CN114717026A - 一种氢超临界水热燃烧反应装置及其使用方法 - Google Patents

一种氢超临界水热燃烧反应装置及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种氢超临界水热燃烧反应装置及其使用方法，包括：反应装置本体，反应装置本体内同轴设置有反应管，反应管与反应装置本体之间形成环空间隙；反应装置本体下端侧壁上设置有与环空间隙连通的冷却水进水口；反应装置本体底部连接有下端盖，顶部连接有上端盖；下端盖上安装有端部插入反应管内的燃料喷管；反应管底部与下端盖密封连接，顶部呈开口设置。减轻冷却水对火焰的干扰，进而为氢气超临界水热燃烧的相关研究提供更好的解决方案。

Description

一种氢超临界水热燃烧反应装置及其使用方法
技术领域
本发明属于燃烧特性实验测量领域，特别涉及一种氢超临界水热燃烧反应装置及其使用方法。
背景技术
氢能是一种来源广泛、清洁高效、应用场景丰富的新型二次能源，不仅其燃烧过程绝对无碳排放，还特别适于用作储能介质，有望在未来的能源体系中发挥举足轻重的作用。西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室提出的煤炭超临界水气化制氢技术，在将煤炭的化学能高效转化为氢能的同时，可完全避免氮氧化物、硫氧化物及粉尘颗粒的生成与排放，堪称是一种理想的制氢方式。通过该技术制得的部分高纯度氢气可直接在超临界水相环境中燃烧放热，为气化反应提供所需的热量，进而解决系统内部能量优化的问题。如何实现氢气在超临界水相环境中高效稳定燃烧，是目前亟待攻克的技术难题之一。此外，鉴于氢气的燃烧产物仅为水而不包含任何气体成分，其还被当作是热散裂钻井工艺的理想燃料。热散裂钻井是将氢气和氧气分别注入含水的井底，通过点火燃烧释放热量，使岩石在热应力的作用下破碎，其本质依旧是氢气在超临界水相环境中的燃烧。
然而，氢气作为一种易燃易爆的气体燃料，针对其开展超临界水热燃烧相关研究具有诸多困难，尤其体现在燃烧反应装置的设计与制造方面。现有的适用于氢气超临界水热燃烧的反应装置，通过壁面通入冷却水，壁面冷却过程易对燃烧火焰形成干扰，影响氢气超临界水热燃烧过程。
发明内容
本发明的目的在于克服上述难题，提供一种氢超临界水热燃烧反应装置及其使用方法，减轻冷却水对火焰的干扰，进而为氢气超临界水热燃烧的相关研究提供更好的解决方案。
本发明通过以下技术方案实现：
一种氢超临界水热燃烧反应装置，包括：反应装置本体，反应装置本体内同轴设置有反应管，反应管与反应装置本体之间形成环空间隙；反应装置本体下端侧壁上设置有与环空间隙连通的冷却水进水口；反应装置本体底部连接有下端盖，顶部连接有上端盖；下端盖上安装有端部插入反应管内的燃料喷管；反应管底部与下端盖密封连接，顶部呈开口设置。
优选的，反应装置本体下端侧壁上开设有视窗安装槽，视窗安装槽内通过视窗固定端盖固定安装有蓝宝石玻璃，反应管为石英玻璃管。
进一步的，蓝宝石玻璃与视窗安装槽的台阶面之间及蓝宝石玻璃与视窗固定端盖端面之间均通过金属网石墨垫片密封。
进一步的，反应装置本体下端为正四棱柱状结构，正四棱柱状结构的每个侧面上均开设一视窗安装槽。
优选的，燃料喷管包括氢气喷管、卡套螺母、双锥卡套和喷管固定螺栓；氢气喷管上端依次穿过卡套螺母、双锥卡套、喷管固定螺栓和下端盖并与下端盖顶部一起同轴插入反应管内；卡套螺母与喷管固定螺栓螺纹连接，喷管固定螺栓与下端盖螺纹连接。
进一步的，氢气喷管与下端盖之间形成环形空隙，下端盖上开设有与环形空隙连通的氧气进口。
进一步的，喷管固定螺栓端面和下端盖之间通过柔性石墨垫片密封。
进一步的，上端盖的内部垂直开设有变径通孔。
进一步的，反应装置本体的侧面通过热电偶固定底座安装有多个热电偶，热电偶插入反应管内。
所述的氢超临界水热燃烧反应装置的使用方法，包括：
(1)由燃料喷管向反应管内持续注入H2O流，使反应装置内部达到预设压力和温度；
(2)由冷却水进口持续注入预热的冷却水；
