CN114772775B - 一种热量自供型超临界水制氢系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热量自供型超临界水制氢系统包括：由顶盖、上部圆柱段、下部圆锥段组成的超临界水反应器，顶盖的中心设置产物出口；上循环流体加热套壳，设置在上部圆柱段的外侧；废液水平注入管，设置在上部圆柱段的底部；下循环流体冷却套壳，设置在下部圆锥段的外侧；旋流同轴喷嘴，设置在下部圆锥段的底部；固液分离器，与产物出口相连接，固液分离器的固体产物进入废液储罐，固液分离器的液相产物进入气液分离器；气液分离器的液体产物出口连接至有机浓缩装置形成高浓有机溶液增压进入中心燃料注入管。通过本发明的技术方案，产物中的固相颗粒补充废液，液相中的有机质补充辅助燃料，使得最终产物只有富氢燃气，避免了残液残渣的产生。
Description
技术领域
本发明涉及超临界水系统技术领域，具体而言，涉及一种热量自供型超临界水制氢系统。
背景技术
超临界水(PC>22.1MPa，TC>374℃)是一种特殊的反应介质。在超临界水的环境下，有机物和气体可完全互溶，气液两相的相界面消失，形成均一相体系，反应速度大大加快。在较短的停留时间内，有机物可迅速降解气化成富氢气体产物，该过程无SO2、NOx、二恶英等二次污染物的产生。
然而，由于超临界水气化反应需要高温条件，物料需要预热至超临界温度，而这一过程需要大量的热能输入，不但工艺能耗大成本高，而且高含固有机废弃物在预热段容易结垢和堵塞，由于高含固有机废弃物中大量固相颗粒的存在，容易堆积显著增加传热传质阻力，导致超临界水气化反应效率不高，严重抑制了反应速率和产气率，而且容易附加产生残液残渣，相关技术中一般采用机械手段在反应器内搅拌或者加大反应器尺寸延长反应停留时间，但在超临界水反应条件下，搅拌装置安装和密封都较为困难，反应器尺寸过大会导致投资过大，且仍然存在制氢能耗大、效率低，容易附加产生残液残渣等问题。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种热量自供型超临界水制氢系统，通过辅助燃料在反应器内形成热液火焰，实现高含固废液常温注入快速充分预热，通过反应器的独特结构设计，使得旋流热液火焰快速充分预热废液，在加速废液中颗粒的降解反应同时，不能反应的大颗粒落入热液火焰中，降解补充热量，产物中的固相颗粒补充废液，液相中的有机质补充辅助燃料，使得最终产物只有富氢燃气，实现高含固有机废液的彻底降解利用，避免残液残渣的产生。
为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：
一种热量自供型超临界水制氢系统，包括：超临界水反应器，所述超临界水反应器包括同轴设置且相连接的顶盖、上部圆柱段、下部圆锥段，所述顶盖的中心设置产物出口；上循环流体加热套壳，同轴设置在所述上部圆柱段的外侧，所述上循环流体加热套壳的顶部设置第一循环流体入口，底部设置第一循环流体出口；多个废液水平注入管，沿圆周均匀设置在所述上部圆柱段的底部，废液水平注入管以两两平行并偏离中心轴距离r相向输入反应器内，并在相应的输入水平圆截面形成一个半径为r的虚拟圆；下循环流体冷却套壳，同轴设置在所述下部圆锥段的外侧，所述下循环流体冷却外套壳的顶部设置第二循环流体入口，底部设置第二循环流体出口；旋流同轴喷嘴，设置在所述下部圆锥段的底部，所述旋流同轴喷嘴包括中心燃料注入管和外层切向氧气注入管；固液分离器，与反应器的产物出口相连接，所述固液分离器的固体产物出口经阀门连接至废液储罐，所述固液分离器的液相产物经背压阀降压后进入气液分离器；所述气液分离器的气体产物出口连接至富氢气体浓缩装置，所述气液分离器的液体产物出口连接至有机浓缩装置形成高浓有机溶液经补充增压泵增压进入所述中心燃料注入管。
优选地，沿圆周均匀布置4根或者6根或者8根所述废液水平注入管。
