CN211546068U

CN211546068U - 一种用于产生发电工质的套管式超临界水氧化反应器

Info

Publication number: CN211546068U
Application number: CN201922247944.XU
Authority: CN
Inventors: 毕继诚; 张�荣; 晁兵; 曲旋; 孙东凯
Original assignee: Shanxi Institute of Coal Chemistry of CAS
Current assignee: Shanxi Institute of Coal Chemistry of CAS
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2020-09-22
Anticipated expiration: 2029-12-16

Abstract

一种用于产生发电工质的套管式超临界水氧化反应器，属于超临界水发电装置技术领域，解决反应物对水热燃烧反应器磨损以及在反应器的入口段氧化反应剧烈而难以控制的技术问题。解决方案为：内管安装于外管中，内管的外壁上设置有螺旋翅片，燃料进料管延伸至内管内腔的上部，氧化剂分布管设置于燃料进料管中，并且氧化剂分布管的下端延伸至内管内腔的中部，保温层包裹于外管的外部，外管侧壁的上部设置有超临界工质排料管，外管侧壁的下部设置有软化水进水管，内管的底面上设置有反应器排料管。本实用新型采用无灰煤制成的煤浆、有机废液或者高浓度有机废水为燃料，将反应器的磨损问题减小到最低程度，降低设备制造成本，提高工艺可操作性。

Description

一种用于产生发电工质的套管式超临界水氧化反应器

技术领域

本实用新型属于超临界水发电装置技术领域，具体涉及的是一种用于产生发电工质的套管式超临界水氧化反应器。

背景技术

煤炭作为我国的主体能源，有力地支撑了我国经济社会的发展，同时也带来了较为严重的环境问题，煤炭直接燃烧产生大量SO₂、NO_x、烟粉尘和CO₂。为控制大气污染形势，国家先后颁布了一系列有关污染物排放新标准，煤电的可持续发展面临愈加严峻的挑战。探索和推广高效、超低排放的燃煤发电技术，是解决未来煤电发展的最主要的途径。

超临界水氧化是一项高效的有机废物深度处理技术。在水的临界点（Tc=374.15℃，Pc=22.1MPa）以上，水的密度、粘度、离子积降低，介电常数降低到与有机溶剂近似，有机物在水中的溶解度大幅增加，小分子气体，如氢气、氧气、甲烷、二氧化碳等能以任意比例与超临界水混溶，极大地降低了传质阻力，能够在极短的反应时间内(<1 min)将有机物彻底氧化，化学需氧量去除率高达99.9%。超临界水氧化过程可以看做在水中进行的燃烧反应，事实上，当超临界水中有机物达到一定浓度时就能观察到水热火焰。由于反应温度远低于常规燃烧过程所需的反应温度（900-1300℃），因此没有NO_x产生。有机物中的碳、氢、氮原子分别转化为CO₂、H₂O和N₂，硫、氯、磷等杂原子则分别氧化成相应的无机酸，不产生任何污染气体。有机物含量较高时(>5%)，可回收反应热能，实现资源化利用。由于CO₂与水的临界温度、压力不同，借此可将CO₂从水中分离出来并集中回收利用。

将超临界水氧化技术应用到发电领域，利用氧化反应放出的热，产生发电工质，推动汽轮机发电，该过程不产生烟气和粉尘污染，而且CO₂可以集中回收利用，是一条高效、近零排放的发电技术。

专利 “一种燃煤的超临界水热燃烧发电装置” （专利号：2014101487170）以质量浓度不低于35wt%的煤浆为燃料，在水热燃烧反应器内布置受热面，结净水流经受热面后，进入蒸汽轮机发电。超临界水氧化环境（高温、高压和氧）会导致金属材料腐蚀，而煤的超临界水氧化过程不仅存在介质对反应器的腐蚀，还存在煤中无机矿物质和残余碳颗粒对水热燃烧反应器内壁面和受热面外壁面的磨损。因此，水热燃烧反应器和内置其中的换热设备都须采用高端耐蚀合金，其制造成本较高。

