煤炭超临界水气化制氢及固液残余无害化处理系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种煤炭超临界水气化制氢及固液残余无害化处理系统与方法，系统包括煤粉预处理单元、氧气供应单元、超临界水气化单元、超临界水热燃烧单元以及冷却水单元。该系统紧密的耦合了超临界水气化反应以及超临界水热燃烧反应，利用超临界水热燃烧反应对有机物降解的快速、高效以及彻底性对煤炭超临界水气化制氢过程中所产生的残浆料直接升压回送进行无害化处理，系统的产物分离技术综合实现了气化反应过程中气液固三相产物的能源化利用，同时，超临界水热燃烧反应过程中所产生的大量热量为超临界水气化反应提供了内部热源，实现了煤炭的高温内热型超临界水气化，减少了外部热源的使用，提高了系统经济性。

Hydrogen production by supercritical water gasification of coal and harmless treatment system and method of solid-liquid residue

【技术实现步骤摘要】
煤炭超临界水气化制氢及固液残余无害化处理系统与方法
本专利技术属于能源及环保
，特别涉及一种煤炭超临界水气化制氢及固液残余无害化处理系统与方法。
技术介绍
化石能源的大量开采和使用对生态系统的可持续发展带来了严重的危害，必须急切的寻求一种新型、安全可靠、清洁的可持续发展能源系统。氢能作为一种清洁、高热值、可储存、可再生的优质能源，在化工、航空航天、汽车等领域应用广泛，如何采用合适的方法高效环保的制备氢能引起了学者的广泛关注。我国是以煤炭为主要能源的国家之一，以煤炭为原料制备氢气不仅能解决煤炭利用所带来的环境污染和生态破坏问题，还能实现煤炭的能源化利用。目前常用的煤制氢方法主要有煤气化制氢，即利用煤炭在空气中的部分氧化-气化反应制备合成气。但是常规煤气化技术制氢技术存在效率较低、且不可避免的生成大量SOx、NOx、重金属污染物等二次污染，以及经济效益较差等问题，严重制约着该技术的快速健康发展。超临界水气化(supercriticalwatergasification,简称SCWG)技术是20世纪70年代麻省理工学院的Modell教授提出的新型气化制氢技术，指利用超临界水(温度＞374.1℃，压力＞22.1MPa)的特殊性质(低介电常数、高溶解性)，将超临界水作为反应的媒介，煤炭在超临界水中快速高效地发生均相气化反应，煤炭中的碳、氢元素直接气化转化为CO2和H2，同时部分超临界水也将水解为H2，煤炭中的所含的N、S、重金属等元素在反应器底部矿化沉积在固相残渣中。与传统煤气化制氢技术相比，超临界水气化制氢技术具有反应迅速、气化效率高、产氢率高、煤种适应性强、无二次污染、经济性高等技术优势。但利用煤炭超临界水气化技术制备氢气时，还存在一些问题：(1)煤炭经过超临界水气化制氢反应后，所产生的高温残浆液中还含有一定量的有机物质，如果反应后残浆液处理不适当或直接排放将导致严重的环境污染问题。(2)煤炭超临界水气化是一个高温高压还原反应，利用气化反应后的高温流体难以将新鲜的常温煤炭直接预热到反应温度，而直接利用外部加热源或辅助外部热源的方式将煤炭加热或补热到气化反应所需的温度，不仅会增加系统的设备投资费用，也会提高系统的运行费用。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种煤炭超临界水气化制氢及固液残余无害化处理系统与方法，紧密结合超临界水气化反应以及超临界水热燃烧反应，可高效地实现超临界水气化反应过程所产生的残浆液中有机污染物的彻底无害化处理，有效地降低高温高压超临界水气化反应所需的能耗，同时，实现了煤炭超临界气化反应以及浆液超临界水热燃烧反应所产生的气液固三相产物的资源化利用。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种煤炭超临界水气化制氢及固液残余无害化处理系统，包括：煤粉预处理单元，包括煤浆调配罐1，煤浆调配罐1出口与高压煤浆泵2入口相连，高压煤浆泵2出口与预热器3内管进口相连；氧气供应单元，包括依次连接的空分装置13与氧气压缩机14超临界水气化单元，包括超临界水气化反应器4a，超临界水气化反应器4a进口与预热器3内管出口相连，出口与预热器3外管进口相连，预热器3外管出口与调压装置5进口相连，调压装置5出口与气液分离器6进口相连，气液分离器6气相出口与气相分离模块7进口相连；超临界水热燃烧单元，包括增压泵8，气液分离器6液相出口与增压泵8进口相连，增压泵8出口与残浆预热器9内管进口相连，残浆预热器9内管出口与超临界水热燃烧反应器4b物料入口相连，氧气压缩机14出口与超临界水热燃烧反应器4b氧化剂入口相连，超临界水热燃烧反应器4b液相出口与超临界水气化反应器4a相连，超临界水热燃烧反应器4b残浆出口与残浆预热器9外管进口相连，残浆预热器9外管出口与煤浆调配罐1中换热管进口相连，煤浆调配罐1中换热管出口与余热回收器10内管进口相连，余热回收器10内管出口与降压装置11进口相连，降压装置11出口与气液固三相分离器12进口相连，气液固三相分离器12液相出口与煤浆调配罐1回用水进口相连；冷却水单元，包括依次连接的冷却水罐15与冷却水泵16，冷却水泵16出口分为两路，一路与超临界水热燃烧反应器4b冷却水进口相连，冷却水出口位于超临界水气化反应器4a底部；另一路与余热回收器10外管进口相连，余热回收器10外管出口产生蒸汽。