TWI728893B

TWI728893B - 基於超臨界水氧化的熱-電-清潔水聯產系統

Info

Publication number: TWI728893B
Application number: TW109126652A
Authority: TW
Inventors: 洪祖全
Original assignee: 國立臺北科技大學
Priority date: 2020-08-06
Filing date: 2020-08-06
Publication date: 2021-05-21
Also published as: TW202206379A

Abstract

本發明係關於一種基於超臨界水氧化的熱-電-清潔水聯產系統，將超臨界水氧化系統與ORC系統耦合，通過合理設計管路和系統部件的連接方式，將各個支路和子系統合理的耦合起來，結構緊湊，並且根據梯級能量利用原理，將超臨界水氧化系統中進口反應物以及出口生產物的低品位能量通過換熱器合理的利用起來，在為ORC系統提供能量的同時，輸出電能和熱能，而且將ORC中的低品位能量也加以利用，使整個系統能量的利用最大化。同時，超臨界水氧化系統中壓縮機級數的多樣性和ORC形式的多樣性使得系統不是單一的，具有可變性。本發明的超臨界水氧化系統以及ORC系統的能量利用率都很高，治理污水的同時為用戶提供用電、用熱和用水需求，功能多且運行靈活，節能環保。

Description

基於超臨界水氧化的熱-電-清潔水聯產系統

本發明係有關一種能源技術領域，涉及超臨界水氧化（Supercritical Water Oxidation, SCWO）、有機朗肯循環（organic Rankine cycle, ORC）領域的能量梯級利用，特別涉及一種基於超臨界水氧化的熱-電-清潔水聯產系統。

超臨界水氧化技術由於反應在高溫高壓下進行，具有反應快的特點，並且對於污水中的各種有毒物質，超臨界水氧化技術都能將其氧化，去毒率可以達到99.99%以上，處理完後的污水不再需要二次處理，可直接回收，並且不會造成二次污染，具有高效清潔的特點，並且在反應過程中放出巨大的熱量，當有機物含量較多時，就可以依靠反應過程中氧化放出的熱量來維持反應所需的溫度，不需要額外供給熱量。由於這些優點超臨界水氧化技術現實中的應用越來越廣泛。

目前在應用超臨界水氧化技術時，由於其治理污水方面的優勢，而往往忽略了整個系統中所釋放的能量，以及在反應準備階段上的一些能量損失，系統單純靠外界輸入能量將造成了大量的能源浪費，如果將這些低品位的能量回收並且合理的再利用，可以節約能源，達到系統的自給自足並且同時生產電能和熱能，提供給用戶。

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種基於超臨界水氧化的熱-電-清潔水聯產系統，通過合理的設計管路連接，將超臨界水氧化系統和ORC系統耦合起來，將超臨界水氧化系統和ORC系統中的低品位能量回收再利用，同時設計的合理性使得系統結構非常緊湊，不會佔用額外太大的空間。系統在部件上以及形式上選擇的多樣性使得真個系統適應性更強，流量的合理分配使得系統運行更加的靈活。與通常的超臨界水氧化技術相比，本發明具有很高的能量利用率的同時，還可以同時解決用戶的用電、用熱和用水問題。

為了實現上述目的，本發明採用的技術手段是：

一種基於超臨界水氧化的熱-電-清潔水聯產系統，包括超臨界水反應器，超臨界水反應器的入口端連接有兩條支路，一條支路連接換熱器組合一的出水口，換熱器組合一進水口連接增壓泵的出水口，增壓泵的入口即為系統的污水入口，另一條支路連接壓縮機組合的出氣口，壓縮機組合的進氣口為系統的氧化氣體入口，壓縮機組合中配置有對氧化氣體降溫的換熱器組合二，換熱器組合二以冷水為換熱介質，其冷源側出口接第八換熱器的熱源側進口，超臨界水反應器的出口端接換熱器組合一的熱源側入口，換熱器組合一的熱源側出口接氣液分離裝置的入口，氣液分離裝置的氣體出口接第六換熱器的熱源側進口，氣液分離裝置的液體出口和第六換熱器的熱源側出口接第七換熱器的熱源側進口，第七換熱器的熱源側出口排出潔淨水，第八換熱器的冷源側出口接第六換熱器的冷源側入口，第六換熱器的冷源側出口接第九換熱器的熱源側進口，第九換熱器的熱源側出口接第八換熱器的冷源側入口，第九換熱器的冷源側入口接冷水，冷源側出口的一路接第七換熱器的冷源側入口，第七換熱器的冷源側出口和第八換熱器的熱源側出口接熱用戶為用戶提供熱能。

