CN115180708B - 一种超临界水气化反应器及能量利用系统 - Google Patents

Abstract

一种超临界水气化反应器及能量利用系统，包括同轴设置的承压外壳和多孔内壳，承压外壳包括从上至下连接的上锥形段、圆柱段及下锥形段，上锥形段顶部设有产物出口管，圆柱段的侧壁设有热源注入口，下锥形段设有冷却水注入管，下锥形段底部中心设有废液注入管，废液注入管延伸至圆柱段的上部，下锥形段一侧还设有残渣排出管，多孔内壳设置于圆柱段内侧，与圆柱段上下端平齐。反应器通过侧面热源注入口注入热源进行均匀持续补热，弥补气化反应造成温度逐渐下降的问题，实现气化反应区温度场的均匀并强化传热传质，加速气化速率和效率，侧面注入的热源通过冲刷等作用对反应器内壁面进行防护，有效避免反应过程的腐蚀、结焦等问题。

Description

一种超临界水气化反应器及能量利用系统

技术领域

本发明涉及能源技术领域，特别是涉及一种超临界水气化反应器及能量利用系统。

背景技术

超临界水(P_C>22.1MPa，T_C>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。有机物超临界水气化制备富氢气体，后续通过氧化产生高温流体进行发电，可实现各类燃料、有机废弃物、有机废液的高效处理和能源化利用。

由于超临界水气化反应的高温条件，物料需要预热至超临界温度，该过程一般需要大量的热能输入，造成工艺能耗大成本高。但超临界水气化反应为吸热反应，反应过程控制不当，容易造成反应效率慢、产气率低。高含固等有机废弃物在预热段容易结垢和堵塞，且高含固废液中大量颗粒的存在，固相颗粒容易堆积，显著增加传热传质阻力，造成超临界水气化反应效率不高，抑制反应速率和产气率，且反应过程的腐蚀、结焦等问题会极大影响反应器的安全高效运行。而富氢气体燃料有机浓度大、热值高，后续氧化过程释放的反应热巨大，容易造成反应器过热。因此，有必要设计一种更好的反应器，以解决上述问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种超临界水气化反应器及能量利用系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超临界水气化反应器，包括同轴设置的承压外壳和多孔内壳，所述承压外壳包括从上至下连接的上锥形段、圆柱段及下锥形段，所述上锥形段顶部设有产物出口管，所述圆柱段的侧壁设有热源注入口，所述热源注入口连接于多个热源注入管，所述热源注入管均匀设置于所述圆柱段的轴向和圆周方向，所述下锥形段设有冷却水注入管，所述下锥形段底部中心设有废液注入管，所述废液注入管延伸至所述圆柱段的上部，所述下锥形段一侧还设有残渣排出管，所述多孔内壳设置于所述圆柱段内侧，与所述圆柱段上下端平齐。

进一步，所述上锥形段设有多层圆锥挡板，所述圆锥挡板与水平方向的夹角为20～80°。

进一步，所述多孔内壳的顶部通过上固定环连接于所述圆柱段的顶部，所述多孔内壳的底部通过下固定环连接于所述圆柱段的底部，所述圆柱段、所述多孔内壳、所述上固定环及所述下固定环之间形成加热保护环隙。

进一步，所述上固定环和所述下固定环为弹性件。

进一步，所述多孔内壳的壁厚从上至下逐渐降低，形成倒锥形，倾斜角度为75～85°。

一种能量利用系统，包括上述超临界水气化反应器，所述产物出口管连接于冷壁反应器的入口，所述冷壁反应器的另一入口连接于氧气罐，在所述超临界水气化反应器内反应后的富含氢气的燃料产物与氧气在所述冷壁反应器内发生超临界水氧化反应，所述冷壁反应器的出口连接于所述热源注入口，为所述超临界水气化反应器持续补热，所述冷却水注入管连接于冷却水罐，所述废液注入管连接于废液罐，所述废液罐与所述废液注入管之间设有第一预热器和废液增压泵，废液预热增压后由所述废液注入管注入所述超临界水气化反应器内，所述残渣排出管连接于固液分离器。

进一步，所述冷壁反应器包括承压外壁和换热内壁，所述承压外壁与所述换热内壁之间的环隙形成纯水通道，低温纯水由所述冷壁反应器顶部的纯水入口注入所述纯水通道，由所述冷壁反应器底部侧边的纯水出口排出，所述纯水出口连接于汽轮机，所述汽轮机连接于发电机，排出的纯水进入汽轮机做工并带动发动机发电。

