CN108249393B - 采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的设备和方法，所述采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的设备包括：煤浆供应系统(1)，能够将煤粉、油和水混合后制成煤浆；超临界过热蒸汽水供给系统(2)，能够产生超临界过热蒸汽或超临界过热水；所述超临界过热蒸汽或超临界过热水与所述煤浆能够在混合装置(3)内混合形成混合物；该混合物能够在反应通道(4)内发生热裂解；气体收集装置(5)能够收集热裂解后产生的气体。该采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的设备和方法能够将现有的各种煤、贫煤、油页岩、煤矸石等此类资源充分利用并转换成氢气，具有多种资源充分利用制氢成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及清洁环保能源领域，具体的是一种采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的设备，还是一种采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的方法。
背景技术
常规的煤炭气化过程中对于煤炭的品种要求相对较高，有很多有机物资源没有得到充分利用，如油页岩、贫煤、煤矸石、无法利用的碳类、矿物质、醇、烃等，要能有一种方法可以将此类资源充分利用并转换成氢气，可缓解目前工业制氢的高昂成本，用此技术方获取廉价氢气将是一件利国利民的大事。
发明内容
为了获取廉价氢气，本发明提供了一种采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的设备和方法，该采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的设备和方法能够将现有的各种煤、贫煤、油页岩、煤矸石等此类资源充分利用并转换成氢气，具有多种资源充分利用制氢成本低的优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的设备，包括：
煤浆供应系统，能够将煤粉、油和水混合后制成煤浆；
超临界过热蒸汽水供给系统，能够产生超临界过热蒸汽或超临界过热水；
混合装置，煤浆供应系统和超临界过热蒸汽水供给系统均与混合装置连接，所述超临界过热蒸汽或超临界过热水与所述煤浆能够在混合装置内混合形成混合物；
反应通道，与混合装置连接，该混合物能够在反应通道内发生热裂解；
气体收集装置，与反应通道连接，气体收集装置能够收集热裂解后产生的气体。
混合装置为反应釜，煤浆供应系统与该反应釜的上端连接，超临界过热蒸汽水供给系统与该反应釜的下端连接。
该反应釜的上端设有喷嘴，煤浆供应系统与喷嘴连接，该反应釜的下端设有排液安全阀。
反应通道为筒状结构，反应通道呈水平状态，反应通道的入口端与混合装置连接，反应通道的入口端内设有挡板，挡板内设有多个通孔。
反应通道内设有成分测量装置和旋转装置，成分测量装置能够测量该混合物的组成成分及含量，旋转装置能够使该混合物旋转。
所述采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的设备还包括控制系统，成分测量装置和旋转装置均与该控制系统连接，旋转装置为叶轮，该叶轮能够以反应通道的中心线为轴转动。
反应通道内还设有分子筛催化剂网，该分子筛催化剂网内设有能够使该混合物热裂解的催化剂，沿反应通道的入口端向反应通道的出口端方向，成分测量装置、旋转装置和分子筛催化剂网依次间隔排列。
气体收集装置为集气罐，反应通道的出口端与该集气罐的中部连接，气体收集装置内设有挡砂过滤装置，挡砂过滤装置位于反应通道的出口端的上方，该集气罐的上端设有压力控制安全阀和气体出口，该集气罐的下端连接有杂质回收装置。
一种采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的方法，该采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的方法采用上述的设备，该采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的方法包括以下步骤：
步骤1、煤浆供应系统将煤粉、油和水混合后制成煤浆，超临界过热蒸汽水供给系统产生超临界过热蒸汽或超临界过热水；所述临界过热蒸汽或超临界过热水与所述煤浆在混合装置内混合形成混合物；
步骤2、该混合物在反应通道内发生热裂解；
步骤3、裂解后产生的气体进入气体收集装置被收集。
在步骤1中，所述煤浆中还含有煤裂解水溶催化剂，所述煤粉的目数为80目～400目，所述油为煤焦油，所述水为纯净水，在所述煤浆中，该煤焦油的质量分数为3％～10％，该纯净水的质量分数为30％～50％，该煤裂解水溶催化剂的质量分数为1％～3％。
