CN111234881A - 超临界水气化系统的逐级流控降压及废水回用系统与方法 - Google Patents

超临界水气化系统的逐级流控降压及废水回用系统与方法 Download PDF

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Abstract

一种超临界水气化系统的逐级流控降压及废水回用系统与方法，系统包括回热器，回热器的热源侧入口连接超临界水气化反应后流体，回热器的热源侧出口连接冷却器的热源侧入口，冷却器的热源侧出口连接一级流动控制降压装置的入口，一级流动控制降压装置的出口连接气液分离器的入口，气液分离器的液相出口连接背压阀的入口，背压阀的出口连接气液固三相分离器的入口，气液固三相分离器的液相出口连接硫单质回收装置，硫单质回收装置的液相出口连接氨氮回收装置，氨氮回收装置的废水出口通过阻尼水泵A回接至一级流动控制降压装置。本发明利用系统中不同压力对合成气分离，通过流动控制技术实现降压，降压后实现气液固三相产物在线分离及资源化回收。

Description

超临界水气化系统的逐级流控降压及废水回用系统与方法
技术领域
本发明属于煤化工技术领域，特别涉及一种超临界水气化系统的逐级流控降压及废水回用系统与方法。
背景技术
近年来我国环境污染越来越严重，政府意识到粗放式的发展方式不可取，人民也已经充分感受到了环境污染的严重危害。随着人们的环保意识不断提高，环境保护收到越来越高的重视。能源利用和环境问题密切相关，我国也在积极推进能源的清洁高效利用。我国的能源分布结构是富煤贫油少气，2018年煤炭在一次能源结构中的消费比例约为59.5％，虽然消费占比近年来持续降低，但是BP预测中国2035年煤炭在一次能源消耗占比51％，仍将占据绝对主导地位。短期内我国以煤炭为主要能源的能源结构不会发生大的改变，因此煤炭清洁高效利用技术成为我国能源领域的重要话题。
煤炭超临界水气化制氢技术是一种新型、高效的能源转化和利用技术。超临界水气化技术由美国麻省理工的Modell教授在1978年首次提出，近年来受到了广泛关注。该技术利用煤炭为原料，不需要干燥。超临界水(Tc≥373.95℃，Pc≥22.064MPa)作为气化的反应介质，煤炭在超临界水中发生蒸汽重整、气化和变换反应。
在煤炭的超临界水气化过程中，煤炭在超临界水中主要发生蒸汽重整反应(C+H2O→H2+CO)，水汽变换反应
Figure BDA0002408021950000011
和甲烷化反应
Figure BDA0002408021950000012
合成气中H2的体积分数约为70％，CO2的体积分数约为25％，其余的为CH4、CO和一些C2气体(乙烷、乙烯和乙炔)，因此合成气中CO2的分离是至关重要的技术问题。研究发现H2和CO2在高压水中的溶解度差异很大，因此可以通过利用高压水吸收CO2进行合成气的粗分离，随后再对合成气进行二次分离提纯。
此外，煤炭中灰分的含量约为10-25％，由于超临界水气化反应的反应压力高达25-30MPa，高压系统传统降压方法采用背压阀降压，但是在如此高的压差下，含固流体的磨损会造成背压阀失效，从而影响整个超临界水气化制氢系统的安全运行。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超临界水气化系统的逐级流控降压及废水回用系统与方法，可以利用系统中的不同压力对合成气进行分离，通过流动控制技术实现降压，降压过后可以实现气液固三相产物在线分离且可以实现产物的资源化回收。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种超临界水气化系统的逐级流控降压及废水回用系统，包括回热器1，回热器1的热源侧入口连接超临界水气化反应后流体，回热器1的热源侧出口连接冷却器2的热源侧入口，冷却器2的热源侧出口连接一级流动控制降压装置3的入口，一级流动控制降压装置3的出口连接气液分离器4的入口，气液分离器4的液相出口连接背压阀6的入口，背压阀6的出口连接气液固三相分离器7的入口，气液固三相分离器7的液相出口连接硫单质回收装置8，硫单质回收装置8的液相出口连接氨氮回收装置9，氨氮回收装置9的废水出口通过阻尼水泵A10回接至一级流动控制降压装置3。