进一步，所述汽轮机连接于冷却器，所述冷却器连接于循环泵，所述循环泵连接于第二换热器，所述第二换热器连接于所述纯水入口，降温降压后的纯水进入冷却器降至常温常压，通过所述循环泵增压、所述第二换热器预热后进入所述纯水通道，循环利用。

进一步，所述固液分离器连接于所述第一换热器，所述第一换热器连接于所述第二换热器，所述第二换热器连接于气液分离器，所述气液分离器与所述第二换热器之间设有背压阀，固液分离器的液体产物进入所述第一换热器，降温后进入所述第二预热器对纯水进行预热，通过所述背压阀降至常压后进入所述气液分离器，分离为二氧化碳和液体，液体供给所述冷却水罐。

进一步，所述固液分离器的底部连接有第一截止阀，所述第一截止阀连接于灰渣罐，所述灰渣罐底部连接有第二截止阀，通过控制所述第一截止阀和第二截止阀的开关，控制所述固液分离器的灰渣排出。

本发明的有益效果：

反应器通过侧面热源注入口注入热源进行均匀持续补热，弥补气化反应造成温度逐渐下降的问题，实现气化反应区温度场的均匀并强化传热传质，加速气化速率和效率，同时热源中含有少量的氧气，使有机物发生部分氧化反应，进一步促进有机物的分解和产气率，此外，侧面注入的热源通过冲刷等作用对反应器内壁面进行防护，有效避免反应过程的腐蚀、结焦等问题。

附图说明

图1为本发明能量利用系统的结构示意图；

图2为本发明超临界水气化反应器的结构示意图；

图3为图2中A处的局部放大图；

图4为本发明能量利用系统中冷壁反应器的结构示意图；

图中，1—反应器、101—承压外壳、102—多孔内壳、103—上锥形段、104—圆柱段、105—下锥形段、106—产物出口管、107—热源注入口、108—热源注入管、109—冷却水注入管、110—废液注入管、111—残渣排出管、112—圆锥挡板、113—上固定环、114—下固定环、2—冷壁反应器、201—承压外壁、202—换热内壁、203—纯水通道、204—纯水入口、205—纯水出口、3—氧气增压泵、4—氧气罐、5—循环泵、6—冷却器、7—汽轮机、8—发电机、9—气液分离器、10—背压阀、11—第二预热器、12—废液罐、13—废液增压泵、14—第一预热器、15—灰渣罐、16—第二截止阀、17—第一截止阀、18—固液分离器、19—冷却水罐、20—冷却水增压泵。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

如图1至图3，本发明提供一种超临界水气化反应器及能量利用系统，超临界水气化反应器1包括同轴设置的承压外壳101和多孔内壳102，承压外壳101包括从上至下连接的上锥形段103、圆柱段104及下锥形段105，其中下锥形段105为倒锥形。上锥形段103顶部中心设有产物出口管106，圆柱段104的侧壁设有热源注入口107，热源注入口107连接于多个热源注入管108，热源注入管108均匀设置于圆柱段104的轴向和圆周方向，在本实施例中，热源注入口107在圆柱段104的轴向和圆周方向分别均匀布置2-4根热源注入管108，使热源均匀注入反应器1内。下锥形段105的中下部设有冷却水注入管109，冷却水注入管109的出口朝下。下锥形段105底部中心设有废液注入管110，废液注入管110向上延伸至圆柱段104的上部，由于废液注入管110深入反应器1的长度，使得废液在反应器1内进一步预热后喷出，进而进行初步超临界水气化反应。下锥形段105一侧还设有残渣排出管111。

多孔内壳102设置于圆柱段104内侧，与圆柱段104上下端平齐，多孔内壳102的壳壁均匀设有多个小孔，热源由热源注入口107进入承压外壳101和多孔内壳102之间，并由多孔内壳102的小孔渗入内部。多孔内壳102的顶部通过上固定环113连接于圆柱段104的顶部，多孔内壳102的底部通过下固定环114连接于圆柱段104的底部，圆柱段104、多孔内壳102、上固定环113及下固定环114之间形成加热保护环隙。优选的，上固定环113和下固定环114为弹性件，便于实现多孔内壳102的安装、固定和密封。在本实施例中，多孔内壳102材质包含耐温防腐蚀的陶瓷、钛合金、奥氏体合金等，可为粉末烧结、编织型，多孔内壳102的孔隙率为10-40％，孔径为10-50μm，以实现热源沿圆周均匀分布，且避免沉积无机盐和焦炭堵塞多孔通道。

