超临界水系统的串联梯级多次氧化及换热系统及操作方法

本发明属于洁净能源转化领域以及煤化工领域，特别涉及超临界水系统的串联梯级多次氧化及换热系统及操作方法。

背景技术：

1、利用有机废气物、生物质和煤气化制氢发电是未来氢气来源和发电领域的重要途经，超临界技术在实现有机物制氢和发电方面具有优良的优势，超临界水具有特殊的物理化学性质，比如氢键较弱、极性较低、扩散系数高和可溶解大部分有机物及气体等，使得超临界水中的反应能够在均相中进行，大大加速了反应速率。超临界水气化氧化反应温度不高，不产生传统的污染物，是具有发展潜力的清洁利用技术。

2、由于超临界水气化技术在处理利用生物质废弃物等有机物上具有如此多的优势，因此在19世纪70年代被提出后，国内外很多学者就对其展开了广泛的研究，并取得了诸多的进展和成果，德国andrea kruse教授在supercritical water gasification综述论文中提出目前还存在高浓度下产气优化、工程上实现高能量回收自热、系统不稳定等技术困难。

3、目前在超临界水气化工艺中存在以下亟待解决的问题：高压高温系统的传热受到材料成本和壁面厚度的限制，需要尽量通过工艺流程的优化来减少传热量，并同时提高现有的换热器效率。超临界水气化工艺所需的热源通过温和氧化来实现能够避免燃烧加热带来的污染问题，同时可以在冷热换热流体之间仅有较小压差的情况下实现传热，减少换热器的管道厚度。但是，超临界压力下材料温度限制较大，氧化温度受到限制的情况下，需要工艺流程的优化和技术的突破来获得系统的自热。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供超临界水系统的串联梯级多次氧化及换热系统及操作方法，以解决超临界压力下材料温度限制较大，氧化温度受到限制，系统的自热困难的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、超临界水系统的串联梯级多次氧化及换热系统，包括一级气化反应器、一级氧化室、一级换热器、二级气化反应器、二级氧化室、二级换热器、三级氧化室、三级换热器、气液分离装置、氧化剂供应模块、原料供应模块、水供应模块和高压产品气体储罐；一级气化反应器、一级氧化室、一级换热器、二级气化反应器、二级氧化室、二级换热器、三级氧化室、三级换热器和气液分离装置依次连接；一级氧化室、二级氧化室和三级氧化室均连接氧化剂供应模块；一级气化反应器和二级气化反应器连接原料供应模块；水供应模块的一端连接原料供应模块，另一端连接气液分离装置的液体端，高压产品气体储罐连接气液分离装置的气体端。

4、进一步的，气液分离装置的液体端还连接有高压水加压装置，高压水加压装置依次连接三级换热器、二级换热器和一级换热器。

5、进一步的，一级换热器的出水端连接一级气化反应器。

6、进一步的，水供应模块为高压水储罐，气液分离装置和水供应模块之间依次设置有余热换热装置和压力控制装置。

7、进一步的，原料供应模块包括高压原料储罐和气化原料加压装置，高压原料储罐连接气化原料加压装置，气化原料加压装置连接有余热换热装置，此处的余热换热装置分为两路分别连接到一级气化反应器和二级气化反应器。

8、进一步的，高压原料储罐的入口连接高压水储罐出口。

9、进一步的，高压产品气体储罐的入口和气液分离装置之间设置有余热换热装置和压力控制装置；高压产品气体储罐的出口依次连接有压力控制装置和余热换热装置，此处的余热换热装置分为两路分别连接到一级气化反应器和二级气化反应器。

10、进一步的，氧化剂供应模块包括高压氧化剂储罐和氧化剂加压装置，高压氧化剂储罐的出口连接氧化剂加压装置，氧化剂加压装置连接有余热换热装置，此处的余热换热装置分为三路分别连接到一级氧化室、二级氧化室和三级氧化室。

11、进一步的，余热换热装置通过循环水管道将余热用来预先加热进入反应器的反应物。

12、进一步的，超临界水系统的串联梯级多次氧化及换热系统的操作方法，包括以下步骤：

13、两级煤气化反应：在到达启动条件后，高压原料储罐中原料通过气化原料加压装置的加压和阀门的控制，输入到一级气化反应器和二级气化反应器，同时高压产品气体储罐输入高压气体用于原料的喷射，在高温超临界水的作用下，发生气化反应；

14、煤气化产物氧化反应：一级气化反应器的产物进入一级氧化室、二级气化反应器进入二级氧化室，同时通过氧化剂加压装置将高压氧化剂储罐中的氧化剂输入氧化室，与气化产物发生部分氧化放热反应；一级气化反应器和二级气化反应器在流程上处于串联关系，一级气化反应器采用换热产生的高温超临界水作为气化介质，其产物在经过一级氧化室的部分氧化升温后，进入二级气化反应器直接用作气化反应的气化介质；

15、梯级多次氧化过程：一级氧化室发生的部分氧化，释放热量主要用于形成高温气化介质供给二级气化反应器，二级氧化室和三级氧化室也发生部分氧化释放热量，通过二级换热器、三级换热器将热量传递给高压水产生超临界水，用于供给一级气化反应器；采用二级氧化室和三级氧化室进行分阶段氧化放热；

16、换热：一级换热器、二级换热器、三级换热器结合换热，余热换热装置通过循环水管道将余热进行利用，余热加热后的原料、氧化剂和用作气力雾化的产品气体预热后进入反应器；

17、高温气液分离和高温水循环：系统的气液分离装置布置在压力控制装置和余热换热装置之前，中低温的液体水直接通过高压水加压装置进行循环利用。

18、与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

19、本发明提出超临界水系统的串联梯级多次氧化及换热系统及操作方法，能够提高超临界水气化系统的生产效率，减少传热需求，并且通过梯级多次氧化来降低反应器温度，结合多级换热器的综合设计提高传热效率。

