一种利用含碳原料生产合成气的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种利用含碳原料生产合成气的方法，具体涉及一种通过将气化单元 和超临界水单元进行系统集成，含碳原料在气化单元所产的产品气依次进入超临界水混合 器、超临界水分离器、超临界水反应器进行净化和调节处理，以脱除有机及无机污染物，生 产洁净合成气和调节合成气组成，超临界水反应器出口流出物再通过降压装置对外做功以 回收能量，提高系统能量利用效率的方法。 技术背景
[0002] 能量生产和环境保护是当今能源领域的两大挑战。面对能源和环境危机，需要调 整能源结构以实现能源利用方式的多样化、清洁和高效。
[0003] 目前，能源原料的转化方法包括生化转化法（发酵、消化）和热化学转化法（热 解、气化、液化、燃烧）。生化转化法不需要外部供给太多能量，但该方法的反应速率较低，从 而导致生产效率较低。气化是将原料转化为气体产品（包括C0，H 2, C02, CH4等）的热化学 转化技术之一，气体产品可进一步用于发电、产热及生产燃料或化学品。在诸多气化技术 中，固定床气化技术的碳转化率较高，但所产气体需经过大量净化处理，且该技术进行规模 化生产的能力有限。气流床气化技术所产气体几乎不含焦油等物质，但气流床较高的操作 温度导致系统整体能耗增加，且气化炉所产气体携带的能量难以高效回收利用。流化床的 操作温度相对较低，但该技术所产气体中含有焦油、颗粒物、碱金属及酸性气体等，增加后 续净化单元的处理负荷，通常，气体净化单元步骤较多，能耗较大，且对污染物净化处理的 能力有限。因此，需要一种高效且环境友好的原料利用方式。
[0004] 超临界水具有有机溶剂的性质，可以与有机或非极性化合物完全互溶；中国专利 (申请号:200780021165.5)利用甲苯、辛烷和模型汽油作为模型碳氢化合物以测试这些碳 氢化合物在超临界水中的重整性能，结果表明，当以Ru/A1 203为催化剂，碳氢化合物质量浓 度为2 %，操作温度和压力分别为730 - 800 °C和3500 psi时，碳氢化合物可以在秒级停 留时间内被完全转化。此外，超临界水对无机盐的溶解度很低。因此，超临界水可以为有机 化合物及气体提供一个均相的反应环境，同时也可以将无机物质分离出来。鉴于超临界水 的这些特殊性质，其已经作为反应介质被用于超临界水氧化及超临界水气化过程。
[0005] 尽管超临界水具有以上特殊性质，但是相较于常规气化技术，原料在超临界水气 化过程中的转化率较低，尤其是当进料浓度较高时。若将超临界水单元（指的是与超临界 水相关的各个操作单元）与气化单元进行集成，该集成系统既可获得较高的原料转化率， 又有效地将复杂的有机物分解，还能将无机物质脱除。
【发明内容】
[0006] 本发明需要解决的技术问题是公开一种利用含碳原料生产合成气的方法，通过将 气化单元和超临界水单元进行系统集成，含碳原料在气化单元所产的产品气依次进入超临 界水混合器、超临界水分离器、超临界水反应器进行净化和调节处理，以脱除有机及无机污 染物，生产洁净合成气和调节合成气组成，超临界水反应器出口流出物再通过降压装置对 外做功以回收能量，提高系统能量利用效率的方法。具体技术方案如下： 一种利用含碳原料生产合成气的方法，其特征在于，包括如下步骤： 含碳原料S1与气化剂S2在水或者水蒸气S3存在时，在气化炉气化室1内发生反应;灰渣 S4从气化单元1中排出；气化炉气化室1所产的产品气S5在超临界水混合器2与补充水S6进 行混合;在超临界水混合器2中，加入添加剂S7以使出气化单元1的产品气S5中的部分污染 物以无机物的形式析出；超临界水混合器2出口的流出物S8进入超临界水分离器3，以脱除 流出物S8中的无机不溶物S9;不含无机不溶物的流出物S10和氧化剂S11进入超临界水反应 器4以脱除流出物S10中的污染物;超临界水反应器4出口流出物S12进入降压装置5降压，并 对外做功S14;降压装置出口合成气S13进后续处理单元。
