CN117050785A - 一种分布式制氢加氢系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分布式制氢加氢系统，包括：反应器，该反应器包括依次连接的顶部圆形端盖、上部圆柱外壳、下部圆锥外壳和底部圆形端盖；废液支路，用于预处理有机废液，并将预处理后的有机废液提供至反应器；氧气支路，用于向反应器中提供氧气；余热回收支路，对反应器输出的氢气和气化反应物进行处理；残液循环支路，用于处理所述余热回收支路输出的残液获得循环残液并输入反应中，氢气提纯及加氢系统，用于对余热回收支路输出的氢气进行提纯并储存。本发明提供的系统通过两级分离膜分离提纯分别从氢气的产量和纯度适应加氢站的需求，系统大部分能量均可通过废液自身的有机物的化学能提供，降低了系统能耗并提高了经济性。

Description

一种分布式制氢加氢系统

技术领域

本发明涉及到氢能制备技术领域，尤其涉及到一种分布式制氢加氢系统。

背景技术

随着化石能源的大量消耗对环境影响的日益加剧以及可持续发展的要求，可再生能源的开发利用日益受到重视。氢能不仅燃烧热值高、零排放、质量轻，而且能向多种能源转化，因此作为一种可循环利用的绿色能源受到广泛关注。目前工业大规模制氢是以天然气、煤等矿物能源为原料的传统气化炉技术，其具有气化效率低，能耗高、碳排放强度高等缺点，其他新型的制氢路线还包括利用太阳能的电解和光解法，其制氢成本仍相对较高。

超临界水气化较之其他的生物质热化学制氢技术有着独特的优势，它可以使含水量高的湿物料直接气化，不需要高能耗的干燥过程，不会造成中间污染。超临界水是指温度和压力均高于其临界点(温度大于374℃，压力大于22.1MPa)的具有特殊性质的水，其应用于有机废弃物的降解和能源化利用具有广阔前景。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，有机物迅速气化产生富氢气体。

超临界水气化工艺常规通过降压分离获得富氢气体，首先经变压吸附等多重装置进行分离提纯达到氢燃料电池的纯度要求，后续再进行增压存储及供应加氢站。传统分离提纯工艺不仅投资占地要求高，而且为了保证纯度，所获得的产品氢气量会大大降低。此外，所获得的氢气是常压产品，后续需要重新加压达到储氢加氢要求，过程能耗巨大。

发明内容

鉴于现有技术的上述不足，本发明提供一种分布式制氢加氢系统，有效解决有机废弃物超临界水气化制氢过程中氢气的分离提纯依赖传统的变压吸附等大型装置，投资占地要求高和制氢能耗巨大的问题。

本发明提供一种分布式制氢加氢系统，包括：反应器、废液支路、氧气支路、余热回收支路、残液循环支路和氢气提纯及加氢系统，其中：

所述反应器包括依次连接的顶部圆形端盖、上部圆柱外壳、下部圆锥外壳和底部圆形端盖，所述上部圆柱外壳内部同轴设置膜管和废液喷管，所述废液喷管位于所述膜管内部，所述废液喷管与所述膜管中间的环隙为气化反应区及氢气分离区，所述膜管和废液喷管的上边缘均与所述顶部圆形端盖连接，所述膜管和废液喷管的下边缘高于上部圆柱外壳的下边缘，所述膜管的下边缘处设置圆形密封环，所述圆形密封环与所述膜管、上部圆柱外壳、顶部圆形端盖形成渗透流体的流动空间，所述流动空间与顶部圆形端盖的交汇圆环处设置氢气排出口，所述顶部圆形端盖中心与所述废液喷管连接处设置废液注入口，所述气化反应区及氢气分离区与顶部圆形端盖的交汇圆环处设置气化产物出口，所述底部圆形端盖上同轴设置同轴喷嘴，所述同轴喷嘴包括内管和外管，所述外管上设置氧气注入口，所述内管上设置循环残液注入口，所述同轴喷嘴出口伸入所述下部圆锥外壳的内部空间，所述同轴喷嘴出口位置不超过所述上部圆柱外壳的下边缘；

所述废液支路连接所述废液注入口，所述废液支路用于预处理有机废液，并将预处理后的有机废液提供至所述反应器；

所述氧气支路连接所述氧气注入口，用于向反应器中提供氧气；

所述余热回收支路分别连接所述氢气排出口和气化产物出口，所述余热回收支路对所述流动空间输出的氢气进行处理分离出液体，同时对所述反应器输出的气化反应物进行处理获得燃料气和残液；

