CN115075894A - 一种造纸黑液超临界水气化发电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
发明属于造纸黑液资源化利用技术领域，具体涉及一种造纸黑液超临界水气化发电系统及方法，包括进料机构、预热机构以及水气化反应机构，所述进料机构及预热机构之间设有换热机构一，所述水气化反应机构与透平机连通；所述透平机与换热机构一连接；透平后混合气通过分离、换热后导入发电机构，所述发电机构连通燃烧机构，燃烧机构与换热机构四连接，燃烧机构对预热机构和水气化反应机构供热。本发明相比现有技术具有以下优点：通过合理设计发电系统实现对富氢合成气的高效利用，节约黑液的蒸发能耗和生产过程中的分离能耗，提高能量效率至84.6%。
Description
技术领域
本发明属于造纸黑液资源化利用技术领域，具体涉及一种造纸黑液超临界水气化发电系统及方法。
背景技术
造纸工业的发展不仅与国家经济关系密切，也与社会文明建设紧密相关，近年来，伴随着国内生产总值的高速增长，我国纸及纸板的消费量也与日俱增，造纸工业废水中最主要的污染源是在制浆过程中产生的造纸黑液，黑液作为生物质能源，可利用其生产电能、热能和生物燃料，黑液气化技术被认为可替代传统的碱回收炉法，制浆过程中产生的黑液浓度较低（10-20wt%），需要消耗大量的能量用于蒸发，其次，碱盐在高温下熔融会带来严重的安全问题，因此，黑液气化联合循环发电是最直接和渐变的发展方向。黑液气化技术可以在纸浆厂发电，生产化学品或燃料二甲醚，合成天然气、甲醇、氢气或合成柴油，黑液气化是在还原条件下加压，生成的气体通常被称为合成气，包括氢气、一氧化碳、甲烷等；在《黑液气化技术研究进展》中指出，实现黑液利用过程中经济效益及资源价值最大化、环境污染最小化，是本领域技术人员的热点研究课题，现有技术中，通过控制运行温度和黑液中氧平衡分数，通过增加系统压力、提高黑液中氧平衡分数改变合成气中成分占比，进而保证较高的碳转换率和能源效率，得到输出能源占输入能源的比例为66%-74%；但现有技术通常需要对气化后产生的氢气进行分离后实现有效利用，而在此过程中会增加输入能源的消耗，因此，如何进一步对黑液处理过程中产生的能量有效利用进行研究。
发明内容
本发明的目的是针对现有造纸黑液在经过超临界水气化后会产生高温高压的富氢合成气，但未对氢气直接有效利用的问题，提供了一种造纸黑液超临界水气化发电系统及方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种造纸黑液超临界水气化发电系统，包括进料机构、预热机构以及水气化反应机构，所述进料机构及预热机构之间设有换热机构一，所述水气化反应机构的气体输出端与透平机的输入端连通，用于输送水气化混合气；所述透平机的输出端与换热机构一连接，用于输送透平后混合气；透平后混合气通过分离、换热后导入发电机构，所述发电机构的输出端通过连接换热机构三后连通燃烧机构，所述燃烧机构包括热量输出端和气体输出端，燃烧机构的气体输出端与换热机构四连接，燃烧机构的热量输出端与预热机构和水气化反应机构连接。
其中，所述进料机构通过连接加压泵分别导入水和黑液，水和黑液分别连接换热机构一的低温进入端，对应的，换热机构一的两个低温输出端分别与预热机构连通。
其中，所述透平机的输出端与换热机构一的高温输入端连接，换热机构一的高温输出端与换热机构二的高温输入端连接，换热机构二的高温输出端与分离器一的输入端连接，分离器一的气体输出端连接换热机构三的低温输入端连接，分离器一的液体输送端向外界导出液体；所述换热机构三的低温输入端连接导入常温空气的输送泵一，所述换热机构三的两个低温输出端连接发电机构，发电机构的输出端连通换热机构三的高温输入端，换热机构三的高温输出端与燃烧机构连接。
