CN109810728B - 一种超临界气化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超临界气化装置，包括超临界气化炉，超临界气化炉换热装置和具有供物料进行气化反应的炉膛，换热装置和炉膛相连通，换热装置具有供气化前物料输入的物料进口和供气化后物料流出的物料出口，换热装置的物料进口通过炉膛与物料出口相连通，且所述物料进口和物料出口均外露于所述超临界气化炉之外，炉膛上具有供氧化剂输入的氧气喷管和供可燃气输入的燃气喷管，炉膛内氧气与燃气喷管的端口间设置有用以点火的打火装置。本发明还涉及一种超临界气化方法，使得预热系统、超临界水介质加热系统、气化系统等集成起来，以便采取有效的保温措施而更加节能，而且很容易达到超临界气化所需最充分的实现条件。

Description

一种超临界气化装置及方法

技术领域

本发明涉及一种气化的装置及方法，具体涉及一种超临界气化装置及方法。

背景技术

物质气化是世界范围内涉及人们生活与生产的重要方式，尤其在能源领域，由于人口大量增长和经济快速发展需要，以煤炭与石油为主的能源产业给地球环境带来不可估量的负面影响，主要表现在碳难以得到良性循环而导致全球气候变暖，进而导致自然灾害频发，同时人们赖以生存的自然环境污染趋于严重恶化，因此煤炭的清洁利用与获得替代石油的清洁能源是人类亟待解决的重大问题。煤炭与农林废弃物在工业生产上进行气化的方法已经很多，但在超临界水环境下进行气化的方法并不多见，本发明即为了提供一种能在能源与环境保护领域彻底解决困惑全人类难题的方法。

超临界水是指当水处于其临界点(374.3℃，22.05MPa)的高温高压状态时，因高温而膨胀的水的密度和因高压而被压缩的水蒸气的密度正好相同时的水。此时水的液体和气体便没有区别，完全交融在一起呈现为一种新的高温高压状态的液体，被称为超临界水(Supercritical Water，简称SCW)，在此条件下水具有许多独特的性质：具有很好的传质、传热性质。这些特性使得超临界水成为一种优良的反应介质，如烃类等非极性有机物与极性有机物一样可完全与超临界水互溶，氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳等气体也都能以任意比例溶于超临界水中，故可形成单相反应。通常在几秒的反应时间內，即可达99.9％以上的破坏率，可用于处理难分解的有机氯化物、污泥、飞灰中的二噁英及其它危险性有机物质等。无机物尤其是盐类在超临界水中的溶解度很小，几乎可不溶而分离，恢复常温常压后成为一般流体的水溶液，故完全无二次污染之虑。

超临界水氧化(Supercritical Water Oxidation简称SCWO)法是一极具清洁处理效益的技术，不需后处理设备。另外，当有机物含量超过2％时SCWO过程可以形成自热而不需额外供给热量。这些特性使SCWO与生化处理法、湿式空气氧化法(Wet Air Oxidation,简称WAO)、燃烧法等传统的废水处理技术相比具有其独特的优势，对于传统方法难以处理的废水体系，SCWO已成为一种具有很大潜在优势的环保新技术。超临界水氧化法由美国学者Modell等人于20世纪80年代中期首次提出至今三十多年而不能进入市场，其主要原因是以往的SCWO技术反应系统包括：进料系统、泵、预热器、反应器、冷却器(或热回收系统)、分离器等。局限于物料预热系统、超临界水介质加热系统、氧化剂预热系统与反应器等相互之间的连接太复杂，设备材质要求很高，不仅设备建设与生产运行成本很高，而且也导致整个系统运行很不可靠。

因此，亟需要一种容易达到SCWO法所需最充分的实现条件(温度＞374.3℃；压力＞22.05MPa)同时满足煤炭等物料在超临界水中完成吸热与还原制氢的新气化原理的技术方法和装置。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术的现状，提供一种结构简单合理、方便达到超临界状态、并且转化效率高而操作成本合理的超临界气化装置。

本发明所要解决的第二个技术问题是，提供一种工艺合理实用、高效节能的超临界气化方法，能有效降低操作成本。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种超临界气化装置，包括超临界气化炉。其特征在于：所述超临界气化炉包括换热装置和具有供物料进行气化反应的炉膛，所述换热装置和炉膛相连通，所述换热装置具有供气化前物料输入的物料进口和供气化后物料流出的物料出口，所述换热装置的物料进口通过炉膛与物料出口相连通，且所述物料进口和物料出口均外露于所述超临界气化炉之外，所述炉膛上具有供氧化剂输入的氧气喷管和供可燃气输入的燃气喷管，所述炉膛内氧气喷管口与燃气喷管口间设置有用以点火的打火装置。

为了达到超临界状态气化反应所需停留时间，所述换热装置的进料换热管组有部分在炉膛内，使所述炉膛与换热装置集成为一体。这样，物料气化从非超临界过渡至超临界状态再从超临界过渡至非超临界状态的生产过程都在该超临界气化炉内完成。