本发明的有益效果是：该采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的设备和方法能够将现有的各种焦煤、贫煤、油页岩、煤矸石等此类资源充分利用并转换成氢气，具有制氢成本低的优点。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明所述采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的设备的总体示意图。
图2是挡板的结构示意图。
图3是挡砂过滤装置的结构示意图。
1、煤浆供应系统；2、超临界过热蒸汽水供给系统；3、混合装置；4、反应通道；5、气体收集装置；6、控制系统；
31、喷嘴；32、排液安全阀；33、喷口；
41、挡板；42、通孔；43、成分测量装置；44、旋转装置；45、分子筛催化剂网；46、残留砂外排口；
51、挡砂过滤装置；52、压力控制安全阀；53、气体出口；54、杂质回收装置；55、催化剂反应棒。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的设备，包括煤浆供应系统1、超临界过热蒸汽水供给系统2、混合装置3、反应通道4和气体收集装置5。煤浆供应系统1能够将煤粉、油和水混合后制成煤浆；超临界过热蒸汽水供给系统2能够产生超临界过热蒸汽或超临界过热水；煤浆供应系统1和超临界过热蒸汽水供给系统2均与混合装置3连接，所述超临界过热蒸汽或超临界过热水与所述煤浆能够在混合装置3内混合形成混合物；反应通道4的入口与混合装置3连接，该混合物能够在反应通道4内发生热裂解；气体收集装置5与反应通道4的出口连接，气体收集装置5能够收集热裂解后产生的气体，如图1所示。
本发明中煤浆供应系统1、超临界过热蒸汽水供给系统2、混合装置3、反应通道4和气体收集装置5均可以采用现有的装置。随着超临界概念的提出，超临界状态已经不再那么难以达到，各种超临界气化炉逐渐应用于工业，当锅炉压力达到22.12MPa时，如果水温达到了临界温度374.12℃，气化即在一瞬间完成；在临界点水和水蒸气的比重完全相同，其差别完全消失，在超临界状态下，液相和气相间的转变在连续渐变中完全相同，此时的超临界水，所具备的特点可以被很好的应用，采用超临界过热蒸汽或水通过反应釜气化裂解完全可以替代诸多制氢复杂过程。现有的煤气化炉制氢、电解水催化制氢等过程复杂且运行成本过高，本发明具有程序简洁、基础原料成本低廉、应用广泛等优点。其中，超临界机组的蒸汽参数国内外采用较多的是24.2Mpa/538℃/566℃，新气温度采用538℃。
在本实施例中，可用于煤气化反应的催化剂主要是以碱金属和碱金属为主的氧化物、金属氢氧化物、盐类以及铁、钴、镍等过渡金属元素化合物。不同类型的催化剂适用于不用的气化剂，不同催化剂对不同气化反应的催化活性不同。适于催化C-H2O反应的催化剂主要是钾、钠、钙、铁、镍的化合物，适于催化C-CO2、C-O2的催化剂主要是钾、钠、钙的化合物，适于催化C—H2反应的催化剂主要是铁、镍的化合物。
在本实施例中，煤浆供应系统1可以含有依次连接的混合容器和泵，物料包括煤粉、油和水等可以在该混合容器中混合后制成煤浆，然后通过泵该煤浆输送至混合装置3的煤浆入口。超临界过热蒸汽水供给系统2为能够制造超临界(或超超临界)状态的装置，如超临界过热蒸汽水供给系统2为能够给供应超临界过热蒸汽或超临界过热水的超临界锅炉。超临界过热蒸汽水供给系统2与混合装置3的超临界过热蒸汽水入口连接。
在本实施例中，混合装置3为反应釜，煤浆供应系统1与该反应釜的上端连接，超临界过热蒸汽水供给系统2与该反应釜的下端连接。具体的，该反应釜的上端设有喷嘴31，煤浆供应系统1与喷嘴31连接，煤浆从喷嘴31喷出后形成小液滴，该反应釜的下端设有喷口33，超临界过热蒸汽水供给系统2与喷口33连接，该反应釜的下端还设有排液安全阀32。煤浆供应系统1输送的煤浆从喷嘴31喷出后自上而下运动，超临界过热蒸汽水供给系统2输送的超临界过热蒸汽或超临界过热水从喷口33喷出后自下而上运动。
在本实施例中，混合装置3和气体收集装置5直立的筒状结构，反应通道4为筒状结构，但反应通道4呈水平状态，反应通道4的入口端与混合装置3连接，反应通道4的入口端内设有挡板41，挡板41内设有多个通孔42，挡板41的外径等于反应通道4的内径，如图2所示。具体的，挡板41内设有6个通孔42，从而可以使混合物质带着较大的速度由通孔42冲入反应通道4。
在本实施例中，沿反应通道4的入口端向反应通道4的出口端方向，反应通道4内依次设有成分测量装置43、旋转装置44、分子筛催化剂网45，成分测量装置43能够测量该混合物的组成成分及含量，旋转装置44能够使该混合物旋转，该分子筛催化剂网内设有能够使该混合物热裂解的催化剂。反应通道4的下部还设有两个残留砂外排口46，一个残留砂外排口46位于反应通道4的入口端和旋转装置44之间，另一个残留砂外排口46位于旋转装置44和分子筛催化剂网45之间。
在本实施例中，所述采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的设备还包括控制系统6，成分测量装置43和旋转装置44均与该控制系统6连接，成分测量装置43含有用于测量气体成分和含量的传感器，成分测量装置43位于反应通道4的入口端和旋转装置44之间，旋转装置44为叶轮，该叶轮能够以反应通道4的中心线为轴转动，旋转装置44能够使该混合物以旋转的状态向前流动。
