一种用于超临界混合工质完全燃烧的装置及方法与流程

本发明涉及新能源技术领域，尤其涉及一种用于超临界混合工质完全燃烧的装置及方法。

背景技术

随着传统能源消耗量的加剧以及环境污染问题的日益加重，可再生能源及清洁能源的高效利用越来越受到人们的关注。我国的一次能源以煤炭为主，燃煤发电是是电力生产的主要形式。氢能是一种高效清洁无污染的新型燃料，是未来最具发展前景的新型能源之一。以水相环境煤气化为核心的新型煤制氢以及发电理论与技术，利用超临界水独特的物理化学性质，采用“一锅水煮煤”的形式将煤转化为高纯度的h2和co2，从源头实现氮氧化物、硫氧化物、固体颗粒物的零排放并实现co2的资源化利用。产生的h2既可以分离出来用于制备高附加值的化学品，也可以燃烧后产生超临界h2o/co2推动新型混合工质汽轮机发电做功。超临界水煤气化耦合制氢发电技术有望在传统燃煤发电产业形成革命性的技术突破，为我国经济社会的可持续发展做出重大贡献。但目前超临界水气化反应器仍采用电加热的方式，整体经济性不高。因此实现超临界水热环境高湿、高浓度co2的特殊条件下氢气和其他可燃气体的完全燃烧来为超临界水气化反应器进行自供热具有十分重要的应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种实现超临界水热环境高湿、高浓度co2的特殊条件下超临界混合工质完全燃烧的装置及方法，为后续超临界水煤气化耦合制氢发电技术打下坚实的基础。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于超临界混合工质完全燃烧的装置，包括填充及供氧系统、气化系统以及燃烧系统；其中，填充及供氧系统包括依次相连的低氧氧气瓶、氧气充填泵以及高压氧气瓶；燃烧系统包括燃烧器；气化系统包括用于产生超临界混合工质的气化反应器；高压氧气瓶与燃烧器入口相连，气化反应器与燃烧器入口相连，其中，燃烧器上设置有多个高压氧气入口。

本发明进一步的改进在于，数据采集系统包括热电偶与气相色谱仪，热电偶设置在燃烧器上；燃烧器出口经回热器与气相色谱仪相连。

本发明进一步的改进在于，回热器的液体入口与用于向回热器内泵入去离子水的第二柱塞泵相连，回热器的液体出口与气化反应器相连，回热器的液体出口经预热器与气化反应器相连。

本发明进一步的改进在于，热电偶为6个，并且6个热电偶等间距设置在燃烧器上。

本发明进一步的改进在于，高压氧气瓶出口经减压阀后分为多路，每路经恒流阀、流量计以及单向阀与燃烧器上相应的一个高压氧气入口相连。

本发明进一步的改进在于，气化反应器还连接有用于向气化反应器内通入丙三醇溶液的第一柱塞泵。

本发明进一步的改进在于，燃烧器和气化反应器的材质为316不锈钢，inconel625不锈钢或哈氏合金c276不锈钢。

一种用于超临界混合工质完全燃烧的方法，采用氧气充填泵将多瓶低压氧气瓶内的低压氧气压缩至高压气瓶中得到高压氧气；然后将高压氧气通入燃烧器中，同时将气化反应器利用丙三醇溶液产生的超临界混合工质通入燃烧器中，高压氧气与超临界混合工质在超临界燃烧器中燃烧后的烟气经过冷却、汽水分离之后，进入气相色谱仪中，通过测量不同气体组分含量，从而实现超临界混合工质中氢和其他可燃气体的完全燃烧。

本发明进一步的改进在于，低压氧气的压力为12～15mpa，高压氧气的压力为30～35mpa。

本发明进一步的改进在于，气化反应器的工作温度为600～700℃，燃烧器的工作温度为410～615℃。

与现有技术相比，本发明的具有以下有益效果：

本发明通过设置利用丙三醇溶液在超临界水中气化产生超临界混合工质，丙三醇气率极高，基本可以完全气化为二氧化碳、氢气等气体。本发明通过将多瓶低压氧气压缩至高压气瓶中，得到高压氧气并在控制氧气流量下高压氧气通入燃烧器中，，提高了混合工质中氧气浓度，解决了以往只能利用氧气饱和溶液获取高压氧气导致的氧气浓度过低的问题。本发明与利用氢气氧气饱和溶液加压获取高压氢气氧气的方法相比，该方法大大提高了氢气氧气浓度测量的准确度，提高了整体的准确性。本发明中利用燃烧器出口的热气初步加热去离子水，大大提高了系统整体的经济性，降低了系统的能耗。