为了方便向炉膛内供给氧气和可燃气体，并使得炉膛内进行燃烧反应，所述物料进口和物料出口位于换热装置的同一侧，而所述氧气进口和燃气进口均位于远离物料进口的一侧，且在邻近所述氧气进口处设置有便于将氧气输入所述炉膛内的氧气喷管，在邻近所述燃气进口处设置有便于将可燃气输入所述炉膛内的燃气喷管，所述打火装置设置在所述氧气喷管口和燃气喷管口之间，这样，方便实现炉膛内的点燃。因此，将现有的外加热方式改为向炉膛内直接喷可燃气与纯氧气燃烧启动加热，运行时持续输入适量氧气来维持整个系统温度，同时采用管式的形状，能够更好的结合保温措施而达到更佳的节能效果；另外，为后续使炉膛达到并维持超临界状态做好准备。

为了使超临界气化装置内的工作压力达到超临界要求，所述超临界气化炉包括第一壳体，所述炉膛和换热装置组成的炉芯位于第一壳体内，所述第一壳体上开设有供氮气输入的氮气进口和供氮气流出的氮气出口，所述物料进口和物料出口均外露于所述第一壳体之外。其中的第一壳体通常采用耐高压的保护壳体结构，从而更好地满足超临界气化反应对压力的要求，同时使超临界气化炉中的物料、电机与变速齿轮箱等都处于与干燥纯氮气近乎等压环境中，如同于常压下工作，也就解决了多个部件组合制作的设备因巨大压力差而造成的安全密封难题。

进一步的，所述第一壳体内设置有压力传感器，所述压力传感器的信号输出端与自动化控制系统的压力信号输入端相连，所述自动化控制系统的信号输出端与氮气供应系统相连接。

所述炉膛内设置有用以测试其内压力的压力传感器和用以测试其内温度的温度传感器，所述温度传感器、压力传感器的信号输出端与自动化控制系统的对应的信号输入端相连，所述自动化控制系统的信号输出端与氧化剂供应系统相连，所述自动化控制系统的信号输出端也与氮气供应系统相连。这样，运行时通过压力传感器将信号传递到自动化控制系统，再由自动化控制系统控制氮气供应系统向超临界气化炉内输入干燥纯氮气，使得超临界气化炉内的氮气压力与超临界气化炉膛内的压力保持等压状态，误差<0.5MPa；此外，温度传感器的信号连接到自动化控制系统，由自动化控制系统控制氧气供应系统向炉膛内喷入适量氧气以维持炉膛温度，物料进口与物料出口的温度传感器信号输出至自动化控制系统，由自动化控制系统指令物料给进系统控制进料流量而达到控制物料进出口的温度差。

进一步地，所述第一壳体内设置有第二壳体作为炉膛与换热装置构成炉芯的保温层壳，所述换热装置部分位于所述第二壳体内，所述换热装置包括具有物料进口的进料管组和具有物料出口的出料管组，所述进料管组和出料管组均为包括内置有螺旋叶的换热管构成，所述第一壳体和第二壳体之间的空间内设置有用以驱动螺旋叶转动的电机，所述电机的动力输出端通过变速齿轮箱变成多个驱动轴，所述驱动轴与对应螺旋叶的螺旋轴相连。螺旋叶由电机与变速齿轮箱带动而缓慢绕自身螺旋轴旋转(比如每分种旋转一圈)而对换热管的内壁进行清垢处理，从而使物料在反应过程中对换热装置不会造成堵塞，同时物料在换热管内呈螺旋式前进，不仅可以使颗粒物对换热管壁有冲刷除垢作用，而且也有更好的换热效果。

为了达到相邻进料换热管与出料换热管间的高效换热，所述进料换热管组内的换热管为进料换热管，所述出料换热管组内的换热管为出料换热管，所述进料换热管和出料换热管呈并排间隔布置，且相邻所述进料换热管和出料换热管之间设置导热层，导热层的设置使得相邻进料换热管与出料换热管间可进行高效换热。

导热层的组成有多种形式，优选地，所述导热层包括碳化硅、三氧化二铝、二氧化硅中至少一种以及纯金属铜、铁、镍中的至少一种进行浇铸制成的导热介质。

此外，所述第二壳体与炉膛与换热装置组成的炉芯间则填充有保温材料。

为了实现对常压物料进行加压处理同时使后续进入超临界气化炉的物料维持压力恒定，超临界气化装置还包括有用以向超临界气化炉内供给物料的物料给进系统。所述物料给进系统包括缓冲恒压物料罐、第一物料罐和第二物料罐，所述第一物料罐的下部通过泵能与第二物料罐的下部相连通，所述第一物料罐和第二物料罐邻近上部的位置上均具有与缓冲恒压物料罐相连通的第一连接口及供常压物料输入的第二连接口，所述缓冲恒压物料罐上具有与所述的物料进口相连接的物料输出阀，且该缓冲恒压物料罐上还设置有用以使后续进入炉膛内的物料维持恒定压力的气体恒压阀。

为了实现第一物料罐和第二物料罐向缓冲恒压物料罐内供给25MPa的物料，所述第一物料罐和第二物料罐内分别设有能够上下运动的第一滑动隔板和第二滑动隔板，所述第一物料罐和第二物料罐内的物料和清水均通过各自的滑动隔板分隔而呈上下布置。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种上述超临界气化装置中实现超临界气化的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)启动阶段：通过向超临界气化炉内通入可燃气和氧气，并进行点燃，可燃气和氧气在炉膛内燃烧而升温且同时升压，以使得超临界气化炉的炉膛内达到超临界状态；