所述反應物污水經過增壓泵和換熱器組合一增壓增溫到超臨界狀態，所述氧化氣體經過壓縮機組合增壓增溫達到超臨界反應所需的高溫高壓狀態，進入超臨界水反應器11進行超臨界反應。

所述壓縮機組合和換熱器組合二採用多級壓縮、中間冷卻的方式，所述換熱器組合一採用多級加熱的方式。

所述換熱器組合一包括第四換熱器和第五換熱器，第四換熱器的冷源側入口即換熱器組合一進水口，第四換熱器的冷源側出口接第五換熱器的冷源側入口，第五換熱器的冷源側出口即換熱器組合一出水口，第五換熱器的熱源側入口即換熱器組合一熱源側入口，第五換熱器的熱源側出口接第四換熱器的熱源側入口，第四換熱器的熱源側出口即換熱器組合一熱源側出口。

所述超臨界水反應器的出口端與第五換熱器的熱源側入口之間設置有第一膨脹機。

所述壓縮機組合包括依次串接的第一壓縮機、第二壓縮機、第三壓縮機和第四壓縮機，第一壓縮機的進氣口即為壓縮機組合的進氣口，第四壓縮機的出氣口即為壓縮機組合的出氣口；所述換熱器組合二包括第一換熱器、第二換熱器和第三換熱器，第一換熱器、第二換熱器和第三換熱器的冷源側入口均接冷水，冷源側出口即為換熱器組合二的冷源側出口，第一壓縮機的出氣口接第一換熱器的熱源側入口，第一換熱器的熱源側出口接第二壓縮機的進氣口，第二壓縮機的出氣口接第二換熱器的熱源側入口，第二換熱器的熱源側出口接第三壓縮機的進氣口，第三壓縮機的出氣口接第三換熱器的熱源側入口，第三換熱器的熱源側出口接第四壓縮機的進氣口。

所述氣液分離裝置的液體出口與第七換熱器的熱源側進口之間設置有第二膨脹機，氣液分離裝置的氣體出口連接氣體分離裝置，氣體分離裝置出口一端連接用於排出氮氣的第三膨脹機，另一端連接第六換熱器的熱源側入口，第六換熱器的熱源側出口排出氣體為CO ₂。

所述第六換熱器的冷源側出口與第九換熱器的熱源側進口之間設置有第四膨脹機，第九換熱器的熱源側出口與第八換熱器的冷源側入口之間設置有工質泵。

本發明可在第四膨脹機和第九換熱器之間、工質泵和第八換熱器之間添加一個共用的回熱器，回熱器中分別通入第四膨脹機的排汽和工質泵加壓後的液態工質，液態工質被第四膨脹機的排汽加熱後進入第八換熱器，第四膨脹機的排汽被液態工質冷卻後進入第九換熱器。

本發明各壓縮機和各膨脹機根據整個系統的空間佈局，選擇同軸或不同軸，或壓縮機和部分膨脹機同軸，部分不同軸。

與現有技術相比，本發明利用冷水將超臨界水氧化系統的空氣準備階段的低品位能量回收再利用；利用超臨界水氧化系統的生產物的低品位能量一部分提供給污水的準備階段；將生成物一部分流入膨脹機中做功發電，一部分流入換熱器與ORC系統耦合，為ORC提供能量；並且將ORC中的低品位能量、在膨脹機做完功以及與ORC系統換熱完後的生成物的低品位能量回收再利用。不管是超臨界水氧化系統的反應階段、生成和分離階段以及所耦合的ORC系統，都將其所關乎到的低品位能量回收並且合理利用，尤其是超臨界水氧化系統的反應物所含有的大量能量，利用提及能量利用原理，合理將這些能量利用，在治理污水和系統自給自足的同時，提供電能，熱能和潔淨水給用戶。

