CN109988654A - 一种超临界水循环流化床气化系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超临界水循环流化床气化系统及方法，包括第一水箱、第一高压柱塞泵、第二高压柱塞泵、第三高压柱塞泵、排渣泵、返料泵、储料罐、第一加料器、第二加料器、排渣器、排渣冷却器、提升管、旋风分离器、立管、返料阀、脉冲阻尼器、回热器、冷却器、预热器、背压阀、气液分离器、湿式气体流量计、第二水箱、冷却塔、冷却水泵以及多个阀门、温度压力测控系统。本发明采用超临界水循环流化床作为反应器，与鼓泡流化床相比，具有更高的操作气速，可以实现高气速、高的煤通量和高的煤浓度的气化，大大提高了气化炉的效率和能力；同时床层近似无气泡，减轻了气化炉几何结构的影响，使装置易于大型化放大。
Description
技术领域
本发明属于煤及可再生资源洁净转化利用领域，特别涉及一种超临界水循环流化床气化系统及方法。
背景技术
长期以来煤炭的传统利用方式给大气等自然环境造成了难以逆转的污染，严重威胁和影响了居民的身体健康。因此研发洁净煤技术，提高煤的利用效率，减少污染排放，对于实现经济、能源与环境的协调发展具有重要的战略意义。
超临界水气化技术可以直接处理高含湿量的煤，转化为富氢气体，具有气化率高、气化速度快、氢气含量高及原料适应性强等优点，受到国内外学者广泛关注，在过去的几十年间得到了快速发展。MIT的Modell率先进行了煤、生物质等在超临界水釜式反应器中的气化研究，展示了煤的超临界水气化的良好前景，并申请了专利(US4113446)，但是其采用的间歇反应器主要用于反应机理方面研究，不能满足未来该技术工业化的需求。西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室长期从事煤、生物质等有机废弃物超临界水气化制氢研究，2002年，该课题组发明了有机固态原料的超临界水气化制氢方法和装置(ZL02114529.6)，解决了高浓度物料高压多相连续输送的关键技术难题，在管流式反应器中实现了煤、生物质等原料的完全气化，但管流反应器容易出现壁面结渣堵塞，导致系统停机。2005年，该课题组发明了一种煤与生物质共超临界水气化制氢装置及方法(ZL200510041633.8)，解决了反应物料快速升温的技术难题，实现了高浓度煤的高效气化。2007年，该课题组发明了一种煤、生物质超临界水流化床气化/部分氧化制氢装置和方法(ZL200710017691.6)，解决了管式反应器存在的结渣堵塞难题，实现了高浓度生物质的高效气化，但是其操作只能在中低气速下进行，从两相流动状态看属于鼓泡流化床，虽然能够解决管式反应器存在的结渣堵塞难题，实现高浓度生物质、煤的高效气化，但与传统鼓泡流化床类似，反应器内一些重要参数，比如床层膨胀、气固混合、气泡特性、传热特性、反应气体的传质特性等，强烈依赖反应器的尺寸。鼓泡流化床的气泡行为也带来了反应器效率的降低和反应器不易放大的难题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述难题，提供一种超临界水循环流化床气化系统及方法，该系统及方法能够使操作气速更高，可以实现高气速和高通量的气化，床层近似无气泡，大大提高了流化床的效率和能力，并且反应器易于放大。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种超临界水循环流化床气化系统，包括循环流化床子系统、加料子系统、热子系统以及取气子系统；
循环流化床子系统包括提升管、旋风分离器和返料输送装置，提升管作为气化炉本体，提升管底部设有超临界水入口，提升管下部设有进料口和返料口，进料口的位置高于返料口的位置，提升管上部出口与旋风分离器入口连接，旋风分离器底部排料口通过返料输送装置与提升管的返料口连接，旋风分离器上设有排气口；
加料子系统通过提升管的进料口给提升管输送气化原料；
热子系统通过提升管的超临界水入口给提升管输送超临界水，并将旋风分离器排气口排出的超临界水和气体的混合物进行冷却，使超临界水冷却为液态水；
取气子系统用于分离和收集热子系统冷却后的液态水和气体。