2)将需要气化的常压物料经加压后进入超临界气化炉内的换热装置进行预热，预热后的物料进入至超临界气化炉的炉膛内进行气化反应；

3)步骤2)中气化后的物料经超临界气化炉的物料出口进入气液分离器内进行分离。

具体地，在步骤2)中，常压物料经过物料给进系统加压后经缓冲恒压物料罐进行缓冲恒压后经进入步骤1)中超临界气化炉内的换热装置进行预热的。

为了得到所需要的物质，在步骤3)中，气液分离器有两个，分别为第一级气液分离器和第二级气液分离器，气化后的物料经物料出口进入第一级气液分离器内，将经第一级气液分离器分离出的可燃气体收集至可燃气储罐中待用；而将分离出的二氧化碳、灰渣和水的混合液经减压或者经水轮机减压后进入至第二级气液分离器内，经第二级气液分离器分离出的二氧化碳气体经压缩形成液体二氧化碳，经第二级气液分离器分离出的其余混合液进行沉淀后直接排放或者回用。这样通过各级气液分离器更容易得到所需的燃气、液体二氧化碳、灰渣和含无机盐清洁水。

为了使超临界气化炉内第一壳体与第二壳体间压力与炉膛的压力保持等压状态，在步骤1)中，可燃气和氧气在炉膛内燃烧升温并同时升压的过程中需要向超临界气化炉内输入干燥纯氮气，以使临界气化炉内第一壳体与第二壳体间氮气压力始终与炉膛内的压力保持等压状态，压力误差＜0.5MPa，直至炉膛内的温度达到600℃～1000℃、压力至23MPa～27MPa，超临界气化炉即进入正常运行状态，物料在炉膛中停留时间为10秒～300秒，气化前的物料在超临界气化炉的物料进口处的温度与气化后的物料在超临界气化炉的物料出口处的温度之间的差值T为10℃～50℃。

进一步地，所述的物料为所包含的固体与液体物质的质量比可达40％以上的物料浆体。

为了更好地进行超临界气化反应，在步骤2)中优选：炉膛内的温度为800℃，炉膛内的温度是由控制氧气喷入炉膛内的量进行维持，超临界气化炉的炉膛内运行压力为25MPa，物料在炉膛中停留时间为60秒，物料气化前后的温度差值T为30℃。

进一步优选地，所述的物料为包含有质量比为0～30％煤粉、0～15％可燃废弃物粉末或细碎片和50％～95％污水以及适量碳酸钙粉末混合制成浆料。

与现有技术相比，本发明的优点在于：1、超临界气化炉内具有换热装置和炉膛，从而使得超临界气化炉内的预热系统、超临界水介质加热系统、气化系统等集成起来，以便采取有效的保温措施而更加节能，其转化效率高，且操作成本合理，而且很容易达到超临界气化所需最充分的实现条件(温度＞400℃；压力＞22.1MPa)；2、换热装置内采用内置有螺旋叶的换热管，可达到更高效换热和有效解决换热管内的结垢堵塞问题。

此外，本发明的装置经集成使得工艺路线大大简化，超临界气化装置的建设与运行成本大幅降低，大大提高生产效率且整个系统运行也变得极为稳定可靠，因有本发明的物料给进系统，可使煤炭、农林废弃物、生活垃圾乃至江河湖海漂浮的有机废物等物料粉碎成颗粒或小碎片状与含有机有毒废水混合成浆料后很容易进入超临界换热装置内气化，从而在实现能源转化的同时对有机有毒物质进行无害化热分解的高效生产过程。

附图说明

图1为本发明实施例的超临界气化装置及方法的示意图；

图2为图1中的超临界气化炉的结构示意图；

图3为图1中的物料给进系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，超临界气化装置包括有超临界气化炉1.1、物料给进系统1.2、氧化剂供应系统1.3、氮气供应系统1.4、气液分离器、二氧化碳液化系统1.64、灰渣水沉淀分离池1.63及自动化控制系统1.7。

物料给进系统1.2通过恒压物料输出阀1.21与超临界气化炉1.1相连通，氧化剂供应系统1.3通过缓冲恒压氧气罐输出阀1.31与超临界气化炉1.1相连通；此外，气液分离器有两个，分别为第一级气液分离器1.5、第二级气液分离器1.6；超临界气化炉1.1通过氮气输出控制阀1.41与氮气供应系统1.4相连通，并且该超临界气化炉1.1与第一级气液分离器1.5相连通，第一级气液分离器1.5的一端通过可燃气体输出控制阀1.51与可燃气储罐1.54相连，第一级气液分离器1.5的另一端通过第一排放控制阀1.52(或再经水轮机1.53)与第二级气液分离器1.6相连接，第二级气液分离器1.6的一端口通过二氧化碳排放控制阀1.61与二氧化碳液化系统1.64相连通，第二级气液分离器1.6的另一端口通过第二排放控制阀1.62与灰渣水沉淀分离池1.63相连接。