进一步的，本装置的燃烧器中氧气从下游多个高压氧气入口喷入，大大提高了氢气的利用效率。

进一步的，设置止回阀，能够起到防止燃烧器的气体倒流的作用。

本发明在将超临界混合工质完全燃烧进行时，利用丙三醇溶液在超临界水中气化产生的超临界混合工质与由氧气充填泵压缩得到的高压氧气同时输送到燃烧器中，通过改变流速来改变停留时间，通过调整氧化温度和压力来改变不同的操作条件，测量反应前后气体的产量以及不同气体组分含量的变化，从而实现并验证了不同条件下超临界混合工质中氢和其他可燃气体的完全燃烧，有利于后续能源的高效利用。

附图说明

图1为本发明的超临界混合工质完全燃烧的装置结构示意图。

图2为燃烧器的结构示意图。

图3为470℃时进入燃烧器前后超临界混合工质中各组分的摩尔占比随时间的变化曲线。

图4为510℃时进入燃烧器前后超临界混合工质中各组分的摩尔占比随时间的变化曲线。

图中，1-低压氧气瓶；2-高压氧气瓶；3-氧气充填泵；4-减压阀；5-恒流阀；6-流量计；7-单向阀；8-燃烧器；9-气化反应器；10-预热器；11-回热器；12-第一柱塞泵；13-丙三醇溶液；14-去离子水；15-汽水分离器；16-气相色谱仪；17-冷却器，18-第二柱塞泵，19-高压氧气入口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向术语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明中，利用丙三醇溶液在超临界水中气化产生的超临界混合工质与由氧气充填泵压缩得到的高压氧气同时输送到燃烧器中，通过改变流速来改变停留时间，通过调整氧化温度和压力来改变不同的操作条件，测量反应前后气体的产量以及不同气体组分含量的变化，从而实现并验证了不同条件下超临界混合工质中氢和其他可燃气体的完全燃烧。

参见图1，本发明的超临界混合工质完全燃烧装置包括：填充及供氧系统、气化系统、燃烧系统以及数据采集系统。其中，填充及供氧系统包括低氧氧气瓶1、高压氧气瓶2、氧气充填泵3、减压阀4、恒流阀5、流量计6以及单向阀7；气化系统包括气化反应器9、预热器10、回热器11、柱塞泵12、丙三醇溶液13、去离子水14、汽水分离器15；燃烧系统包括燃烧器8；数据采集系统包括气体流量计、热电偶、压力表和气相色谱仪16，热电偶为6个，并且6个热电偶依次等间距设置在燃烧器8上。数据采集系统用于获得温度、压力等具体操作参数，并测量反应前后产气量以及不同气体组分含量的变化。

参见图2，燃烧器8上设置有4个高压氧气入口19，燃烧器8上设置有超临界混合工质入口。低氧氧气瓶1经氧气充填泵3与高压氧气瓶2入口相连，高压氧气瓶2出口经减压阀4后分为4路，每路经恒流阀5、流量计6以及单向阀7与燃烧器8上相应的一个高压氧气入口19相连。

燃烧器8的出口与回热器11的气体入口相连，回热器11的气体出口经冷凝器17、汽水分离器15的气体出口与气相色谱仪16相连，并且汽水分离器15的气体出口与气相色谱仪16之间的管路上设置有气体流量计；汽水分离器15用于将冷却后的低压气体和气体分离，反应后残液由汽水分离器中间进入，分离后气体由顶部出口流出进入气体流量计，气体流量计与气相色谱仪16相连，液体由底部出口排出；回热器11的液体入口与第二柱塞泵18相连，通过第二柱塞泵18将去离子水14泵入回热器11内，回热器11的液体出口经预热器10与气化反应器9相连。

气化反应器9还连接有第一柱塞泵12，通过第一柱塞泵12将丙三醇溶液13泵入气化反应器9内。气化反应器9与燃烧器8上的超临界混合工质入口相连。

本发明的超临界混合工质完全燃烧的方法为：填充及供氧系统采用氧气充填泵3将多瓶低压氧气瓶1内的12～15mpa的低压氧气压缩至高压气瓶2中得到30～35mpa的高压氧气；用氧时，高压氧气经过减压阀4、恒流阀5、流量计6、单向阀7将高压氧气以30～35mpa的压力、一定流量(流量无具体要求，根据工况随时调节。)通入燃烧器8中。其中，气化系统中，利用柱塞泵12将丙三醇溶液13打入气化反应器9中，去离子水经过回热器11，并经过燃烧器8出口的热气初步加热，并经过预热器10进一步加热得到超临界水，在气化反应器9中将有机物气化，生成以co2、h2、co为主的超临界混合工质。超临界混合工质中的可燃组分与高压氧气在燃烧器8发生中发生燃烧反应，烟气经过回热器11、冷却器17、汽水分离器15之后，气体加入到气相色谱仪16中，测量不同气体组分含量。经过进一步的数据处理，具体是为：气化反应器反应稳定之后，产气量恒定，色谱数据得到气体组分含量，可以得出反应前的氢气量。待氧化反应稳定后，可以得出反应后的氢气含量。利用二者之差除以停留时间即可得出氢气消耗速率，进而验证超临界混合工质中氢和其他可燃气体是否完全燃烧。