所述回热器1的冷源侧通道为物料通道，所述冷却器2的冷源侧通道为冷却水通道。
所述气液分离器4的液相出口与背压阀6的入口之间设置有二级流动控制降压装置5，二级流动控制降压装置5的入口连接气液分离器4的液相出口，出口连接背压阀6的入口，氨氮回收装置9的废水出口通过阻尼水泵B11回接至二级流动控制降压装置5。
所述一级流动控制降压装置3降压过后的流体压力根据气体在高压水中的溶解度确定，且高于该流体温度对应的饱和压力，高于大气压；所述二级流动控制降压装置5和背压阀6降压过后的流体压力高于该流体温度对应的饱和压力。
所述流体经过冷却器2后的温度根据气体在高温水中的溶解度确定。
所述二级流动控制降压装置5与背压阀6之间串联更多级的气液分离器和流动控制降压装置。
所述气液固三相分离器7分离得到的尾气燃烧后为超临界水气化系统提供热量。
本发明还提供了基于所述超临界水气化系统的逐级流控降压及废水回用系统的逐级流控降压及废水回用方法，超临界水气化反应后流体经过回热器1和冷却器2进行降温，再经过一级流动控制降压装置3进行降压，再经过气液分离器4进行气液分离，所得液相经过背压阀6进行降压，再经过气液固三相分离器7进行气液固三相分离，所得液相进入硫单质回收装置8回收硫单质，再进入氨氮回收装置9回收氨水，所得废水通过阻尼水泵A10回注至一级流动控制降压装置3，由此实现逐级流控压降及废水回用。
所述气液分离器4进行气液分离所得液相经过二级流动控制降压装置5再次进行降压，然后再进入背压阀6，氨氮回收装置9所得废水通过阻尼水泵B11回注至二级流动控制降压装置5。
通过一级流动控制降压装置3或其与二级流动控制降压装置5的组合实现逐级流控降压，通过背压阀6实现系统压力的精确控制，一级流动控制降压装置3的压力控制通过阻尼水泵A10配合实现；二级流动控制降压装置5的压力控制通过阻尼水泵B11配合实现，阻尼水泵A10和阻尼水泵B11的进水优先选择。
与现有技术相比，本发明利用逐级流控降压技术来实现超临界水气化的高压浆料的低磨损降压，将降压和气体分离两个过程耦合在一起。经过第一流动控制降压装置过后，利用高压水吸收合成气中的CO2，从而实现合成气的进行粗分离，充分利用了高压水对CO2的高溶解度。多级降压可以降低对单一降压装置的降压负荷，第一降压装置和第二降压装置采用流动控制技术降压可以避免磨损，第一第二降压装置承担系统中的主要降压功能，背压阀承担系统的次要降压功能和精密控制压力的功能，背压阀前后的压差减小可以减小背压阀出现故障的概率，增加系统运行的安全性。第一降压装置的主要功能将系统降低到合适的气体分离压力，此外可以降低第一降压装置后续设备的承压能力要求，增加系统的安全性和经济性；第二降压装置和背压阀的主要作用是为了得到合适的气液固分离压力，其中第二降压装置的压降大于背压阀的压降，背压阀后仍然保持有适合实现液固分离的压力，利用该压力作为过滤的动力在三相分离器中实现液固分离。气液固分离器中的气体根据溶解平衡从水中溢出，通过排气阀排出尾气，尾气可以直接高空排放，抑或燃烧后为系统提供热量。气液固三相分离器排出的残渣可以进行资源化利用。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图。
其中，1为回热器；2为冷却器；3为一级流动控制降压装置；4为气液分离器；5为二级流动控制降压装置；6为背压阀；7为气液固三相分离器；8为硫单质回收装置；9为氨氮回收装置；10为阻尼水泵A；11为阻尼水泵B。
图2是压力对各种气体吸收率的影响(T＝298K)。
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。
实施例1
如图1所示，一种超临界水气化系统的逐级流控降压及废水回用系统，包括回热器1，回热器1的冷源侧通道为物料通道，回热器1的热源侧入口连接超临界水气化反应后流体，回热器1的热源侧出口连接冷却器2的热源侧入口，冷却器2的热源侧出口连接一级流动控制降压装置3的入口，冷却器2的冷源侧通道为冷却水通道。一级流动控制降压装置3的出口连接气液分离器4的入口，气液分离器4的液相出口连接背压阀6的入口，背压阀6的出口连接气液固三相分离器7的入口，气液固三相分离器7的液相出口连接硫单质回收装置8，硫单质回收装置8的液相出口连接氨氮回收装置9，氨氮回收装置9的废水出口通过阻尼水泵A10回接至一级流动控制降压装置3。