如图3所示，上述的物料给进系统1.2包括有第一物料罐3.2a、第二物料罐3.2b、泵3.1、清洁水罐3.3及缓冲恒压物料罐3.5。其中：

第一物料罐3.2a的下部通过泵3.1能与第二物料罐3.2b的下部相连通，第一物料罐3.2a和第二物料罐3.2b邻近上部的位置上均具有与缓冲恒压物料罐3.5相连通的第一连接口及供常压物料输入的第二连接口，缓冲恒压物料罐3.5上设置有用以使后续进入炉膛2.1内的物料维持恒定压力的气体恒压阀3.51，该气体恒压阀3.51主要为通过可燃气维持物料恒定压力的恒压阀。具体地，缓冲恒压物料罐3.5通过第一限压止回阀3.24与第一物料罐3.2a相连通，缓冲恒压物料罐3.5通过第二限压止回阀3.25与第二物料罐3.2b相连通；即当第一限压止回阀3.24打开时，第一物料罐3.2a内的物料能够输入至缓冲恒压物料罐3.5内，在第二限压止回阀3.25打开时，第二物料罐3.2b内的物料能够输入至缓冲恒压物料罐3.5内。

第一物料罐3.2a内设有用以分隔清水和物料的第一滑动隔板3.21a；第二物料罐3.2b内装有物料，且该第二物料罐3.2b内也设有用以分隔清水和物料的第二滑动隔板3.21b；第一滑动隔板3.21a和第二滑动隔板3.21b均能够上下运动，第一物料罐3.2a和第二物料罐3.2b内的物料和清水均通过各自的滑动隔板分隔而呈上下布置。

常压物料通过第一单向阀3.22与第一物料罐3.2a相连通，常压物料通过第二单向阀3.23则与第二物料罐3.2b相连通，也就是说，打开第一单向阀3.22，常压物料能够输入至第一物料罐3.2a内，打开第二单向阀3.23，常压物料能够输入至第二物料罐3.2b内。

清洁水罐3.3的进口上连接有进水阀3.32，清洁水罐3.3的下部出口通过补水阀3.31与第二物料罐3.2b的下部相连通。泵3.1的进入口通过第四阀门3.14能与第二物料罐3.2b以及经补水阀3.31与清洁水罐3.3相连通，泵3.1的输出口通过第二阀门3.12能与第一物料罐3.2a相连通；泵3.1的进入口通过第三阀门3.13能与第一物料罐3.2a相连通，泵3.1的输出口通过第一阀门3.11与第二物料罐3.2b相连通；具体地，清洁水罐3.3要进行补水时，将通过下部出口的补水阀3.31经过第四阀门3.14连接泵3.1再经第二阀门3.12连接第一物料罐3.2a。

泵的具体工作过程如下：

泵3.1通过关闭第四阀门3.14和第二阀门3.12，开启第三阀门3.13和第一阀门3.11，将第一物料罐3.2a内的清水压入至第二物料罐3.2b内；泵3.1通过关闭第一阀门3.11和第三阀门3.13，开启第四阀门3.14和第二阀门3.12，将第二物料罐3.2b内的清水压入至第一物料罐3.2a内。

物料给进系统的工作过程如下：

工作时，开启第三阀门3.13、第一阀门3.11和泵3.1，此时，约0.2MPa的物料经第一单向阀3.22进入第一物料罐3.2a，第一物料罐3.2a内的清水部分被压入至第二物料罐3.2b的第二滑动隔板3.21b的下方，第二物料罐3.2b内的物料在第二滑动隔板3.21b下方的清水压力作用下，很快达到25MPa，第二限压止回阀3.25自动打开，第二物料罐3.21b向缓冲恒压物料罐3.5输入25MPa的物料。

当第二物料罐3.2b内几乎充满清洁水而第一物料罐3.2a内几乎充满约0.2MPa的物料时，关闭第三阀门3.13和第一阀门3.11，紧接着开启第四阀门3.14和第二阀门3.12，此时，约0.2MPa的常压物料经第二单向阀3.23进入第二物料罐3.2b，清水则从第二物料罐3.2b经由泵3.1压入至第一物料罐3.2a的第一滑动隔板3.21a的下方，第一物料罐3.2a内的物料就被滑动隔板3.21a下的清水所顶压，压力很快达到25MPa，第一限压止回阀3.24自动打开，第一物料罐3.2a内的物料向缓冲恒压物料罐3.5输入25MPa的物料，这样循环运转就可经缓冲恒压物料罐3.5向超临界气化炉内连续地输入25MPa的物料了。

如图2所示，上述的超临界气化炉1.1(也即气化与换热一体化反应器)包括第一壳体2.10、位于第一壳体2.10内的第二壳体2.7及部分位于第二壳体2.7内的换热装置2.2，换热装置2.2大部分位于第二壳体2.7内，上述第一壳体2.10为耐高压的壳体，第二壳体2.7作为炉膛2.1与换热装置2.2所构成炉芯的保温层壳，超临界气化炉1.1包括换热装置2.2和供物料进行气化反应的炉膛2.1，炉膛2.1与换热装置2.2相连通，换热装置2.2的进料换热管组2.3或有部分位于炉膛2.1内，以使炉膛2.1与换热装置2.2集成为一体，具体地，换热装置2.2具有供气化前物料输入的物料进口2.15和供气化后物料流出的物料出口2.16，物料进口2.15经过炉膛2.1与物料出口2.16相连通，物料进口2.15与缓冲恒压物料罐3.5的物料输出阀3.52相连接，物料出口2.16与第一级气液分离器1.5相连接。