(3)待反应装置内部轴线上的温度稳定后向反应管持续注入预热的O2流和H2O/H2混合流，H2与O2在反应管内混合燃烧；
(4)反应结束后，依次切断H2O/H2混合流和O2流的供应；通过逐渐降低冷却水的预热温度来对反应装置降温，最后通过调节冷却水流量实现降压。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明所述反应装置采用反应管将水热燃烧区域与冷却水流动区域分隔开来，反应管外为冷却水流动区域，反应管内为水热燃烧区域，可阻碍低温冷却水与高温燃烧产物在喷管出口附近混合，在保证反应装置内壁面实现有效冷却的同时，尽可能维持水热燃烧区域的较高温度，最大程度避免低温冷却水对水热燃烧稳定性造成干扰，从而提高水热燃烧过程的稳定性。反应管顶部设置为开口，其主要目的在于：①冷却水与燃烧产物可在反应管顶部开口处混合，尽最大限度对燃烧产物进行冷却，消除了间壁式换热存在的传热温差；②冷却水流道与燃烧产物流道连通，可避免由于给料过程或燃烧反应带来的压力波动致使反应管破裂；③冷却水与燃烧产物混合后一起流出反应器，不必单独设置冷却水出口，降低了反应装置的结构复杂性。
进一步的，所述反应装置在水热燃烧区域增设了蓝宝石玻璃视窗，反应管采用石英玻璃管，石英玻璃管透光性好且可耐1200℃以上的高温，蓝宝石玻璃视窗透光性好，耐高温(600℃)，具有良好的耐压(30MPa)性能、良好的化学稳定性及密封性能，蓝宝石玻璃视窗的设置可用于火焰的光学检测。为诸如火焰图像拍摄、光谱分析、激光诱导荧光分析等检测手段的应用提供可能，大大扩展了超临界水热燃烧相关研究的实验信息来源。解决了现有技术中检测手段单一，仅能通过温度变化判断火焰状况的问题。
进一步的，通过采用金属网石墨垫片的密封设计，能确保蓝宝石玻璃视窗处的密封，保证装置的稳定性。
进一步的，所述反应装置通过采用特殊的结构设计，提供了燃料喷管的替换方案。仅需对喷管固定螺栓进行简单拆装，便可实现不同形式燃料喷管的快速替换。该过程仅涉及双锥卡套等部件的损耗，成本极低，为研究不同喷管对水热燃烧过程的影响提供了便利。解决了现有技术中物料喷管通过焊接方式固定，难以进行更换的问题。
附图说明
图1是本发明氢超临界水热燃烧反应装置剖面结构图。
图2是本发明可替换燃料喷管安装剖面原理图。
图3是本发明蓝宝石玻璃视窗安装剖面原理图。
图4是本发明反应管安装剖面(与图1剖面垂直)原理图。
图中标号含义如下：1-燃料喷管；2-下端盖；3-蓝宝石玻璃；4-视窗固定端盖；5-反应装置本体；6-反应管；7-上端盖；8-热电偶固定底座；201-氢气喷管；202-卡套螺母；203-双锥卡套；204-喷管固定螺栓；205-柔性石墨垫片；206-氧气进口；301-金属网石墨垫片；302-双头螺柱；401-氧气喷管；402-冷却水进口；403-K型铠装热电偶。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明进行描述，这些描述只是进一步解释本发明的特征和优点，并非用于限制本发明的权利要求。
参照附图1，本发明氢超临界水热燃烧反应装置，包括：燃料喷管1、下端盖2、蓝宝石玻璃3、视窗固定端盖4、反应装置本体5、反应管6、上端盖7、热电偶固定底座8、双头螺柱、法兰螺母及石墨垫片等部件。其中，反应装置本体5上部为圆柱状，下部为正四棱柱状；下端盖2、视窗固定端盖4及上端盖7均为圆柱状。本发明实施例中，反应管6为石英玻璃管。
本发明氢超临界水热燃烧反应装置的基本结构如下：下端盖2的内部同轴开一个垂直通孔，燃料喷管1由下方同心插入垂直通孔中，并进行固定与密封；下端盖2的侧面开一个小孔作为氧气进口，并与垂直通孔连通构成氧气流道；下端盖2与反应装置本体5通过6个双头螺柱实现连接固定，下端盖2的台阶面与反应装置本体5的台阶面之间设置金属网石墨垫片，采用金属网石墨垫片进行密封；下端盖2的顶部插入反应管6的底部，并通过耐高温胶水固定，下端盖2的垂直通孔与反应管6同轴；蓝宝石玻璃3放置在反应装置本体5侧面的圆形视窗安装槽内，其两侧分别经金属网石墨垫片与反应装置本体5和视窗固定端盖4接触，并通过视窗固定端盖4施加的预紧力实现密封；视窗固定端盖4与反应装置本体5通过6个双头螺柱进行连接固定；上端盖7的内部开一个垂直变径通孔作为燃烧产物的出口，其与反应装置本体5通过6个双头螺柱连接固定；在反应装置本体5的侧面不同位置上开6个小孔，并分别焊接热电偶固定底座8，具体位置应遵循“喷管附近密，其它区域疏”的原则；在反应装置本体5下部与蓝宝石玻璃3垂直的两个平面上对称各开一个小孔，作为冷却水进口，并与反应装置本体5内部连通构成冷却水流道。