所述煤浆调配罐1中设有搅拌器，搅拌器采用框式搅拌器、锚式搅拌器、叶浆搅拌器、涡轮搅拌器或螺带式搅拌器。所述煤浆调配罐1中设有换热器，换热器采用盘管换热器。所述预热器3、残浆预热器9和余热回收器10采用套管式换热器、管壳式换热器或螺旋盘管式换热器。所述超临界水气化反应器4a和超临界水热燃烧反应器4a为管式或釜式反应器，反应器外壁面通过冷却水进行壁温控制。所述调压装置5和降压装置11为毛细管降压器、调压阀、背压阀或多级阀门连锁降压。所述气液分离器6和气液固三相分离器12采用带压或常压条件下的高效分离器。本专利技术还提供了一种基于所述煤炭超临界水气化制氢及固液残余无害化处理系统的处理方法，包括如下步骤：1，将煤粉和水加入到煤浆调配罐1中均匀混合并初级预热至80～90℃；2，通过高压煤浆泵2将煤浆加压到超临界压力即24～27MPa并输送到预热器3内管进行第二级预热；3，升压并预热后的煤浆在超临界水气化反应器4a中发生超临界水气化反应，超临界水气化反应过程中所需的剩余热量来源于超临界水热燃烧反应器4b中水热燃烧反应产生的热量；4，超临界水气化反应后的流体首先进入预热器3外管对高压煤浆进行预热，反应后流体同时也被冷却，冷却后的高压流体进入到调压装置5进行降压，降压完成后进入带压的气液分离器6进行气液两相的分离，分离后的气相产物进入气相分离模块7，分离后的液相产物进入增压泵8加压到超临界压力，即24～27MPa；5，加压后的物料进入残浆预热器9内管被外管热流体预热到400～500℃，再与来自空气分离装置13并经过氧压缩机14升压至24～27MPa后的氧气一同进入到超临界水热燃烧反应器4b中发生水热燃烧反应，进行浆料的无害化处理；6，反应后的高温高压液相产物温度为750～1000℃，进入到超临界水气化反应器4a中为煤粉的超临界水气化制氢反应提供足够的热量，同时，经过水热燃烧燃烬后的浓浆液在超临界水热燃烧反应器4b中与液相产物得到一定程度的分离，并进入残浆预热器9外管中为浆料的预热提供一定的热量，同时高温的反应后浓浆液得到冷却，剩余热量首先进入到煤浆调配罐1中对新鲜的煤粉进行预热，再进入余热回收器10中，将来自冷却水罐15、冷却水泵16中的自来水进行加热并产生蒸汽用于工厂的发电，被冷却后的高压浓浆液进入降压装置11进行降压，降温降压完成后的浓浆液进入三相分离器12中进行气液固三相的高效分离，分离后的液相产物中有机物的去除率可达99.9％以上，并作为回用水直接进入煤浆调配罐1中进行煤粉的调配，分离后的气相产物CO2被回收并用于工厂，分离后的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种煤炭超临界水气化制氢及固液残余无害化处理系统，其特征在于，包括：/n煤粉预处理单元，包括煤浆调配罐(1)，煤浆调配罐(1)出口与高压煤浆泵(2)入口相连，高压煤浆泵(2)出口与预热器(3)内管进口相连；/n氧气供应单元，包括依次连接的空分装置(13)与氧气压缩机(14)/n超临界水气化单元，包括超临界水气化反应器(4a)，超临界水气化反应器(4a)进口与预热器(3)内管出口相连，出口与预热器(3)外管进口相连，预热器(3)外管出口与调压装置(5)进口相连，调压装置(5)出口与气液分离器(6)进口相连，气液分离器(6)气相出口与气相分离模块(7)进口相连；/n超临界水热燃烧单元，包括增压泵(8)，气液分离器(6)液相出口与增压泵(8)进口相连，增压泵(8)出口与残浆预热器(9)内管进口相连，残浆预热器(9)内管出口与超临界水热燃烧反应器(4b)物料入口相连，氧气压缩机(14)出口与超临界水热燃烧反应器(4b)氧化剂入口相连，超临界水热燃烧反应器(4b)液相出口与超临界水气化反应器(4a)相连，超临界水热燃烧反应器(4b)残浆出口与残浆预热器(9)外管进口相连，残浆预热器(9)外管出口与煤浆调配罐(1)中换热管进口相连，煤浆调配罐(1)中换热管出口与余热回收器(10)内管进口相连，余热回收器(10)内管出口与降压装置(11)进口相连，降压装置(11)出口与气液固三相分离器(12)进口相连，气液固三相分离器(12)液相出口与煤浆调配罐(1)回用水进口相连；/n冷却水单元，包括依次连接的冷却水罐(15)与冷却水泵(16)，冷却水泵(16)出口分为两路，一路与超临界水热燃烧反应器(4b)冷却水进口相连，冷却水出口位于超临界水气化反应器(4a)底部；另一路与余热回收器(10)外管进口相连，余热回收器(10)外管出口产生蒸汽。/n...