第一壳体2.10上开设有供氮气输入的氮气进口2.17和供氮气流出的氮气出口2.18，物料进口2.15和物料出口2.16均外露于第一壳体2.10之外，显然也外露于炉膛2.1与换热装置2.2共同构成的炉芯之外。第一壳体2.10内设置有压力传感器，压力传感器的信号输出端与自动化控制系统1.7的压力信号输入端相连，自动化控制系统1.7的信号输出端与氮气供应系统1.4相连接。炉膛2.1内设置有用以测试其内压力的压力传感器和用以测试其内温度的温度传感器，炉膛内的压力传感器、温度传感器的信号输出端与自动化控制系统1.7的对应的信号输入端相连，自动化控制系统1.7的信号输出端与氧化剂供应系统1.3相连，自动化控制系统1.7的信号输出端与氮气供应系统1.4相连。

第一壳体2.10内周壁和第二壳体2.7的外周壁之间的空间内设置有电机2.9和变速齿轮箱2.8，该第一壳体2.10为耐高压的保护壳体，第二壳体2.7的内周壁与炉膛2.1、换热装置2.2的大部分外周壁之间设置保温层2.6；物料进口2.15和物料出口2.16位于换热装置2.2的同一侧，在远离物料进口2.15的炉膛2.1的另一侧设有供氧化剂输入的氧气进口2.13和供可燃气输入的燃气进口2.14，在邻近氧气进口2.13处设置有便于将氧气输入炉膛2.1内的氧气喷管2.11，在邻近燃气进口2.14处设置有便于将可燃气输入炉膛2.1内的燃气喷管2.12，炉膛内设置有用以点火的打火装置，在本实施例中，氧气喷管2.11和燃气喷管2.12在炉膛内的端口之间设置有用于点火的打火装置。

换热装置2.2包括具有物料进口2.15的进料换热管组2.3和具有物料出口2.16的出料换热管组2.4，进料换热管组和出料换热管组均是包括内置有螺旋叶的换热管构成，第一壳体2.10和第二壳体2.7之间的空间内设置有用以驱动螺旋叶转动的电机2.9，电机2.9的动力输出端通过变速齿轮箱2.8变成多个驱动轴，驱动轴与对应螺旋叶的螺旋轴相连。具体地，进料换热管组2.3内的换热管为进料换热管，进料换热管组2.3包括具有物料进口2.15的进料连接管2.31，进料换热管组2.3具有与进料连接管2.31相连的进口端；出料换热管组2.4内的换热管为出料换热管，出料换热管组2.4包括具有物料出口2.16的出料连接管2.41，出料换热管组2.4具有与出料连接管2.41相连的出口端。

在进料换热管组2.3和出料换热管组2.4内的换热管有多根时，进料换热管组2.3和出料换热管2.4的换热管应呈并排间隔布置，每根进料换热管2.3均具有与进料连接管2.31相连的进口端，进料连接管2.31与物料进口2.15相连通，并且每根进料换热管2.3的出口端伸入至炉膛2.1内，并邻近氧气喷管2.11和燃气喷管2.12的端口。上述的进料换热管组的物料进口2.15和出料换热管组的物料出口2.16均位于换热装置2.2的同一侧，本实施例中的出料换热管和进料换热管均有两根，但是实际应用中，出料换热管和进料换热管的数量并不局限于两根。

此外，上述的进料换热管组2.3和出料换热管组2.4内的换热管均为内置有螺旋叶的换热管构成，且各换热管内的螺旋叶均通过各自的螺旋轴与电机2.9的动力输出端相连。具体地，电机2.9通过变速齿轮箱2.8变成多个驱动轴，多个驱动轴分别连接换热管内的螺旋轴，各换热管内的螺旋叶在电机2.9的驱动下绕各自的螺旋轴转动，从而对换热管的内管壁进行清垢处理。螺旋叶以纯镍或纯铁制成，因物料添加有适量碱性物质(优选碳酸钙粉末)使之偏碱性，而当物料有农林废弃物作主料进系统运行中会自然显偏碱性，纯金属镍与纯金属铁在偏碱性状态且还原性气氛下有较好的抗腐蚀性能，而纯金属镍有极好的抗氧化腐蚀性能，宜优选纯金属镍。

在本实施例中，为了达到相邻进料换热管组2.3与出料换热管组2.4间的高效换热，相邻换热管之间浇铸有导热层2.5，此外，在换热装置的内周壁与相邻进料换热管或者与相邻出料换热管之间也浇铸有导热层2.5。上述导热层2.5的介质包括碳化硅、三氧化二铝、二氧化硅中的至少一种以及耐高温纯金属铜、铁、镍等中的至少一种浇铸复合而制成的导热介质，在本实施例中，该导热层的导热介质优选碳化硅与纯金属铜浇铸成高导热性复合材料。