优选的，返料输送装置包括立管、返料阀和返料泵；旋风分离器底部排料口通过立管与返料阀上部入口连接，返料阀下部出口与提升管的返料口连接，返料阀下部返料压入口与返料泵连接。
优选的，加料子系统包括第一水箱、储料罐、第一加料器、第二加料器、第二高压柱塞泵和第三高压柱塞泵；储料罐设有气体入口、物料入口和出口，储料罐的出口分两路分别与第一加料器和第二加料器的入口连接，第一加料器和第二加料器的出口汇合后与提升管的进料口连接；第一加料器和第二加料器上部通过管路连接；第一水箱的出口分两路，分别与第二高压柱塞泵和第三高压柱塞泵的入口连接；第二高压柱塞泵的出口与第一加料器和第二加料器的上部连接，第三高压柱塞泵的出口分成三路，一路与第一加料器上部连接，一路与第二加料器上部连接，还有一路与提升管的进料口相连。
优选的，热子系统包括第一水箱、回热器、冷却器和预热器；回热器的热流体入口与旋风分离器的排气口连接，回热器的热流体出口与冷却器的热流体入口连接，冷却器的热流体出口经背压阀与取气子系统连接；第一水箱通过第一高压柱塞泵与回热器的冷流体入口连接，回热器的冷流体出口与预热器的入口连接，预热器的出口与提升管的超临界水入口连接。
进一步的，还包括脉冲阻尼器，第一水箱通过第一高压柱塞泵与脉冲阻尼器入口连接，脉冲阻尼器出口分两路，一路与回热器的冷流体入口连接，一路与冷却器的热流体出口连接。
进一步的，还包括第二水箱、冷却水泵和冷却塔；第二水箱通过冷却水泵与冷却器的冷却水入口连接，冷却器的冷却水出口与冷却塔入口连接，冷却塔出口与第二水箱连接。
优选的，取气子系统包括气液分离器、湿式气体流量计和取气袋，冷却器的热流体出口与气液分离器的入口连接；气液分离器的气体出口分成两路，一路连接湿式气体流量计，另一路连取气袋。
优选的，还包括排渣子系统，排渣子系统包括第一水箱、排渣泵、排渣器和排渣冷却器；提升管下部设有排渣口，第一水箱通过排渣泵与排渣器的水入口连接，提升管的排渣口与排渣冷却器的入口连接，排渣冷却器的出口与排渣器的废渣入口连接，排渣器的底部设置有出渣口。
一种超临界水循环流化床煤气化方法，采用所述的系统，将系统压力和温度调整至预设的压力和温度，将由气化原料制成的浆料通过提升管的进料口送入提升管中，将热子系统产生的超临界水以30～220kg/h的流速通过提升管的超临界水入口送入提升管中，未反应完的气化原料被超临界水带出提升管，进入旋风分离器中，经过旋风分离器分离，超临界水和反应生成的气体的混合物从旋风分离器排气口排出，进入热子系统进行冷却，再经取气子系统进行液态水和气体的分离和收集；经过旋风分离器分离后未反应的气化原料通过返料输送装置返回提升管继续参与反应。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明使用时，未反应完的气化原料被超临界水带出提升管，进入旋风分离器中，经过旋风分离器分离，超临界水和反应生成的气体的混合物从旋风分离器排气口排出，进入热子系统进行冷却，再经取气子系统进行液态水和气体的分离和收集；经过旋风分离器分离后未反应的气化原料通过返料输送装置返回提升管继续参与反应。由于未反应的气化原料能循环送入提升管，因此能够使用更高的操作气速。快速流态化状态下，床层近似无气泡，一方面高的气固滑移速度，强化了相间传递，提高反应速度，使提升管内物料分布和温度分布更加均匀，有利于反应的进行，可以实现高气速、高的气化原料通量和高的气化原料浓度的气化，大大提高了气化炉的效率和能力；另一方面，大大强化了气化原料颗粒与超临界水间的接触，减轻了气化炉几何结构的影响，使装置易于大型化放大。本发明采用超临界水循环流化床作为反应器，避免管流式反应器的结渣堵塞问题；同时相比于鼓泡流化床，循环流化床的操作气速更高，可以实现高气速、高的气化原料通量和气化原料的煤浓度的气化，大大提高了气化炉的效率和能力。本发明提出的超临界水循环流化床(快速流态化)气化新工艺提高单个反应器的效率和处理能力。
进一步的，采用返料阀与返料泵连接，通过返料泵向返料阀充气，从而促使未反应的原料返回提升管中，结构简单。
进一步的，通过设置两个加料器，在一个加料器进料的同时，另一个加料器可以加料，两个加料器交替进行，可以实现流化床长时间连续稳定运行。