优选地，热量自供型超临界水制氢系统还包括：辅助燃料增压泵，所述辅助燃料增压泵的进料口与辅助燃料罐相连接，所述辅助燃料增压泵的出料口经预热器、加热器连接至所述中心燃料注入管，辅助燃料通过所述辅助燃料增压泵增压至23MPa以上，通过所述预热器和加热器增温至400℃～550℃。
优选地，热量自供型超临界水制氢系统还包括：氧气增压泵，所述氧气增压泵的进料口连接至氧气储罐，所述氧气增压泵的出料口连接至氧气注入管，氧气经氧气增压泵增压至23MPa以上。
优选地，针对辅助燃料中有机物氧化的过氧量系数控制在1.1～1.3。
优选地，热量自供型超临界水制氢系统还包括：循环泵，所述循环泵的进料口与循环流体储罐相连接，所述循环泵的出料口与下循环流体冷却套壳上的第二循环流体入口相连接，第二循环流体出口与第一循环流体入口相连接，第一循环流体出口与所述循环流体储罐相连接，循环流体储罐中的循环流体经循环泵增压后从第二循环流体入口进入下循环流体冷却套壳，吸收热液火焰的部分热量，从第二循环流体出口流出，从第一循环流体入口进入上循环流体加热套壳，为超临界水气化反应补充热量，从第一循环流体出口排出进入循环流体储罐，继续进入循环泵中循环。
优选地，热量自供型超临界水制氢系统还包括：废液增压泵，所述废液增压泵的进料口与所述废液储罐相连接，所述废液增压泵的出料口连接至废液水平注入管，废液储罐中的高含固有机废液经废液增压泵增压至23MPa。
优选地，热量自供型超临界水制氢系统还包括：能量回收装置，连接在反应器的产物出口与固液分离器之间，回收产物热量对产物初步降温，所述能量回收装置包括透平发电装置、换热器、蒸汽发生装置中的一种或几种。
优选地，所述富氢气体浓缩装置包括溶液吸附装置、变压吸附装置中的一种或几种。
优选地，所述有机浓缩装置包括蒸发装置、膜蒸馏装置、膜过滤装置中的一种或几种。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提出的一种热量自供型超临界水制氢系统通过辅助燃料形成的热液火焰在反应器内预热高含固废液，有效避免了预热结垢堵塞等问题。
(2)本发明提出的一种热量自供型超临界水制氢系统通过反应器的旋流喷嘴以及废液水平切向注入等独特设计，使得使得旋流热液火焰快速充分预热废液，在加速废液中颗粒的降解反应同时，不能反应的大颗粒落入热液火焰中，降解补充热量。
(3)本发明提出的一种热量自供型超临界水制氢系统将产物中的固相颗粒补充废液，液相中的有机质补充辅助燃料，使得最终产物只有富氢燃气，实现了高含固有机废液的彻底降解利用，避免了残液残渣的产生。
(4)本发明提出的一种热量自供型超临界水制氢系统通过反应器外设置加热和冷却外壳，利用循环流体吸收热液火焰热量，为上部圆柱段气化反应补充热源，既可以加速气化反应，又可以避免反应器过热，使得废物高效降解，而且产气率高。
(5)本发明提出的一种热量自供型超临界水制氢系统稳定运行后，通过不完全降解产物的循环，不仅无后续废物处理，且辅助燃料可减少甚至去除，大大降低了系统能耗。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1示出了根据本发明的实施例的热量自供型超临界水制氢系统的结构示意图；
图2示出了图1热量自供型超临界水制氢系统中超临界水反应器的结构示意图；
图3示出了图2超临界水反应器中有机废液注入示意图；
图4示出了图2超临界水反应器中旋流喷嘴的结构示意图；
其中，图1至图4中附图标记与部件之间的对应关系为：
102超临界水反应器，1022顶盖，1024上部圆柱段，1026下部圆锥段，1028产物出口，1030上循环流体加热套壳，1032第一循环流体入口，1034第一循环流体出口，1036废液水平注入管，1038下循环流体冷却套壳，1040第二循环流体入口，1042第二循环流体出口，1044旋流同轴喷嘴，1044-1中心燃料注入管，1044-2外层切向氧气注入管，106固液分离器，108阀门，110废液储罐，112背压阀，114气液分离器，116富氢气体浓缩装置，118有机浓缩装置，120补充增压泵，122辅助燃料增压泵，124辅助燃料罐，126预热器，128加热器，130氧气增压泵，132氧气储罐，134循环泵，136循环流体储罐，138废液增压泵，140能量回收装置。
