CN113756771B - 一种适用于低闪点燃料的超临界水热燃烧型多元热流体发生系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于低闪点燃料的超临界水热燃烧型多元热流体发生系统，通过设置进料模块，反应模块及调温调压模块，实现了低闪点燃料溶液的安全超临界水热燃烧反应、以产生目标参数多元热流体。该超临界水热燃烧型多元热流体发生系统，在液氧系统与低闪点燃料溶液供给管路间设置氮气中间回路进行冷量挪移、控温换热。此外，本系统设置的调温调压模块，可保证系统安全稳定运行。该工艺可广泛适用低闪点燃料溶液的超临界水热燃烧型多元热流体发生领域。

Description

一种适用于低闪点燃料的超临界水热燃烧型多元热流体发生 系统

技术领域

本发明属于超临界水热燃烧技术领域，特别涉及一种适用于低闪点燃料的超临界水热燃烧型多元热流体发生系统。

背景技术

常用的稠油热采工艺主要有蒸汽吞吐与蒸汽驱，但其使用的注汽锅炉体积较大，热损失高，不适用于海上平台的稠油开发。多元热流体热采工艺利用燃烧所产生的高温高压烟气注入稠油油藏驱油，具有提高稠油采收率、减少管线热量损失、降低环境污染的优势。

超临界水热燃烧指的是燃料溶液或者一定浓度的有机废物与氧化剂在超临界水环境中发生剧烈氧化反应，产生水热火焰的一种新型燃烧方式。相对于具有一定技术优势的湿式氧化法、焚烧法及其常规的无火焰超临界水氧化法，水热燃烧法在有机废物处理方面表现出较好的综合技术优势：①相比湿式氧化法，超临界水热燃烧反应时间更短，处理彻底，无需后续处理；②相比焚烧法，超临界水热燃烧温度更低，不会产生热力学氮氧化物等二次污染物。有机废物中的氮、硫绝大多数将以氮气、相应的含氧酸根的形式存在于产物流中，实现了可燃物的清洁燃烧；③超临界水热燃烧工艺具有的较高的水热火焰温度，可加速氨氮、乙酸、苯酚等顽固有机物的降解，可进一步缩小有机污染物完全降解所需停留时间至少于1秒，有效地降低了反应器的体积，从而减少了反应器耗材。

低闪点燃料作为超临界水热燃烧的反应物，具有着火快、燃烧效率高等优势，不过当燃料闪点较低，在通过升压泵时可能会发生闪火并燃烧等情况，使系统具有安全隐患。

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适用于低闪点燃料的超临界水热燃烧型多元热流体发生系统，以期解决低闪点燃料溶液在超临界水热燃烧多元热流体发生系统中存在闪火及燃烧等问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种适用于低闪点燃料的超临界水热燃烧型多元热流体发生系统，包括：

反应模块，包括燃烧器，进行多元热流体超临界水热燃烧反应；

进料模块，包括低闪点燃料溶液罐和低温液氧储槽，所述低闪点燃料溶液罐带有制冷装置，使低闪点燃料溶液温度恒定在3±1℃，低闪点燃料溶液罐的出口通过接换热器A的入口一，换热器A的出口一接燃烧器的燃料进口；所述低温液氧储槽的出口接换热器B的入口一，换热器B的出口一接液氧气化器的入口，换热器A的入口二和出口二以及换热器B的入口二和出口二形成换热回路，液氧气化器的出口接燃烧器的氧化剂入口；

调温调压模块，包括水冷壁和调压器，水冷壁设置在燃烧器主燃烧室内壁，其带有螺旋水冷通道，螺旋水冷通道的入口连接冷却水罐，出口通过掺混水通道连通燃烧器的混合室，其中混合室位于主燃烧室的下部，且二者通过喷射孔连通，所述调压器设置在主燃烧室底端出口上。

在其中一个实施例中，所述燃烧器的燃料进口由一级燃料进口和二级燃料进口组成，其中一级燃料进口接入燃烧器端盖上带加热装置的腔室内，该腔室与主燃烧室连通，所述二级燃料进口与主燃烧室直接连通，一级燃料从该腔室喷出后与从氧化剂入口喷入的氧气混合燃烧，进而点燃二级燃料。

在其中一个实施例中，所述换热器A的出口一分为两路，一路接所述一级燃料进口，另一路通过带电加热器的管路接所述二级燃料进口，且所述一级燃料进口和二级燃料进口在燃烧器外部连通。

