CN111217332A - 超临界水气化制氢气相产物的变压吸收分离系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种超临界水气化制氢气相产物的变压吸收分离系统，超临界水气化反应器出口与换热器热流体侧入口连接，换热器热流体侧出口与三相分离器的入口连接，反应物料沿换热器冷流体侧进入超临界水气化反应器，三相分离器的液相和固相出口接后续单元，气相出口接调压器的入口，调压器的出口接高压水吸收器一的入口，高压水吸收器一的气相出口依次经气路阀门一和气体减压阀后分为两路，一路经气路阀门二接高纯H管路，另一路经气路阀门三接深度分离器的入口，高压水吸收器一的液相出口经液体减压阀接CO2解析器的入口，CO2解析器的液相出口通过水路阀门一回接高压水吸收器一，本发明可在高压条件下实现气相产物逐级变压吸收分离，提高能量利用效率。

Description

超临界水气化制氢气相产物的变压吸收分离系统及方法
技术领域
本发明属于超临界水气化制氢技术领域，特别涉及一种超临界水气化制氢气相产物的变压吸收分离系统及方法。
背景技术
随着地球化石能源的日益枯竭和环境的不断恶化，急需找到一种新型无污染的能源作为化石燃料的替代品，发展氢能已成为能源转型共识。氢能因其绝对无污染的燃烧特性备受人们关注，于是各种制氢工艺应运而生。一般制氢工艺或资源浪费严重，或产氢速率较低得不到大规模推广，而超临界水气化制氢工艺因具有反应快、气化率高、过程清洁等优势逐渐进入人们的视野。作为一种环境友好型，资源节约型的新型制氢技术，超临界水气化制氢具有优良的推广前景。
目前常规的气体分离技术，如变压吸附技术因其可以得到纯度很高的氢气在国内外得到广泛应用，是近年国内外发展最成熟，成本较低的气体分离方法，但是其操作压力比较低，一般在1.0-3.0MPa之间。同时，膜分离技术由于膜的化学和热稳定性差，选择性和通量不高，处理量有限，产品纯度低，且耐压性有限，因此多用于低压条件进行气体分离。而超临界水气化制氢系统的合成气产物压力在25MPa或以上，采用常规方法进行氢气分离提纯，则合成气需进行降压，将大量浪费系统压能。在工业化超临界水气化系统中，为了平衡投资和运行效果，在高压条件下进行气体分离成为超临界水气化制氢技术亟待突破的关键问题。
发明内容
为了克服上述现有技术只能在低压条件下进行气体分离而浪费系统大量压能的缺点，本发明的目的在于提供一种超临界水气化制氢气相产物的变压吸收分离系统及方法，可在高压条件下实现气相产物逐级变压吸收分离，降低超临界水气化系统设备成本，提高能量利用效率，降低气相产物分离系统能量输入，实现超临界水气化系统的气相产物高效、低耗能分离。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种超临界水气化制氢气相产物的变压吸收分离系统，包括换热器2，换热器2热流体侧入口与超临界水气化反应器1出口连接，换热器2热流体侧出口与三相分离器3的入口连接，反应物料沿换热器2冷流体侧进入超临界水气化反应器1，三相分离器3的液相和固相出口接后续单元，气相出口接调压器13的入口，调压器13的出口接高压水吸收器一4的入口，高压水吸收器一4的气相出口依次经气路阀门一14和气体减压阀6后分为两路，一路经气路阀门二19接高纯H2管路，另一路经气路阀门三20接深度分离器7的入口，高压水吸收器一4的液相出口经液体减压阀8接CO2解析器9的入口，CO2解析器9的气相出口接CO2为主的气体管路，CO2解析器9的液相出口通过水路阀门一16回接高压水吸收器一4。
进一步地，所述高压水吸收器一4的气相出口分为两路，一路接气路阀门一14的入口，另一路经气路阀门四15接高压水吸收器二5，高压水吸收器二5的气相出口接气体减压阀6的入口，高压水吸收器二5的液相出口经液体减压阀8接CO2解析器9的入口，CO2解析器9的液相出口通过水路阀门二17回接高压水吸收器一4。
进一步地，根据气体组分情况，在所述高压水吸收器二5后串联更多个高压水吸收器。
进一步地，所述CO2解析器9的液相出口设置高压水泵10。
进一步地，所述高压水吸收器一4的入口设置气体组分检测器一11，气相出口设置气体组分检测器二12，气体减压阀6入口设置气体组分检测器三18，根据各气体组分检测器确定气体组分及各分离器的压力，利用调压器13、高压水泵10调整分离器压力至所需指标，利用水路阀门一16、水路阀门二17调节系统所需的高压水量，利用气路阀门一14、气路阀门四15控制气体经过高压水吸收处理的次数。