本实施例中，上述的物料为所包含的固体与液体物质的质量比可达40％以上的浆料，如物料为包含有质量比为0～30％煤粉、0～15％可燃废弃物粉末和50％～95％污水以及适量碳酸钙粉末混合制成浆料。废弃物料粉末可以为农林废弃物料粉末或者生活垃圾等有机废弃物细碎片，本实施例中的物料为含有30％煤粉、10％农林废弃物粉末和60％污水以及适量碳酸钙粉末混合制成浆料。

上述超临界气化炉的工作过程如下：

物料经高压给进系统中的恒压物料输出阀1.21(该恒压物料输出阀1.21也就是物料给进系统中的物料输出阀3.52)后，由物料进口2.15经进料换热管组2.3输入至炉膛2.1，然后再由炉膛2.1经出料换热管组2.4、物料出口2.16后与第一级气液分离器1.5相连接。

氧化剂供应系统工作原理仅由液氧储罐经低温高压液体泵输入液氧膨化器即可，经自动化控制系统1.7协同就可以向超临界气化炉的炉膛内提供25MPa的氧气。

氮气供应系统工作原理与氧化剂(氧气)供应系统相似。

超临界气化方法如下：

启动前准备程序：如图1所示，开启恒压物料输出阀1.21、第一排放控制阀1.52及第二排放控制阀1.62，先由物料给进系统1.2通过恒压物料输出阀1.21开始向整个超临界气化装置输入洁净水(自来水)，洁净水的流动过程为：超临界气化炉1.1→第一级气液分离器1.5→第一排放控制阀1.52→水轮机1.53→第二级气液分离器1.6→第二排放控制阀1.62。其中，当第二排放控制阀1.62有清水流出时，此时超临界气化装置内充满清水，关闭恒压物料输出阀1.21；然后接着开启燃气经燃气进口2.14由燃气喷管2.12向炉膛2.1内输入可燃气(可燃气为一氧化碳氢气混合物或甲烷气)，使第二排放控制阀1.62有可燃气流出后，关闭第二排放控制阀1.62。

步骤1)启动程序也即是启动阶段：先启动超临界气化炉1.1的打火装置，使炉膛内的氧气喷管2.11与燃气喷管2.12在炉膛内的端口间不断有高压电火花，然后开启缓冲恒压氧气罐输出阀1.31经氧气进口2.13由氧气喷管2.11向炉膛2.1输入纯氧，炉膛2.1内即被点燃，并持续输入可燃气与纯氧，经压力传感器、温度传感器及自动化控制系统1.7控制氮气输入使整个超临界气化装置缓慢并同步升温、升压，进而使超临界气化炉达到超临界状态。

步骤2)正常运行程序：如图1所示，开启物料给进系统1.2，调整其达到正常运行流量，并将物料(如：30％煤粉、10％农林废弃物粉末和60％污水以及适量碳酸钙粉末混合制成浆料)经加压后引入超临界气化炉1.1的换热装置2.2内进行预热，实现加压的方式有多种，本实施例是通过缓冲恒压物料罐3.5加压后引入超临界气化炉1.1的换热装置2.2内进行预热，预热后的物料进入至超临界气化炉1.1的炉膛2.1内；开启气体恒压阀3.51，以确保进入炉膛2.1的物料流量与压力的稳定，调整氧化剂供应系统1.3使氧气经缓冲恒压氧气罐输出阀1.31至氧气喷管2.11输入炉膛2.1至适当流量，随后经自动化控制系统1.7使炉膛2.1维持工作温度为800℃、压力为25MPa，经气化反应所产生的一氧化碳、氢气以及有少量甲烷气与反应产生中的少量的氮气等(在温度＜374.3℃、压力为25MPa环境下是气态，而超临界气化炉所产生的二氧化碳以及可能有少量硫化氢等处于液化状态与水混溶在一起)在第一级气液分离器1.5通过可燃气体输出控制阀1.51输入可燃气储罐1.54内待用，而将分离出的灰渣、水与液体二氧化碳等混合液经第一排放控制阀1.52驱动水轮机1.53后进入第二级气液分离器1.6，二氧化碳气体通过二氧化碳排放控制阀1.61进入二氧化碳液化系统1.64制成液体二氧化碳，灰渣水与少量硫化氢(溶在灰渣水中)通过第二排放控制阀1.62排放到灰渣水沉淀分离池1.63。此外，物料中的固体物质可占质量比达40％以上，解决了现有高压柱塞污水泵，只能输入颗粒物粒径≤300微米，颗粒物与水的重量比≤3％的难题。

也就是说，上述气化后的物料经物料出口2.16进入第一级气液分离器1.5内，将经第一级气液分离器1.5分离出的可燃气体收集至可燃气储罐1.54中待用，而将分离出的二氧化碳、灰渣和水的混合液经减压或者经水轮机1.53(回收压力势能)减压后进入至第二级气液分离器1.6内，经第二级气液分离器分离出的二氧化碳气体经压缩形成液体二氧化碳，经第二级气液分离器分离出的灰渣和水混合液进行沉淀后的含无机盐清洁水可直接排放或者回用。这样通过各级气液分离器更容易得到所需的燃气、液体二氧化碳、灰渣和含无机盐清洁水。