在超临界水氧化过程中，如果氧化剂以射流形式从反应器入口连续地注入，会造成注入段的氧气浓度较高，在反应器的入口段氧化反应剧烈而难以控制，有局部超温的风险，对反应器材质要求高并存在安全隐患。

实用新型内容

本实用新型的目的：为了克服现有技术中的不足，解决煤的超临界水氧化过程反应介质、煤中无机矿物质和残余碳颗粒对水热燃烧反应器内壁面和受热面外壁面的磨损，以及注入段的氧气浓度较高，在反应器的入口段氧化反应剧烈而难以控制的技术问题，本实用新型提供一种用于产生发电工质的套管式超临界水氧化反应器，采用无灰煤制成的煤浆、有机废液或者高浓度有机废水为燃料，将反应器的磨损问题减小到最低程度，降低设备制造成本，提高工艺可操作性。

本实用新型通过以下技术方案予以实现。

一种用于产生发电工质的套管式超临界水氧化反应器，它包括内管、外管和保温层，其中：所述外管的上端面处设置有端盖，内管安装于外管中，并且内管与外管同轴设置，内管的外壁上设置有螺旋翅片，以强化换热，结合反应、流动与传热分析，翅片几何形状以螺旋形翅片为最佳，燃料进料管的下端贯穿端盖并延伸至内管内腔的上部，氧化剂分布管设置于燃料进料管中，并且氧化剂分布管的下端延伸至内管内腔的中部；所述保温层包裹于外管的外部，外管侧壁的上部设置有超临界工质排料管，外管侧壁的下部设置有软化水进水管，超临界工质排料管与软化水进水管分别贯穿保温层并延伸至保温层的外部，内管的底面上设置有反应器排料管，反应器排料管由内向外依次贯穿外管、保温层并延伸至保温层的外部。

进一步地，所述外管的材质为无缝不锈钢管，内管的材质为镍基合金管，氧化剂分布管的材质为不锈钢烧结网滤筒，过滤精度为100~300 微米。

进一步地，所述氧化剂分布管的外壁与内管的内壁之间设置有环形间隙，内管的外壁与外管的内壁之间亦设置有环形间隙。

燃料和氧化剂走内管，燃料通过燃料进料管进入反应器，氧化剂通过不锈钢烧结网滤筒制成的氧化剂分布管进入反应器。一方面，氧化剂得以均匀分布，避免局部热点产生；另一方面，氧化剂从烧结网的孔隙进入内管，产生的横向作用力形成微扰效应，强化了氧化剂和燃料的接触与反应。内管和外管之间的环隙中流动介质为软化水，与内管内流体逆向流动以达到最佳换热效果，换热后工质参数超过水的临界点参数，进入超临界汽轮机发电。

控制保持翅片管内外压力平衡，翅片管只承受温度不承受压力，可降低材质厚度。外管仅承压，没有超临界水氧化环境的腐蚀和颗粒的磨蚀，材质为超临界机组锅炉用无缝不锈钢管，无需使用高端耐蚀合金，显著降低设备造价。