下面結合附圖和實施例詳細說明本發明的實施方式。

如圖1所示，本發明一種基於超臨界水氧化的熱-電-清潔水聯產系統，包括超臨界水反應器11，超臨界水反應器11的入口端連接有兩條支路，一條支路連接換熱器組合一的出水口，換熱器組合一進水口連接增壓泵5的出水口，增壓泵5的入口即為系統的污水入口，污水作為反應物，經過增壓泵5和換熱器組合一增壓增溫到超臨界狀態，進入超臨界水反應器11進行超臨界反應。另一條支路連接壓縮機組合的出氣口，壓縮機組合的進氣口為系統的氧化氣體入口，壓縮機組合中配置有對氧化氣體降溫的換熱器組合二，氧化氣體經過壓縮機組合增壓增溫達到超臨界反應所需的高溫高壓狀態，進入超臨界水反應器11進行超臨界反應。

其中，換熱器組合一採用單級或多級加熱的方式，本實施例選擇二級加熱，其包括第四換熱器9和第五換熱器10，第四換熱器9的冷源側入口即換熱器組合一進水口，第四換熱器9的冷源側出口接第五換熱器10的冷源側入口，第五換熱器10的冷源側出口即換熱器組合一的出水口，與超臨界水反應器11的入口連接。第五換熱器10的熱源側入口即換熱器組合一熱源側入口，與第一膨脹機12的出口（即排氣口）連接，第一膨脹機12的入口與超臨界水反應器11的出口連接。第五換熱器10的熱源側出口接第四換熱器9的熱源側入口，反應物污水通過第四換熱器9和第五換熱器10吸收反應生成物中的能量，實現該處低品位能量的回收再利用。第四換熱器9的熱源側出口即換熱器組合一熱源側出口，與氣液分離裝置13的入口連接。

針對壓縮要求或者冷水吸收中間冷卻過程的熱量要求，本發明壓縮機組合和換熱器組合二採用單級或多級壓縮、中間冷卻的方式對空氣進行壓縮，本實施例選擇四級壓縮，三級冷卻。其中壓縮機組合包括依次串接的第一壓縮機1、第二壓縮機2、第三壓縮機3和第四壓縮機4，第一壓縮機1的進氣口即為壓縮機組合的進氣口，第四壓縮機4的出氣口即為壓縮機組合的出氣口，與超臨界水反應器11的入口連接。換熱器組合二包括第一換熱器6、第二換熱器7和第三換熱器8，第一換熱器6、第二換熱器7和第三換熱器8的冷源側入口均接冷水，即冷水分為三條支路流入，冷源側出口即為換熱器組合二的冷源側出口，均與第八換熱器19的熱源側進口連接，利用冷水將多級壓縮機在中間冷卻中的熱量吸收，實現該處低品位能量的回收再利用。具體地，第一壓縮機1的出氣口接第一換熱器6的熱源側入口，第一換熱器6的熱源側出口接第二壓縮機2的進氣口，第二壓縮機2的出氣口接第二換熱器7的熱源側入口，第二換熱器7的熱源側出口接第三壓縮機3的進氣口，第三壓縮機3的出氣口接第三換熱器8的熱源側入口，第三換熱器8的熱源側出口接第四壓縮機4的進氣口。

氣液分離裝置13的氣體出口接第六換熱器17的熱源側進口，氣液分離裝置13的液體出口和第六換熱器17的熱源側出口接第七換熱器18的熱源側進口，第七換熱器18的熱源側出口排出潔淨水提供給用戶，利用梯級能量利用原理，將超臨界水氧化系統的反應物所含有的大量能量回收再利用。

第八換熱器19的冷源側出口接第六換熱器17的冷源側入口，第六換熱器17的冷源側出口接第九換熱器21的熱源側進口，第九換熱器21的熱源側出口接第八換熱器19的冷源側入口，第九換熱器21的冷源側入口接冷水，冷源側出口的一路接第七換熱器18的冷源側入口，另一路將部分水排出，第七換熱器18的冷源側出口和第八換熱器19的熱源側出口接熱用戶為用戶提供熱能，通過第九換熱器21耦合，用冷水吸收ORC中冷凝階段放出的熱量，實現該處低品位能量的回收再利用。並可進一步在第六換熱器17的冷源側出口與第九換熱器21的熱源側進口之間設置第四膨脹機22，第九換熱器21的熱源側出口與第八換熱器19的冷源側入口之間設置工質泵20。