所述残液循环支路连接所述循环残液注入口，用于处理所述余热回收支路输出的残液获得循环残液，所述循环残液和所述氧气支路提供的氧气在下部圆锥外壳的内部空间发生剧烈超临界水氧化反应，形成热液火焰；

氢气提纯及加氢系统连接所述余热回收支路，用于对所述余热回收支路输出的氢气进行提纯并储存。

作为优选的，所述废液支路包括废液罐、废液增压泵和第一预热器，所述废液罐中的有机废液经所述废液增压泵增压至23MPa以上，再经第一预热器进行预热后从所述废液注入口注入所述反应器。

作为优选的，所述有机废液中固体颗粒浓度为1-20％，固体颗粒尺寸小于50um。

作为优选的，所述氧气支路包括氧气罐和氧气增压泵，所述氧气罐中的氧气经所述氧气增压泵增压至23MPa以上，从所述氧气注入口注入所述反应器。

作为优选的，所述氧气支路注入所述反应器中的氧气流量是残液有机物完全氧化所需氧气量的1.05-1.25倍。

作为优选的，所述余热回收支路包括氢气余热回收支路和燃料气余热回收支路，其中：

所述氢气余热回收支路包括第一预热器和第一气液分离器，所述氢气排出口输出的氢气经所述第一预热器对废液进行初步预热而自身得到冷却，然后进入第一气液分离器分离出液体；

所述燃料气余热回收支路包括第二预热器、降压阀、第二气液分离器和燃料气罐，所述气化反应产物出口输出的气化反应物进入第二预热器对残液进行预热，自身初步冷却至350℃以下，然后经所述降压阀降压至10-20Mpa后进入所述第二气液分离器分离获得燃料气和残液，所述燃料气通过所述第二气液分离器的上出口进入所述燃料气罐，所述残液通过所述第二气液分离器的下出口进入所述残液循环支路。

作为优选的，所述残液循环支路包括调压阀、第三气液分离器、循环泵和喷射器，所述第二气液分离器的下出口输出的残液经所述调压阀降压后进入所述第三气液分离器进行气液分离获得浓缩残液和气体，所述浓缩残液经所述循环泵增压后进入所述喷射器进行混合调压，然后经所述第二预热器预热后从所述循环残液注入口注入所述反应器，其中所述循环泵增压后的压力比所述氧气增压泵增压后的压力高2-5Mpa。

作为优选的，所述残液循环支路还包括背压阀和第四气液分离器，所述第三气液分离器进行气液分离获得的气体经所述背压阀降至常压后进入所述第四气液分离器进一步分离气体和液体后进行排放。

作为优选的，所述燃料气回收支路中的燃料气罐连接所述残液循环支路中的喷射器，所述燃料气罐中的部分燃气输入所述喷射器，用于补充残液的有机浓度。

作为优选的，所述氢气提纯及加氢系统包括膜分离装置、氢气增压泵、储氢罐和加氢机，所述第一气液分离器输出的氢气通过所述膜分离装置进一步提纯，再经氢气增压泵增压至60MPa以上后进入所述储氢罐，所述储氢罐连接所述加氢机。

本发明提供的分布式制氢加氢系统设计反应器，通过该反应器结构设计，有机废液初步预热后，再经过热液火焰快速预热结合残留氧气，提高物料的气化效率和产氢效率。反应器内部设置的膜分离结构，实现氢气的原位分离，可促进气化反应的氢气分离，提高产氢率和避免甲烷化反应，同时便于后续进一步提纯和高压存储。高纯氢气通过两级分离膜分离提纯，第一级可促进废液的气化效率和避免产物的甲烷化反应，进而促进产氢率；第二级在常温下进一步提高氢气的纯度，两级分离提纯分别从氢气的产量和纯度适应加氢站的需求，同时该方式可最大限度利用超临界系统的压力能，避免后续储氢加氢需要高能耗加压。超临界水气化产物通过降温调压进入高压气液分离器，分离形成的残液进行循环，避免二次排放，除氢气外的气化产物经分离获得高纯二氧化碳和燃料气，二氧化碳便于后续封存或利用；燃料气一部分用于补充残液有机浓度，保证热液火焰的形成和稳定，另一部分进行储存对外使用，因此系统大部分能量均可通过废液自身的有机物的化学能提供，大大降低系统能耗并提高经济性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的分布式制氢加氢系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的分布式制氢加氢系统中反应器的结构示意图；