进一步地，所述深度分离器7为低压气体分离器，如变压吸附分离器、膜分离器等，其分离所得气体分为三路，分别接入高纯H2管路、CO与CH4混合管路以及高纯CO2管路。
本发明还提供了基于所述超临界水气化制氢气相产物的变压吸收分离系统的变压吸收分离方法，包括以下步骤：
1)物料经换热器2预热后进入超临界水气化反应器1进行超临界水气化反应；
2)经超临界水气化反应器1出来后的流体进入换热器2进行降温，降至常温；
3)经换热器2降温后的流体进入三相分离器3进行气、液、固三相分离，气相进入气体分离单元，液相和固相进入后续处理单元；
4)经三相分离器3分离出的气相进入到系列高压水吸收器一4进行初步副产物CO2分离；
5)调整水路阀门一16控制所需的高压水的用量；
6)出高压水吸收器一4的气相产物如需进一步深度处理，则经减压阀6后，进入深度分离器7，进行产物的精分离，得到高纯H2，以及CO、CH4混合可燃气体组分，以及高纯CO2；
7)步骤4)中高压水吸收器一4中的液相经减压阀8减压后，进入CO2解析器9进行气液分离，得到以CO2为主的气体；
8)CO2解析器9分离出的液相水，回注入高压水吸收器一4，以建立循环。
进一步地，在设置气体组分检测器之后，通过气体组分检测器一11、气体组分检测器二12检测气体组分，调整水路阀门一16、水路阀门二17以控制所需的高压水的用量；并根据气体组分检测器二12检测的气体组分，通过控制气路阀门一14、气路阀门四15来控制气体经过高压水吸收处理的次数；经初步分离副产物CO2后的富H2气体经气体组分检测器三18检测气体组分，控制气路阀门二19、气路阀门三20以控制分离后的气体是否需进入深度分离器7，CO2解析器9分离出的液相水，经高压水泵10加压后回注入高压水吸收器一4、高压水吸收器二5，以建立循环。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明公开的基于上述超临界水气化制氢气相产物的变压吸收分离系统，使得超临界水气化制氢气相产物在高压条件下进行逐级变压吸收分离，有效降低了运行成本和投资成本。与传统的气体分离方法相比，本方法可以实现副产品CO2在高压条件下的初步分离，几乎不存在吸附剂、分离膜的损耗，并且大大降低后续分离单元的分离负荷，延长后续分离单元的工作寿命。
(2)本发明公开的基于上述超临界水气化制氢气相产物的变压吸收分离系统的高压水吸收器可根据气体组分进行多级串联以提高分离效果，并根据气体组分的参数进行压力、高压水用量控制，实现自动化控制及气体高效率分离。
(3)本发明公开的基于上述超临界水气化制氢气相产物的变压吸收分离系统，根据气体成分决定是否接入深度分离器，实现高品质气体的输出；且深度分离器不限于变压吸附分离器、膜分离器或其他低压气体分离器，可灵活选用。
(4)本发明公开的基于上述超临界水气化制氢气相产物的变压吸收分离系统的气相产物由于温度较高，可用于对物料调配、预热，实现能量梯级利用。
(5)本发明公开的基于上述超临界水气化制氢气相产物的变压吸收分离系统采用清水作为分离剂，而非反应器直接出来的液相废水，可以实现系统分离剂的高效利用，并大大降低系统的废水排出量。
因此，本发明公开的基于上述超临界水气化制氢气相产物的变压吸收分离系统，降低了超临界水气化系统设备成本，提高压能利用效率，降低系统能量输入，实现超临界水气化系统的气相产物高效、低耗能分离。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
本发明一种超临界水气化制氢气相产物的变压吸收分离系统，结合超临界水气化制氢气相产物的高压特性，充分利用系统压能，实现在高压条件下进行逐级变压吸收分离气相产物。
如图1所示，本发明实施例1中，包括换热器2，换热器2热流体侧入口与超临界水气化反应器1出口连接，换热器2热流体侧出口与三相分离器3的入口连接，反应物料沿换热器2冷流体侧进入超临界水气化反应器1，三相分离器3的液相和固相出口接后续单元，气相出口接调压器13的入口，调压器13的出口接高压水吸收器一4的入口，高压水吸收器一4的气相出口依次经气路阀门一14和气体减压阀6后分为两路，一路经气路阀门二19接高纯H2管路，另一路经气路阀门三20接深度分离器7的入口，高压水吸收器一4的液相出口经液体减压阀8接CO2解析器9的入口，CO2解析器9的气相出口接CO2为主的气体管路，CO2解析器9的液相出口通过水路阀门一16回接高压水吸收器一4。
其变压吸收分离方法，包括以下步骤：
