CN110283625A - 超临界水煤气化装置与方法 - Google Patents

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Abstract

一种超临界水煤气化装置与方法，该装置包括水电解单元、气化反应器、余热回收单元和排渣单元。水电解单元在气化装置中下部，将水电解成氢气和氧气，氢气经过一个管道直接通到气化反应器出口处与气化产物混合，氧气直接送入气化反应器中；超临界水煤浆和高温水进入到气化反应器中，与电解水单元提供的氧气发生气化反应，硫、重金属等污染物随煤灰沉降到反应器底部通过排渣单元排除系统，气化反应产物从反应器上部排出反应器，与来自电解水单元的氢气混合后进入余热回收单元，经过降温后离开气化装置。本发明实现了煤的清洁、高效转化，合成气热值高，与常规煤气化方法相比，结构简单，经济和环保性能优异。

Description

超临界水煤气化装置与方法
技术领域
本发明涉及煤气化和电解水制氢技术领域，具体涉及一种超临界水煤气化装置与方法。
背景技术
超临界水的临界点为22.13MPa，374.15℃。超临界水具有很多特殊的性质，它是一种均匀的、具有高扩散性、高传递特性的非极性溶剂。作为化学反应介质，它具有良好的传递性和溶解性，有机物和一些永久性气体 (氮气、氢气、氧气等)能与超临界水以任意比例混溶，并且通过调节温度和压力很容易实现对超临界水物性的控制。
正因为超临界水具有这些优良特性，超临界水气化有机物正成为一种能源清洁高效转化以及有机废弃物清洁处理的方式得到越来越多的关注。
目前超临界水气化的有机物包括煤、生物质、城市污泥、生活垃圾、工业有机废弃物等。
超临界水煤气化为吸热过程，气化过程需要吸收大量热量，对于高温高压的气化装置，从外界给气化装置供热难以实现。通入氧化剂(如氧气或空气)能够通过氧化反应放热为气化过程提供热量，然而，直接通入空气会稀释反应，降低气化速率，同时会带走大量的热量，使得气化反应效率降低，另外还会稀释合成气，使得合成气的热值降低，将空气压缩到超临界水状态对应的压力会消耗大量的机械能或电能；而通入氧气则在附加的空分单元中需要消耗大量的能量，压缩氧气也会消耗大量的电能。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种煤和电互补的超临界水煤气化装置与方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种超临界水煤气化装置，包括：
水电解单元，位于所述超临界水煤气化装置的中下部，用于将水电解成氢气和氧气，电解产生的氢气经过导管直接通到所述超临界水煤气化装置的顶部与气化反应器内排出的气化产物混合，电解产生的氧气直接送入气化反应器中；
气化反应器，位于所述超临界水煤气化装置的中部，气化反应器中部布置有上喷嘴和下喷嘴，分别用于投入水煤浆和通入超临界水，所述水煤浆和超临界水与所述电解水单元电解产生的氧气发生气化反应，硫或重金属污染物随煤灰沉降到反应器底部，通过排渣单元排出，气化产物从反应器上部排出气化反应器；
余热回收单元，位于所述超临界水煤气化装置的顶部，余热回收单元内设置有热交换管，用来回收合成气所携带的热量；以及
排渣单元，位于所述超临界水煤气化装置的底部，用于收集并排出灰渣。
作为本发明的另一方面，提供了一种超临界水煤气化方法，包括以下步骤：
(1)加压后的高压水进入换热管，在余热回收单元中吸收合成气的热量，变为超临界水，从下喷嘴进入气化反应器；
(2)水煤浆通过上喷嘴进入气化反应器与超临界水混合，进行超临界水煤气化反应；
(3)阳极板和阴极板通电后进行电解水反应，分别产生氧气和氢气，产生的氧气进入气化反应器内与煤进行氧化反应，而产生的氢气通过氢气导管直接进入余热回收单元与气化反应生成的气体混合；
(4)气化反应产生的气体溶解于超临界流体内通过反应器顶部均匀布置的排气口进入余热回收单元，产生的无机物沉积在气化反应器底部；
(5)定时交替打开排渣阀进行排渣，沉积在气化炉底部的无机物通过排渣口进入灰渣缓冲池，然后经过排渣阀排出装置。
基于上述技术方案可知，本发明的超临界水煤气化装置与方法相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：
1、本发明提供的超临界水煤气化装置可以实现将超临界水的优良特性与电解结合在一起，电解所产生的化学能和热能都在气化过程中得到了有效的利用。可以实现在较低的温度下将煤浆转化为富氢的合成气，合成气中不含NOx、SO2等污染物；
2、进一步的，不用额外给气化过程提供氧化剂。对于纯氧气化，避免了空分过程，节省了空分能耗。对于以空气为氧化剂的气化过程，省去了气体压缩过程，减少了气化过程中的能量消耗。避免了空气进入稀释反应降低反应速率、带走反应热量、稀释合成气降低合成气热值；