其中，所述换热机构四的低温输入端连接常温蒸汽输入管，换热机构四的低温输出端连接高温蒸汽输出管，此处的蒸汽输入管包括低压蒸汽输入管和中压蒸汽输入管；换热机构四的高温输出端连接分离器二；
所述换热机构二的低温输入端连接常温蒸汽输入管，换热机构二的低温输出端连接高温蒸汽输出管。
具体的，所述发电机构为燃料电池，燃料电池是一种高效的能量转换装置，由于其及较高的工作温度，可以利用多种染料，如煤和生物质产生的合成气、天然气和甲醇、没有等液体燃料，因此能对处理黑液超临界水气化产生的CH4、H2、CO、CO2能有效处理；虽然CH4和CO可直接氧化，但通常认为，CH4通过重整反应生成H2，CO通过水煤气变换反应生成H2，最终只有H2参与电化学反应，燃料利用率为85%。在实际生产中SOFC的总效率由最大热效率、电压效率、法拉第效率共同决定，常见工作条件下的总效率为0.6。SOFC产生的电为直流电，转换为交流电的逆变效率为0.97。SOFC同时产生大量的热量，用于加热进口物流和维持反应温度，剩余热量由尾气携带和冷却介质吸收。所述燃烧机构为天然气锅炉。
基于所述系统，提出一种造纸黑液超临界水气化发电方法，包括以下步骤：
（1）将水和黑液分别经过加压泵加压至25MPa，然后经换热后再分别经过预热器进行预热，水预热至700℃、黑液预热至300℃；
（2）经分别预热后的水和黑液导入水气化反应机构中混合，设置反应温度为700℃、压强为25MPa，完成后得到水气化混合气；
（3）所述水气化混合气进入透平机发电，泵效率为0.9、发电效率为0.72、压缩机效率为0.72，完成后得到高温透平后混合气；
（4）所述高温透平后混合气依次流经换热机构一和换热机构二，导入分离器一，经分离后分离出大部分水，剩余氢气混合气导入换热机构三，经换热机构三换热至700℃，由输送泵一导入的空气经换热机构三换热后导入发电机构中，经反应导出重整混合气；发电机构的工作压力为0.1MPa，出口重整混合气温度为900℃；
（5）所述重整混合气流经换热机构三后导入燃烧机构，同时分别由输送泵导入空气和甲烷，燃烧机构的效率为0.97；
（6）燃烧机构燃烧后导出燃烧废气，燃烧废气流经换热机构四后由分离器二进行分离，排出冷凝水和废气，燃烧废气对流经换热机构四的常温蒸汽进行加热。
具体的，所述黑液的浓度为15±5wt%，所述高温透平后混合气的压力为0.1MPa，主要包括H2、CH4、CO和CO2，所述剩余氢气混合气包括H2O和H2， H2O和H2的摩尔比为0.56/0.44。
本发明中水气化反应机构为采用超临界水气化技术处理湿生物质及有机废弃物，造纸黑液在经过超临界水气化后会产生高温高压的富氢合成气，通过合理设计发电系统实现对富氢合成气的高效利用，实现造纸黑液资源化利用的目标，实现了气化产物的高效利用和节能减排的发展目标，为造纸黑液超临界水气化技术未来的工业化利用提供参考数据和方案。
本发明相比现有技术具有以下优点：
（1）本发明中能量效率为84.6%，优于现有技术中66%-74%；
（2）系统产生的电能和蒸汽可满足纸浆厂的要求，能够直接应用于生产；除此之外，以黑液产量为350t/h导入系统，可对外输出189560 kW的电能，以及597346 kg·h-1的低压蒸汽；
（3）经水气化反应机构产生的氢气的能量在系统中直接转化为热能和电能，省去储存、运输的过程，优化生产系统；
（4）传统纸浆设备消耗的能量中约有37%来源于黑液的蒸发，而稀黑液（黑液的浓度为15±5wt%）在临界水环境下无需蒸发直接气化，节约蒸发能耗；
（5）省去从水气化混合气分离氢气的步骤，节约分离能耗；
（6）水气混合气本身具有高压，避免在进入透平机发电前的压缩所需高耗能；
