CN209276462U - 一种超临界水催化剂在线生成及回收利用气化系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种超临界水催化剂在线生成及回收利用气化系统，属于能源清洁利用及环境保护领域。该系统包括水储备罐及水升压预热系统、催化剂前驱液调质罐及催化剂升压预热系统、原料调质罐及原料升压预热系统、调质罐及升压系统、反应系统、回热器、冷却器、三相分离器、固相排放系统、催化剂再生系统；所述反应系统包括催化剂前驱液进口、热水进口、调质剂进口、预热后原料的进口、催化剂生成室、混合反应室、固体排放出口和反应混合物出口。本实用新型实现了催化剂在线生成、在线利用和回收，增强了催化气化分解效果，同时降低了催化剂使用成本。

Description

一种超临界水催化剂在线生成及回收利用气化系统

技术领域

本实用新型属于能源清洁利用以及环境保护领域，涉及一种超临界水催化剂在线生成及回收利用气化系统。

背景技术

超临界水气化技术具有反应快，系统布置紧凑，处理效果极佳等特点，它已经成为生物质、煤炭和危险废弃物资源化气化利用的重要技术手段之一。与超临界水氧化技术相比，它的系统设备腐蚀更低，但是相同条件下处理效果略差一些。如果要达到完全分解，需要提高超临界水气化技术的反应温度至700℃，甚至800℃。目前材料难于承受如此高温高压条件，即使能够达到，其所需成本较大，降低了超临界水气化技术的经济性，因此添加合适的催化剂降低反应条件以达到相同处理效果成为超临界水气化技术的重要研究方向。

催化剂可分为负载型催化剂和非负载型催化剂，前者需要催化剂载体，但是在超临界水反应条件下催化剂载体稳定性较差，催化剂容易失活，而且负载型催化剂的催化剂金属利用率较低。虽然非负载型催化剂相比于负载型催化剂具有更强的催化性能，但是非负载型催化剂在反应的过程中可能团聚或者粘附壁面，进而催化剂逐渐失活，非负载型催化剂如果采用类似于负载型催化剂方式添加，同样存在负载型催化剂使用过程中遇到的问题，因此非负载型催化剂的添加利用方式成为超临界水催化气化技术的重要研究方向之一。因为催化剂的价格昂贵，如果不能保证催化剂寿命或者采用廉价方式回收利用，那么催化剂使用成本较高，不利于超临界水气化技术的工程化应用。

超临界水技术用于纳米颗粒的合成制备已经得到广泛研究，并具有工程化价值，因此可以将超临界水合成纳米颗粒技术用于在线生成非负载纳米催化剂，增强催化剂的催化性能。在超临界水气化过程中催化剂逐渐进入固相产物，主要形态是单质或氧化态，容易通过酸洗等方式回收利用，并用于制备催化剂前驱液，然后进入催化剂前驱液调质系统循环利用。通过在线生成-在线利用-回收的循环利用方式实现催化剂的制备、利用和回收，降低催化剂使用成本，同时避免类似负载型催化剂在多次重复使用过程中催化性能下降的问题，增强了超临界水催化气化分解效果。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种超临界水催化剂在线生成及回收利用气化系统，实现催化剂在线生成、在线利用和回收，增强了催化气化分解效果，同时降低了催化剂使用成本。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种超临界水催化剂在线生成及回收利用气化系统，包括水储备罐及水升压预热系统、催化剂前驱液调质罐及催化剂升压预热系统、原料调质罐及原料升压预热系统、调质罐及升压系统、反应系统、回热器、冷却器、三相分离器、固相排放系统、催化剂再生系统；所述反应系统包括催化剂前驱液进口(1)、热水进口(2)、调质剂进口(3)、预热后原料的进口(4)、催化剂生成室(5)、混合反应室(6)、固体排放出口(7)和反应混合物出口(8)；

所述水储备罐出口与水升压及预热系统进口连接；所述水升压及预热系统出口与所述反应系统的热水进口(2)连接，将来自所述水储备罐的水经过所述水升压及预热系统升压升温后，从所述热水进口(2)进入反应系统；