优选的，多孔内壳102的壁厚从上至下逐渐降低，形成倒锥形，倾斜角度β为75～85°，以实现高温热源的注入量从上至下逐渐增压，弥补反应温度从上至下逐渐下降的趋势。

优选的，上锥形段103设有多层同轴圆锥挡板112，圆锥挡板112与水平方向的夹角α为20～80°，废液由废液注入管110喷出后，进行初步超临界水气化反应，反应产物经重力及圆锥挡板112的惯性分离作用，实现气固分离，富含氢气的燃料产物从产物出口管106排出。通过反应器1实现高效的气固分离并形成清洁的富氢气体燃料，便于后续超临界水氧化过程高效和清洁的进行。反应器1底部的冷却区可实现固体灰渣的冷却、二氧化碳的吸收，避免反应器1的堵塞并有利于后续的分离。而气化反应器1产物的清洁特性，避免了氧化反应过程的腐蚀等问题，进而氧气反应器的防腐要求大大降低，主要防止过热即可。

本发明超临界水气化反应器1，通过侧面热源注入口107注入热源进行均匀持续补热，弥补气化反应造成温度逐渐下降的问题，实现气化反应区温度场的均匀并强化传热传质，加速气化速率和效率，同时热源中含有少量的氧气，使有机物发生部分氧化反应，进一步促进有机物的分解和产气率，此外，侧面注入的热源通过冲刷等作用对反应器1内壁面进行防护，有效避免反应过程的腐蚀、结焦等问题。

如图1至图4，本发明能量利用系统，包括上述反应器1，反应器1顶部的产物出口管106连接于冷壁反应器2的入口，冷壁反应器2的另一入口连接于氧气罐4，在超临界水气化反应器1内反应后的富氢燃料产物与氧气在冷壁反应器2内发生超临界水氧化反应，冷壁反应器2的出口连接于热源注入口107，为超临界水气化反应器持续补热，冷却水注入管109连接于冷却水罐19，废液注入管110连接于废液罐12，废液罐12与废液注入管110之间设有第一预热器14和废液增压泵13，废液预热增压后由废液注入管110注入超临界水气化反应器1内，残渣排出管111连接于固液分离器18。

废液罐12中的高含固有机废液经调质搅拌等预处理形成均质浆液，经废液增压泵13增压至23MPa以上，通过第一预热器14预热后从废液注入管110注入反应器1。废液预热温度在250-300℃，由于废液注入管110深入反应器1的长度，使得废液可通过反应产物在反应器1内进一步预热后喷出，进而进行初步超临界水气化反应。反应产物经重力及圆锥挡板112的惯性分离作用，实现气固分离，富含氢气的燃料产物从产物出口管106排出。在本实施例中，高含固有机废液的含固率在1-10wt.％，废液中颗粒尺寸小于50μm，废液中有机物浓度在1-30wt.％，高含固有机废液也可为高含水固体有机物制浆形成，如生物质、污泥等，也可为固体燃料制成的浆液，如煤等。

冷壁反应器2为双壳反应器，包括承压外壁201和换热内壁202，超临界水氧化反应在换热内壁202内进行，承压外壁201与换热内壁202之间的环隙形成纯水通道203，通过低温纯水的注入，一方面冷却中心的反应产物，避免换热内壁202过热，另一方面纯水自身吸热形成超临界水对外输出。富含氢气的燃料产物从冷壁反应器2的顶部中心入口注入，与此同时氧气罐4中的氧气经氧气增压泵3增压至23MPa以上，从冷壁反应器2的顶部中心另一入口注入。氧气流量为高含固有机废液中有机物完全氧化所需氧气的1-1.2倍，富含氢气的燃料产物和氧气发生超临界水氧化反应，由于有机物浓度高而形成高温热液火焰，进而快速高效降解，并在纯水通道203的纯水冷却下适度降温，避免冷壁反应器2过热。