1)物料经换热器2预热后进入超临界水气化反应器1进行超临界水气化反应；
2)经超临界水气化反应器1出来后的流体进入换热器2进行降温，降至常温；
3)经换热器2降温后的流体进入三相分离器3进行气、液、固三相分离，气相进入气体分离单元，液相和固相进入后续处理单元；
4)经三相分离器3分离出的气相进入到系列高压水吸收器一4进行初步副产物CO2分离；
5)调整水路阀门一16控制所需的高压水的用量；
6)出高压水吸收器一4的气相产物如需进一步深度处理，则经减压阀6后，进入深度分离器7，进行产物的精分离，得到高纯H2，以及CO、CH4混合可燃气体组分，以及高纯CO2；
7)步骤4)中高压水吸收器一4中的液相经减压阀8减压后，进入CO2解析器9进行气液分离，得到以CO2为主的气体；
8)CO2解析器9分离出的液相水，回注入高压水吸收器一4，以建立循环。
在必要时，可串联多级高压水吸收器，例如，再如图1所示，本发明实施例2中，在实施例1的基础上，高压水吸收器一4的气相出口分为两路，一路接气路阀门一14的入口，另一路经气路阀门四15接高压水吸收器二5，高压水吸收器二5的气相出口接气体减压阀6的入口，高压水吸收器二5的液相出口经液体减压阀8接CO2解析器9的入口，CO2解析器9的液相出口通过水路阀门二17回接高压水吸收器一4，CO2解析器9的液相出口设置高压水泵10。
并可在高压水吸收器一4的入口设置气体组分检测器一11，气相出口设置气体组分检测器二12，气体减压阀6入口设置气体组分检测器三18，根据各气体组分检测器确定气体组分及各分离器的压力，以实现自动控制。
具体地，其变压吸收分离方法，包括以下步骤：
1)物料经换热器2预热后进入反应器1进行超临界水气化反应；
2)经反应器1出来后的流体进入换热器2进行降温，降至常温；
3)经换热器2降温后的流体进入高压三相分离器3进行气、液、固三相分离，气相进入气体分离单元，液相和固相进入后续处理单元；
4)经高压三相分离器3分离出的气相经气体组分检测器一11检测后确定系统分离所需的压力，并调节调压器13以及高压水泵10压力参数以调整系统气体分离的压力，并进入到系列高压水吸收器一4、高压水吸收器二5进行初步副产物CO2分离；
5)通过气体组分检测器一11、气体组分检测器二12检测气体组分，调整水路阀门一16、水路阀门二17以控制所需的高压水的用量；并根据气体组分检测器二12检测的气体组分，通过控制气路阀门一14、气路阀门四15来控制气体经过高压水吸收处理的次数；
6)经初步分离副产物CO2后的富H2气体经气体组分检测器三18检测气体组分，控制气路阀门二19、气路阀门三20以控制分离后的气体是否需进入深度分离器7；如需进一步深度处理，则气体经减压阀6后，进入深度分离器7，进行产物的精分离后，得到高纯H2，以及CO、CH4等可燃气体组分及少量高纯CO2；
7)步骤4)中高压水吸收器一4、高压水吸收器二5中的液相经减压阀8减压后，进入CO2解析器9进行气液分离，得到高纯CO2；
8)CO2解析器9分离出的液相水，经高压水泵10加压后回注入高压水吸收器一4、高压水吸收器二5，以建立循环。
本发明中，深度分离器7为低压气体分离器，如变压吸附分离器、膜分离器等，其分离所得气体分为三路，分别接入高纯H2管路、CO与CH4混合管路以及高纯CO2管路。
本发明中，根据气体组分情况，可在所述高压水吸收器二5后继续串联更多个高压水吸收器，该情况下，第一级高压水吸收器出口分两路，其中，气相经气路阀门去往下一级高压水吸收器或者经气路阀门去往气体减压阀，液相出口连接液体减压阀；下一级高压水吸收器出口分两路，气相去往气体减压阀，液相出口连接液体减压阀，以此类推。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超临界水气化制氢气相产物的变压吸收分离系统，其特征在于，包括换热器(2)，换热器(2)热流体侧入口与超临界水气化反应器(1)出口连接，换热器(2)热流体侧出口与三相分离器(3)的入口连接，反应物料沿换热器(2)冷流体侧进入超临界水气化反应器(1)，三相分离器(3)的液相和固相出口接后续单元，气相出口接调压器(13)的入口，调压器(13)的出口接高压水吸收器一(4)的入口，高压水吸收器一(4)的气相出口依次经气路阀门一(14)和气体减压阀(6)后分为两路，一路经气路阀门二(19)接高纯H2管路，另一路经气路阀门三(20)接深度分离器(7)的入口，高压水吸收器一(4)的液相出口经液体减压阀(8)接CO2解析器(9)的入口，CO2解析器(9)的气相出口接CO2为主的气体管路，CO2解析器(9)的液相出口通过水路阀门一(16)回接高压水吸收器一(4)。