进一步的，所述回热器中，第一水箱中的冷水经第一高压柱塞泵、阻尼缓冲器进入回热器回收反应后高温流体的热量实现初步升温，减小预热器所需的加热功率，提高整个系统的能量利用效率。
进一步的，排渣系统能够将提升管中的废渣及时排出，使流化床长时间连续稳定运行。
本发明方法，能够在高流速下操作，流速能够达到30～220kg/h，快速流态化状态下，床层近似无气泡，一方面高的气固滑移速度，强化了相间传递，提高反应速度，使提升管内物料分布和温度分布更加均匀，有利于反应的进行，可以实现高气速、高的气化原料通量和高的气化原料浓度的气化，大大提高了气化炉的效率和能力；另一方面，大大强化了气化原料颗粒与超临界水间的接触，减轻了气化炉几何结构的影响，使装置易于大型化放大。
附图说明
图1是本发明超临界水循环流化床煤气化炉的系统流程图。
图中标号为：1-第一水箱、2-第一高压柱塞泵、3-第二高压柱塞泵、4-第三高压柱塞泵、5-排渣泵、6-返料泵、7-储料罐、8-第一加料器、9-第二加料器、10-排渣器、11-排渣冷却器、12-提升管、13-旋风分离器、14-立管、15-返料阀、16-脉冲阻尼器、17-回热器、18-冷却器、19-预热器、20-背压阀、21-气液分离器、22-湿式气体流量计、23-第二水箱、24-冷却塔、25-冷却水泵。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1所示，这种超临界水循环流化床气化系统，包括循环流化床子系统、加料子系统、排渣子系统、热子系统以及取气子系统。
循环流化床子系统包括提升管12、旋风分离器13、立管14、返料阀15和返料泵6，提升管12为气化炉本体。提升管12底部设有超临界水入口，超临界水入口与预热器19出口相连；提升管12下部设有排渣口，排渣口与排渣子系统相连；提升管12中下部设有进料口，进料口与加料子系统相连。提升管12上部出口通过连接管路与旋风分离器13入口连接，旋风分离器13的排气出口与回热器17的热流体入口连接，旋风分离器13与立管14、立管14与返料阀15分别通过焊接直接相连，从而旋风分离器13底部排料口通过立管14与返料阀15的上部入口连接，返料阀15下部出口与提升管12下部返料口连接，返料阀15下部返料压入口通过供压管与返料泵6连接。返料泵6采用高压柱塞泵，用于将高温高压水从返料压入口通入返料阀15中，从而推动返料阀15中的物料返回提升管12中。提升管12上进料口的位置高于返料口的位置。
加料子系统包括第一水箱1、储料罐7、第一加料器8、第二加料器9、第二高压柱塞泵3和第三高压柱塞泵4；储料罐7设有气体入口、物料入口和出口，储料罐7的出口分两路分别与第一加料器8和第二加料器9的入口连接，第一加料器8和第二加料器9的出口汇合后与提升管12的进料口连接。第一加料器8、第二加料器9、第二高压柱塞泵3和第三高压柱塞泵4通过管路和阀门互相连接；具体是，第一加料器8和第二加料器9上部通过管路和阀门连接，第一水箱1的出口分两路分别与第二高压柱塞泵3和第三高压柱塞泵4的入口连接，第二高压柱塞泵3的出口与第一加料器8和第二加料器9的上部连接，第三高压柱塞泵4的出口分成三路，一路与第一加料器8上部连接，一路与第二加料器9上部连接，还有一路直接与提升管12的进料口相连。
排渣子系统包括第一水箱1、排渣泵5、排渣器10和排渣冷却器11，第一水箱1通过排渣泵5与排渣器10的水入口连接，提升管12的排渣口与排渣冷却器11的入口连接，排渣冷却器11的出口与排渣器10的废渣入口连接，排渣器10的底部设置有出渣口。
热子系统主要包括第一水箱1、回热器17、冷却器18、预热器19、第二水箱23、冷却水泵25和冷却塔24。回热器17的热流体入口与旋风分离器13的排气口连接，回热器17的热流体出口与冷却器18的热流体入口连接，冷却器18的热流体出口与背压阀20的入口连接，背压阀20出口与取气子系统连接。第二水箱23通过冷却水泵25与冷却器18的冷却水入口连接，冷却器18的冷却水出口与冷却塔24入口连接，冷却塔24出口与第二水箱23连接。第一水箱1通过第一高压柱塞泵2与脉冲阻尼器16入口相连，脉冲阻尼器16出口与回热器17的冷流体入口连接，回热器17的冷流体出口与预热器19的入口连接，预热器19的出口与提升管12的超临界水入口连接。