3、进一步的，气化过程能耗靠电解过程产生的氧气与煤在超临界水环境下进行的反应放热提供，不用额外的为气化过程供热；
4、进一步的，可以实现高含水量的劣质煤或其他有机废物气化，将劣质煤或其他有机废物转化为高热值的富氢合成气，应用广泛。
附图说明
图1是本发明的煤与电互补的超临界水煤气化装置的结构示意图；
附图中，附图标记含义如下：
1、热交换管，2、气化反应器，3、上喷嘴，4、下喷嘴，5、阳极板，6、阳极室，7、挡板，8、排渣阀，9、灰渣缓冲池，10、电源，11、排渣阀，12、阴极室，13、阴极板，14、外壳，15、氢气导管，16、合成气排气口，17、余热回收单元，18、排气口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种适用于劣质煤高效清洁利用的煤和电互补利用的超临界水煤气化装置与方法。具体地，本发明的超临界水煤气化装置，包括：
水电解单元，位于所述超临界水煤气化装置的中下部，用于将水电解成氢气和氧气，电解产生的氢气经过导管直接通到所述超临界水煤气化装置的顶部与气化反应器内排出的气化产物混合，电解产生的氧气直接送入气化反应器中；
气化反应器，位于所述超临界水煤气化装置的中部，气化反应器中部布置有上喷嘴和下喷嘴，分别用于投入水煤浆和通入超临界水，所述水煤浆和超临界水与所述电解水单元电解产生的氧气发生气化反应，硫或重金属污染物随煤灰沉降到反应器底部，通过排渣单元排出，气化产物从反应器上部排出气化反应器；
余热回收单元，位于所述超临界水煤气化装置的顶部，余热回收单元内设置有热交换管，用来回收合成气所携带的热量；以及
排渣单元，位于所述超临界水煤气化装置的底部，用于收集并排出灰渣。
其中，所述气化反应器顶部布置有排气口，与水电解单元的阴极室连接布置有氢气导管。
其中，所述余热回收单元顶部有排气口，用于收集所述超临界水煤气化装置生产的气化产物。
其中，所述气化过程靠水煤浆与氧气发生氧化反应放热来维持，不需要额外提供热量。
其中，所述气化产物为富氢的合成气，不含NOx和SO2的污染物。
其中，所述超临界水煤气化装置内压力为22.13-30MPa，优选为25MPa，从而使所述水煤浆和加热到超临界状态的超临界水在装置内发生超临界水气化反应。
其中，无机产物以渣的形式在排渣口通过梯级降压的方法定期排除，而气体产物溶解于超临界流体内，流经余热回收单元回收热量后从顶部排气口排出超临界水煤气化装置。
再者，本发明的超临界水煤气化方法，包括以下步骤：
(1)加压后的高压水进入换热管，在余热回收单元中吸收合成气的热量，变为超临界水，从下喷嘴进入气化反应器；
(2)水煤浆通过上喷嘴进入气化反应器与超临界水混合，进行超临界水煤气化反应；
(3)阳极板和阴极板通电后进行电解水反应，分别产生氧气和氢气，产生的氧气进入气化反应器内与煤进行氧化反应，而产生的氢气通过氢气导管直接进入余热回收单元与气化反应生成的气体混合；
(4)气化反应产生的气体溶解于超临界流体内通过反应器顶部均匀布置的排气口进入余热回收单元，产生的无机物沉积在气化反应器底部；
(5)定时交替打开排渣阀进行排渣，沉积在气化炉底部的无机物通过排渣口进入灰渣缓冲池，然后经过排渣阀排出装置。
其中，所述步骤(1)～(3)之间是不存在先后顺序的。
下面通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案作进一步阐述说明。
图1是依照本发明一实施例的超临界水煤气化装置的结构示意图，如图1所示，本发明的超临界水煤气化装置主要包括热交换管1、气化反应器2、上喷嘴3、下喷嘴4、阳极板5、阳极室6、挡板7、排渣阀8、灰渣缓冲池9、电源10、排渣阀11、阴极室12、阴极板13、外壳14、氢气导管15、合成气排气口16、余热回收单元17和排气口18。
加压到25MPa的高压水进入热交换管1，在余热回收单元17中吸收合成气热量，变为超临界水，然后从下喷嘴4进入气化反应器2。未经预热的水煤浆通过上喷嘴3进入反应器与超临界水混合，迅速升温，进行超临界水煤气化反应。气化反应产生的气体溶解于超临界流体内通过反应器顶部均匀布置的排气口16进入余热回收单元17，产生的无机物沉积在气化反应器底部。定时交替打开排渣阀8、11进行排渣，沉积在气化炉底部的无机物通过排渣口8进入灰渣缓冲池，然后经过排渣阀11排除装置。阳极板5和阴极板13通电后进行电解水反应，分别产生氧气和氢气。产生的氧气进入气化反应器内与煤进行氧化反应，释放出大量热量支撑气化反应进行，而产生的氢气通过氢气导管15直接进入余热回收单元与气化反应生成的气体混合，经热交换管1降温后从顶部排气口18排除。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，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)