其中，图1和图2中附图标记与部件之间的对应关系为：

1.反应器；2.燃料气罐；3.第二气液分离器；4.背压阀；5.第四气液分离器；6.第三气液分离器；7.调压阀；8.循环泵；9.喷射器；10.降压阀；11.第二预热器；12.氧气增压泵；13.氧气罐；14.第一气液分离器；15.膜分离装置；16.氢气增压泵；17.加氢机；18.储氢罐；19.废液罐；20.废液增压泵；21.第一预热器；101.顶部圆形端盖；102.氢气排出口；103.废液注入口；104.气化产物出口；105.上部圆柱外壳；106.膜管；107.废液喷管；108.圆形密封环；109.排渣出口；110.内管；111.循环残液注入口；112.氧气注入口；113.外管；114.底部圆形端盖；115.下部圆锥外壳。

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中的附图，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。

本申请实施例中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本申请的描述中，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列部件或单元的系统、产品或设备没有限定于已列出的部件或单元，而是可选地还包括没有列出的部件或单元，或可选地还包括对于这些产品或设备固有的其它部件或单元。本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

超临界水气化工艺常规通过降压分离获得富氢气体，首先经变压吸附等多重装置进行分离提纯达到氢燃料电池的纯度要求，后续再进行增压存储及供应加氢站。传统分离提纯工艺不仅投资占地要求高，而且为了保证纯度，所获得的产品氢气量会大大降低。此外，所获得的氢气是常压产品，后续需要重新加压达到储氢加氢要求，过程能耗巨大。

本发明实施例提供一种分布式制氢加氢系统，有效解决有机废弃物超临界水气化制氢过程中氢气的分离提纯依赖传统的变压吸附等大型装置，投资占地要求高和制氢能耗巨大的问题。图1为本发明实施例提供的分布式制氢加氢系统结构示意图，该系统包括：反应器1、废液支路、氧气支路、余热回收支路、残液循环支路和氢气提纯及加氢系统。

图2为本发明实施例提供的分布式制氢加氢系统中反应器的结构示意图，该反应器1包括顶部圆形端盖101、上部圆柱外壳105、下部圆锥外壳115和底部圆形端盖114，上部圆柱外壳105同轴设置膜管106和废液喷管107，该废液喷管107置于膜管106内部，废液喷管107与膜管106中间的环隙为气化反应区及氢气分离区，用于实现废液的气化和氢气的原位分离。膜管106和废液喷管107的上边缘与顶部圆形端盖101连接，膜管106和废液喷管107的下边缘高于上部圆柱外壳105的下边缘。膜管106的下边缘处设置圆形密封环108，用于支撑膜管106，同时该圆形密封环108与膜管106、上部圆柱外壳105、顶部圆形端盖101形成渗透流体的流动空间，流动空间与顶部圆形端盖的交汇圆环处设置氢气排出口102，顶部圆形端盖101中心与废液喷管107连接处设置废液注入口103，气化反应区及氢气分离区与顶部圆形端盖101的交汇圆环处设置气化产物出口104。底部圆形端盖114上同轴设置同轴喷嘴，该同轴喷嘴包括内管110和外管113，外管113上设置氧气注入口112，内管110上设置循环残液注入口111。该同轴喷嘴出口伸入下部圆锥外壳115的内部空间，同轴喷嘴出口位置不超过上部圆柱外壳105的下边缘，底部圆形端盖114与同轴喷嘴交汇的外环上设置排渣出口109。

废液支路用于有机废液的预处理并向反应器提供预处理后的有机废液，包括废液罐19、废液增压泵20和第一预热器21，废液罐19中的有机废液罐经废液增压泵20增压至23MPa以上，经第一预热器21预热从废液注入口103进入反应器1中，其中有机废液中固体颗粒浓度为1-20％，固体颗粒尺寸小于50μm。

氧气支路用于向反应器中提供氧气，包括氧气罐13和氧气增压泵12，氧气罐13的氧气经氧气增压泵12增压至23MPa以上，从同轴喷嘴外管113的氧气注入口112注入反应器1，其中注入的氧气流量为残液有机物完全氧化所需氧气量的1.05-1.25倍，过量的氧气不但保障热液火焰中有机物的完全氧化，残留的氧气可使废液发生部分氧化反应，加速废液高效降解和充分气化。

余热回收支路包括氢气余热回收支路和燃料气余热回收支路，其中氢气余热回收支路包括第一预热器21和第一气液分离器14，该第一预热器21连接氢气排出口102，流动空间从氢气排出口102输出的高浓度氢气进入第一预热器21，对废液进行初步预热而自身得到冷却，后续进入第一气液分离器14，分离获得高压氢气和液体排放。燃料气余热回收支路包括第二预热器11，降压阀10，第二气液分离器3和燃料气罐2，该第二预热器11连接气化产物出口104，从气化产物出口104排出的气化反应物进入第二预热器11对残液进行预热，自身初步冷却至350℃以下，经降压阀10降压至10-20Mpa后进入第二气液分离器3分离获得燃料气和残液。第二气液分离器3设置有上出口和下出口，燃料气通过第二气液分离器的上出口进入燃料气罐2存储和利用，燃料气罐2与喷射器9连接，部分燃气进入喷射器9，补充残液有机浓度。残液通过第二气液分离器3的下出口进入残液循环支路。