（7）对黑液处理更彻底，整个过程不产生二次污染物，产生的CO2可以被捕集。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
其中，11-加压泵一，12-加压泵二，21-换热机构一，22-换热机构二，23-换热机构三，24-换热机构四，31-预热器一，32-预热器二，40-水气化反应机构，50-透平机，61-分离器一，62-分离器二，71-输送泵一，72-输送泵二，73-输送泵三，80-发电机构，90-燃烧机构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
下面将结合本发明实施例附图，对本发明实施例技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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作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。
本发明的发明构思为：造纸黑液在经过超临界水气化后会产生高温高压的富氢合成气，如能对其高效利用，可以实现造纸黑液资源化利用的目标。
针对造纸黑液超临界水气化产生的合成气在后续利用过程中所存在的问题，设计了造纸黑液超临界水气化发电系统，在该系统中，水和黑液由加压泵加压，然后分别预热并送入水气化反应机构，即超临界水气化反应器，黑液经水气化反应机构气化后的主要气体产品通过超临界透平机发电，在透平机中膨胀后的产物进入换热机构一中预热黑液和水；之后，经换热机构二再次利用热能，加热部分常温蒸汽，完成分离器分离后得到剩余氢气混合气，再通过换热机构三进行预热，空气和氧气导入发电机构80，都可作为燃料电池阴极氧化剂，氧化剂过量比为1.1，相比直接使用氧气减少输入能耗；发电机构发电后气体的热量通过换热机构三进行回收，用于预热反应物（剩余氢气混合气和空气），发电后气体经换热后导入燃烧机构，同时导入空气和甲烷，能够减少天然气锅炉燃烧时需要的天然气用量；天然气锅炉出口气体进入换热机构四中与不同条件的蒸汽进行换热，再进入分离器进行分离，分离为水和CO2，纯净的CO2可以被捕集以供进一步使用，水可以在超临界水气化或制浆过程中循环使用；使用天然气锅炉为预热器和水气化反应机构提供热能。
实施例1
如图1中所示，一种造纸黑液超临界水气化发电系统，包括进料机构、预热机构以及水气化反应机构，所述进料机构及预热机构之间设有换热机构一21；所述进料机构通过连接加压泵一11导入水，加压泵二12导入黑液，水和黑液分别连接换热机构一21的低温进入端，对应的，换热机构一21的两个低温输出端分别与预热机构一31和预热机构二32的输入端连接，预热机构一31和预热机构二32的输出端连接水气化反应机构40，所述水气化反应机构40的气体输出端与透平机50的输入端连通，用于输送水气化混合气；
所述透平机50的输出端与换热机构一21的高温输入端连接，换热机构一21的高温输出端与换热机构二22的高温输入端连接，所述换热机构二22的低温输入端连接常温蒸汽输入管，换热机构二22的低温输出端连接高温蒸汽输出管（此处常温蒸汽输入管为本领域常规技术，将常温蒸汽导入换热机构二22进行换热后由高温蒸汽输出管导出，导出的高温蒸汽除了可以用于造纸行业生产时化学药品的加热溶解，也可能对原材料、器械、设备进行高温灭菌，同时也能用于化工、供暖、酿酒、视频、建筑等行业，结合实际进行选择），此处换热机构二22的低温输出端导出的混合气温度为50℃；
所述换热机构二22的高温输出端与分离器一61的输入端连接，分离器一61的气体输出端连接换热机构三23的低温输入端连接，分离器一61的液体输送端向外界导出冷凝水；所述换热机构三23的低温输入端连接导入常温空气的输送泵一71，所述换热机构三23的两个低温输出端连接发电机构80；