1.一种超临界水煤气化装置，其特征在于，包括：
水电解单元，位于所述超临界水煤气化装置的中下部，用于将水电解成氢气和氧气，电解产生的氢气经过导管直接通到所述超临界水煤气化装置的顶部与气化反应器内排出的气化产物混合，电解产生的氧气直接送入气化反应器中；
气化反应器，位于所述超临界水煤气化装置的中部，气化反应器中部布置有上喷嘴和下喷嘴，分别用于投入水煤浆和通入超临界水，所述水煤浆和超临界水与所述电解水单元电解产生的氧气发生气化反应，硫或重金属污染物随煤灰沉降到反应器底部，通过排渣单元排出，气化产物从反应器上部排出气化反应器；
余热回收单元，位于所述超临界水煤气化装置的顶部，余热回收单元内设置有热交换管，用来回收合成气所携带的热量；以及
排渣单元，位于所述超临界水煤气化装置的底部，用于收集并排出灰渣。
2.根据权利要求1所述的超临界水煤气化装置，其特征在于，所述气化反应器顶部布置有排气口，与水电解单元的阴极室连接布置有氢气导管。
3.根据权利要求1所述的超临界水煤气化装置，其特征在于，所述余热回收单元顶部有排气口，用于收集所述超临界水煤气化装置生产的气化产物。
4.根据权利要求1所述的超临界水煤气化装置，其特征在于，所述气化过程靠水煤浆与氧气发生氧化反应放热来维持，不需要额外提供热量。
5.根据权利要求1所述的超临界水煤气化装置，其特征在于，所述气化产物为富氢的合成气，不含NOx和SO2的污染物。
6.根据权利要求1所述的超临界水煤气化装置，其特征在于，所述超临界水煤气化装置内压力为22.13-30MPa，优选为25MPa，从而使所述水煤浆和加热到超临界状态的超临界水在装置内发生超临界水气化反应。
7.根据权利要求1所述的超临界水煤气化装置，其特征在于，无机产物以渣的形式在排渣口通过梯级降压的方法定期排出，而气体产物溶解于超临界流体内，流经余热回收单元回收热量后从顶部排气口排出所述超临界水煤气化装置。
8.一种采用如权利要求1～7任一项所述的超临界水煤气化装置进行的超临界水煤气化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)加压后的高压水进入热交换管，在余热回收单元中吸收合成气的热量，变为超临界水，从下喷嘴进入气化反应器；
(2)水煤浆通过上喷嘴进入气化反应器与超临界水混合，进行超临界水煤气化反应；
(3)阳极板和阴极板通电后进行电解水反应，分别产生氧气和氢气，产生的氧气进入气化反应器内与煤进行氧化反应，而产生的氢气通过氢气导管直接进入余热回收单元与气化反应生成的气体混合；
(4)气化反应产生的气体溶解于超临界流体内通过反应器顶部均匀布置的排气口进入余热回收单元，产生的无机物沉积在气化反应器底部；
(5)定时交替打开排渣阀进行排渣，沉积在气化炉底部的无机物通过排渣口进入灰渣缓冲池，然后经过排渣阀排出装置。
9.根据权利要求8所述的超临界水煤气化方法，其特征在于，所述步骤(1)～(3)之间不存在先后顺序。
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