2.根据权利要求1所述超临界水气化制氢气相产物的变压吸收分离系统，其特征在于，所述高压水吸收器一(4)的气相出口分为两路，一路接气路阀门一(14)的入口，另一路经气路阀门四(15)接高压水吸收器二(5)，高压水吸收器二(5)的气相出口接气体减压阀(6)的入口，高压水吸收器二(5)的液相出口经液体减压阀(8)接CO2解析器(9)的入口，CO2解析器(9)的液相出口通过水路阀门二(17)回接高压水吸收器一(4)。
3.根据权利要求2所述超临界水气化制氢气相产物的变压吸收分离系统，其特征在于，根据气体组分情况，在所述高压水吸收器二(5)后串联更多个高压水吸收器。
4.根据权利要求2所述超临界水气化制氢气相产物的变压吸收分离系统，其特征在于，所述CO2解析器(9)的液相出口设置高压水泵(10)。
5.根据权利要求4所述超临界水气化制氢气相产物的变压吸收分离系统，其特征在于，所述高压水吸收器一(4)的入口设置气体组分检测器一(11)，气相出口设置气体组分检测器二(12)，气体减压阀(6)入口设置气体组分检测器三(18)，根据各气体组分检测器确定气体组分及各分离器的压力，利用调压器(13)、高压水泵(10)调整分离器压力至所需指标，利用水路阀门一(16)、水路阀门二(17)调节系统所需的高压水量，利用气路阀门一(14)、气路阀门四(15)控制气体经过高压水吸收处理的次数。
6.根据权利要求1-5任一权利要求所述超临界水气化制氢气相产物的变压吸收分离系统，其特征在于，所述深度分离器(7)为低压气体分离器，其分离所得气体分为三路，分别接入高纯H2管路、CO与CH4混合管路以及高纯CO2管路。
7.根据权利要求6所述超临界水气化制氢气相产物的变压吸收分离系统，其特征在于，所述低压气体分离器为变压吸附分离器或膜分离器。
8.基于权利要求1所述超临界水气化制氢气相产物的变压吸收分离系统的变压吸收分离方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)物料经换热器(2)预热后进入超临界水气化反应器(1)进行超临界水气化反应；
2)经超临界水气化反应器(1)出来后的流体进入换热器(2)进行降温，降至常温；
3)经换热器(2)降温后的流体进入三相分离器(3)进行气、液、固三相分离，气相进入气体分离单元，液相和固相进入后续处理单元；
4)经三相分离器(3)分离出的气相进入到系列高压水吸收器一(4)进行初步副产物CO2分离；
5)调整水路阀门一(16)控制所需的高压水的用量；
6)出高压水吸收器一(4)的气相产物如需进一步深度处理，则经减压阀(6)后，进入深度分离器(7)，进行产物的精分离，得到高纯H2，以及CO、CH4混合可燃气体组分，以及高纯CO2；
7)步骤4)中高压水吸收器一(4)中的液相经减压阀(8)减压后，进入CO2解析器(9)进行气液分离，得到以CO2为主的气体；
8)CO2解析器(9)分离出的液相水，回注入高压水吸收器一(4)，以建立循环。
9.根据权利要求8所述变压吸收分离方法，其特征在于，高压水吸收器一(4)的气相出口的其中一路经气路阀门四(15)接高压水吸收器二(5)的入口，以实现在高压水吸收器一(4)后串联高压水吸收器二(5)，CO2解析器(9)的液相出口通过水路阀门二(17)回接高压水吸收器二(5)，所述CO2解析器(9)的液相出口设置高压水泵(10)，高压水吸收器一(4)的入口设置气体组分检测器一(11)，气相出口设置气体组分检测器二(12)，气体减压阀(6)入口设置气体组分检测器三(18)，通过气体组分检测器一(11)、气体组分检测器二(12)检测气体组分，调整水路阀门一(16)、水路阀门二(17)以控制所需的高压水的用量；并根据气体组分检测器二(12)检测的气体组分，通过控制气路阀门一(14)、气路阀门四(15)来控制气体经过高压水吸收处理的次数；经初步分离副产物CO2后的富H2气体经气体组分检测器三(18)检测气体组分，控制气路阀门二(19)、气路阀门三(20)以控制分离后的气体是否需进入深度分离器(7)，CO2解析器(9)分离出的液相水，经高压水泵(10)加压后回注入高压水吸收器一(4)、高压水吸收器二(5)，以建立循环。
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