在其中一个实施例中，所述制冷装置为储冰槽，储冰槽设置在低闪点燃料溶液罐的罐壁中，带有投冰口。

在其中一个实施例中，所述换热器A的出口一设置有高精度计量泵。

在其中一个实施例中，所述低温液氧储槽的出口设置液氧泵，所述液氧气化器的出口连接氧气缓冲罐，氧气缓冲罐的出口连接燃烧器的氧化剂入口。

在其中一个实施例中，所述低温液氧储槽出口分为两路，一路连接换热器B的入口一，另一路直接连接液氧气化器的入口。

在其中一个实施例中，所述换热回路中的换热介质为氮气，且换热回路设有泵以及开关。

在其中一个实施例中，所述换热回路中设置有短接管路，所述换热器A上设置温度监测点，当经过换热器A的低闪点燃料溶液温度低于2℃时，断开换热回路，换热介质经由短接管路循环返回换热器B，直至换热器A中的低闪点燃料溶液温度达到2℃。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.通过在低闪点燃料溶液罐外设置制冷装置，例如储冰槽，并通过投冰口源源不断地向内送入冰块，使得低闪点燃料溶液能持续保持零度，不会因温度升高而出现闪火及燃烧现象，从而保证了低闪点燃料溶液罐的安全及系统的平稳运行。

2.通过在液氧系统与低闪点燃料溶液供给管路之间设置换热回路，换热介质例如氮气等，吸收低闪点燃料溶液的热量后释放给液氧系统，大大提高了整个超临界水热燃烧多元热流体发生系统的能量利用效率。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

其中：1-低闪点燃料溶液罐；2-高精度计量泵；3-电加热器；4-低温液氧储槽；5-液氧气化器；6-液氧泵；7-换热器A；8-换热器B；9-氧气缓冲罐；10-燃烧器；11-冷却水罐；12-水冷壁；13-调压器。

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。

本发明为一种适用于低闪点燃料的超临界水热燃烧型多元热流体发生系统，包括反应模块、进料模块以及调温调压模块。反应模块的主要作用是进行超临界水热燃烧反应以产生目标参数多元热流体，进料模块供应燃料以及氧化剂，并保障低闪点燃料的安全，调温调压模块则可保障反应的安全稳定运行。

在本发明中，低闪点燃料为以甲醇溶液为代表的闪点低于-18℃的液体燃料，包括乙醚、丙酮等。

如图1所示，本发明反应模块主要为燃烧器10，在燃烧器10中进行多元热流体超临界水热燃烧反应。

在一个实施例中，燃烧器10的内部分为主燃烧室和混合室，主燃烧室在上部，进行低闪点燃料的燃烧反应，混合室在下部，燃烧反应产物进入混合室与掺混水混合，得到多元热流体。

在一个实施例中，燃烧器10顶端安装有端盖，燃烧器10的燃料进口由一级燃料进口和二级燃料进口组成。其中，在端盖中央设置轴向腔室，且该腔室与主燃烧室连通，在腔室中设置加热装置，例如加热棒等。一级燃料进口接入该腔室，二级燃料进口则与主燃烧室直接连通，一级燃料从该腔室喷出后与从氧化剂入口喷入的氧气混合燃烧，进而点燃二级燃料。一级燃料和二级燃料一般应为同种燃料。

在一个实施例中，一级燃料的流量要远小于二级燃料的流量。

如图1所示，本发明进料模块主要包括低闪点燃料溶液罐1和低温液氧储槽4，其中低闪点燃料溶液罐1带有制冷装置，使低闪点燃料溶液温度恒定在3±1℃。低闪点燃料溶液罐1的出口通过接换热器A7的入口一，换热器A7的出口一接燃烧器10的燃料进口。低温液氧储槽4的出口接换热器B8的入口一，换热器B8的出口一接液氧气化器5的入口，液氧气化器5的出口接燃烧器10的氧化剂入口。换热器A7的入口二和出口二以及换热器B8的入口二和出口二形成换热回路，通过该回路可进行冷量挪移、控温换热。

在一个实施例中，制冷装置为储冰槽，储冰槽设置在低闪点燃料溶液罐1的罐壁中，带有投冰口，冰块由投冰口进入储冰槽。

在一个实施例中，换热器A7的出口一分为两路，一路接一级燃料进口，另一路通过带电加热器3的管路接二级燃料进口，且一级燃料进口和二级燃料进口在燃烧器10外部连通。二级燃料经电加热器3加热后进入燃烧器10与氧气反应，提高了反应速率，节省了反应时间。

在一个实施例中，换热器A7的出口一设置有高精度计量泵2。

在一个实施例中，低温液氧储槽4的出口设置液氧泵6，液氧气化器5的出口连接氧气缓冲罐9，氧气缓冲罐9的出口连接燃烧器10的氧化剂入口。

在一个实施例中，低温液氧储槽4出口分为两路，一路连接换热器B8的入口一，另一路直接连接液氧气化器5的入口。

在一个实施例中，换热回路中的换热介质为氮气，且换热回路设有泵以及开关，换热介质氮气通过泵的作用在管路中循环。

在一个实施例中，换热回路中设置有短接管路，换热器A7上设置温度监测点，当经过换热器A7的低闪点燃料溶液温度低于2℃时，断开换热回路，换热介质经由短接管路循环返回换热器B8，直至换热器A7中的低闪点燃料溶液温度达到2℃。

如图1所示，本发明调温调压模块，包括水冷壁12和调压器13，水冷壁12设置在燃烧器10主燃烧室内壁，其带有螺旋水冷通道，便于调节燃烧器10内温度，螺旋水冷通道的入口连接冷却水罐11，出口通过掺混水通道连通燃烧器10的混合室，其中混合室位于主燃烧室的下部，且二者通过喷射孔连通，调压器13设置在主燃烧室底端出口上，可使反应产物压力调整至所需压力。