【技术特征摘要】
1.一种煤炭超临界水气化制氢及固液残余无害化处理系统，其特征在于，包括：
煤粉预处理单元，包括煤浆调配罐(1)，煤浆调配罐(1)出口与高压煤浆泵(2)入口相连，高压煤浆泵(2)出口与预热器(3)内管进口相连；
氧气供应单元，包括依次连接的空分装置(13)与氧气压缩机(14)
超临界水气化单元，包括超临界水气化反应器(4a)，超临界水气化反应器(4a)进口与预热器(3)内管出口相连，出口与预热器(3)外管进口相连，预热器(3)外管出口与调压装置(5)进口相连，调压装置(5)出口与气液分离器(6)进口相连，气液分离器(6)气相出口与气相分离模块(7)进口相连；
超临界水热燃烧单元，包括增压泵(8)，气液分离器(6)液相出口与增压泵(8)进口相连，增压泵(8)出口与残浆预热器(9)内管进口相连，残浆预热器(9)内管出口与超临界水热燃烧反应器(4b)物料入口相连，氧气压缩机(14)出口与超临界水热燃烧反应器(4b)氧化剂入口相连，超临界水热燃烧反应器(4b)液相出口与超临界水气化反应器(4a)相连，超临界水热燃烧反应器(4b)残浆出口与残浆预热器(9)外管进口相连，残浆预热器(9)外管出口与煤浆调配罐(1)中换热管进口相连，煤浆调配罐(1)中换热管出口与余热回收器(10)内管进口相连，余热回收器(10)内管出口与降压装置(11)进口相连，降压装置(11)出口与气液固三相分离器(12)进口相连，气液固三相分离器(12)液相出口与煤浆调配罐(1)回用水进口相连；
冷却水单元，包括依次连接的冷却水罐(15)与冷却水泵(16)，冷却水泵(16)出口分为两路，一路与超临界水热燃烧反应器(4b)冷却水进口相连，冷却水出口位于超临界水气化反应器(4a)底部；另一路与余热回收器(10)外管进口相连，余热回收器(10)外管出口产生蒸汽。


2.根据权利要求1所述煤炭超临界水气化制氢及固液残余无害化处理系统，其特征在于，所述煤浆调配罐(1)中设有搅拌器，搅拌器采用框式搅拌器、锚式搅拌器、叶浆搅拌器、涡轮搅拌器或螺带式搅拌器。


3.根据权利要求1或2所述煤炭超临界水气化制氢及固液残余无害化处理系统，其特征在于，所述煤浆调配罐(1)中设有换热器，换热器采用盘管换热器。


4.根据权利要求1所述煤炭超临界水气化制氢及固液残余无害化处理系统，其特征在于，所述预热器(3)、残浆预热器(9)和余热回收器(10)采用套管式换热器、管壳式换热器或螺旋盘管式换热器。


5.根据权利要求1所述煤炭超临界水气化制氢及固液残余无害化处理系统，其特征在于，所述超临界水气化反应器(4a)和超临界水热燃烧反应器(4a)为管式或釜式反应器，反应器外壁面通过冷却水进行壁温控制。


6.根据权利要求1所述煤炭超临界水气化制氢及固液残余无害化处理系统，其特征在于，所述调压装置(5...

【专利技术属性】
技术研发人员：王树众，李建娜，李艳辉，郭洋，徐甜甜，蒋卓航，崔成超，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61