所述发电机构80为燃料电池，发电机构80的输出端连通换热机构三23的高温输入端，换热机构三23的高温输出端与燃烧机构90连接，所述燃烧机构90为天然气锅炉，所述燃烧机构90包括热量输出端和气体输出端，燃烧机构90的气体输出端与换热机构四24连接，所述换热机构四24的低温输入端分别连接常温低压蒸汽输入管和常温高压蒸汽输入管，换热机构四24的低温输出端分别连接高温低压蒸汽输出管和高温高压蒸汽输出管；换热机构四24的高温输出端连接分离器二62，经分离器二62分离得到冷凝水和废气，最终废气温度为50℃；燃烧机构90的热量输出端与预热机构（包括预热机构31和预热机构32）和水气化反应机构40连接，为其供热。
基于前述系统，一种造纸黑液超临界水气化发电方法包括以下步骤：
（1）将水经过加压泵一11、黑液经过加压泵二12分别加压至25MPa，然后经换热机构一21后再分别经过预热器一31、预热器二32进行预热，水预热至700℃、黑液预热至300℃；
（2）经分别预热后的水和黑液导入水气化反应机构40中混合，设置反应温度为700℃、压强为25MPa，完成后得到水气化混合气；
（3）所述水气化混合气进入透平机50发电，泵效率为0.9、发电效率为0.72、压缩机效率为0.72，完成后得到高温透平后混合气，所述高温透平后混合气的压力为0.1MPa，主要包括H2、CH4、CO和CO2；
（4）所述高温透平后混合气依次流经换热机构一和换热机构二（图中路径a1-a2），导入分离器一61（路径a3），经分离后分离出大部分水，剩余氢气混合气导入换热机构三23（路径a4），述剩余氢气混合气包括H2O和H2， H2O和H2的摩尔比为0.56/0.44；
经换热机构三23换热至700℃（路径a5），由输送泵一71导入的空气经换热机构三23换热后导入发电机构80中，经反应导出重整混合气；发电机构80的工作压力为0.1MPa，出口重整混合气温度为900℃；
（5）所述重整混合气流经换热机构三23后导入燃烧机构90，同时分别由输送泵二72导入空气、输送泵三73导入甲烷，燃烧机构90的效率为0.97；
（6）燃烧机构90燃烧后导出燃烧废气，燃烧废气流经换热机构四24后由分离器二62进行分离，排出冷凝水和废气exhaust，燃烧废气对流经换热机构四24的常温低压蒸汽和常温高压蒸汽进行加热。
本实施例中选择日产量1000 ADt的典型制浆厂作为实验对象，平均每日纸浆生产时间为20小时，纸浆产量为每小时50 Adt，制浆厂每生产1吨纸浆会产生约7吨黑液，因此黑液的产量约为350 t/h，制浆过程中黑液的浓度通常在10%-20%之间，因此以黑液浓度为15wt%进行计算，由于不同浓度的黑夜在水气化反应机构40输出结果相同，因此不会对结果产生较大误差；得出黑液的产率为52500 kg·h-1。
制浆过程的能量消耗包括： 26581 kw电能、53053 kg·h-1中压蒸汽（MP，25 MPa，205 ℃）和72446 kg·h-1低压蒸汽（LP，0.41 MPa，145 ℃）。
在设计系统时，首先考虑利用黑液超临界水气化热电系统产生的电力和蒸汽满足制浆过程的能耗，能量效率84.6%在满足制浆需求后，可对外输出189560 kW的电能，还可分别对外输出597346 kg·h-1的低压蒸汽。