取气子系统包括气液分离器21、湿式气体流量计22和取气袋。背压阀20的出口与气液分离器21的入口连接；气液分离器21的气体出口经三通阀门一路连接湿式气体流量计22，另一路连取气袋。
提升管12的底部端盖装有石墨缠绕垫片和布风板，保证端盖的有效密封和进口流体的均匀分布。提升管12采用电加热的方式维持气化所需的温度，并用六支K型热电偶测量提升管不同高度处的流体温度，采用压力传感器测量系统压力。
本发明方法采用石英砂颗粒辅助煤颗粒流化，气化原料颗粒的粒径范围为0～200μm，石英砂颗粒的粒径范围10～80μm，超临界水质量流量为30～220kg/h。
预热器19出口的热流体自下而上通过提升管12，使提升管12内的石英砂处于快速流态化状态；常温气化原料由加料器(8或9)经提升管12中下部的加料口进入提升管12，与提升管12内热流体和石英砂颗粒混合实现快速升温。
回热器和冷却器均为逆流布置套管式换热器，材质为304不锈钢；提升管材质为Inconel 625，系统压力高达30MPa，温度高达700℃。
本发明所述的超临界水循环流化床气化系统，具体工作过程如下：事先将粒径范围10～80μm的石英砂颗粒加入到提升管12中，作为床料辅助煤颗粒流化。同时将煤配制成所需浓度的煤浆料加入到储料罐7中，用一定压力的N2将煤浆料压至第一加料器8和/或第二加料器9中。开启第一高压柱塞泵2，将其质量流量调节为预定值，调节背压阀20使系统达到预定压力。启动预热器19和提升管12的加热装置，使反应器提升管12内的流体温度达到预定值。开启第二高压柱塞泵3和第三高压柱塞泵4使第一加料器8和第二加料器9的压力升高至系统压力。调节第三高压柱塞泵4的质量流量到预定值，同时打开一个加料器(8或9)的下端出口阀门，将煤浆压入到提升管12中发生反应。在提升管12操作的快速流态化下，石英砂颗粒和未反应完的煤颗粒被超临界水带出提升管12，进入旋风分离器13中。经过旋风分离器13的分离，超临界水和反应生成的气体的混合物从旋风分离器13排气口排出，进入回热器17与冷流体换热，然后进入冷却器18中冷却至常温，再经过背压阀20后进入气液分离器21，气液分离器21分离出来的气体通过湿式气体流量计22测其产量；经旋风分离器13分离下来的石英砂颗粒和未反应完的煤颗粒通过立管14进入返料阀15，在返料泵6提供的返料风的作用下，送回提升管12继续参与流化或反应。反应产生的残渣通过排渣系统排出，气体成分采用气相色谱分析。
本发明采用超临界水循环流化床作为反应器，相比于鼓泡流化床，具有更高的操作气速，反应器中处于快速流态化的石英砂颗粒可强化反应器内的传热传质，使常温物料与超临界水和床料快速混合，实现煤的快速升温，能够使煤颗粒与超临界水充分接触，实现高浓度煤的高效气化，可以实现高气速、高的煤通量和高的煤浓度的气化，可大大提高气化炉的效率和能力；同时快速流态化状态下，床层近似无气泡，减轻了气化炉几何结构的影响，使装置易于大型化放大。
通过该系统可研究煤粒度、煤浆浓度、浆料流量、预热水温度、反应器压力、预热水流量、初始存料量、石英砂颗粒粒径、返料风量等对煤在超临界水循环流化床中气化反应的影响。进一步换用不同返料阀还可继续研究不同返料口高度、返料阀类型等对气化的影响。
本发明中的气化原料可以是煤，也可以是原生生物质或者生物质模型化合物。
以上实例仅为本发明的举例说明，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种超临界水循环流化床气化系统，其特征在于，包括循环流化床子系统、加料子系统、热子系统以及取气子系统；
循环流化床子系统包括提升管(12)、旋风分离器(13)和返料输送装置，提升管(12)作为气化炉本体，提升管(12)底部设有超临界水入口，提升管(12)下部设有进料口和返料口，进料口的位置高于返料口的位置，提升管(12)上部出口与旋风分离器(13)入口连接，旋风分离器(13)底部排料口通过返料输送装置与提升管(12)的返料口连接，旋风分离器(13)上设有排气口；
加料子系统通过提升管(12)的进料口给提升管(12)输送气化原料；
热子系统通过提升管(12)的超临界水入口给提升管(12)输送超临界水，并将旋风分离器(13)排气口排出的超临界水和气体的混合物进行冷却，使超临界水冷却为液态水；
