一种热电自给式氢能制备系统的制作方法

本发明涉及到氢能制备领域，尤其涉及到一种热电自给式氢能制备系统。

背景技术：

1、随着化石能源的大量消耗对环境影响的日益加剧以及可持续发展的要求，可再生能源的开发利用日益受到重视。氢能不仅燃烧热值高、零排放、质量轻，而且能向多种能源转化，因此作为一种可循环利用的绿色能源受到广泛关注。目前工业大规模制氢是以天然气、煤等矿物能源为原料的传统气化炉技术，其具有气化效率低，能耗高、碳排放强度高等缺点，其他新型的制氢路线还包括利用太阳能的电解和光解法，其制氢成本仍相对较高。

2、超临界水气化较之其他的生物质热化学制氢技术有着独特的优势，它可以使含水量高的湿物料直接气化，不需要高能耗的干燥过程，不会造成中间污染。超临界水是指温度和压力均高于其临界点(温度大于374℃，压力大于22.1mpa)的具有特殊性质的水，其应用于有机废弃物的降解和能源化利用具有广阔前景。在超临界水的环境下，有机物和气体可完全互溶，气液两相的相界面消失，形成均一相体系，反应速度大大加快，在较短的停留时间内，有机物迅速气化产生富氢气体。

3、由于有机物超临界水气化制氢是一个吸热反应，反应物和介质需要预热至超临界温度，同时为了提高反应效率，需要预热至更高温度，该过程一般需要消耗大量电能。同时现有超临界水气化反应的高温条件，物料需要预热至超临界温度，该过程一般需要大量的热能输入，造成工艺能耗大成本高。含固有机废弃物在预热段容易结垢和堵塞，且高含固废液的由于颗粒的存在，固相颗粒容易堆积，显著增加传热传质阻力，造成超临界水气化反应效率不高，抑制反应速率和产气率。常规解决方法借助机械的手段在反应器内搅拌，但在超临界水反应条件下，搅拌装置难以安装和密封。或者通过超长的反应停留时间，但这也造成反应器尺寸和投资过大。在反应器内形成热液火焰可实现废液的快速预热，进而解决预热问题并提高气化效率，但该工艺依赖辅助燃料的输入，对系统能耗和经济性造成不利影响。

技术实现思路

1、鉴于现有技术的上述不足，本发明提供一种热电自给式氢能制备系统，有效解决有机废弃物超临界水气化制氢的能耗大、效率低，需要外界输入大量的电力和燃料，影响系统的能耗和经济性的问题。

2、本发明提供一种热电自给式氢能制备系统，包括：反应器、废液支路、氧气支路、余热回收支路、残液循环支路和氢气提纯及供气系统，其中：

3、所述反应器包括依次连接的顶部圆形端盖、上部圆柱外壳、下部圆锥外壳和底部圆形端盖，所述上部圆柱外壳内部同轴设置圆柱内壳，所述圆柱内壳的上边缘与所述顶部圆形端盖连接，所述圆柱内壳的下边缘高于上部圆柱外壳的下边缘，所述圆柱内壳内部为气化反应区，所述圆柱内壳与所述上部圆柱外壳间的环隙为废液预热区，所述顶部圆形端盖中心设置所述气化反应区的气化产物出口，所述废液预热区与顶部圆形端盖的交汇圆环处设置废液注入口，所述底部圆形端盖上同轴设置同轴喷嘴，所述同轴喷嘴包括内管和外管，所述外管上设置氧气注入口，所述内管上设置循环残液注入口，所述同轴喷嘴出口伸入所述下部圆锥外壳的内部空间，所述同轴喷嘴出口位置不超过所述上部圆柱外壳的下边缘，所述底部圆形端盖还设置排渣出口；

4、所述废液支路连接所述废液注入口，所述废液支路用于预处理有机废液，并将预处理后的有机废液提供至所述反应器；

5、所述氧气支路连接所述氧气注入口，用于向反应器中提供氧气；

6、所述余热回收支路连接所述气化产物出口，所述余热回收支路利用所述反应器输出的气化反应物驱动汽轮机带动发电机进行发电，同时对所述气化反应物进行处理获得富氢气体和残液；

7、所述残液循环支路连接所述循环残液注入口，用于处理所述余热回收支路输出的残液获得循环残液，所述循环残液和所述氧气支路提供的氧气在下部圆锥外壳的内部空间发生剧烈超临界水氧化反应，形成热液火焰；