其中，第六換熱器17-第八換熱器19-工質泵20-第九換熱器21-第四膨脹機22-第六換熱器17完成一個循環，構成ORC子系統，超臨界水氧化系統通過第六換熱器17與ORC子系統耦合。通過耦合，ORC合理利用超臨界水氧化系統分離出來CO ₂的低品位能量，將其作為ORC的一部分能量輸入。ORC系統同時通過第八換熱器19與回收多級壓縮中中間冷卻的低品位能量支路耦合起來，吸收加熱後的水的熱量作為ORC的預熱階段，增加循環效率。

ORC子系統中可以採用R11、R12或者R134a等符合工作情況要求的工質，或者兩種以及多種純有機物混合而成的符合工況要求的混合物，系統可以根據具體情況選擇或者更換最佳的循環工質，本發明統一用工質代表說明。並且，在該ORC子系統中，還可以在第四膨脹機22和第九換熱器21之間、工質泵20和第八換熱器19之間添加一個共用的回熱器，回熱器中分別通入第四膨脹機22的排汽和工質泵20加壓後的液態工質，液態工質被第四膨脹機22的排汽加熱後進入第八換熱器19，第四膨脹機22的排汽被液態工質冷卻後進入第九換熱器21，添加該回熱器可以減少ORC的冷源損失，增加循環效率。

進一步地，氣液分離裝置13的液體出口連接第二膨脹機14的進口，第二膨脹機14的出口連接第七換熱器18的熱源側進口，氣液分離裝置13的氣體出口連接氣體分離裝置15，氣體分離裝置15出口一端連接用於排出氮氣等氣體的第三膨脹機16，出口另一端連接第六換熱器17的熱源側入口，第六換熱器17的熱源側出口排出氣體為CO ₂，該CO ₂與第二膨脹機14排出的潔淨水均進入第七換熱器18。

本實施例中，換熱器組合二以冷水為換熱介質，壓縮機組合中的氧化氣體可以為空氣、氧氣，也可用其它氧化劑代替，本實施例選擇空氣。

本發明第一壓縮機1、第二壓縮機2、第三壓縮機3、第四壓縮機4、第一膨脹機12、第二膨脹機14、第三膨脹機16和第四膨脹機22可以根據整個系統的空間佈局，選擇同軸和不同軸，也可以壓縮機和部分膨脹機同軸，部分不同軸；各個膨脹機分別與其對應的發電機同軸連接。

本發明在工質入口處以及系統中某些管道之間均有控制閥，且都為電磁式，並且可帶有射頻控制裝置；本發明各工質泵、增壓泵均可帶有變頻設施，均可安裝射頻控制裝置。

下面結合附圖進一步說明本發明的工作原理和使用步驟：

如圖1所示，超臨界氧化系統中，反應物污水在反應前需要先經過增壓增溫到超臨界狀態，空氣經過增壓增溫達到高溫高壓狀態，兩者達到反應條件才進入反應器中反應，壓縮採用多級壓縮、中間冷卻的方式，這裡多級可以是兩級、三級、四級或者更多，可根據實際情況選擇合適的壓縮機，例如根據冷水加熱量的大小和空氣壓縮後壓力的大小等來選擇，這裡以一個四級壓縮機為代表說明，空氣經過一個四級壓縮機，首先通入第一壓縮機1壓縮，在經過第一換熱器6中間冷卻，第一換熱器6再依次經過第二壓縮機2的壓縮、第二換熱器7的冷卻、第三壓縮機3的壓縮、第三換熱器8的冷卻和第四壓縮機4的壓縮達到一個高溫高壓狀態，污水則是在另一條管路上先通過增壓泵5的加壓後，依次流過第四換熱器9和第五換熱器10，吸收熱量，該熱量則是超臨界水氧化的生成物所攜帶的熱量，污水增壓增溫也達到一個超臨界狀態，隨後與高溫高壓空氣混合進入超臨界水反應器11反應。反應是氧化放熱反應，生成的無機鹽和其他固化物通過排渣口排出，水和CO ₂等氣體則流入第一膨脹機12中，此時由於反應過程放出大量的熱，在高溫高壓下的水和CO ₂等氣體推動第一膨脹機12工作輸出電能，第一膨脹機12的排汽依然具有較高的溫度，再依次流經第五換熱器10和第四換熱器9與污水換熱，放出熱量給污水增溫，然後流入氣液分離裝置13，水和CO ₂等氣體分離，水進入第二膨脹機14中做功，輸出電能，最後流經第七換熱器18放出熱量後排出，此時的潔淨水可以提供給用戶，解決用戶用水問題，第七換熱器18放出熱量讓另一條支路的水吸收；CO ₂等氣體進入氣體分離裝置15，分離CO ₂和N ₂等氣體，CO ₂氣體進入第三膨脹機16中做功輸出電能，N ₂等氣體則進入第六換熱器17放出熱量，為ORC系統提供能量，最後流經第七換熱器18放出熱量後排出。本發明在對超臨界水氧化反應所放出的熱量的利用上，運用到梯級能量利用原理，先是通過換熱器將本身的污水加熱，再在分離後分別輸入到膨脹機中做功輸出電能、通過換熱器放出熱量為ORC系統提供能量、通過換熱器放出的熱量加熱冷水提供熱給用戶，充分的將這些低品位熱量回收再利用。