所述催化剂前驱液调质罐出口与催化剂升压及预热系统进口连接，所述催化剂升压及预热系统出口与所述反应系统的调质剂进口(3)连接，将来自所述催化剂前驱液调质罐的催化剂前驱液经过所述催化剂升压及预热系统升压升温后，从所述催化剂前驱液进口(1)进入反应系统，与热水进口(2)进入的热水快速混合反应，生成非负载型催化剂；

所述原料调质系统出口与原料升压及预热系统进口连接，所述原料升压及预热系统出口与所述反应系统的预热后原料的进口(4)连接，将来自所述原料调质罐的原料经过所述原料升压及预热系统升压升温后从所述预热后原料的进口(4)进入反应系统，与从所述调质剂进口 (3)进入的调质剂和催化剂生成室(5)内生成的催化剂在混合反应室(6)内发生催化气化反应，实现原料气化分解；

所述应系统的固体排放出口(7)与所述固相排放系统进口连接，所述固相排放系统出口与催化剂再生系统的一个进口连接，用于将大部分在混合反应室(6)内分离的使用后的催化剂从固相排放系统出口排出；

所述反应系统的反应混合物出口(8)与所述回热器和所述冷却器依次连接至所述三相分离器，用于将少量催化剂与反应后混合物一起从反应混合物出口(8)排出反应系统，依次经过回热器、冷却器和三相分离器；

所述三相分离器有三个出口，分别连接至气相降压及利用系统(12)、液相降压及排放系统(13)和固相降压及排出系统(14)，在三相分离器内实现气相产物、液相产物和固相产物的分离利用；所述固相降压及排出系统出口与所述催化剂再生系统(17)的另一个进口连接，所述催化剂再生系统出口与催化剂前驱液调质罐(20)进口连接，用于将所述固相排放系统回收的固体产物一起进入催化剂再生系统，在催化剂再生系统中进行酸洗分解，采用与催化剂前驱液阴离子相同的酸进行酸洗，随后用于制备催化剂前驱液，然后进入催化剂前驱液调质罐进行下一步循环利用。

进一步，所述催化剂升压预热系统包括催化剂前驱液高压泵(21)和催化剂前驱液预热器 (22)，依次连接至所述催化剂前驱液进口(1)；

所述原料升压预热系统包括原料高压泵(28)和原料预热器(29)，依次连接至预热后原料的进口(4)；

所述水升压预热系统包括水高压泵(31)和水预热水器(30)，依次连接至热水进口(2)。进一步，所述催化剂前驱液进口(1)与所述热水进口(2)保持同轴，保证催化剂前驱液快速混合加热，避免生成催化剂的颗粒粒径过大，降低催化剂的催化性能。

进一步，所述调质剂进口(3)与预热后原料的进口(4)平行布置，它们与水平面的夹角为45-60°，避免回流影响催化剂生成室(5)内的催化剂制备，同时通过卷吸等作用实现催化剂与反应物混合。

进一步，所述混合反应室(6)内通过烧嘴的布置形成交叉碰撞流场，减少催化剂输运至壁面并粘附壁面，进而导致催化剂逐渐失效。

进一步，在所述混合反应室(6)内，通过流场控制、惯性分离以及重力分离等方式实现大部分催化剂分离，并从固相排放系统排出，随后进入催化剂再生系统进一步回收利用。

进一步，所述催化剂生成室(5)的反应温度为500-550℃，压力为23-28Mpa。

进一步，所述反应混合物出口(8)设置在反应系统中下部，主要考虑不影响混合反应室 6内的催化剂分离，避免催化剂过多进入回热器(9)等后续系统，造成催化剂损失。

进一步，所述固相排放系统包括依次连接的固渣冷却装置(15)和固渣排放系统(16)，所述固渣冷却装置(15)进口连接固体排放出口(7)，所述固渣排放系统(16)出口连接至所述催化剂再生系统进口。

本实用新型的有益效果在于：

1)本实用新型使用非负载型催化剂在线生成、利用和回收于一体，在线生成非负载型纳米颗粒，提高了催化剂的金属利用率，增强了催化剂的催化剂性能，避免了类似负载型催化剂多次重复使用后催化性能下降的问题，回收利用催化剂降低了催化剂使用成本，增强了超临界水催化气化技术的实用性。