8、所述氢气提纯及供气系统连接所述余热回收支路，用于对所述余热回收支路输出的富氢气体进行提纯，获得高纯氢气和燃料气。

9、作为优选的，所述圆柱内壳内同轴均匀布置若干圆锥折板组，所述圆锥折板组包括上圆锥折板和下圆锥折板，所述上圆锥折板和下圆锥折板的最小间距小于所述圆柱内壳的半径。

10、作为优选的，所述废液支路包括废液罐、废液增压泵和第一预热器，所述废液罐中的有机废液经所述废液增压泵增压至23mpa以上，再经第一预热器进行预热从所述废液注入口进入所述反应器，其中所述有机废液中固体颗粒浓度为1-20％，固体颗粒尺寸小于50um。

11、作为优选的，所述氧气支路包括氧气罐和氧气增压泵，所述氧气罐中的氧气经所述氧气增压泵增压至23mpa以上，从所述氧气注入口注入所述反应器，氧气流量是残液有机物完全氧化所需氧气量的1.05-1.25倍。

12、作为优选的，所述余热回收支路包括第一支路、第二支路和高压气液分离器，其中：

13、所述第一支路包括汽轮机、发电机和第一调压阀，所述反应器输出的气化反应物驱动所述汽轮机带动所述发电机运行，所述发电机供给系统内的泵阀用电，富余电力对外储存或输出，所述气化反应物经所述第一调压阀调压后进入所述高压气液分离器；

14、所述第二支路包括第二预热器和第二调压阀，所述反应器输出的气化反应物进入所述第二预热器对残液进行预热，所述气化反应物温度初步冷却至350℃以下，然后经所述第二调压阀调压后进入所述高压气液分离器。

15、作为优选的，所述第一调压阀和所述第二调压阀为联动调压阀，用于控制所述第一支路和第二支路的流体压力一致。

16、作为优选的，所述余热回收支路还包括背压阀和常压气液分离器，所述高压气液分离器通过分离气化反应物获得富氢气体和残液，所述高压气液分离器设置有上出口和下出口，其中：

17、所述上出口输出所述富氢气体，所述富氢气体经所述第一预热器进一步冷却，再经所述背压阀降压至常压，进入所述常压气液分离器分离出排放液；

18、所述下出口输出残液至所述残液循环支路中。

19、作为优选的，所述残液循环支路包括循环泵、喷射器和第二预热器，残液经所述循环泵增压后进入所述喷射器混合调压，然后经过第二预热器进行预热后从所述循环残液注入口注入反应器，其中所述循环泵增压后的压力比所述氧气增压泵增压后的压力高2-5mpa。

20、作为优选的，所述氢气提纯及供气系统包括提纯装置、燃料气罐和储氢罐，所述常压气液分离器输出的富氢气体经所述提纯装置提纯获得高纯氢气和燃料气，所述高纯氢气进入所述储氢罐对外输出，所述燃料气进入所述燃料气罐，所述燃料气罐与所述喷射器连接，用于补充循环残液中的有机物浓度。

21、作为优选的，所述提纯装置包括变压吸附装置、膜分离装置和化学吸收装置中的一种或多种。

22、本发明提供的一种热电自给式氢能制备系统设计反应器，分为热液火焰区、物料初步预热区和气化区，通过该结构设计，在废液初步预热后，再经过热液火焰快速预热，提高物料的气化效率和产氢效率，反应器内部设置烟气净化结构，实现产物中固体颗粒分离，便于后续发电，同时落入火焰区强化固体颗粒的气化；气化产物热能分支分级利用(发电、废液及残液预热)，且产物的压力能也充分回收，实现系统能量梯级高效利用，无需外界电力输入；气化产物分离形成残液、氢气和燃气，燃气和残液进行混合调压补充热液火焰，实现系统热液火焰的形成，无需外接辅助燃料的输入形成热液火焰，热液火焰中过量的氧气可使废物发生部分氧化反应，加速产物降解和产气率；该系统无需外界电力和燃料的输入，通过废液中有机物的化学能和气化反应过程的热能、压力能的分支分级利用，即可实现有机废弃物的处理并且无二次排放，同时可产生氢气、燃气对外输出，具有环保节能双重效应。