上述中，在输入可燃气和氧气燃烧进行升温、升压的过程中需要向超临界气化炉1.1内输入干燥纯氮气，以使超临界气化炉1.1内空间氮气压力始终与炉膛2.1内的压力保持等压状态，压力误差＜0.5MPa，直至炉膛2.1内的温度达到600℃～1000℃、压力至23MPa～27MPa，超临界气化炉1.1即进入正常运行状态，物料在炉膛2.1中停留时间为10秒～300秒，气化前的物料在超临界气化炉1.1的物料进口2.15处的温度与气化后的物料在超临界气化炉1.1的物料出口2.16处的温度之间的差值T为10℃～50℃。

在开启上述物料给进系统1.2并调整至正常运行流量，需要按比例输入物料的同时，还需要调节进入炉膛2.1的氧气量，使其达到设定运行状态的工作温度与压力参数。

其运行状态下的推荐参数：

超临界气化炉1.1的炉膛内的运行温度：800℃；

超临界气化炉1.1的炉膛内的运行压力：25MPa；

物料在超临界气化炉1.1的炉膛内的停留时间：60秒；

物料气化前后的温度差值T：30℃。

进入正常运行状态时由控制喷入超临界气化炉的炉膛氧气的量来控制气化炉膛温度。

最后，关闭程序：如图1所示，正在运行中的物料给进系统1.2由进物料改为进洁净水，同时关闭氧化剂供应系统1.3进入超临界气化炉的氧气流量，系统即迅速降温，当超临界气化炉1.1温度降至200℃以下时，关闭物料给进系统1.2，在整个过程中自动化控制系统1.7协同控制氮气压力进行均衡降压，使其降温、降压至整个系统处于常压的状态，即可关闭所有的阀门与设备电源。

上述步骤，由自动化控制系统1.7精准协同实现。

Claims (14)

1.一种超临界气化装置，包括超临界气化炉(1.1)，其特征在于：所述超临界气化炉(1.1)包括换热装置(2.2)和具有供物料进行气化反应的炉膛(2.1)，所述换热装置(2.2)和炉膛(2.1)连通，所述换热装置(2.2)具有供气化前物料输入的物料进口(2.15)和供气化后物料流出的物料出口(2.16)，所述换热装置(2.2)的物料进口(2.15)通过炉膛(2.1)后与物料出口(2.16)相连通，且所述物料进口(2.15)和物料出口(2.16)均外露于所述超临界气化炉(1.1)之外，所述换热装置(2.2)的进料换热管组(2.3)有部分在炉膛(2.1)内，使炉膛(2.1)与换热装置(2.2)集成为一体；所述炉膛(2.1)上具有供氧化剂输入的氧气喷管(2.11)和供可燃气输入的燃气喷管(2.12)，所述炉膛(2.1)内设置有用以点火的打火装置，还包括有用以向超临界气化炉(1.1)内供给物料的物料给进系统(1.2)，所述物料给进系统(1.2)包括缓冲恒压物料罐(3.5)、第一物料罐(3.2a)和第二物料罐(3.2b)，所述第一物料罐(3.2a)的下部通过泵(3.1)能与第二物料罐(3.2b)的下部相连通，所述第一物料罐(3.2a)和第二物料罐(3.2b)邻近上部的位置上均具有与缓冲恒压物料罐(3.5)相连通的第一连接口及供常压物料输入的第二连接口，所述缓冲恒压物料罐(3.5)上具有与所述的物料进口(2.15)相连接的物料输出阀(3.52)，且该缓冲恒压物料罐(3.5)上还设置有用以使后续进入炉膛(2.1)内的物料维持恒定压力的气体恒压阀(3.51)，所述第一物料罐(3.2a)和第二物料罐(3.2b)内分别设有能够上下运动的第一滑动隔板(3.21a)和第二滑动隔板(3.21b)，所述第一物料罐(3.2a)和第二物料罐(3.2b)内的物料和清水均通过各自的滑动隔板分隔并且呈上下布置。

2.根据权利要求1所述的超临界气化装置，其特征在于：所述物料进口(2.15)和物料出口(2.16)位于换热装置(2.2)的同一侧，而所述氧气进口(2.13)和燃气进口(2.14)均位于远离物料进口(2.15)的另一侧，且在邻近所述氧气进口(2.13)处设置有便于将氧气输入所述炉膛(2.1)内的氧气喷管(2.11)，在邻近所述燃气进口(2.14)处设置有便于将可燃气输入所述炉膛(2.1)内的燃气喷管(2.12)，所述打火装置设置在所述炉膛内的氧气喷管(2.11)和燃气喷管(2.12)在炉膛内的端口之间。

3.根据权利要求1或2所述的超临界气化装置，其特征在于：所述超临界气化炉(1.1)包括第一壳体(2.10)，所述炉膛(2.1)与换热装置(2.2)构成的炉芯位于第一壳体(2.10)内，所述第一壳体(2.10)上开设有供氮气输入的氮气进口(2.17)和供氮气流出的氮气出口(2.18)，所述物料进口(2.15)和物料出口(2.16)均外露于所述第一壳体(2.10)之外。