在ORC系統中，工質泵20帶動循環流動，並且將工質壓縮，工質壓縮後首先流入第八換熱器19進行一個預熱，預熱後的工質進入第六換熱器17吸收超臨界水氧化系統生成物所放出的熱量，增壓增溫後的工質進入第四膨脹機中做功輸出電能，第四膨脹機的排汽流入第九換熱器21冷凝放出熱量，最後回到工質泵20中進行下一個循環。同時，ORC在需要提高效率的情況下，可以在第四膨脹機22和第九換熱器21之間、工質泵20和第八換熱器19之間添加一個共用的回熱器，回熱器中分別通入第四膨脹機22的排汽和工質泵20加壓後的液態工質，工質泵20加壓後的液態工質在回熱器中吸收第四膨脹機22的排汽所放出的熱量再流入第八換熱器19吸收熱量，第四膨脹機22的排汽在回熱器中被工質泵20流出的液態工質冷卻後進入第九換熱器21再放熱，可以有效減少ORC的冷源損失。添加回熱器是一種高循環效率的優選實施例。

一股冷水分為三條支路分別通入第一換熱器6、第二換熱器7和第三換熱器8，吸收多級壓縮機中間冷卻放出的熱量，第一條支路的冷水在第一換熱器6吸收熱量後與在第二換熱器7吸收熱量後第的二條支路的水混合，再與在第三換熱器8吸收熱量後的第三條支路的水混合，混合後較高溫度的水流入第八換熱器19給ORC系統中的工質預熱，從第八換熱器19流出的熱水將熱量提供給用戶依次滿足用戶的用熱需求。在這裡，本發明將多級壓縮機中的各個級之間的中間冷卻階段放出的熱量充分回收，利用冷水吸收，在為ORC系統提供預熱的同時，也給用戶提供了熱能。

又一股冷水首先流經第九換熱器21吸收ORC系統中工質放出的熱量，再流經第七換熱器18吸收超臨界水氧化系統中反應生成的水和氣體最後放出的熱量，從第七換熱器18流出的熱水將熱量提供給用戶依次滿足用戶的用熱需求。在這裡，本發明將ORC系統在冷凝階段放出的熱量也進行了再回收，加熱冷水，最後給用戶提供熱能。

綜上，本發明將超臨界水氧化系統與ORC系統耦合，通過合理設計管路和系統部件的連接方式，將各個支路和子系統合理的耦合起來，結構緊湊，並且根據梯級能量利用原理，將超臨界水氧化系統中進口反應物以及出口生產物的低品位能量通過換熱器合理的利用起來，在為ORC系統提供能量的同時，輸出電能和熱能，而且將ORC中的低品位能量也加以利用，使整個系統能量的利用最大化。同時，超臨界水氧化系統中壓縮機級數的多樣性和ORC形式的多樣性使得系統不是單一的，具有可變性。本發明的超臨界水氧化系統以及ORC系統的能量利用率都很高，治理污水的同時為用戶提供用電、用熱和用水需求，功能多且運行靈活，節能環保。

1:第一壓縮機

2:第二壓縮機

3:第三壓縮機

4:第四壓縮機

5:增壓泵

6:第一換熱器

7:第二換熱器

8:第三換熱器

9:第四換熱器

10:第五換熱器

11:超臨界水反應器

12:第一膨脹機

13:氣液分離裝置

14:第二膨脹機

15:氣體分離裝置

16:第三膨脹機

17:第六換熱器

18:第七換熱器

19:第八換熱器

20:工質泵

21:第九換熱器

22:第四膨脹機

圖1為本發明結構示意圖。