本发明的原理及过程：

系统启动前期，首先由工艺界外向低闪点燃料溶液罐1内补充低闪点燃料溶液，由低闪点燃料溶液罐1的顶部投冰口向内补充冰块，在低温液氧储槽4中补充低温液氧。

系统启动后，低闪点燃料溶液从低闪点燃料溶液罐1出口排出后，流经换热器A 7及高精度计量泵2，低闪点燃料溶液经过高精度计量泵2后压力升高到所需压力，进而在电加热器3中升温至设定预热温度后进入超临界水热燃烧燃烧器10；液氧从低温液氧储槽4出口流出后，先后流经液氧泵6和换热器B 8进入液氧气化器5，吸热后状态由液态转变为气态，进而进入超临界水热燃烧燃烧器10。换热器A7与换热器B8之间的换热回路介质为氮气，并通过泵进行循环，当换热器A7中低闪点燃料溶液温度为2℃以上时，换热正常运行，当温度低于2℃时，氮气将不经过换热器A7而是经另一支路进行循环。低闪点燃料溶液与氧气在超临界水热燃烧燃烧器10中发生剧烈氧化反应，产生大量热量；由冷却水罐11供给的冷却水流经水冷壁12，可吸收氧化反应产生的热量，在一定程度上保护燃烧器10。最后燃烧器10出口流出的反应产物流经调压器13调整压力至设定安全压力。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种适用于低闪点燃料的超临界水热燃烧型多元热流体发生系统，其特征在于，包括：

反应模块，包括燃烧器(10)，进行多元热流体超临界水热燃烧反应；

进料模块，包括低闪点燃料溶液罐(1)和低温液氧储槽(4)，所述低闪点燃料溶液罐(1)带有制冷装置，使低闪点燃料溶液温度恒定在3±1℃，低闪点燃料溶液罐(1)的出口通过接换热器A(7)的入口一，换热器A(7)的出口一接燃烧器(10)的燃料进口；所述低温液氧储槽(4)的出口接换热器B(8)的入口一，换热器B(8)的出口一接液氧气化器(5)的入口，换热器A(7)的入口二和出口二以及换热器B(8)的入口二和出口二形成换热回路，液氧气化器(5)的出口接燃烧器(10)的氧化剂入口，所述换热器A(7)的出口一设置有高精度计量泵(2)；

调温调压模块，包括水冷壁(12)和调压器(13)，水冷壁(12)设置在燃烧器(10)主燃烧室内壁，其带有螺旋水冷通道，螺旋水冷通道的入口连接冷却水罐(11)，出口通过掺混水通道连通燃烧器(10)的混合室，其中混合室位于主燃烧室的下部，且二者通过喷射孔连通，所述调压器(13)设置在主燃烧室底端出口上，反应器(10)出口流出的反应产物流经调压器(13)调整压力至设定安全压力；

所述燃烧器(10)的燃料进口由一级燃料进口和二级燃料进口组成，其中一级燃料进口接入燃烧器(10)端盖上带加热装置的腔室内，该腔室与主燃烧室连通，所述二级燃料进口与主燃烧室直接连通，一级燃料从该腔室喷出后与从氧化剂入口喷入的氧气混合燃烧，进而点燃二级燃料；所述换热器A(7)的出口一分为两路，一路接所述一级燃料进口，另一路通过带电加热器(3)的管路接所述二级燃料进口，且所述一级燃料进口和二级燃料进口在燃烧器(10)外部连通，所述一级燃料的流量要远小于二级燃料的流量；

所述换热回路中的换热介质为氮气，且换热回路设有泵以及开关；所述换热回路中设置有短接管路，所述换热器A(7)上设置温度监测点，当经过换热器A(7)的低闪点燃料溶液温度低于2℃时，断开换热回路，换热介质经由短接管路循环返回换热器B(8)，直至换热器A(7)中的低闪点燃料溶液温度达到2℃。

2.根据权利要求1所述适用于低闪点燃料的超临界水热燃烧型多元热流体发生系统，其特征在于，所述制冷装置为储冰槽，储冰槽设置在低闪点燃料溶液罐(1)的罐壁中，带有投冰口。

3.根据权利要求1所述适用于低闪点燃料的超临界水热燃烧型多元热流体发生系统，其特征在于，所述低温液氧储槽(4)的出口设置液氧泵(6)，所述液氧气化器(5)的出口连接氧气缓冲罐(9)，氧气缓冲罐(9)的出口连接燃烧器(10)的氧化剂入口。

4.根据权利要求1所述适用于低闪点燃料的超临界水热燃烧型多元热流体发生系统，其特征在于，所述低温液氧储槽(4)出口分为两路，一路连接换热器B(8)的入口一，另一路直接连接液氧气化器(5)的入口。

5.根据权利要求1所述适用于低闪点燃料的超临界水热燃烧型多元热流体发生系统，其特征在于，所述低闪点燃料为闪点低于-18℃的液体燃料。