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，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图4所示，根据本发明的实施例的一种热量自供型超临界水制氢系统包括：超临界水反应器102，超临界水反应器102包括同轴设置且相连接的顶盖1022、上部圆柱段1024、下部圆锥段1026，顶盖1022的中心设置产物出口1028。在上部圆柱段1024的外侧同轴设置上循环流体加热套壳1030，上循环流体加热套壳1030的顶部设置第一循环流体入口1032，底部设置第一循环流体出口1034。在下部圆锥段1026的外侧同轴设置下循环流体冷却套壳1038，下循环流体冷却外套壳的顶部设置第二循环流体入口1040，底部设置第二循环流体出口1042，从而，通过循环流体吸收热液火焰的热量作为上部圆柱段1024气化的补充热源，既可以加速气化反应，又可以避免反应器过热，能够使得高含固有机废液高效降解，而且产气率高。在上部圆柱段1024的底部沿圆周均匀设置多个废液水平注入管1036，废液水平注入管1036以两两平行并偏离中心轴距离r相向输入反应器内，并在相应的输入水平圆截面形成一个半径为r的虚拟圆，在下部圆锥段1026的底部设置旋流同轴喷嘴1044，旋流同轴喷嘴1044包括中心燃料注入管1044-1和外层切向氧气注入管1044-2，辅助燃料和氧气经旋流同轴喷嘴1044喷出形成旋流热液火焰，对水平注入的废液快速预热，使其达到超临界水气化的温度条件，不会出现预热堵塞等问题。由于旋流热液火焰气流的旋转作用，废液中的大部分颗粒在旋流气流中旋转、破碎并加速分解气化，热液火焰中过量的氧气可使废物发生部分氧化反应，加速废物高效降解，而且产气率高，少部分颗粒经反应器内部落入下部圆锥段1026，在热液火焰中燃烧降解，加速废物处理。反应器的产物出口1028与固液分离器106相连接，固液分离器106的固相产物出口1028经阀门108连接至废液储罐110，固相分离器底部的固体产物经阀门108排出补充进入废液罐，实现固体产物的循环利用。固液分离器106的液相产物经背压阀112降压后进入气液分离器114，气液分离器114的气体产物出口1028连接至富氢气体浓缩装置116，实现富氢气体的收集，富氢气体浓缩装置116包括溶液吸附装置、变压吸附装置中的一种或几种。气液分离器114的液体产物出口1028连接至有机浓缩装置118形成高浓有机溶液经补充增压泵120增压进入中心燃料注入管1044-1，补充辅助燃料，有机浓缩装置118包括蒸发装置、膜蒸馏装置、膜过滤装置中的一种或几种，从而使得最终产物只有富氢气体，实现了废物的彻底降解利用，避免了残液残渣的产生，稳定运行后，通过不完全降解产物的循环，不仅无后续废物处理，且辅助燃料可减少甚至去除，大大降低了系统能耗。
进一步地，如图2和图3所示，沿圆周均匀布置4根废液水平注入管1036，进一步保障了旋流热液火焰气流的形成，保障了废液的内预热效果。
另外还可以沿圆周均匀布置6根或者8根废液水平注入管1036。
进一步地，如图1所示，热量自供型超临界水制氢系统还包括：辅助燃料增压泵122，辅助燃料增压泵122的进料口与辅助燃料罐124相连接，辅助燃料增压泵122的出料口经预热器126、加热器128连接至中心燃料注入管1044-1，辅助燃料罐124中的辅助燃料经燃料增压泵增压至23MPa以上，经预热器126预热以及加热器128加热至400℃～550℃，从中心燃料注入管1044-1注入，从而保障了能够与氧气经旋流喷嘴喷出形成旋流热液火焰，进而对水平注入的废液快速预热，使其达到超临界水气化的温度条件。