与现有技术相比本实用新型的有益效果为：

（1）内管不承压，壁厚显著降低。外管没有氧化腐蚀和磨损，无需使用高端耐蚀合金，设备造价低，而且操作安全性提高。

（2）通过翅片管将化学反应热传到外管，产生发电工质，换热效率高。

（3）氧化剂通过不锈钢烧结网滤筒分布在反应器内，氧化剂分布均匀，与超临界流体接触面积大，避免局部热点产生。

附图说明

图1为本实用新型主视剖视结构示意图。

图中，1-氧化剂分布管，2-燃料进料管，3-超临界工质排料管，4-外管，5-内管，6-螺旋翅片，7-保温层，8-软化水进水管，9-反应器排料管。

具体实施方式

下面通过具体实施例对于本实用新型做进一步详细的说明，下面实施例仅作为代表案例对本实用新型进行清楚、完整的解释，但是本实用新型的保护范围并不受限于这些实施例。

一种用于产生发电工质的套管式超临界水氧化反应器，它包括内管5、外管4和保温层7，其中：所述外管4的上端面处设置有端盖，内管5安装于外管4中，并且内管5与外管4同轴设置，内管5的外壁上设置有螺旋翅片6，以强化换热，结合反应、流动与传热分析，翅片几何形状以螺旋形翅片为最佳，燃料进料管2的下端贯穿端盖并延伸至内管5内腔的上部，氧化剂分布管1设置于燃料进料管2中，并且氧化剂分布管1的下端延伸至内管5内腔的中部；所述保温层7包裹于外管4的外部，外管4侧壁的上部设置有超临界工质排料管3，外管4侧壁的下部设置有软化水进水管8，超临界工质排料管3与软化水进水管8分别贯穿保温层7并延伸至保温层7的外部，内管5的底面上设置有反应器排料管9，反应器排料管9由内向外依次贯穿外管4、保温层7并延伸至保温层7的外部。

进一步地，所述外管4的材质为无缝不锈钢管，内管5的材质为镍基合金管，氧化剂分布管1的材质为不锈钢烧结网滤筒，过滤精度为200 微米。

进一步地，所述氧化剂分布管1的外壁与内管5的内壁之间设置有环形间隙，内管5的外壁与外管4的内壁之间亦设置有环形间隙。

质量分数为25%的无灰煤水煤浆经过物料进料系统加压，压力达到25MPa，预热到360℃后从燃料进料管2泵入同心套管的内管5中，氧化剂从氧化剂分布管1的孔隙向外扩散到内管5，形成微扰效应，与流动的无灰煤水煤浆充分混合并发生氧化反应，温度提升至650℃。软化水加压后从软化水进水管8中泵入外管4和内管5之间的环隙，通过螺旋翅片6和内管5与内管5中的反应流体换热，换热后参数达到580℃，从超临界工质排料管3流出，进入超临界汽轮机发电。与软化水换热后的反应产物从反应器排料管9流出，进入固液分离装置。整个过程中控制内管和外管的压力差小于0.3MPa。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种用于产生发电工质的套管式超临界水氧化反应器，它包括内管（5）、外管（4）和保温层（7），其特征在于：所述外管（4）的上端面处设置有端盖，内管（5）安装于外管（4）中，并且内管（5）与外管（4）同轴设置，内管（5）的外壁上设置有螺旋翅片（6），燃料进料管（2）的下端贯穿端盖并延伸至内管（5）内腔的上部，氧化剂分布管（1）设置于燃料进料管（2）中，并且氧化剂分布管（1）的下端延伸至内管（5）内腔的中部；所述保温层（7）包裹于外管（4）的外部，外管（4）侧壁的上部设置有超临界工质排料管（3），外管（4）侧壁的下部设置有软化水进水管（8），超临界工质排料管（3）与软化水进水管（8）分别贯穿保温层（7）并延伸至保温层（7）的外部，内管（5）的底面上设置有反应器排料管（9），反应器排料管（9）由内向外依次贯穿外管（4）、保温层（7）并延伸至保温层（7）的外部。

2.根据权利要求1所述的一种用于产生发电工质的套管式超临界水氧化反应器，其特征在于：所述外管（4）的材质为无缝不锈钢管，内管（5）的材质为镍基合金管，氧化剂分布管（1）的材质为不锈钢烧结网滤筒，过滤精度为100~300 微米。

3.根据权利要求1所述的一种用于产生发电工质的套管式超临界水氧化反应器，其特征在于：所述氧化剂分布管（1）的外壁与内管（5）的内壁之间设置有环形间隙，内管（5）的外壁与外管（4）的内壁之间亦设置有环形间隙。