2)催化剂在线生成、原料的催化气化与催化剂分离在同一反应器内进行，系统布置紧凑，通过流场控制减少催化剂在输运过程中粘附壁面，降低催化剂损耗，在高温下实现催化剂分离，易于实现催化剂从反应系统内分离排出，降低了催化剂使用成本。

3)固体产物中催化剂成分主要形态为单质或氧化态，容易通过酸洗等方式回收利用，催化剂回收方式简单低廉。通过添加足够催化剂与在线生成催化性能更强的非负载型催化剂增强了原料气化分解，减轻了后续系统的腐蚀和堵塞压力，延长系统设备寿命。

4)回收的固体产物在催化剂再生系统中使用与催化剂前驱液阴离子相同的酸进行酸洗分解，回收方式简单，成本低廉，易于实现工程化。

附图说明

为了使本实用新型的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本实用新型提供如下附图进行说明：

图1为本实用新型所述超临界水催化剂在线生成及回收利用气化系统的示意图。

图2为本实用新型所述反应系统结构示意图；

图3为本实用新型所述系统的具体实施例结构连接图

附图标记：1-催化剂前驱液进口；2-热水进口；3-调质剂进口；4-预热后原料的进口；5-催化剂生成室；6-混合反应室；7-固体排放出口；8-反应混合物出口；9-回热器；10-冷却器；11- 三相分离器；12-气相降压及利用系统；13-液相降压及排放系统；14-固相降压及排出系统；15- 固渣冷却装置；16-固渣排放系统；17-催化剂再生系统；18-酸进口；19-催化剂再生液进口； 20-催化剂前驱液调质罐；21-催化剂前驱液高压泵；22-催化剂前驱液预热器；23-催化剂前驱液补充装置；24-调质罐；25调质高压泵；26-自来水补充装置；27-原料调质罐；28-原料高压泵；29-原料预热器；30-水预热器；31-水高压泵；32-水储备罐。

具体实施方式

下面将结合附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的描述。

如图1所示，本实用新型提供的超临界水催化剂在线生成及回收利用气化系统包括水储备罐及其升压预热系统、催化剂前驱液调质罐及其升压预热系统、原料调质罐及其升压预热系统、调质罐及升压系统、反应系统、回热器、冷却器、三相分离器、固相排放系统和催化剂再生系统等。

所述催化剂升压预热系统包括催化剂前驱液高压泵21和催化剂前驱液预热器22，依次连接至所述催化剂前驱液进口1；所述原料升压预热系统包括原料高压泵28和原料预热器29依次连接至预热后原料的进口4；所述水升压预热系统包括水高压泵31和水预热水器30，依次连接至热水进口2。所述固相排放系统包括依次连接的固渣冷却装置15和固渣排放系统16，所述固渣冷却装置15进口连接固体排放出口7，所述固渣排放系统16出口连接至所述催化剂再生系统进口。

固相排放系统和三相分离器回收的固体产物进入催化剂再生系统，在此系统中采用与催化剂前驱液阴离子相同的酸进行酸洗含催化剂的固体产物，然后将其用于制备催化剂前驱液，随后进入催化剂前驱液调质罐进行下一步循环利用，在催化剂前驱液中添加甲酸或乙酸，催化剂可以采用铜、锰、镍等一种或多种过渡金属。

如图2所示，来自水储备罐的水经过水升压及预热系统升压升温后从热水进口2进入反应系统；来自催化剂前驱液调质罐的催化剂前驱液经过催化剂升压及预热系统升压升温后从催化剂前驱液进口1进入反应系统；与从热水进口2进入的热水快速混合反应，生成非负载型催化剂；来自原料调质罐的原料经过原料升压及预热系统升压升温后从预热后原料的进口4进入反应系统，与从调质剂进口3进入的调质剂和催化剂生成室5内生成的催化剂在混合反应室6 内发生催化气化反应，实现原料气化分解。其中大部分使用后的催化剂在混合反应室6内分离，并从固相排放系统排出；其中少量催化剂与反应后混合物一起从反应混合物出口8排出反应系统，依次经过回热器、冷却器和三相分离器，并在三相分离器内实现气相产物、液相产物和固相产物的分离利用。降压分离器与固相排放系统回收的固体产物一起进入催化剂再生系统，在催化剂再生系统中进行酸洗分解，并用于制备催化剂前驱液。