成分测量装置43实时检测反应通道4的入口端和旋转装置44之间的气体成分和含量，并将测量结果发送给该控制系统的控制单元，当该气体(来自于煤浆与蒸汽)达到预定的比例后，该控制单元向旋转装置44发出启动的信号，从而使该气体在旋转力的作用下继续输送。
在本实施例中，气体收集装置5为集气罐，反应通道4的出口端与该集气罐的中部连接，气体收集装置5内设有挡砂过滤装置51，挡砂过滤装置51位于反应通道4的出口端的上方，该集气罐的上端设有压力控制安全阀52和气体出口53，该集气罐的下端连接有杂质回收装置54。挡砂过滤装置51能够阻挡进入气体收集装置5的固体颗粒物向上运动，以避免其进入气体出口53，挡砂过滤装置51还能够使该固体颗粒物在重力的作用下在气体收集装置5的下部汇集，从而有利于杂质回收装置54将其回收。
气体收集装置5还连接有混合气体回收系统，该混合气体回收系统与气体出口53连接，裂解后的气体进入气体收集装置5后，再从气体出口53排出并进入该混合气体回收系统。挡砂过滤装置51为过滤网，挡砂过滤装置51呈平面水滴形结构，如图3所示，挡砂过滤装置51所在的平面与气体收集装置5的中心线垂直，挡砂过滤装置51为筛网，挡砂过滤装置51的对称中心线L与反应通道4的中心线位于同一平面内，挡砂过滤装置51的尾端(或可以称为尖端)朝向反应通道4的出口端。挡砂过滤装置51的长度等于气体收集装置5的内径。
在本实施例中，气体收集装置5的侧壁上还设有催化剂反应棒55，催化剂反应棒55能够插入气体收集装置5内，催化剂反应棒55位于挡砂过滤装置51的下方，催化剂反应棒55插入挡砂过滤装置51的深度可以调节。
本发明所述采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的设备整体采用撬装式结构，所述采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的设备整体长20米、宽3.5米、高4米。所述采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的设备中所有的部件均可以采用不锈钢耐磨耐高压材料制成。另外，本发明所述采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的设备还含有电磁波超声加热装置，该电磁波超声加热装置设置于反应通道4内，且该电磁波超声加热装置位于旋转装置44和分子筛催化剂网45之间，该电磁波超声加热装置的作用是混合物进入反应通道4后反应不完全时开启该电磁波超声加热装置。
下面介绍一种采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的方法，该采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的方法采用上述的设备，该采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的方法包括以下步骤：
步骤1、煤浆供应系统1将煤粉、油和水混合后制成煤浆，超临界过热蒸汽水供给系统2产生超临界过热蒸汽或超临界过热水；所述临界过热蒸汽或超临界过热水与所述煤浆在混合装置3内混合形成混合物；
具体的，煤浆供应系统1制成的煤浆经喷嘴31自上而下直喷入混合装置3，超临界过热蒸汽水供给系统2产生的超临界过热水(24.2Mpa/538℃)经由喷口33自下而上直喷进入混合装置3，两相物质都带有强大压力，故而相遇会形成强有力的冲力，蒸汽与水煤浆发生旋转，充分混合。
步骤2、该混合物进入反应通道4并在反应通道4内发生热裂解；
具体的，混合物质带着较大的速度由通孔41冲入反应通道4，成分测量装置43实时检测反应通道4的入口端和旋转装置44之间的气体成分和含量，并将测量结果发送给该控制系统的控制单元，当该气体中的各项成分及含量达到预设值时，该控制单元向旋转装置44发出启动的信号，从而使该气体在旋转力的作用下继续输送，在压力和温度都满足的情况下，分子筛催化剂网45中的催化剂将使该混合气体快速充分热裂解。反应主要是在超临界状态下，借助催化剂的加速状态下，使煤、油、烃等有机质，与临界状态的水发生裂解，碳元素氧化，氢元素还原，大量氢气和CO、CO2相继生成。
催化剂成分以碱金属和碱金属为主的氧化物、金属氢氧化物、盐类以及铁、钴、镍等过渡金属元素化合物，并酌情辅以所需的不同种类催化剂，保证反应釜裂解气化的运行。
步骤3、该裂解后产生的气体进入气体收集装置5被收集。
具体的，反应后的产出气进入气体收集装置5，气体首先经过挡砂过滤装置51，携带的固体残渣颗粒物被过滤，该固体残渣颗粒物在重力作用下，落入杂质回收装置54，再经排粉尘装置排出，而混合气则向上排出并经过所述混合气体回收系统进一步处理。
其中，喷嘴31喷出的煤浆能够雾化反应釜(混合装置3)，同时将超临界过热蒸汽(水)<535℃，直喷反应釜内，反应釜内达到气化裂解的温度条件，反应釜温度在430度以上，在高温高压的作用下，产生热裂解，热的化学复合反应，使反应釜内产生高温水裂解，使煤，碳及氢分子裂解产生氢气及二氧化碳，气体组分(H2、55％，CO226％，硫化物5％，水杂质4％)采用本技术方法可直接制取氢气。