[0007] 所述气化炉气化室或者气化单元1是任何形式的气化炉气化室或者气化技术;气 化炉气化室1的操作压力可以大于等于超临界水单元AU的最高操作压力;气化炉气化室1的 操作压力也可低于超临界水单元AU的最高操作压力，即大于等于0.1 Mpa小于超临界水单 元AU的最高操作压力，此时，气化炉气化室1出口产品气S5需要经压缩后进入超临界水单元 AU〇
[0008] 所述超临界水混合器2、超临界水分离器3及超临界水反应器4的操作温度和操作 压力至少分别等于水的超临界点对应的温度和压力;超临界水混合器2的操作压力大于等 于超临界水分离器3的操作压力，超临界水分离器3的操作压力大于等于超临界水反应器4 的操作压力。
[0009] 所述超临界水分离器3是任何形式的高压连续的无机相-超临界相分离设备。
[0010] 所述超临界水反应器4是任何形式的能够支持催化剂参与反应的高温高压反应 器。
[0011] 所述气化单元1、超临界水混合器2、超临界水分离器3、超临界水反应器4及降压装 置5是由单个设备或诸多设备组成，且以上单元及设备之间可以进行集成以组成新的单元 或新的装置。
[0012] 所述补充水S6、添加剂S7及氧化剂S11的添加并非必需，且以上物质在系统中的添 加位置可以变化。
[0013] 所述补充水S6、添加剂S7及氧化剂S11是两两混合或相互混合或与其它物流混合 后进入超临界水单元AU，或各自进入超临界水单元AU。
[0014] 所述降压装置5是任何形式的降压装置，包括膨胀装置。
[0015] 所述降压装置5出口合成气S13的压力为大于等于0.1 Mpa小于等于超临界水反应 器出口流出物S12的压力；降压装置5出口合成气S13的温度为大于等于0 °C小于等于超临 界水反应器出口流出物S12的温度。
[0016] 本发明的有益效果:将含碳原料在气化单元所产的产品气送入超临界水单元进行 净化和调节处理，可有效脱除有机及无机污染物，克服了常规气体净化单元步骤较多且对 污染物净化处理的能力有限的问题;在超临界水单元还发生水气变换和甲烷化反应，有助 于调节合成气组成，可减少或省略后续水气变换及甲烷化反应装置，使得系统整体布置更 加紧凑;此外，系统的能量利用效率较高。因此，本发明所提出的方法，是一种高效、清洁地 利用含碳原料生产合成气的方法。
【附图说明】
[0017] 图1是实施例中气化单元和超临界水单元系统集成示意图。
[0018] 图2是实施例中以气化单元和超临界水单元这一集成系统所产合成气为原料的热 电联产系统示意图。
[0019] 符号说明 AU超临界水单元;1气化单元/气化炉气化室;2超临界水混合器;3超临界水分 离器;4超临界水反应器;5降压装置;6气体分离装置;7第二降压装置;8换热装 置;9固体燃料电池；10燃烧器；11热量回收蒸汽发生器；12蒸汽轮机；13烟气冷 却装置;S1入气化单元的含碳原料;S2氧化剂和气化剂/氧化剂（空气、富氧空气、氧气 或二氧化碳）；S3水/水蒸气;S4出气化单元的灰渣;S5出气化单元的产品气;S6超 临界水混合器进口补充水；S7超临界水混合器进口添加剂；S8超临界水混合器出口流 出物;S9不溶物;S10超临界水分离器出口流出物;S11超临界水单元氧化剂;S12超 临界水反应器出口流出物；S13降压装置出口合成气；S14降压装置对外所做功；S15 非反应组分和污染物;S16气体分离装置出口燃料气;S17经第二降压装置降压后的燃 料气;S18固体燃料电池氧化剂(空气或氧气）；S19预热后的燃料气;S20固体燃料电 池对外发电；S21未转化的燃料气和氧化剂;S22烟气;S23热回收蒸汽发生器出口烟 气；S24过热蒸汽；S25高温热水;S26蒸汽轮机对外所做功;S27气相尾气；S28液 相冷凝液。
[0020]
【具体实施方式】： 以下为本发明的实施例，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，其目的仅在于更 好的理解本发明的内容。因此，本发明的保护范围不受所举实施例的限制。
[0021] 参见图1，本申请的核心内容是将气化单元和超临界水单元进行系统集成，含碳原 料在气化单元所产的产品气依次进入超临界水