4.根据权利要求3所述的超临界气化装置，其特征在于：所述第一壳体(2.10)内设置有压力传感器，所述压力传感器的信号输出端与自动化控制系统(1.7)的压力信号输入端相连，所述自动化控制系统(1.7)的信号输出端与氮气供应系统(1.4)相连接；所述炉膛(2.1)内设置有用以测试其内压力的压力传感器和用以测试其内温度的温度传感器，所述温度传感器、压力传感器的信号输出端与自动化控制系统(1.7)的对应的信号输入端相连，所述自动化控制系统(1.7)的信号输出端与氧化剂供应系统(1.3)相连。

5.根据权利要求3所述的超临界气化装置，其特征在于：所述第一壳体(2.10)内设置有第二壳体(2.7)作为炉膛(2.1)与换热装置(2.2)构成炉芯的保温层壳，所述换热装置(2.2)部分位于所述第二壳体(2.7)内，所述换热装置(2.2)包括具有物料进口(2.15)的进料换热管组和具有物料出口(2.16)的出料换热管组，所述进料换热管组(2.3)和出料换热管组（2.4）均为包括内置有螺旋叶的换热管构成，所述第一壳体(2.10)和第二壳体(2.7)之间的空间内设置有用以驱动螺旋叶转动的电机(2.9)，所述电机(2.9)的动力输出端通过变速齿轮箱(2.8)变成多个驱动轴，所述驱动轴与对应螺旋叶的螺旋轴相连。

6.根据权利要求5所述的超临界气化装置，其特征在于：所述进料换热管组(2.3)内的换热管为进料换热管，所述出料换热管组(2.4)内的换热管为出料换热管，所述进料换热管和出料换热管呈并排间隔布置，且相邻所述进料换热管和出料换热管之间设置导热层(2.5)。

7.根据权利要求6所述的超临界气化装置，其特征在于：所述导热层(2.5)包括碳化硅、三氧化二铝、二氧化硅中至少一种以及纯金属铜、铁、镍中的至少一种进行浇铸制成的导热介质。

8.根据权利要求1~7任意一种超临界气化装置的超临界气化方法，其特征在于包括以下步骤：

1）启动阶段：通过向超临界气化炉(1.1)内通入可燃气和氧气，并进行点燃，可燃气和氧气在炉膛内燃烧而升温且同时升压，以使得超临界气化炉(1.1)的炉膛(2.1)内达到超临界状态；

2）将需要气化的常压物料经加压后进入超临界气化炉(1.1)内的换热装置(2.2)进行预热，预热后的物料进入至超临界气化炉(1.1)的炉膛(2.1)内进行气化反应；

3）步骤2）中气化后的物料经超临界气化炉的物料出口进入气液分离器内进行分离。

9.根据权利要求8所述的超临界气化方法，其特征在于：在步骤2）中，常压物料经过物料给进系统(1.2)加压后经缓冲恒压物料罐(3.5)进行缓冲恒压后继步骤1）后进入超临界气化炉内的换热装置(2.2)进行预热的。

10.根据权利要求8所述的超临界气化方法，其特征在于：在步骤2）中，气液分离器有两个，分别为第一级气液分离器(1.5)和第二级气液分离器(1.6)，气化后的物料经物料出口(2.16)进入第一级气液分离器(1.5)内，将经第一级气液分离器(1.5)分离出的可燃气体收集至可燃气储罐(1.54)中待用，而将分离出的二氧化碳、灰渣和水的混合液经减压或者经水轮机(1.53)减压后进入至第二级气液分离器(1.6)内，经第二级气液分离器(1.6)分离出的二氧化碳气体经压缩形成液体二氧化碳，经第二级气液分离器(1.6)分离出的其余灰渣和水混合液进行沉淀分离后直接排放或者回用。

11.根据权利要求8所述的超临界气化方法，其特征在于：在步骤2）中，在可燃气和氧气在炉膛内燃烧升温、升压的过程中需要向超临界气化炉(1.1)内输入干燥纯氮气，以使超临界气化炉(1.1)内空间氮气压力始终与炉膛(2.1)内的压力保持等压状态，压力误差＜0.5MPa，直至炉膛(2.1)内的温度达到600℃~1000℃，超临界气化炉(1.1)内压力至23 MPa~27MPa，超临界气化炉(1.1)即进入正常运行状态，物料在炉膛(2.1)中停留时间为10秒~300秒，气化前的物料在超临界气化炉(1.1)的物料进口(2.15)处的温度与气化后的物料在超临界气化炉(1.1)的物料出口(2.16)处的温度之间的差值T为10℃~50℃。

12.根据权利要求8所述的超临界气化的方法，其特征在于：所述的物料为所包含的固体与液体物质的质量比可达40%以上的物料浆体。

13.根据权利要求11所述的超临界气化方法，其特征在于：在步骤2)中炉膛(2.1)内的温度为800℃，炉膛(2.1)内的温度是由控制氧气喷入炉膛(2.1)内的量进行维持，超临界气化炉(1.1)的炉膛内运行压力为25MPa，物料在炉膛(2.1)中停留时间为60秒，物料气化前后的温度差值T为30℃。

14.根据权利要求12所述的超临界气化方法，其特征在于：所述的物料为包含有质量比为0~30%煤粉、0~15%可燃废弃物粉末或细碎片和50%~95%污水以及适量碳酸钙粉末混合制成浆料。