根据该结构，本发明逐级流控降压及废水回用过程包括降温、降压、气液固分离、能量回收和资源化利用。具体为：
超临界水气化反应后流体采用梯级降温，超临界水气化反应后流体经过回热器1对冷物料进行预热，然后进入冷却器2进行冷却，利用冷却器2控制流体温度以控制生成的气体在水中的溶解度，冷却器2的输出热量可以为系统提供但不局限于热水、蒸汽。随后采用逐级降压，冷却的流体经过一级流动控制降压装置3进行降压，再经过气液分离器4进行气液分离，气液分离器4将合成气中的CO2吸收，分离后的气体待后续净化处理后利用；所得液相经过背压阀6进行再次降压，再经过气液固三相分离器7进行气液固三相分离，分离出的气体可以直接对空排放，或者收集之后再利用，尾气的利用方式包括但不局限于燃烧过后预热超临界水气化的反应物料，分离出来的固体残渣可以进行资源化利用，利用方式包括但不局限于制砖，做建筑材料；分离出来的液相可以进行资源化利用，具体是先进入硫单质回收装置8回收其中的硫单质，再进入氨氮回收装置9，通过但不限于蒸氨等方法回收液相中的氨氮，氨氮回收装置9所得废水通过阻尼水泵A10回注至一级流动控制降压装置3，由此实现逐级流控压降及废水回用。
其中，一级流动控制降压装置3降压过后的流体压力根据气体在高压水中的溶解度确定，具体可以通过实验确定，参考图2，随着压力的升高，气体在高压水中的溶解度增加，CO2的显著高于CH4和H2的吸收率，大约在10-14MPa之间，吸收率的差值达到最大，这样就确定了合适后的降压压力。同时，该流体压力还需高于该流体温度对应的饱和压力，同时还高于大气压，以使水保持在液相，例如300℃的水的饱和压力为8.59MPa，只要使水的压力大于8.59MPa，就可以避免水汽化。
一级流动控制降压装置3的压力控制通过阻尼水泵A10配合实现，阻尼水泵A10的进水优先选择。背压阀6降压过后的流体压力同样高于降压过后流体温度对应的饱和压力，并高于大气压，从而使水保持在液相，避免水的汽化。
流体经过冷却器2后的温度根据气体在高温水中的溶解度确定。
实施例2
如图1所示，一种超临界水气化系统的逐级流控降压及废水回用系统，在实施例1的基础上，在气液分离器4的液相出口与背压阀6的入口之间增加了二级流动控制降压装置5，即，二级流动控制降压装置5的入口连接气液分离器4的液相出口，出口连接背压阀6的入口，氨氮回收装置9的废水出口通过阻尼水泵B11回接至二级流动控制降压装置5。
该结构下，气液分离器4进行气液分离所得液相经过二级流动控制降压装置5再次进行降压，然后再进入背压阀6，氨氮回收装置9所得废水通过阻尼水泵B11回注至二级流动控制降压装置5。
此时，通过一级流动控制降压装置3与二级流动控制降压装置5的组合实现逐级流控降压，并通过背压阀6实现系统压力的精确控制，一级流动控制降压装置3的压力控制通过阻尼水泵A10配合实现；二级流动控制降压装置5的压力控制通过阻尼水泵B11配合实现，阻尼水泵A10和阻尼水泵B11的进水优先选择。
其中，二级流动控制降压装置5和背压阀6降压过后的流体压力同样高于降压过后流体温度对应的饱和压力，并高于大气压。
本发明中，一级流动控制降压装置3和二级流动控制降压装置5采用流动控制技术降低超临界水气化反应后流体压力。
实施例3
在实施例2的基础上，本实施例提供了具体的可选参数，超临界水气化反应过后的流体(600℃，25MPa)通过回热器1对冷物料进行预热，热流体温度降低到200℃，随后进入冷却器2进一步冷却到80℃，随后进入一级降压装置3降压到10MPa，压力通过阻尼水泵11来控制，随后进入气液固分离器4进行粗分离，得到富氢合成气，气液分离器4的液相进入第二降压装置5中将压力降低到1MPa，压力通过阻尼水泵12来控制，随后进入背压阀降低到0.5MPa。降压过后的流体进入气液固三相分离器分离7，其中分离出的尾气经过气液固三相分离器分离7的顶部排出，分离过后的残渣经过气液固三相分离器分离7底部的排渣阀排出，分离过后的废水经过气液固三相分离器分离7的排液口排出，随后向废水中通入氧气，将其中的硫氧化为硫单质分离，随后进入氨氮回收装置回收氨氮。
在本发明更多的实施例中，可以根据实际的需求，在二级流动控制降压装置5与背压阀6之间串联更多级的气液分离器和流动控制降压装置。