进一步地，如图1所示，热量自供型超临界水制氢系统还包括：氧气增压泵130，氧气增压泵130的进料口连接至氧气储罐132，氧气增压泵130的出料口连接至氧气注入管，氧气经氧气增压泵130增压至23MPa以上。针对辅助燃料中有机物氧化的过氧量系数控制在1.1～1.3。从而使得部分过量氧气进入气化区，使得废液发生部分氧化和气化反应，加速了废液的降解，同时也提高了产氢率。氧气在超临界水条件下容易形成活性OH·自由基，进而提升有机物的分解速率或降解速率，而限制部分氧化条件(缺氧)形成更多H2、CO等非完全氧化产物。
进一步地，如图1所示，热量自供型超临界水制氢系统还包括：循环泵134，循环泵134的进料口与循环流体储罐136相连接，循环泵134的出料口与下循环流体冷却套壳1038上的第二循环流体入口1040相连接，第二循环流体出口1042与第一循环流体入口1032相连接，第一循环流体出口1034与循环流体储罐136相连接，循环流体储罐136中的循环流体经循环泵134增压后从第二循环流体入口1040进入下循环流体冷却套壳1038，吸收热液火焰的部分热量，从第二循环流体出口1042流出，从第一循环流体入口1032进入上循环流体加热套壳1030，为超临界水气化反应补充热量，从第一循环流体出口1034排出进入循环流体储罐136，继续进入循环泵134中循环。从而，能够吸收热液火焰的部分热量，避免下部圆锥段1026过热，同时为上部圆柱段1024的超临界水气化反应补充能量，加速气化反应。
进一步地，如图1所示，热量自供型超临界水制氢系统还包括：废液增压泵138，废液增压泵138的进料口与废液储罐110相连接，废液增压泵138的出料口连接至废液水平注入管1036，废液储罐110中的高含固有机废液经废液增压泵138增压至23MPa，由废液水平注入管1036注入反应器，保障了废液的充分内预热，且不会产生堵塞等问题。
进一步地，如图1所示，热量自供型超临界水制氢系统还包括：能量回收装置140，连接在反应器的产物出口1028与固液分离器106之间，回收产物热量对产物初步降温，能量回收装置140包括透平发电装置、换热器、蒸汽发生装置中的一种或几种。从而，进一步提高了系统的能量利用率，可以将一部分热量供给给辅助燃料的预热器126，节约能耗。
本发明提出的一种热量自供型超临界水制氢系统的工作过程如下：
辅助燃料储罐中的辅助燃料经燃料泵增压至23MPa以上，经预热器126预热以及加热器128加热至400℃～550℃，从中心燃料注入管1044-1注入反应器，同时，氧气储罐132中的氧气经氧气增压泵130增压至23MPa以上，从外层切向氧气注入管1044-2注入反应器中，辅助辅料和氧气经旋流同轴喷嘴1044喷出形成旋流热液火焰；
废液储罐110中的高含固有机废液经废液增压泵138增压至23MPa以上，从废液水平注入管1036注入反应器，利用辅助辅料和氧气经旋流同轴喷嘴1044喷出形成的旋流热液火焰对水平注入的废液快速预热，使其达到超临界水气化的温度条件，由于旋流热液火焰气流的旋转作用，废液中的大部分颗粒在旋流气流中旋转、破碎并加速分解气化，少部分颗粒经反应器内部落入下部圆锥段1026，在热液火焰中燃烧降解，加速废物处理；
循环流体储罐136中的循环流体经循环泵134增压，从第二循环流体入口1040进入下循环流体冷却套壳1038，吸收热液火焰的部分热量，从第二循环流体出口1042流出，从第一循环流体入口1032进入上循环流体加热套壳1030，为超临界水气化反应补充热量，从第一循环流体出口1034排出进入循环流体储罐136，继续进入循环泵134中循环；
从反应器的产物出口1028排出的产物，经热量回收装置回收热量降温后，进入固液分离器106，回收热量可以部分供给给预热器126，固液分离器106的固体产物出口1028经阀门108连接至废液储罐110，实现固体产物的循环利用，固液分离器106上部的液相产物经背压阀112降压后进入气液分离器114，气液分离器114的气体产物出口1028连接至富氢气体浓缩装置116，气液分离器114的液体产物出口1028连接至有机浓缩装置118形成高浓有机溶液经补充增压泵120增压进入中心燃料注入管1044-1。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种热量自供型超临界水制氢系统，其特征在于，包括：超临界水反应器，所述超临界水反应器包括同轴设置且相连接的顶盖、上部圆柱段、下部圆锥段，所述顶盖的中心设置产物出口；