参照附图2，本发明中燃料喷管1包括氢气喷管201、卡套螺母202、双锥卡套203、喷管固定螺栓204及柔性石墨垫片205；其固定和密封结构如下：氢气喷管201从喷管固定螺栓204的中心通孔穿过；喷管固定螺栓204的下部与卡套螺母202经螺纹连接，通过挤压使布置在两者之间的双锥卡套203变形实现对氢气喷管201轴向位置的固定；喷管固定螺栓204的上部与下端盖2通过螺纹连接，两者之间放置3个柔性石墨垫片205用于密封；氢气喷管201与下端盖2垂直通孔之间的环形空隙将作为氧气流道，采用柔性石墨垫片密封是为了避免氧气外泄。
参照附图3，本发明中蓝宝石玻璃的固定与密封方式如下：蓝宝石玻璃3的形状为二级阶梯轴设置，即近似于两个同轴连接的非等径圆柱，反应装置本体5的侧面按照该形状开环形视窗安装槽；直径较大的一级轴段的台阶面与视窗安装槽台阶面之间通过金属网石墨垫片301密封，一级轴段的端面与视窗固定端盖4的端面之间通过另一金属网石墨垫片301密封。6个双头螺柱302为视窗固定端盖4提供预紧力，以实现对蓝宝石玻璃3的固定与密封。
参照附图4，下端盖2的顶部构成氧气喷管401，本发明中反应管6的下部套在下端盖2上部的氧气喷管401上，其内部为燃料和氧化剂发生水热燃烧反应的区域，其外部与两个对称布置的冷却水进口402连通构成冷却水流动区域；反应管6的上端为敞口设计，允许其内部的水热燃烧产物与外部的冷却水混合并一同流出反应装置；该设计既可确保反应装置内壁面获得良好的冷却，又能最大程度避免低温冷却水对水热燃烧稳定性造成干扰；反应管6的壁面指定位置开有圆形小孔，恰能允许K型铠装热电偶403插入以实现对燃烧火焰及产物的温度测量。
本发明氢超临界水热燃烧反应装置，其设计工作压力为25MPa，最高允许温度为650℃；设计燃料为H2O/H2混合流，氧化剂为O2流，冷却水为去离子水。反应装置的典型工作过程如下：
(1)由氢气喷管201持续注入H2O流，并通过升压、升温使反应装置内部压力维持25MPa左右，氢气喷管201出口的H2O流温度保持在500℃左右；
(2)分别由对称布置的两个冷却水进口402持续注入预热至300℃左右的冷却水，等待至反应装置内部轴线上的温度稳定；
(3)由氧气喷管401持续注入预热至400℃左右的O2流，并将氢气喷管201的H2O流切换为同温度的H2O/H2混合流，此时H2与O2在氧气喷管401出口附近充分混合燃烧，并伴随可见的发光火焰。实验人员可透过反应装置本体5侧面的蓝宝石玻璃3对火焰进行观测，采用包括但不限于火焰图像拍摄、光谱分析、激光诱导荧光分析等光学检测手段；
(4)实验数据采集结束后，依次切断H2O/H2混合流和O2流的供应；通过逐渐降低冷却水的预热温度来对反应装置降温，最后通过调节冷却水流量实现降压。
本发明氢超临界水热燃烧反应装置中，用于替换的氢气喷管201外径规格是由喷管固定螺栓204的内部通孔直径所决定的，采用不同通孔直径的喷管固定螺栓204即可更换不同外径的氢气喷管201；氢气喷管201的壁厚须满足可承受30MPa、600℃的压力温度要求；氢气喷管201的可替换特征还在于其长度、内截面形状、出口端形状等方面。
本发明氢超临界水热燃烧反应装置中，蓝宝石玻璃3视窗的数量可根据实际需要进行调整，最多不超过4个，即反应装置本体5下部的正四棱柱的四个侧面各布置一个视窗。原则上，视窗的数量越少，反应装置持续工作的可靠性越高。
