；
水箱(9)的出水口与换热器(2)的冷流体入口相连通，换热器(2)的冷流体出口经热源(6)与超临界水流化床反应器(1)的预热水入口相连通，储料罐(8)的出料口与超临界水流化床反应器(1)的浆料入口相连通，超临界水流化床反应器(1)的出口与换热器(2)的热流体入口相连通，换热器(2)的热流体出口经冷却器(3)与气液分离器(5)的入口相连通，气液分离器(5)的液体出口与水箱(9)的入口相连通，排渣锁斗(7)的入口与超临界水流化床反应器(1)的残渣出口相连通。
2.根据权利要求1所述的连续式超临界水气化兰炭末系统，其特征在于，水箱(9)的出水口经预热水泵(11)与换热器(2)的冷流体入口相连通。
3.根据权利要求1所述的连续式超临界水气化兰炭末系统，其特征在于，储料罐(8)的出料口经泥浆泵(10)与超临界水流化床反应器(1)的浆料入口相连通。
4.根据权利要求1所述的连续式超临界水气化兰炭末系统，其特征在于，冷却器(3)与气液分离器(5)之间设有背压阀(4)。
5.一种连续式超临界水气化兰炭末方法，其特征在于，基于权利要求1所述的连续式超临界水气化兰炭末系统，包括以下步骤：
1)将兰炭进行粉碎，并将粉碎后的兰炭制备成兰炭浆料，再将兰炭浆料加入到储料罐(8)中；
2)水箱(9)中的水经换热器(2)及热源(6)进入到超临界水流化床反应器(1)中，使超临界水流化床反应器(1)内的压力稳定在超临界压力以上；
3)启动热源(6)，通过换热器(2)及热源(6)对进入到超临界水流化床反应器(1)中的水进行预热，使超临界水流化床反应器(1)内水的水温达到预设温度；
4)将储料罐(8)中的兰炭浆料注入到超临界水流化床反应器(1)中进行气化反应，其中，气化反应产生的气体与超临界水的混合物进入到换热器(2)中，并与进入到换热器(2)冷端中的水进行换热，然后再进入到气液分离器(5)中进行气液分离，其中，分离出来的液体进入到水箱(9)中，分离出来的气体回收利用，气化反应产生的残渣通过排渣锁斗(7)收集。
6.根据权利要求5所述的连续式超临界水气化兰炭末方法，其特征在于，通过超临界水流化床反应器(1)实现对不同粒度的兰炭在不同预热水温度、不同反应器压力、不同预热水流量、不同浆料浓度、不同浆料流量下的超临界水气化反应。
7.根据权利要求5所述的连续式超临界水气化兰炭末方法，其特征在于，步骤4)中气液分离器(5)输出的气体经分离提纯后作为清洁能源或化工原料使用。
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