上循环流体加热套壳，同轴设置在所述上部圆柱段的外侧，所述上循环流体加热套壳的顶部设置第一循环流体入口，底部设置第一循环流体出口；
多个废液水平注入管，沿圆周均匀设置在所述上部圆柱段的底部，废液水平注入管以两两平行并偏离中心轴距离r相向输入反应器内，并在相应的输入水平圆截面形成一个半径为r的虚拟圆；
下循环流体冷却套壳，同轴设置在所述下部圆锥段的外侧，所述下循环流体冷却外套壳的顶部设置第二循环流体入口，底部设置第二循环流体出口；
旋流同轴喷嘴，设置在所述下部圆锥段的底部，所述旋流同轴喷嘴包括中心燃料注入管和外层切向氧气注入管；
固液分离器，与反应器的产物出口相连接，所述固液分离器的固体产物出口经阀门连接至废液储罐，所述固液分离器的液相产物经背压阀降压后进入气液分离器；
所述气液分离器的气体产物出口连接至富氢气体浓缩装置，所述气液分离器的液体产物出口连接至有机浓缩装置形成高浓有机溶液经补充增压泵增压进入所述中心燃料注入管；
循环泵，所述循环泵的进料口与循环流体储罐相连接，所述循环泵的出料口与下循环流体冷却套壳上的第二循环流体入口相连接，第二循环流体出口与第一循环流体入口相连接，第一循环流体出口与所述循环流体储罐相连接，
循环流体储罐中的循环流体经循环泵增压后从第二循环流体入口进入下循环流体冷却套壳，吸收热液火焰的部分热量，从第二循环流体出口流出，从第一循环流体入口进入上循环流体加热套壳，为超临界水气化反应补充热量，从第一循环流体出口排出进入循环流体储罐，继续进入循环泵中循环。
2.根据权利要求1所述的热量自供型超临界水制氢系统，其特征在于，
沿圆周均匀布置4根或者6根或者8根所述废液水平注入管。
3.根据权利要求1所述的热量自供型超临界水制氢系统，其特征在于，还包括：
辅助燃料增压泵，所述辅助燃料增压泵的进料口与辅助燃料罐相连接，所述辅助燃料增压泵的出料口经预热器、加热器连接至所述中心燃料注入管，辅助燃料通过所述辅助燃料增压泵增压至23MPa以上，通过所述预热器和加热器增温至400℃～550℃。
4.根据权利要求3所述的热量自供型超临界水制氢系统，其特征在于，还包括：
氧气增压泵，所述氧气增压泵的进料口连接至氧气储罐，所述氧气增压泵的出料口连接至氧气注入管，氧气经氧气增压泵增压至23MPa以上。
5.根据权利要求4所述的热量自供型超临界水制氢系统，其特征在于，
针对辅助燃料中有机物氧化的过氧量系数控制在1.1～1.3。
6.根据权利要求1所述的热量自供型超临界水制氢系统，其特征在于，还包括：
废液增压泵，所述废液增压泵的进料口与所述废液储罐相连接，所述废液增压泵的出料口连接至废液水平注入管，废液储罐中的高含固有机废液经废液增压泵增压至23MPa。
7.根据权利要求6所述的热量自供型超临界水制氢系统，其特征在于，还包括：
能量回收装置，连接在反应器的产物出口与固液分离器之间，回收产物热量对产物初步降温，所述能量回收装置包括透平发电装置、换热器、蒸汽发生装置中的一种或几种。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的热量自供型超临界水制氢系统，其特征在于，
所述富氢气体浓缩装置包括溶液吸附装置、变压吸附装置中的一种或几种。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的热量自供型超临界水制氢系统，其特征在于，
所述有机浓缩装置包括蒸发装置、膜蒸馏装置、膜过滤装置中的一种或几种。
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