本发明氢超临界水热燃烧反应装置中，反应管6的长度可根据实际需要进行调整，其长度越短，越容易与氧气喷管401保持同心；反应管6侧面用于插入K型铠装热电偶403的小孔位置可根据实际需要进行调整，小孔的尺寸以恰好能通过热电偶探头为佳。
所述反应装置中的6个热电偶固定底座，其底端与反应装置本体通过焊接方式连接固定，其顶端通过双卡套接头对K型铠装热电偶实现固定与密封。
所述反应装置中的反应装置本体、上端盖、下端盖、氢气喷管、热电偶固定底座均由Inconel 625合金制成；双锥卡套、卡套螺母均由316不锈钢制成；喷管固定螺栓、双头螺柱、法兰螺母均由35CrMoA合金钢制成。
所述反应装置垂直安装布置，燃料、氧气、冷却水均自下而上流动；采用该布置方式，可有效避免氧气由于浮力的作用在喷管附近积聚，进而形成易于发生爆炸的富氧环境，可极大提高装置运行的安全性。
通过上述具体实施例，本发明的初衷、技术方案、实现过程及科学价值得以进一步阐明。需特别强调的是，该实施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 (10)

1.一种氢超临界水热燃烧反应装置，其特征在于，包括：反应装置本体(5)，反应装置本体(5)内同轴设置有反应管(6)，反应管(6)与反应装置本体(5)之间形成环空间隙；反应装置本体(5)下端侧壁上设置有与环空间隙连通的冷却水进水口(402)；反应装置本体(5)底部连接有下端盖(2)，顶部连接有上端盖(7)；下端盖(2)上安装有端部插入反应管(6)内的燃料喷管(1)；反应管(6)底部与下端盖(2)密封连接，顶部呈开口设置。
2.根据权利要求1所述的氢超临界水热燃烧反应装置，其特征在于，反应装置本体(5)下端侧壁上开设有视窗安装槽，视窗安装槽内通过视窗固定端盖(4)固定安装有蓝宝石玻璃(3)，反应管(6)为石英玻璃管。
3.根据权利要求2所述的氢超临界水热燃烧反应装置，其特征在于，蓝宝石玻璃(3)与视窗安装槽的台阶面之间及蓝宝石玻璃(3)与视窗固定端盖(4)端面之间均通过金属网石墨垫片(301)密封。
4.根据权利要求2所述的氢超临界水热燃烧反应装置，其特征在于，反应装置本体(5)下端为正四棱柱状结构，正四棱柱状结构的每个侧面上均开设一视窗安装槽。
5.根据权利要求1所述的氢超临界水热燃烧反应装置，其特征在于，燃料喷管(1)包括氢气喷管(201)、卡套螺母(202)、双锥卡套(203)和喷管固定螺栓(204)；氢气喷管(201)上端依次穿过卡套螺母(202)、双锥卡套(203)、喷管固定螺栓(204)和下端盖(2)并与下端盖(2)顶部一起同轴插入反应管(6)内；卡套螺母(202)与喷管固定螺栓(204)螺纹连接，喷管固定螺栓(204)与下端盖(2)螺纹连接。
6.根据权利要求5所述的氢超临界水热燃烧反应装置，其特征在于，氢气喷管(201)与下端盖(2)之间形成环形空隙，下端盖(2)上开设有与环形空隙连通的氧气进口(206)。
7.根据权利要求5所述的氢超临界水热燃烧反应装置，其特征在于，喷管固定螺栓(204)端面和下端盖(2)之间通过柔性石墨垫片(205)密封。
8.根据权利要求1所述的氢超临界水热燃烧反应装置，其特征在于，上端盖(7)的内部垂直开设有变径通孔。
9.根据权利要求1所述的氢超临界水热燃烧反应装置，其特征在于，反应装置本体(5)的侧面通过热电偶固定底座(8)安装有多个热电偶，热电偶插入反应管(6)内。
10.权利要求1-9任一项所述的氢超临界水热燃烧反应装置的使用方法，其特征在于，包括：
(1)由燃料喷管(1)向反应管(6)内持续注入H2O流，使反应装置内部达到预设压力和温度；
(2)由冷却水进口(402)持续注入预热的冷却水；
(3)待反应装置内部轴线上的温度稳定后向反应管(6)持续注入预热的O2流和H2O/H2混合流，H2与O2在反应管(6)内混合燃烧；
(4)反应结束后，依次切断H2O/H2混合流和O2流的供应；通过逐渐降低冷却水的预热温度来对反应装置降温，最后通过调节冷却水流量实现降压。
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