在步骤1中，所述煤浆需要加热至60℃～80℃，所述煤浆中还可以含有煤裂解水溶催化剂，该煤浆中的所述煤粉的目数为80目～400目，该煤浆中的所述油为煤焦油，该煤浆中的所述水为纯净水，在所述煤浆中，该煤焦油的质量分数为3％～10％，该纯净水的质量分数为30％～50％，该煤裂解水溶催化剂的质量分数为1％～3％。
本申请中所有的装置、系统和使用的原料(包括煤粉、油、水和催化剂等)均为现有产品，本发明的重点在于在采用现有技术的基础上获得更加有益的效果。即在超临界状态下实现煤、油等的气化裂解，优化反应条件、提高反应速率，高效的得到H2及CO2。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。
Claims (6)
1.一种采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的设备，其特征在于，所述采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的设备包括：
煤浆供应系统(1)，能够将煤粉、油和水混合后制成煤浆；
超临界过热蒸汽水供给系统(2)，能够产生超临界过热蒸汽或超临界过热水；
混合装置(3)，煤浆供应系统(1)和超临界过热蒸汽水供给系统(2)均与混合装置(3)连接，所述超临界过热蒸汽或超临界过热水与所述煤浆能够在混合装置(3)内混合形成混合物；
反应通道(4)，与混合装置(3)连接，该混合物能够在反应通道(4)内发生热裂解；
气体收集装置(5)，与反应通道(4)连接，气体收集装置(5)能够收集热裂解后产生的气体；
反应通道(4)为筒状结构，反应通道(4)呈水平状态，反应通道(4)的入口端与混合装置(3)连接，反应通道(4)的入口端内设有挡板(41)，挡板(41)内设有多个通孔(42)；
反应通道(4)内设有成分测量装置(43)和旋转装置(44)，成分测量装置(43)能够测量该混合物的组成成分及含量，旋转装置(44)能够使该混合物旋转；
所述采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的设备还包括控制系统(6)，成分测量装置(43)和旋转装置(44)均与该控制系统(6)连接，旋转装置(44)为叶轮，该叶轮能够以反应通道(4)的中心线为轴转动；
反应通道(4)内还设有分子筛催化剂网(45)，该分子筛催化剂网内设有能够使该混合物热裂解的催化剂，沿反应通道(4)的入口端向反应通道(4)的出口端方向，成分测量装置(43)、旋转装置(44)和分子筛催化剂网(45)依次间隔排列。
2.根据权利要求1所述的采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的设备，其特征在于，混合装置(3)为反应釜，煤浆供应系统(1)与该反应釜的上端连接，超临界过热蒸汽水供给系统(2)与该反应釜的下端连接。
3.根据权利要求2所述的采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的设备，其特征在于，该反应釜的上端设有喷嘴(31)，煤浆供应系统(1)与喷嘴(31)连接，该反应釜的下端设有排液安全阀(32)。
4.根据权利要求1所述的采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的设备，其特征在于，气体收集装置(5)为集气罐，反应通道(4)的出口端与该集气罐的中部连接，气体收集装置(5)内设有挡砂过滤装置(51)，挡砂过滤装置(51)位于反应通道(4)的出口端的上方，该集气罐的上端设有压力控制安全阀(52)和气体出口(53)，该集气罐的下端连接有杂质回收装置(54)。
5.一种采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的方法，其特征在于，该采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的方法采用权利要求1所述的设备，该采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的方法包括以下步骤：
步骤1、煤浆供应系统(1)将煤粉、油和水混合后制成煤浆，超临界过热蒸汽水供给系统(2)产生超临界过热蒸汽或超临界过热水；所述临界过热蒸汽或超临界过热水与所述煤浆在混合装置(3)内混合形成混合物；
步骤2、该混合物在反应通道(4)内发生热裂解；
步骤3、裂解后产生的气体进入气体收集装置(5)被收集。
6.根据权利要求5所述的采用超临界过热蒸汽水与煤浆热裂解制氢气的方法，其特征在于，在步骤1中，所述煤浆中还含有煤裂解水溶催化剂，所述煤粉的目数为80目～400目，所述油为煤焦油，所述水为纯净水，在所述煤浆中，该煤焦油的质量分数为3％～10％，该纯净水的质量分数为30％～50％，该煤裂解水溶催化剂的质量分数为1％～3％。
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