CN212524110U - 连续式超临界水气化制氢耦合超临界水氧化的反应装置 - Google Patents

Abstract

连续式超临界水气化制氢耦合超临界水氧化的反应装置，属于新能源技术领域，解决超临界水气化过程碳转化不完全、工质参数低、固体颗粒分离困难的技术问题。解决方案为：内管安装于外管中，内管通过连接管件与翅片管固定连接，燃料进料管的上端与煤浆储料罐通过管道连通，燃料进料管的下端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上端和氧化剂进料管分别与氧化剂储料罐连通，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，外管侧壁的下部设置有工质排料管，翅片管的上部设置有氧化剂进料管，翅片管的底面上设置有反应器排料管。本装置可以实现由高含水量含碳资源制取氢气的同时高效洁净发电。

Description

连续式超临界水气化制氢耦合超临界水氧化的反应装置

技术领域

本实用新型属于新能源技术领域，具体涉及的是连续式超临界水气化制氢耦合超临界水氧化的反应装置。

背景技术

我国有分布广泛的褐煤、泥炭、风化煤等热值较低的低阶煤，由于低阶煤水分高、热值低，现有的气化与燃烧设备几乎难以利用，导致这部分尚有利用价值的煤炭资源大多被遗弃。此外，我国生物质能资源相当丰富，可作为能源利用的农作物秸秆及农产品加工剩余物、林业剩余物和能源作物等生物质资源总量每年约4.6亿吨标准煤，但是生物质的利用率极低且利用效率低下，大量的生物质资源被就地焚烧，不仅造成资源的浪费，而且造成严重的环境污染。为了更加有效合理地使用能源，确保能源供应的可持续性，实现能源供应、经济发展与环境保护的协调发展，迫切需要开发新型的低阶煤及生物质洁净转化利用技术。

氢气是一种清洁的可再生能源，有望在未来替代化石燃料成为最主要的能源物质。目前制取氢气的方法主要有电解水法、化石燃料制取氢气、从化工副产物中提取氢气等，电解水法耗电量大、规模小，我国的石油与天然气资源相对匮乏，以石油及天然气大规模制取氢气将受到限制。在未来相当长一段时间内，煤和生物质仍然是制氢的主要原料。但现在的气化制氢过程中，气化产物种类较多，氢气相对含量较少，不仅需要复杂的变换分离过程，还需对产生的废水和废气进行净化处理。

超临界流体技术作为一种清洁的环境友好型技术，其潜在的应用前景己经引起人们的广泛关注。达到超临界状态后，水的密度和粘度降低，可以与空气、氧气等气体混溶；超临界水的介电常数很小，对有机物有较强的溶解能力。利用超临界水作为制氢介质，一方面可以免去高含水物料的干燥过程；另一方面，可使煤及生物质中的各种化学键合（醚键、酯键等）发生水解，各种有机单元结构及热解后的有机产物在水中的溶解度增加，形成均相的反应环境，与水的化学反应速率得以加快。由于反应体系中水的大量存在，有利于水煤气变换反应向生成氢气的方向进行，过程集萃取、热解、气化和水煤气变换为一体，最终转化为氢气、甲烷和二氧化碳。所有反应过程在同一反应器中进行，工艺过程简单。

尽管超临界水气化制氢方法对于处理含水量较高、常规方法较难应用的低阶煤和生物质有较大优势，但没有实现工业应用。目前连续超临界水气化工艺设计存在的主要难点在于（:）：

1、气化反应是吸热反应，连续流动原料的快速升温；

2、由于反应温度（600-700℃）低于常规气化温度（1000-1600℃），物料中的碳不能完全转化，工艺设计需要考虑惰性碳的转化单元；

3、无法实现气化制氢同时产生高参数蒸汽；

4、固体物料中的无机矿物质在高温高压条件下与超临界工质的高效分离。

实用新型内容

为了克服现有技术中的不足，解决超临界水气化过程碳不能完全转化、工质参数低、固体颗粒分离困难等技术问题，本实用新型提供一种高含水量固态物料连续式超临界水气化制氢耦合超临界水氧化的反应装置，实现由高含水量含碳资源制取氢气的同时高效洁净发电。

本实用新型通过以下技术方案予以实现。

连续式超临界水气化制氢耦合超临界水氧化的反应装置，它包括外管、内管、翅片管和保温层，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，内管的下端部通过连接管件与翅片管的上端部固定连接，燃料进料管的上端与煤浆储料罐通过管道连通，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上端与氧化剂储料罐连通，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，外管侧壁的下部设置有工质排料管，工质排料管贯穿保温层并延伸至保温层的外部，翅片管的上部设置有氧化剂进料管，翅片管的底面上设置有反应器排料管，氧化剂进料管由内向外依次贯穿外管和保温层并延伸至保温层的外部，氧化剂进料管通过管道与氧化剂储料罐连通，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，内管的材质为微孔烧结金属管，内管侧壁上微孔的孔径为0.5~20微米，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，燃料通过顶部燃料进料管进入反应器，氧化剂分为两股，其中一股氧化剂通过氧化剂分布管（即不锈钢烧结网滤筒）进入反应器，氧化剂均匀分布，原料得以快速加热，达到气化反应温度。反应产生的超临界水/氢气/甲烷/二氧化碳混合工质透过内管（微孔烧结金属管）的管身到内管和外管之间的环隙。未完全反应的物料向下流动到翅片管内，与另外一股氧化剂混合，未完全反应的物料被彻底氧化，固体颗粒从反应器下部的反应器排料管流出反应器。气化产生的混合工质沿着内管和外管之间的环隙向下流动，通过间接换热的方式吸收氧化放出的热量，产生高参数的工质，进入高压汽轮机发电，发电后分离氢气、甲烷和二氧化碳。