20、首先，一级气化反应器采用换热产生的高温超临界水作为气化介质，其产物在经过一级氧化室的部分氧化升温后，进入二级气化反应器直接用作气化反应的气化介质，这种串联流程设计可以极大地减少通过换热产生的高温气化介质的量，减少系统的换热过程，从而提高生产效率。

21、第二，采用二级氧化室和三级氧化室进行分阶段氧化放热，所得到的反应温度更加温和，能够避免氧化过程过高的温度对换热管的损害，降低优质材料成本，也降低系统氧耗量。

22、第三，预热后原料和氧化剂，使得其以较高的温度进入反应器，能够减少高温气化介质的量和温度，有利于减少反应器中的冷热混合损失，提高反应器效率，实现系统的综合能量效率提升。

23、第四，对高压和未完全冷却的流体直接进行气液分离，能避免先降温再升温两次换热的热损失，也避免先降压后升压的大量压力损失；同时产品气体分离后再降温调压，可以避免气液混合降温调压带来了的系统压力不稳定波动，提高系统的效率和稳定性。

技术特征：

1.超临界水系统的串联梯级多次氧化及换热系统，其特征在于，包括一级气化反应器(1)、一级氧化室(3)、一级换热器(6)、二级气化反应器(2)、二级氧化室(4)、二级换热器(7)、三级氧化室(5)、三级换热器(8)、气液分离装置(9)、氧化剂供应模块、原料供应模块、水供应模块和高压产品气体储罐(18)；一级气化反应器(1)、一级氧化室(3)、一级换热器(6)、二级气化反应器(2)、二级氧化室(4)、二级换热器(7)、三级氧化室(5)、三级换热器(8)和气液分离装置(9)依次连接；一级氧化室(3)、二级氧化室(4)和三级氧化室(5)均连接氧化剂供应模块；一级气化反应器(1)和二级气化反应器(2)连接原料供应模块；水供应模块的一端连接原料供应模块，另一端连接气液分离装置(9)的液体端，高压产品气体储罐(18)连接气液分离装置(9)的气体端。

2.根据权利要求1所述的超临界水系统的串联梯级多次氧化及换热系统，其特征在于，气液分离装置(9)的液体端还连接有高压水加压装置(11)，高压水加压装置(11)依次连接三级换热器(8)、二级换热器(7)和一级换热器(6)。

3.根据权利要求2所述的超临界水系统的串联梯级多次氧化及换热系统，其特征在于，一级换热器(6)的出水端连接一级气化反应器(1)。

4.根据权利要求1所述的超临界水系统的串联梯级多次氧化及换热系统，其特征在于，水供应模块为高压水储罐(17)，气液分离装置(9)和水供应模块之间依次设置有余热换热装置(14)和压力控制装置(10)。

5.根据权利要求4所述的超临界水系统的串联梯级多次氧化及换热系统，其特征在于，原料供应模块包括高压原料储罐(16)和气化原料加压装置(13)，高压原料储罐(16)连接气化原料加压装置(13)，气化原料加压装置(13)连接有余热换热装置(14)，此处的余热换热装置(14)分为两路分别连接到一级气化反应器(1)和二级气化反应器(2)。

6.根据权利要求5所述的超临界水系统的串联梯级多次氧化及换热系统，其特征在于，高压原料储罐(16)的入口连接高压水储罐(17)出口。

7.根据权利要求1所述的超临界水系统的串联梯级多次氧化及换热系统，其特征在于，高压产品气体储罐(18)的入口和气液分离装置(9)之间设置有余热换热装置(14)和压力控制装置(10)；高压产品气体储罐(18)的出口依次连接有压力控制装置(10)和余热换热装置(14)，此处的余热换热装置(14)分为两路分别连接到一级气化反应器(1)和二级气化反应器(2)。

8.根据权利要求1所述的超临界水系统的串联梯级多次氧化及换热系统，其特征在于，氧化剂供应模块包括高压氧化剂储罐(15)和氧化剂加压装置(12)，高压氧化剂储罐(15)的出口连接氧化剂加压装置(12)，氧化剂加压装置(12)连接有余热换热装置(14)，此处的余热换热装置(14)分为三路分别连接到一级氧化室(3)、二级氧化室(4)和三级氧化室(5)。

9.根据权利要求1所述的超临界水系统的串联梯级多次氧化及换热系统，其特征在于，余热换热装置(14)通过循环水管道将余热用来预先加热进入反应器的反应物。

10.超临界水系统的串联梯级多次氧化及换热系统的操作方法，其特征在于，基于权利要求1至9任意一项所述的超临界水系统的串联梯级多次氧化及换热系统，包括以下步骤：

技术总结
超临界水系统的串联梯级多次氧化及换热系统及操作方法，一级气化反应器、一级氧化室、一级换热器、二级气化反应器、二级氧化室、二级换热器、三级氧化室、三级换热器和气液分离装置依次连接；一级氧化室、二级氧化室和三级氧化室均连接氧化剂供应模块；一级气化反应器和二级气化反应器连接原料供应模块；水供应模块的一端连接原料供应模块，另一端连接气液分离装置的液体端，高压产品气体储罐连接气液分离装置的气体端。本发明提出超临界水系统的串联梯级多次氧化及换热系统及操作方法，能够提高超临界水气化系统的生产效率，减少传热需求，并且通过梯级多次氧化来降低反应器温度，结合多级换热器的综合设计提高传热效率。

技术研发人员：郭烈锦,郭生辉,陈渝楠,金辉,葛志伟,王羽,吕友军
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13