取气子系统用于分离和收集热子系统冷却后的液态水和气体。
2.根据权利要求1所述的超临界水循环流化床气化系统，其特征在于，返料输送装置包括立管(14)、返料阀(15)和返料泵(6)；旋风分离器(13)底部排料口通过立管(14)与返料阀(15)上部入口连接，返料阀(15)下部出口与提升管(12)的返料口连接，返料阀(15)下部返料压入口与返料泵(6)连接。
3.根据权利要求1所述的超临界水循环流化床气化系统，其特征在于，加料子系统包括第一水箱(1)、储料罐(7)、第一加料器(8)、第二加料器(9)、第二高压柱塞泵(3)和第三高压柱塞泵(4)；储料罐(7)设有气体入口、物料入口和出口，储料罐(7)的出口分两路分别与第一加料器(8)和第二加料器(9)的入口连接，第一加料器(8)和第二加料器(9)的出口汇合后与提升管(12)的进料口连接；第一加料器(8)和第二加料器(9)上部通过管路连接；第一水箱(1)的出口分两路，分别与第二高压柱塞泵(3)和第三高压柱塞泵(4)的入口连接；第二高压柱塞泵(3)的出口与第一加料器(8)和第二加料器(9)的上部连接，第三高压柱塞泵(4)的出口分成三路，一路与第一加料器(8)上部连接，一路与第二加料器(9)上部连接，还有一路与提升管(12)的进料口相连。
4.根据权利要求1所述的超临界水循环流化床气化系统，其特征在于，热子系统包括第一水箱(1)、回热器(17)、冷却器(18)和预热器(19)；回热器(17)的热流体入口与旋风分离器(13)的排气口连接，回热器(17)的热流体出口与冷却器(18)的热流体入口连接，冷却器(18)的热流体出口经背压阀(20)与取气子系统连接；第一水箱(1)通过第一高压柱塞泵(2)与回热器(17)的冷流体入口连接，回热器(17)的冷流体出口与预热器(19)的入口连接，预热器(19)的出口与提升管(12)的超临界水入口连接。
5.根据权利要求4所述的超临界水循环流化床气化系统，其特征在于，还包括脉冲阻尼器(16)，第一水箱(1)通过第一高压柱塞泵(2)与脉冲阻尼器(16)入口连接，脉冲阻尼器(16)出口分两路，一路与回热器(17)的冷流体入口连接，一路与冷却器(18)的热流体出口连接。
6.根据权利要求4所述的超临界水循环流化床气化系统，其特征在于，还包括第二水箱(23)、冷却水泵(25)和冷却塔(24)；第二水箱(23)通过冷却水泵(25)与冷却器(18)的冷却水入口连接，冷却器(18)的冷却水出口与冷却塔(24)入口连接，冷却塔(24)出口与第二水箱(23)连接。
7.根据权利要求1所述的超临界水循环流化床气化系统，其特征在于，取气子系统包括气液分离器(21)、湿式气体流量计(22)和取气袋，冷却器(18)的热流体出口与气液分离器(21)的入口连接；气液分离器(21)的气体出口分成两路，一路连接湿式气体流量计(22)，另一路连取气袋。
8.根据权利要求1所述的超临界水循环流化床气化系统，其特征在于，还包括排渣子系统，排渣子系统包括第一水箱(1)、排渣泵(5)、排渣器(10)和排渣冷却器(11)；提升管(12)下部设有排渣口，第一水箱(1)通过排渣泵(5)与排渣器(10)的水入口连接，提升管(12)的排渣口与排渣冷却器(11)的入口连接，排渣冷却器(11)的出口与排渣器(10)的废渣入口连接，排渣器(10)的底部设置有出渣口。
9.一种超临界水循环流化床煤气化方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的系统，将系统压力和温度调整至预设的压力和温度，将由气化原料制成的浆料通过提升管(12)的进料口送入提升管(12)中，将热子系统产生的超临界水以30～220kg/h的流速通过提升管(12)的超临界水入口送入提升管(12)中，未反应完的气化原料被超临界水带出提升管(12)，进入旋风分离器(13)中，经过旋风分离器(13)分离，超临界水和反应生成的气体的混合物从旋风分离器(13)排气口排出，进入热子系统进行冷却，再经取气子系统进行液态水和气体的分离和收集；经过旋风分离器(13)分离后未反应的气化原料通过返料输送装置返回提升管(12)继续参与反应。
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