与现有技术相比本实用新型的有益效果为：

（1）在线过滤除去混合工质中的固体颗粒，不磨损反应器的承压面，工质可用能损失很小。

（2）采用微孔烧结金属管为过滤介质，渗透性好、强度高、孔隙稳定、过滤精度高，能够高效去除发电工质中的悬浮物和微粒。

（3）有机耦合了超临界水气化制取富氢气体和超临界水氧化过程，煤或者生物质中的活泼碳气化制取富氢气体，相对惰性的碳氧化，氧化放热产生高参数的工质，发电效率高。

附图说明

图1为本实用新型主视剖视结构示意图。

图中，1-氧化剂储料罐，2-煤浆储料罐，3-外管，4-内管，5-保温层，6-翅片管，7-连接管件，8-工质排料管，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。

连续式超临界水气化制氢耦合超临界水氧化的反应装置，它包括外管3、内管4、翅片管6和保温层5，其中：所述外管3的上端面处设置有端盖，内管4安装于外管3中，并且内管4与外管3同轴设置，内管4的下端部通过连接管件7与翅片管6的上端部固定连接，燃料进料管的上端与煤浆储料罐2通过管道连通，燃料进料管的下端贯穿端盖并延伸至内管4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上端与氧化剂储料罐1连通，氧化剂分布管的下端延伸至内管4内腔的中部；所述保温层5包裹于外管3的外部，外管3侧壁的下部设置有工质排料管8，工质排料管8贯穿保温层5并延伸至保温层5的外部，翅片管6的上部设置有氧化剂进料管，翅片管6的底面上设置有反应器排料管9，氧化剂进料管由内向外依次贯穿外管3和保温层5并延伸至保温层5的外部，氧化剂进料管通过管道与氧化剂储料罐1连通，反应器排料管9由内向外依次贯穿外管3、保温层5并延伸至保温层5的外部。

进一步地，所述外管3的材质为无缝不锈钢管，内管4的材质为微孔烧结金属管，内管4侧壁上微孔的孔径为10微米，氧化剂分布管的材质为不锈钢烧结网滤筒，过滤精度为120 微米。

进一步地，所述氧化剂分布管的外壁与内管4的内壁之间设置有环形间隙，内管4的外壁与外管3的内壁之间亦设置有环形间隙。

质量浓度为30%的褐煤水煤浆从煤浆储料罐2中通过燃料进料管进入内管4中，氧化剂由两个位置通入反应器，一股氧化剂从顶端氧化剂分布管的孔隙向外扩散到内管4中，形成微扰效应，与流动的褐煤水煤浆充分混合，另一股氧化剂从翅片管6上部的氧化剂进料管注入。连续流动的褐煤煤浆被快速加热到550-600℃、25MPa，发生部分氧化气化反应，产生的超临界水/氢气/甲烷/二氧化碳混合工质透过内管4的管身到内管4和外管3之间的环隙；未反应的惰性碳随流体向下流动到翅片管6内，与从翅片管6上部注入的氧化剂混合，惰性碳在翅片管6内被完全氧化，氧化后残余的无机矿物颗粒从反应器排料管9排出。

气化产生的混合工质沿着翅片管6和外管3之间的环隙向下流动，氧化反应放出的热通过翅片管6传导，被气化反应产生的混合工质吸收，换热后混合工质参数提高到600℃、25MPa。洁净的混合工质从外管3下部侧面的工质排料管8流出，进入高压汽轮机发电，发电后分离氢气、甲烷和二氧化碳。整个过程控制内管4中流体的压力比外管3中流体的压力高0.3-0.5MPa。

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 (3)

1.连续式超临界水气化制氢耦合超临界水氧化的反应装置，它包括外管（3）、内管（4）、翅片管（6）和保温层（5），其特征在于：所述外管（3）的上端面处设置有端盖，内管（4）安装于外管（3）中，并且内管（4）与外管（3）同轴设置，内管（4）的下端部通过连接管件（7）与翅片管（6）的上端部固定连接，燃料进料管的上端与煤浆储料罐（2）通过管道连通，燃料进料管的下端贯穿端盖并延伸至内管（4）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上端与氧化剂储料罐（1）连通，氧化剂分布管的下端延伸至内管（4）内腔的中部；所述保温层（5）包裹于外管（3）的外部，外管（3）侧壁的下部设置有工质排料管（8），工质排料管（8）贯穿保温层（5）并延伸至保温层（5）的外部，翅片管（6）的上部设置有氧化剂进料管，翅片管（6）的底面上设置有反应器排料管（9），氧化剂进料管由内向外依次贯穿外管（3）和保温层（5）并延伸至保温层（5）的外部，氧化剂进料管通过管道与氧化剂储料罐（1）连通，反应器排料管（9）由内向外依次贯穿外管（3）、保温层（5）并延伸至保温层（5）的外部。

2.根据权利要求1所述的连续式超临界水气化制氢耦合超临界水氧化的反应装置，其特征在于：所述外管（3）的材质为无缝不锈钢管，内管（4）的材质为微孔烧结金属管，内管（4）侧壁上微孔的孔径为0.5~20微米，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。

3.根据权利要求1所述的连续式超临界水气化制氢耦合超临界水氧化的反应装置，其特征在于：所述氧化剂分布管的外壁与内管（4）的内壁之间设置有环形间隙，内管（4）的外壁与外管（3）的内壁之间亦设置有环形间隙。

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