冷壁反应器2内反应产物和纯水的流向为顺流，即低温纯水由冷壁反应器2顶部的纯水入口204注入纯水通道203，吸热后形成超临界水由冷壁反应器2底部侧边的纯水出口205排出，纯水出口205连接于汽轮机7，汽轮机7连接于发电机8，排出的纯水进入汽轮机7做工并带动发动机8发电。汽轮机7连接于冷却器6，冷却器6连接于循环泵5，循环泵5连接于第二换热器11，第二换热器11连接于纯水入口204，降温降压后的纯水进入冷却器6降至常温常压，通过循环泵5增压至23MPa以上，并经第二换热器11预热后由纯水入口204进入纯水通道203循环利用。

冷壁反应器2出口的反应产物温度为500-700℃，形成超临界水并含有大量二氧化碳和少量氧气的混合介质。冷壁反应器2出口的反应产物连接热源注入口107，热源通过热源注入口107注入加热保护环隙，并通过多孔内壳102均匀渗入反应器1内部。侧面注入的热源流体，一方面通过冲刷对多孔内壳102内部进行保护，避免反应过程的腐蚀及超临界水气化反应的结焦等问题；另一方面由于超临界水气化反应的吸热特性，反应温度会逐渐下降影响反应效率和速率，而侧面注入流体的高温特性，可对超临界水气化反应进行均匀持续补热，促进有机物的气化反应；再者，由于侧面注入流体的径向速度，与反应物的轴向速度耦合，进而可强化中心气化反应的传热传质，进一步加快反应。且由于热源流体中含有少量的氧气，在超临界水条件下可提供更多的活性反应基团(如OH^.等)，可促使有机物发生部分氧化反应，加速有机物的分解进而形成更多的富含氢气燃料气体产物。氧气的循环利用不仅加速气化，而且使整体系统在低过氧量系数条件下高效运行(氧化反应器中的氧化对象为富氢燃气，容易形成热液火焰，反应速率极快，不需高过氧量系数保证完全降解；而气化反应器利用氧化反应器剩余的过量氧气，实现复杂结构有机物的气化降解，实现富氢气体的高效与高产率)，可大大降低系统的运行成本。此外，由于二氧化碳在冷壁反应器2中产生并进入超临界水气化反应器1，后续富集再循环进入冷壁反应器2，由于自身的不反应和稀释冷却特性，可减缓冷壁反应器2中的反应热释放，避免冷壁反应器2的过热。

废液中有机物完全气化后剩余的灰渣落入反应器1下部的冷却区。冷却水罐19中的冷却水进入冷却水增压泵20增压至23MPa以上从冷却水注入管108注入反应器1的下部，因此反应器1下部形成冷却区。灰渣或无机盐在冷却区内冷却后进入固液分离器18，通过固液分离器18将固体灰渣和含有二氧化碳的液体分离。固液分离器18连接于第一换热器14，第一换热器14连接于第二换热器11，第二换热器11连接于气液分离器9，气液分离器9与第二换热器11之间设有背压阀10。固液分离器18的液体产物进入第一换热器14，对废液进行预热，同时液体降温，降温后进入第二预热器11对纯水进行预热，通过背压阀10降至常压后进入气液分离器9，分离为高纯二氧化碳和液体，高纯二氧化碳可直接收集利用，液体供给冷却水罐19，实现系统节水。

固液分离器8的底部连接有第一截止阀17，第一截止阀17连接于灰渣罐15，灰渣罐15底部连接有第二截止阀16，通过控制第一截止阀17和第二截止阀16的开关，控制固液分离器的灰渣排入灰渣罐15或进一步排出系统。气化反应器1底部的冷却区吸收灰渣和二氧化碳的热量后排出，分别作为废液和纯水的预热热源，形成高效的能量利用系统。