下面通过一个具体实施例进行详细说明。

实施例1

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种用于超临界混合工质完全燃烧的装置。图1为根据本发明实施例1的用于超临界混合工质完全燃烧的装置结构示意图。如图1所示，本实施例装置中包括低氧氧气瓶1、高压氧气瓶2、氧气充填泵3、减压阀4、恒流阀5、流量计6、单向阀7、燃烧器8、气化反应器9、预热器10、回热器11、柱塞泵12、丙三醇溶液13、去离子水14、汽水分离器15以及气相色谱仪16。

其中，氧气充填泵3将多瓶低氧氧气瓶1中的低压氧气压缩至高压气瓶2中得到高压氧气，为超临界混合工质中的可燃组分提供氧化剂。

气化反应器9利用水相环境气化技术使得丙三醇溶液13在超临界水中气化为以co2、h2、co为主的合成气。

图2为图1所示超临界混合工质完全燃烧的装置中的燃烧器8结构示意图。如图2所示，该燃烧器8包括设置于顶端的超临界混合工质入口以及位于下游的四个高压氧气进口。

本发明的超临界混合工质完全燃烧的装置在工作时，填充及供氧系统采用氧气充填泵3将多瓶低氧氧气瓶1中的低压氧气1压缩至高压气瓶2中得到高压氧气；用氧时，高压氧气经过减压阀4、恒流阀5、流量计6、单向阀7将高压氧气以一定压力、流量通入燃烧器8中。其中，气化系统中，利用柱塞泵12将丙三醇溶液13打入气化反应器9中，去离子水经过回热器11，并经过燃烧器8出口的热气初步加热，并经过预热器10进一步加热得到超临界水，在气化反应器9中将有机物气化，生成以co2、h2、co为主的超临界混合工质。超临界混合工质中的可燃组分与高压氧气在燃烧器8发生中发生燃烧反应，烟气经过回热器11、冷却器17、汽水分离器15之后，气体加入到气相色谱仪16中，测量不同气体组分含量，从而实现并验证氢和其他可燃气体在超临界混合工质条件下的完全燃烧。

需要说明的是，虽然本实施例中采用丙三醇溶液的超临界水气化来产生超临界h2o/co2/h2混合工质，但本发明并不以此为限。举例来说：产生超临界h2o/co2/h2混合工质也可以通过甲醇等简单有机物的超临界水气化来实现。

燃烧器8和气化反应器9要求在高温高压条件下仍具有很高的强度，且需要具备耐腐蚀性，此处仅给出几种符合要求的材料，作为例子，管材选自以下材料中的一种：316不锈钢，inconel625不锈钢或哈氏合金c276不锈钢。

本实施例用于超临界混合工质完全燃烧的装置中气化反应器9工作温度在600～700℃之间，燃烧器8工作温度在410～615℃之间，本发明的装置的工作压力在23～27mpa之间。

参见图3和图4，可以看出，超临界混合工质在该反应器内可以与氧气发生反应，并且可控，验证了本装置的可行性。

依据以上描述，本领域技术人员对本发明用于超临界混合工质完全燃烧的装置有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

本发明装置利用氧气充填泵将多瓶低压氧气压缩至高压气瓶中获取高压氧气，利用丙三醇溶液在超临界水中气化得到超临界混合工质，而后高压氧气与超临界混合工质两者混合后在超临界燃烧器8中燃烧，通过测量反应前后的气体产量、不同气体组分含量以及燃烧器8中流体温度，即可实现氢和其他可燃气体在超临界混合工质条件下的完全燃烧。

本发明利用丙三醇溶液的超临界水气化产生超临界混合工质，利用利用氧气充填泵将多瓶低压氧气压缩至高压气瓶中获取高压氧气，然后将超临界混合工质与高压氧气同时打入到燃烧器中，而后高压氧气与超临界混合工质两者混合后在超临界燃烧器8中燃烧，通过改变温度和压力改变操作条件，通过改变流速改变停留时间，利用气相色谱仪测量反应前后气体组分含量的变化，利用气体流量计测量反应前后气体产量以及燃烧器8中流体温度，从而实现氢和其他可燃气体在超临界混合工质条件下的完全燃烧，具有极高的科学研究应用价值。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。