催化剂前驱液进口1与热水进口2同轴设计，目的保证催化剂前驱液快速混合加热，避免生成催化剂的颗粒粒径过大，降低催化剂的催化性能。在催化剂前驱液调质罐中加入甲酸或乙酸等物质，其在催化剂生成室5内分解生成氢气，进而在催化剂生成室5内形成还原氛围，保证催化剂的气化催化性能。催化剂生成室5的反应温度为500-550℃，压力为23-28Mpa。

调质剂进口3与预热后原料的进口4平行布置，它们与水平面的夹角为45-60°，避免回流影响催化剂生成室5内的催化剂制备，同时通过卷吸等作用实现催化剂与反应物混合。通过烧嘴的布置在混合反应室6内形成交叉碰撞流场，减少催化剂输运至壁面并粘附壁面，进而导致催化剂逐渐失效。在混合反应室6内，通过流场控制、惯性分离以及重力分离等方式实现大部分催化剂分离，并从固相排放系统排出，随后进入催化剂再生系统进一步回收利用。

反应混合物出口8在反应系统中下部，主要考虑不影响混合反应室6内的催化剂分离，避免催化剂过多进入回热器等后续系统，造成催化剂损失。

如图3所示，本实施例中，水储备罐32中水依次经过水高压泵31和水预热器30升压升温后，再经过回热器9升温，然后从热水进口2进入反应器；催化剂前驱液调质罐20中的前驱液依次经过催化剂前驱液高压泵21和催化剂前驱液预热器22升压升温后，从催化剂前驱液进口1进入反应器，与从热水进口2进入的热水快速混合反应，在催化剂生成室5生成非负载型催化剂。调质罐24中的调质剂经过调质高压泵25升压后从调质剂进口3进入反应器；原料调质罐27中的原料依次经过原料高压泵28和原料预热器29升压升温后，从预热后原料的进口4进入反应器，与从调质剂进口3进入的调质剂和催化剂生成室5内生成的催化剂在混合反应室6内发生催化气化反应，实现原料气化分解。其中大部分使用后的催化剂在混合反应室6 内分离，并从固相排放出口7排出，经过固渣冷却装置15冷却后进入固渣排放系统16间歇排放，排放固体进入催化剂再生系统17进行再生利用；其中少量催化剂与反应后混合物一起从反应混合物出口8排出反应系统，依次经过回热器9和冷却器10，然后进入三相分离器11进行三相分离，其中气相经过气相降压及利用系统12后进行气相利用，液相经过液相降压及排放系统13后进行排放，固相经过固相降压及排出系统14后进入催化剂再生系统17进行再生利用；酸从酸进口18进入催化剂再生系统17，然后与固渣排放系统16和固相降压及排出系统14间歇排放的固体进行催化剂再生反应，再生液经过催化剂再生液进口19进入催化剂前驱液调质罐20进行利用。

本实用新型可实现非负载型催化剂在线生成与利用，并通过催化剂再生系统实现固体产物内的催化剂回收利用。非负载型催化剂在反应系统内在线生成，避免了多次重复使用过程中催化剂催化性能下降的问题，增强了催化剂的催化性能，同时通过简单廉价的回收方式实现了催化剂回收利用，降低了催化剂使用成本。由于在线生成非负载型纳米催化剂具有更强的催化性能，同时因为催化剂使用成本降低增加了催化剂使用量，在这些因素共同作用下增强了原料的催化气化分解效果，降低了回热器等后续系统的腐蚀和堵塞压力，延长了系统设备寿命。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本实用新型进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在受力构件及元件的结构形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本实用新型权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种超临界水催化剂在线生成及回收利用气化系统，其特征在于，该系统包括水储备罐及水升压预热系统、催化剂前驱液调质罐及催化剂升压预热系统、原料调质罐及原料升压预热系统、调质罐及升压系统、反应系统、回热器、冷却器、三相分离器、固相排放系统、催化剂再生系统；所述反应系统包括催化剂前驱液进口(1)、热水进口(2)、调质剂进口(3)、预热后原料的进口(4)、催化剂生成室(5)、混合反应室(6)、固体排放出口(7)和反应混合物出口(8)；

所述水储备罐出口与水升压及预热系统进口连接；所述水升压及预热系统出口与所述反应系统的热水进口(2)连接，将来自所述水储备罐的水经过所述水升压及预热系统升压升温后，从所述热水进口(2)进入反应系统；