残液循环支路用于处理余热回收支路输出的残液获得循环残液，包括调压阀7、第三气液分离器6、背压阀4、第四气液分离器5、循环泵8和喷射器9，第二气液分离器3的下出口输出的残液经调压阀7降压后进而第三气液分离器6进行气液分离，分离获得浓缩残液和气体。该气体进入背压阀4降至常压进入第四气液分离器5进一步分离气体和液体后进行排放。该浓缩残液经循环泵8增压，其中增压后的压力比所述氧气增压泵增压后的压力高2-5Mpa，然后浓缩残液经喷射器9混合调压后经第二预热器11预热，从循环残液注入口111注入反应器1中。

残液循环支路提供的循环残液和氧气支路提供的氧气在下部圆锥外壳106的内部空间发生剧烈超临界水氧化反应，形成热液火焰，实现残液高效彻底降解，高温低密度的气流向上运动。废液支路输出的经第一预热器预热后的废液在废液喷管107内逐步向下流动进一步预热(接近或大于374℃)，在下部锥形空间经热液火焰进一步充分预热并逆流向上，在热液火焰和残留氧气的协调作用下，在废液喷管107与膜管106间的环隙内充分气化，形成富氢气体。该富氢气体经膜管106分离，氢气进入由圆形密封环108与膜管106、上部圆柱外壳105、顶部圆形端盖101形成的流动空间内，剩余产物从反应器1的气化产物出口104排出，不反应的灰渣在重力作用下从排渣出口109排出。

氢气提纯及加氢系统用于对氢气余热回收支路输出的氢气进行提纯并储存，包括膜分离装置15、氢气增压泵16、储氢罐18和加氢机17，气液分离器14分离获得的高压氢气进入膜分离装置15进一步提纯，获得高纯氢气，再经氢气增压泵16进一步增压至60MPa以上后进入储氢罐18，后续用于加氢机17。

综上所述，本发明提供的分布式制氢加氢系统设计反应器，通过该反应器结构设计，有机废液初步预热后，再经过热液火焰快速预热结合残留氧气，提高物料的气化效率和产氢效率。反应器内部设置的膜分离结构，实现氢气的原位分离，可促进气化反应的氢气分离，提高产氢率和避免甲烷化反应，同时便于后续进一步提纯和高压存储。高纯氢气通过两级分离膜分离提纯，第一级可促进废液的气化效率和避免产物的甲烷化反应，进而促进产氢率；第二级在常温下进一步提高氢气的纯度，两级分离提纯分别从氢气的产量和纯度适应加氢站的需求，同时该方式可最大限度利用超临界系统的压力能，避免后续储氢加氢需要高能耗加压。超临界水气化产物通过降温调压进入高压气液分离器，分离形成的残液进行循环，避免二次排放，除氢气外的气化产物经分离获得高纯二氧化碳和燃料气，二氧化碳便于后续封存或利用；燃料气一部分用于补充残液有机浓度，保证热液火焰的形成和稳定，另一部分进行储存对外使用，因此系统大部分能量均可通过废液自身的有机物的化学能提供，降低了系统能耗并提高了经济性。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

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。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种分布式制氢加氢系统，其特征在于，所述系统包括：反应器、废液支路、氧气支路、余热回收支路、残液循环支路和氢气提纯及加氢系统，其中：

所述反应器包括依次连接的顶部圆形端盖、上部圆柱外壳、下部圆锥外壳和底部圆形端盖，所述上部圆柱外壳内部同轴设置膜管和废液喷管，所述废液喷管位于所述膜管内部，所述废液喷管与所述膜管中间的环隙为气化反应区及氢气分离区，所述膜管和废液喷管的上边缘均与所述顶部圆形端盖连接，所述膜管和废液喷管的下边缘高于上部圆柱外壳的下边缘，所述膜管的下边缘处设置圆形密封环，所述圆形密封环与所述膜管、上部圆柱外壳、顶部圆形端盖形成渗透流体的流动空间，所述流动空间与顶部圆形端盖的交汇圆环处设置氢气排出口，所述顶部圆形端盖中心与所述废液喷管连接处设置废液注入口，所述气化反应区及氢气分离区与顶部圆形端盖的交汇圆环处设置气化产物出口，所述底部圆形端盖上同轴设置同轴喷嘴，所述同轴喷嘴包括内管和外管，所述外管上设置氧气注入口，所述内管上设置循环残液注入口，所述同轴喷嘴出口伸入所述下部圆锥外壳的内部空间，所述同轴喷嘴出口位置不超过所述上部圆柱外壳的下边缘；