本发明中换热机构的低温输出端与低温输入端对应，为低温流体的流经通道，低温流体流经换热机构后温度由低到高；高温输出端与高温输入端对应，为高温流体的流经通道，高温流体流经换热机构后温度由高到低。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种造纸黑液超临界水气化发电系统，包括进料机构、预热机构以及水气化反应机构，其特征在于，所述进料机构及预热机构之间设有换热机构一，所述水气化反应机构的气体输出端与透平机的输入端连通，用于输送水气化混合气；所述透平机的输出端与换热机构一连接，用于输送透平后混合气；透平后混合气通过分离、换热后导入发电机构，所述发电机构的输出端通过连接换热机构三后连通燃烧机构，所述燃烧机构包括热量输出端和气体输出端，燃烧机构的气体输出端与换热机构四连接，燃烧机构的热量输出端与预热机构和水气化反应机构连接。
2.如权利要求1所述一种造纸黑液超临界水气化发电系统，其特征在于，所述进料机构通过连接加压泵分别导入水和黑液，水和黑液分别连接换热机构一的低温进入端，对应的，换热机构一的两个低温输出端分别与预热机构连通。
3.如权利要求1所述一种造纸黑液超临界水气化发电系统，其特征在于，所述透平机的输出端与换热机构一的高温输入端连接，换热机构一的高温输出端与换热机构二的高温输入端连接，换热机构二的高温输出端与分离器一的输入端连接，分离器一的气体输出端连接换热机构三的低温输入端连接，分离器一的液体输送端向外界导出液体；所述换热机构三的低温输入端连接导入常温空气的输送泵一，所述换热机构三的两个低温输出端连接发电机构，发电机构的输出端连通换热机构三的高温输入端，换热机构三的高温输出端与燃烧机构连接。
4.如权利要求1所述一种造纸黑液超临界水气化发电系统，其特征在于，所述换热机构四的低温输入端连接常温蒸汽输入管，换热机构四的低温输出端连接高温蒸汽输出管；换热机构四的高温输出端连接分离器二；
所述换热机构二的低温输入端连接常温蒸汽输入管，换热机构二的低温输出端连接高温蒸汽输出管。
5.如权利要求1所述一种造纸黑液超临界水气化发电系统，其特征在于，所述发电机构为燃料电池；所述燃烧机构为天然气锅炉。
6.一种如权利要求1所述系统的造纸黑液超临界水气化发电方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将水和黑液分别经过加压泵加压至25MPa，然后经换热后再分别经过预热器进行预热，水预热至700℃、黑液预热至300℃；
（2）经分别预热后的水和黑液导入水气化反应机构中混合，设置反应温度为700℃、压强为25MPa，完成后得到水气化混合气；
（3）所述水气化混合气进入透平机发电，泵效率为0.9、发电效率为0.72、压缩机效率为0.72，完成后得到高温透平后混合气；
（4）所述高温透平后混合气依次流经换热机构一和换热机构二，导入分离器一，经分离后分离出大部分水，剩余氢气混合气导入换热机构三，经换热机构三换热至700℃，由输送泵一导入的空气经换热机构三换热后导入发电机构中，经反应导出重整混合气；发电机构的工作压力为0.1MPa，出口重整混合气温度为900℃；
（5）所述重整混合气流经换热机构三后导入燃烧机构，同时分别由输送泵导入空气和甲烷，燃烧机构的效率为0.97；
（6）燃烧机构燃烧后导出燃烧废气，燃烧废气流经换热机构四后由分离器二进行分离，排出冷凝水和废气，燃烧废气对流经换热机构四的常温蒸汽进行加热。
7.如权利要求6所述一种造纸黑液超临界水气化发电方法，其特征在于，所述黑液的浓度为15±5wt%。
8.如权利要求6所述一种造纸黑液超临界水气化发电方法，其特征在于，所述高温透平后混合气的压力为0.1MPa，主要包括H2、CH4、CO和CO2。
9.如权利要求6所述一种造纸黑液超临界水气化发电方法，其特征在于，所述剩余氢气混合气包括H2O和H2， H2O和H2的摩尔比为0.56/0.44。
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