Claims (10)

1.一种超临界水气化系统的逐级流控降压及废水回用系统，其特征在于，包括回热器(1)，回热器(1)的热源侧入口连接超临界水气化反应后流体，回热器(1)的热源侧出口连接冷却器(2)的热源侧入口，冷却器(2)的热源侧出口连接一级流动控制降压装置(3)的入口，一级流动控制降压装置(3)的出口连接气液分离器(4)的入口，气液分离器(4)的液相出口连接背压阀(6)的入口，背压阀(6)的出口连接气液固三相分离器(7)的入口，气液固三相分离器(7)的液相出口连接硫单质回收装置(8)，硫单质回收装置(8)的液相出口连接氨氮回收装置(9)，氨氮回收装置(9)的废水出口通过阻尼水泵A(10)回接至一级流动控制降压装置(3)。
2.根据权利要求1所述超临界水气化系统的逐级流控降压及废水回用系统，其特征在于，所述回热器(1)的冷源侧通道为物料通道，所述冷却器(2)的冷源侧通道为冷却水通道。
3.根据权利要求1所述超临界水气化系统的逐级流控降压及废水回用系统，其特征在于，所述气液分离器(4)的液相出口与背压阀(6)的入口之间设置有二级流动控制降压装置(5)，二级流动控制降压装置(5)的入口连接气液分离器(4)的液相出口，出口连接背压阀(6)的入口，氨氮回收装置(9)的废水出口通过阻尼水泵B(11)回接至二级流动控制降压装置(5)。
4.根据权利要求3所述超临界水气化系统的逐级流控降压及废水回用系统，其特征在于，所述一级流动控制降压装置(3)降压过后的流体压力根据气体在高压水中的溶解度确定，且高于该流体温度对应的饱和压力，高于大气压；所述二级流动控制降压装置(5)和背压阀(6)降压过后的流体压力高于该流体温度对应的饱和压力。
5.根据权利要求3所述超临界水气化系统的逐级流控降压及废水回用系统，其特征在于，所述流体经过冷却器(2)后的温度根据气体在高温水中的溶解度确定。
6.根据权利要求3所述超临界水气化系统的逐级流控降压及废水回用系统，其特征在于，所述二级流动控制降压装置(5)与背压阀(6)之间串联更多级的气液分离器和流动控制降压装置。
7.根据权利要求1或3所述超临界水气化系统的逐级流控降压及废水回用系统，其特征在于，所述气液固三相分离器(7)分离得到的尾气燃烧后为超临界水气化系统提供热量。
8.基于权利要求1所述超临界水气化系统的逐级流控降压及废水回用系统的逐级流控降压及废水回用方法，其特征在于，超临界水气化反应后流体经过回热器(1)和冷却器(2)进行降温，再经过一级流动控制降压装置(3)进行降压，再经过气液分离器(4)进行气液分离，所得液相经过背压阀(6)进行降压，再经过气液固三相分离器(7)进行气液固三相分离，所得液相进入硫单质回收装置(8)回收硫单质，再进入氨氮回收装置(9)回收氨水，所得废水通过阻尼水泵A(10)回注至一级流动控制降压装置(3)，由此实现逐级流控压降及废水回用。
9.根据权利要求8所述逐级流控降压及废水回用方法，其特征在于，所述气液分离器(4)进行气液分离所得液相经过二级流动控制降压装置(5)再次进行降压，然后再进入背压阀(6)，氨氮回收装置(9)所得废水通过阻尼水泵B(11)回注至二级流动控制降压装置(5)。
10.根据权利要求9所述逐级流控降压及废水回用方法，其特征在于，通过一级流动控制降压装置(3)或其与二级流动控制降压装置(5)的组合实现逐级流控降压，通过背压阀(6)实现系统压力的精确控制，一级流动控制降压装置(3)的压力控制通过阻尼水泵A(10)配合实现；二级流动控制降压装置(5)的压力控制通过阻尼水泵B(11)配合实现，阻尼水泵A(10)和阻尼水泵B(11)的进水优先选择。
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