本发明能量利用系统，气化反应产生后的富含氢气燃料进入冷壁反应器2，通过富集的二氧化碳的稀释作用和纯水的间壁冷却作用，控制反应热的释放速率并避免冷壁反应器2过热，同时，该过程产生的超临界水可直接进入汽轮机7发电。固体灰渣落入气化反应器1底部的冷却区，通过冷却水的注入，吸收一部分二氧化碳从反应器1底部排出，通过固液分离形成灰渣和液体，灰渣通过阀门切换进入灰渣罐15或排出系统，液体为溶解二氧化碳的高温高压水，其先后作为废液的预热热源和纯水回路预热热源，后续降压进行高纯二氧化碳的收集。本发明实现了有机物的高效气化，气固分离，残渣冷却及产物循环，超临界水氧化的产物循环实现气化的高效及后续氧化反应热的有序释放，且有利于高纯二氧化碳的分离、收集和利用。超临界水气化耦合氧化的反应系统，高品质电能的输出及能量的回收互补利用，不仅省去电加热器设备投资和的巨大能耗输入(在一般系统中能耗占比及损耗大)，而且实现有机物反应热的分级释放及系统能量的梯级高效利用，整体系统在低过氧量系数条件下运行，显著降低系统运行成本。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种超临界水气化反应器，其特征在于，包括：同轴设置的承压外壳和多孔内壳，所述承压外壳包括从上至下连接的上锥形段、圆柱段及下锥形段，所述上锥形段顶部设有产物出口管，所述圆柱段的侧壁设有热源注入口，所述热源注入口连接于多个热源注入管，所述热源注入管均匀设置于所述圆柱段的轴向和圆周方向，所述下锥形段设有冷却水注入管，所述下锥形段底部中心设有废液注入管，所述废液注入管延伸至所述圆柱段的上部，所述下锥形段一侧还设有残渣排出管，所述多孔内壳设置于所述圆柱段内侧，与所述圆柱段上下端平齐。

2.根据权利要求1所述的超临界水气化反应器，其特征在于：所述上锥形段设有多层圆锥挡板，所述圆锥挡板与水平方向的夹角为20°～80°。

3.根据权利要求1所述的超临界水气化反应器，其特征在于：所述多孔内壳的顶部通过上固定环连接于所述圆柱段的顶部，所述多孔内壳的底部通过下固定环连接于所述圆柱段的底部，所述圆柱段、所述多孔内壳、所述上固定环及所述下固定环之间形成加热保护环隙。

4.根据权利要求3所述的超临界水气化反应器，其特征在于：所述上固定环和所述下固定环为弹性件。

5.根据权利要求1所述的超临界水气化反应器，其特征在于：所述多孔内壳的壁厚从上至下逐渐降低，形成倒锥形，倾斜角度为75°～85°。

6.一种能量利用系统，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的超临界水气化反应器，所述产物出口管连接于冷壁反应器的入口，所述冷壁反应器的另一入口连接于氧气罐，在所述超临界水气化反应器内反应后的富含氢气的燃料产物与氧气在所述冷壁反应器内发生超临界水氧化反应，所述冷壁反应器的出口连接于所述热源注入口，为所述超临界水气化反应器持续补热，所述冷壁反应器包括承压外壁和换热内壁，所述承压外壁与所述换热内壁之间的环隙形成纯水通道，低温纯水由所述冷壁反应器顶部的纯水入口注入所述纯水通道，由所述冷壁反应器底部侧边的纯水出口排出，所述纯水出口连接于汽轮机，所述汽轮机连接于发电机，排出的纯水进入汽轮机做工并带动发动机发电，所述冷却水注入管连接于冷却水罐，所述废液注入管连接于废液罐，所述废液罐与所述废液注入管之间设有第一预热器和废液增压泵，废液预热增压后由所述废液注入管注入所述超临界水气化反应器内，所述残渣排出管连接于固液分离器。

7.根据权利要求6所述的能量利用系统，其特征在于：所述汽轮机连接于冷却器，所述冷却器连接于循环泵，所述循环泵连接于第二换热器，所述第二换热器连接于所述纯水入口，降温降压后的纯水进入冷却器降至常温常压，通过所述循环泵增压、所述第二换热器预热后进入所述纯水通道，循环利用。

8.根据权利要求7所述的能量利用系统，其特征在于：所述固液分离器与第一换热器连接，所述第一换热器连接于所述第二换热器，所述第二换热器连接于气液分离器，所述气液分离器与所述第二换热器之间设有背压阀，固液分离器的液体产物进入所述第一换热器，并在降温后进入第二预热器对纯水进行预热，通过所述背压阀降至常压后进入所述气液分离器，分离为二氧化碳和液体，液体供给所述冷却水罐。

9.根据权利要求6所述的能量利用系统，其特征在于：所述固液分离器的底部连接有第一截止阀，所述第一截止阀连接于灰渣罐，所述灰渣罐底部连接有第二截止阀，通过控制所述第一截止阀和第二截止阀的开关，控制所述固液分离器的灰渣排出。