所述催化剂前驱液调质罐出口与催化剂升压及预热系统进口连接，所述催化剂升压及预热系统出口与所述反应系统的调质剂进口(3)连接，将来自所述催化剂前驱液调质罐的催化剂前驱液经过所述催化剂升压及预热系统升压升温后，从所述催化剂前驱液进口(1)进入反应系统，与热水进口(2)进入的热水快速混合反应，生成非负载型催化剂；

所述原料调质系统出口与原料升压及预热系统进口连接，所述原料升压及预热系统出口与所述反应系统的预热后原料的进口(4)连接，将来自所述原料调质罐的原料经过所述原料升压及预热系统升压升温后从所述预热后原料的进口(4)进入反应系统，与从所述调质剂进口(3)进入的调质剂和催化剂生成室(5)内生成的催化剂在混合反应室(6)内发生催化气化反应，实现原料气化分解；

所述应系统的固体排放出口(7)与所述固相排放系统进口连接，所述固相排放系统出口与催化剂再生系统的一个进口连接，用于将大部分在混合反应室(6)内分离的使用后的催化剂从固相排放系统出口排出；

所述反应系统的反应混合物出口(8)与所述回热器和所述冷却器依次连接至所述三相分离器，用于将少量催化剂与反应后混合物一起从反应混合物出口(8)排出反应系统，依次经过回热器、冷却器和三相分离器；

所述三相分离器有三个出口，分别连接至气相降压及利用系统(12)、液相降压及排放系统(13)和固相降压及排出系统(14)，在三相分离器内实现气相产物、液相产物和固相产物的分离利用；所述固相降压及排出系统出口与所述催化剂再生系统(17)的另一个进口连接，所述催化剂再生系统出口与催化剂前驱液调质罐(20)进口连接，用于将所述固相排放系统回收的固体产物一起进入催化剂再生系统(17)，在催化剂再生系统中进行酸洗分解，采用与催化剂前驱液阴离子相同的酸进行酸洗，随后用于制备催化剂前驱液，然后进入催化剂前驱液调质罐(20)进行下一步循环利用。

2.根据权利要求1所述的超临界水催化剂在线生成及回收利用气化系统，其特征在于，所述催化剂升压预热系统包括催化剂前驱液高压泵(21)和催化剂前驱液预热器(22)，依次连接至所述催化剂前驱液进口(1)；

所述原料升压预热系统包括原料高压泵(28)和原料预热器(29)，依次连接至预热后原料的进口(4)；

所述水升压预热系统包括水高压泵(31)和水预热水器(30)，依次连接至热水进口(2)。

3.根据权利要求1所述的超临界水催化剂在线生成及回收利用气化系统，其特征在于，所述催化剂前驱液进口(1)与所述热水进口(2)保持同轴。

4.根据权利要求1所述的超临界水催化剂在线生成及回收利用气化系统，其特征在于，所述调质剂进口(3)与预热后原料的进口(4)平行布置，它们与水平面的夹角为45-60°。

5.根据权利要求1所述的超临界水催化剂在线生成及回收利用气化系统，其特征在于，所述的混合反应室(6)内通过烧嘴的布置形成交叉碰撞流场。

6.根据权利要求5所述的超临界水催化剂在线生成及回收利用气化系统，其特征在于，在所述混合反应室(6)内，通过流场控制、惯性分离以及重力分离实现大部分催化剂分离，并从固相排放系统排出，随后进入催化剂再生系统进一步回收利用。

7.根据权利要求1所述的超临界水催化剂在线生成及回收利用气化系统，其特征在于，所述催化剂生成室(5)的反应温度为500-550℃，压力为23-28Mpa。

8.根据权利要求1所述的超临界水催化剂在线生成及回收利用气化系统，其特征在于，所述反应混合物出口(8)设置在反应系统中下部，避免催化剂过多进入回热器。

9.根据权利要求1所述的超临界水催化剂在线生成及回收利用气化系统，其特征在于，所述固相排放系统包括依次连接的固渣冷却装置(15)和固渣排放系统(16)，所述固渣冷却装置(15)进口连接固体排放出口(7)，所述固渣排放系统(16)出口连接至所述催化剂再生系统进口。