CN1789809A - 一种超临界氧化内燃循环能量转换系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超临界氧化内燃循环能量转换系统，属于能源与环境领域。它包括燃料混合器、高压计量泵、预热器、超临界反应器、背压阀、一级换热器、氧气罐、气体增压泵、冷却水箱、水泵、一级气液分离器、二级换热器、二级气液分离器，组成一个完整的相通的系统。效率高。系统可回收高浓度CO₂；NO_X、SO₂、烟尘的排放量低；无有毒有害物质产生，该系统燃料适应广——煤粉、生物质、各类工业有机质，有机废水都可以作为燃料氧化燃烧。本发明可广泛应用于低污染且需求高品位热源的领域。

Description

一种超临界氧化内燃循环能量转换系统

一、技术领域

本发明属于能量转换与环境保护领域，特别涉及一种在高压高温水中燃料氧化(燃烧)产生热能(蒸汽)的能量转换系统。

二、背景技术

超临界水氧化技术(简称SWAO)是一种能够彻底氧化分解有机物的技术。在超临界条件下，无需机械搅拌，有机物、空气(或氧)和水均相混合，开始自发氧化，无需外界供热，在很短的反应停留时间内，有机物能被迅速氧化成CO₂和H₂O。可用于消除和氧化各种有毒有害物质。

常规锅炉炉内的燃烧会产生多种有害物质：，如锅炉燃烧的NO_X排放量一般为500～1200mg/Nm³，其中80％NO_X是空气中的氮高温氧化生成；烟气中SO₂的排放量视燃料含硫量而定；燃料燃烧时还会产生大量烟尘，烟尘中夹带并吸附重金属，微细粉尘也是大气主要污染物之一。CO₂，由于CO₂的超额排放，导致全球温室效应。为减缓温室效应，世界各国为减排CO₂采取各类措施。但由于燃烧烟气中CO₂含量一般10％左右，因浓度低而增加处理难度。

目前利用超临界氧化系统处理燃料的方法和装置中，并没有提出能量的转换与利用的设计。如申请号为200310109657.3的中国专利所公开的“一种低阶煤在亚临界或超临界水中连续转化的方法”仅仅描述了低阶煤配制成水煤浆在亚临界和超临界条件下的转化的方法，转化之后能量的利用没有提及。申请号为200320109943.5的中国专利所公开的“黑液超临界水氧化装置”也只是提供了一种黑液超临界氧化过程的装置的设计，对于氧化后能量的利用，各种反应产物的收集和处理并未做出进一步的说明。申请号为00137125.8的中国专利和欧洲专利公开的“超临界水氧化法流动式污水处理及供能的方法及装置”仅是涉及一种超临界水氧化反应处理污水的方法和装置，并不能燃烧垃圾、生物质、煤等物质。专利号CN02114529.6的中国专利公开的“有机固态物质的连续式超临界水气化制氢方法与装置”说明的是一种超临界制氢的方法，而不是把有机物氧化并利用能量。

三、发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种效率高、表现出显著的环境友好特性、燃料适应广、应用前景广阔的在高温高压水中燃料氧化(燃烧)产生热能(蒸汽)并加以利用的能量转换系统。

本发明是通过以下方式实现的：

一种在超临界水中燃料氧化(燃烧)产生热能(蒸汽)的能量转换系统——内燃能量转换系统。它包括燃料混合器、高压计量泵、预热器、超临界反应器、背压阀、一级换热器、氧气罐、气体增压泵、冷却水箱、水泵、一级气液分离器、二级换热器、二级气液分离器、组成一个完整的相通的系统。

上述的能量转换系统，其特征是燃料从燃料混合器经高压计量泵推入预热器，然后进入超临界反应器，同时O₂从气体增压泵进入超临界反应器，在超临界反应器中燃料与氧发生超临界氧化反应，生成气体、固体产物。

上述的能量转换系统，其特征是经过超临界反应器后产生的超临界气体进入到一级换热器当中，固体产物经排污系统排出。

上述的能量转换系统，其特征是从一级换热器排出的产物经一级气液分离器后，水变为液体与其他气体产物分离，高温水进入到二级换热器当中继续进行换热利用；在燃料混合器当中添加碱性物质以调整系统酸碱度并起到固硫的作用。

上述的能量转换系统，其特征是从一级气液分离器排出的气体产物，进入二级气液分离器进行分离后，CO₂变为液体与其他气体产物分离并集中回收。

上述的能量转换系统，其特征是反应后的超临界气体通过一级换热器、二级换热器进行降温的过程，同时就是将高温高压气体携带的热量进行利用的过程，高温高压气体携带的热量通过换热器传递给冷却水。