所述废液支路连接所述废液注入口，所述废液支路用于预处理有机废液，并将预处理后的有机废液提供至所述反应器；

所述氧气支路连接所述氧气注入口，用于向反应器中提供氧气；

所述余热回收支路分别连接所述氢气排出口和气化产物出口，所述余热回收支路对所述流动空间输出的氢气分离出液体，同时对所述反应器输出的气化反应物进行处理获得燃料气和残液；

所述残液循环支路连接所述循环残液注入口，用于处理所述余热回收支路输出的残液获得循环残液，所述循环残液和所述氧气支路提供的氧气在所述下部圆锥外壳的内部空间发生剧烈超临界水氧化反应，形成热液火焰；

氢气提纯及加氢系统连接所述余热回收支路，用于对所述余热回收支路输出的氢气进行提纯并储存。

2.根据权利要求1所述的分布式制氢加氢系统，其特征在于，所述废液支路包括废液罐、废液增压泵和第一预热器，所述废液罐中的有机废液经所述废液增压泵增压至23MPa以上，再经所述第一预热器进行预热后从所述废液注入口注入所述反应器。

3.根据权利要求2所述的分布式制氢加氢系统，其特征在于，所述有机废液中固体颗粒浓度为1-20％，固体颗粒尺寸小于50um。

4.根据权利要求2所述的分布式制氢加氢系统，其特征在于，所述氧气支路包括氧气罐和氧气增压泵，所述氧气罐中的氧气经所述氧气增压泵增压至23MPa以上，从所述氧气注入口注入所述反应器。

5.根据权利要求4所述的分布式制氢加氢系统，其特征在于，所述氧气支路注入所述反应器中的氧气流量是残液有机物完全氧化所需氧气量的1.05-1.25倍。

6.根据权利要求4所述的分布式制氢加氢系统，其特征在于，所述余热回收支路包括氢气余热回收支路和燃料气余热回收支路，其中：

所述氢气余热回收支路包括第一预热器和第一气液分离器，所述氢气排出口输出的氢气经所述第一预热器对废液进行初步预热而自身得到冷却，然后进入第一气液分离器分离出液体；

所述燃料气余热回收支路包括第二预热器、降压阀、第二气液分离器和燃料气罐，所述气化反应产物出口输出的气化反应物进入第二预热器对残液进行预热，自身初步冷却至350℃以下，然后经所述降压阀降压至10-20Mpa，再进入所述第二气液分离器分离获得燃料气和残液，所述燃料气通过所述第二气液分离器的上出口进入所述燃料气罐，所述残液通过所述第二气液分离器的下出口进入所述残液循环支路。

7.根据权利要求6所述的分布式制氢加氢系统，其特征在于，所述残液循环支路包括调压阀、第三气液分离器、循环泵和喷射器，所述第二气液分离器的下出口输出的残液经所述调压阀降压后进入所述第三气液分离器进行气液分离获得浓缩残液和气体，所述浓缩残液经所述循环泵增压后进入所述喷射器进行混合调压，然后经所述第二预热器预热后从所述循环残液注入口注入所述反应器，其中所述循环泵增压后的压力比所述氧气增压泵增压后的压力高2-5Mpa。

8.根据权利要求7所述的分布式制氢加氢系统，其特征在于，所述残液循环支路还包括背压阀和第四气液分离器，所述第三气液分离器进行气液分离获得的气体经所述背压阀降至常压，再进入所述第四气液分离器进一步分离气体和液体后进行排放。

9.根据权利要求8所述的分布式制氢加氢系统，其特征在于，所述燃料气回收支路中的燃料气罐连接所述残液循环支路中的喷射器，所述燃料气罐中的燃气输入所述喷射器，用于补充残液的有机浓度。

10.根据权利要求9所述的分布式制氢加氢系统，其特征在于，所述氢气提纯及加氢系统包括膜分离装置、氢气增压泵、储氢罐和加氢机，所述第一气液分离器输出的氢气通过所述膜分离装置进一步提纯，再经所述氢气增压泵增压至60MPa以上后进入所述储氢罐，所述储氢罐连接所述加氢机。