上述的能量转换系统，系统的压力和流体流量通过超临界反应器后的背压阀进行控制。

本系统反应温度较低，所以基本不会有NO_x的生成。

在反应之前已经将碱化剂与反应物充分混合，所以当氧化开始，SO₂刚开始生成，就会被中和生成硫酸盐，又因为无机盐类在超临界水中溶解度很低，所以会析出并分离出来。所以不会有SO₂排放到环境当中。

在反应釜反应完毕后派出的超临界气体主要由水蒸气、CO₂以及过量的氧气组成。由于CO₂及氧气与水的超临界点的温度压力不同，我们可以控制换热过程的参数，使反应后的气体产物经过一次换热器以后，温度压力降到CO₂的临界点压力温度之上，此时水蒸气变成液态而CO₂及氧气仍然处于超临界状态，借此在一级气液分离器中将CO₂和氧气从水中分离出来。同样原理在二级气液分离器中将CO₂同过量的氧气中分离出来并集中回收利用。

由于大部分灰尘杂质不溶于超临界水，所以在气(汽)固分离器当中会很容易的被分离出来。

本系统燃料适应广——煤粉、生物质、各类工业有机质、有机废水都可以作为燃料氧化燃烧，可广泛应用于低污染且需求高品位热源的领域，特别适用于城市集中供热及兼顾有机废水与垃圾处理。

附图说明

附图为本发明的系统流程示意图。

图中，1为燃料混合器、2为高压计量泵、3为预热器、4为超临界反应器、5背压阀、6为一级换热器、7为氧气罐、8为气体增压泵、9为冷却水箱、10为水泵、11、为一级气液分离器、12为二级换热器、13为二级气液分离器。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的两个最佳实施例。

实施例1

首先将水与煤粉在燃料混合器(1)中混合并磨制成浆，使用高压计量泵(2)将混合物升压并推入预热器(3)预热，然后进入超临界反应器(4)内；氧气从氧气罐(7)通过气体增压泵(8)增压，同样进入超临界反应器(4)里面。在超临界状况下即25MPa、400℃以上燃料与氧发生反应，生成超临界的水、气体产物及固体混合物。通过气固分离，将固体排出系统，气体进入一级换热器(6)进行换热。在一级气液分离器(11)中7至22MPa、30至350℃下实现水与CO₂等其他气体的分离，凝结水进行排放。剩余气体经过二级换热器(12)继续冷却，在二级气液分离器(13)中5至7MPa、20至30℃下实现CO₂与其他气体的分离并回收。系统中加入碱调整水酸度并实现固硫，完成一个循环。

实施例2

本实施例与实施例1的不同点在于将凝结水排放，输入有机废水作为循环用水，回收废水中有机质热量的同时，净化废水解决废水污染问题。其余的流程与实施例1相同。

实施例3

本实施例与实施例1的不同点在于将燃料换成秸秆，其余的流程与实施例1相同。

实施例4

本实施例与实施例1的不同点在于将空气替换成氧气进行反应，其余的流程与实施例1相同。

Claims (5)

1、一种超临界氧化内燃循环能量转换系统，它包括燃料混合器、高压计量泵、预热器、超临界反应器、背压阀、一级换热器、一级气液分离器、二级换热器、二级气液分离器构成，其特征是，氧气罐、气体增压泵还与超临界反应器相通。冷却水箱、水泵分别与一级换热器、二级换热器、二级气液分离器相通，燃料从燃料混合器经高压计量泵推入预热器进入超临界反应器，同时O₂从氧气罐经气体增压泵进入超临界反应器，在超临界反应器中燃料与氧发生超临界氧化反应，生成气体、固体产物。

2、根据权利要求1所述的能量转换系统，其特征是经过超临界反应器后产生的超临界流体通过背压阀进入到一级换热器当中，固体产物通过排污系统排出。

3、根据权利要求1所述的能量转换系统，其特征是，从一级换热器排出的流体经一级气液分离器后，水从CO₂等其他气体产物中分离出来，高温水进入到二级换热器当中继续进行换热利用，在燃料混合器当中添加碱性物质以调整系统酸碱度并起到固硫的作用。

4、根据权利要求1所述的能量转换系统，其特征是，从一级气液分离器排出的气体，经过二级气液分离器后，CO₂从其他气体产物中分离出来，并集中回收利用，其他气体也可进行集中回收并利用。

5、根据权利要求1所述的能量转换系统，其特征是，系统的压力和流体流量通过超临界反应器后的背压阀进行控制。

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