本发明专利技术提供一种氢超临界水热燃烧反应装置及其使用方法，包括：反应装置本体，反应装置本体内同轴设置有反应管，反应管与反应装置本体之间形成环空间隙；反应装置本体下端侧壁上设置有与环空间隙连通的冷却水进水口；反应装置本体底部连接有下端盖，顶部连接有上端盖；下端盖上安装有端部插入反应管内的燃料喷管；反应管底部与下端盖密封连接，顶部呈开口设置。减轻冷却水对火焰的干扰，进而为氢气超临界水热燃烧的相关研究提供更好的解决方案。界水热燃烧的相关研究提供更好的解决方案。界水热燃烧的相关研究提供更好的解决方案。
【技术实现步骤摘要】
一种氢超临界水热燃烧反应装置及其使用方法
[0001]本专利技术属于燃烧特性实验测量领域，特别涉及一种氢超临界水热燃烧反应装置及其使用方法。
技术介绍
[0002]氢能是一种来源广泛、清洁高效、应用场景丰富的新型二次能源，不仅其燃烧过程绝对无碳排放，还特别适于用作储能介质，有望在未来的能源体系中发挥举足轻重的作用。西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室提出的煤炭超临界水气化制氢技术，在将煤炭的化学能高效转化为氢能的同时，可完全避免氮氧化物、硫氧化物及粉尘颗粒的生成与排放，堪称是一种理想的制氢方式。通过该技术制得的部分高纯度氢气可直接在超临界水相环境中燃烧放热，为气化反应提供所需的热量，进而解决系统内部能量优化的问题。如何实现氢气在超临界水相环境中高效稳定燃烧，是目前亟待攻克的技术难题之一。此外，鉴于氢气的燃烧产物仅为水而不包含任何气体成分，其还被当作是热散裂钻井工艺的理想燃料。热散裂钻井是将氢气和氧气分别注入含水的井底，通过点火燃烧释放热量，使岩石在热应力的作用下破碎，其本质依旧是氢气在超临界水相环境中的燃烧。
[0003]然而，氢气作为一种易燃易爆的气体燃料，针对其开展超临界水热燃烧相关研究具有诸多困难，尤其体现在燃烧反应装置的设计与制造方面。现有的适用于氢气超临界水热燃烧的反应装置，通过壁面通入冷却水，壁面冷却过程易对燃烧火焰形成干扰，影响氢气超临界水热燃烧过程。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的在于克服上述难题，提供一种氢超临界水热燃烧反应装置及其使用方法，减轻冷却水对火焰的干扰，进而为氢气超临界水热燃烧的相关研究提供更好的解决方案。
[0005]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0006]一种氢超临界水热燃烧反应装置，包括：反应装置本体，反应装置本体内同轴设置有反应管，反应管与反应装置本体之间形成环空间隙；反应装置本体下端侧壁上设置有与环空间隙连通的冷却水进水口；反应装置本体底部连接有下端盖，顶部连接有上端盖；下端盖上安装有端部插入反应管内的燃料喷管；反应管底部与下端盖密封连接，顶部呈开口设置。
[0007]优选的，反应装置本体下端侧壁上开设有视窗安装槽，视窗安装槽内通过视窗固定端盖固定安装有蓝宝石玻璃，反应管为石英玻璃管。
[0008]进一步的，蓝宝石玻璃与视窗安装槽的台阶面之间及蓝宝石玻璃与视窗固定端盖端面之间均通过金属网石墨垫片密封。
[0009]进一步的，反应装置本体下端为正四棱柱状结构，正四棱柱状结构的每个侧面上均开设一视窗安装槽。
[0010]优选的，燃料喷管包括氢气喷管、卡套螺母、双锥卡套和喷管固定螺栓；氢气喷管上端依次穿过卡套螺母、双锥卡套、喷管固定螺栓和下端盖并与下端盖顶部一起同轴插入反应管内；卡套螺母与喷管固定螺栓螺纹连接，喷管固定螺栓与下端盖螺纹连接。
[0011]进一步的，氢气喷管与下端盖之间形成环形空隙，下端盖上开设有与环形空隙连通的氧气进口。
[0012]进一步的，喷管固定螺栓端面和下端盖之间通过柔性石墨垫片密封。
[0013]进一步的，上端盖的内部垂直开设有变径通孔。
[0014]进一步的，反应装置本体的侧面通过热电偶固定底座安装有多个热电偶，热电偶插入反应管内。
[0015]所述的氢超临界水热燃烧反应装置的使用方法，包括：
[0016](1)由燃料喷管向反应管内持续注入H2O流，使反应装置内部达到预设压力和温度；
[0017](2)由冷却水进口持续注入预热的冷却水；
[0018](3)待反应装置内部轴线上的温度稳定后向反应管持续注入预热的O2流和H2O/H2混合流，H2与O2在反应管内混合燃烧；
[0019](4)反应结束后，依次切断H2O/H2混合流和O2流的供应；通过逐渐降低冷却水的预热温度来对反应装置降温，最后通过调节冷却水流量实现降压。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0021]本专利技术所述反应装置采用反应管将水热燃烧区域与冷却水流动区域分隔开来，反应管外为冷却水流动区域，反应管内为水热燃烧区域，可阻碍低温冷却水与高温燃烧产物在喷管出口附近混合，在保证反应装置内壁面实现有效冷却的同时，尽可能维持水热燃烧区域的较高温度，最大程度避免低温冷却水对水热燃烧稳定性造成干扰，从而提高水热燃烧过程的稳定性。反应管顶部设置为开口，其主要目的在于：
①
冷却水与燃烧产物可在反应管顶部开口处混合，尽最大限度对燃烧产物进行冷却，消除了间壁式换热存在的传热温差；
②
冷却水流道与燃烧产物流道连通，可避免由于给料过程或燃烧反应带来的压力波动致使反应管破裂；
③
冷却水与燃烧产物混合后一起流出反应器，不必单独设置冷却水出口，降低了反应装置的结构复杂性。
[0022]进一步的，所述反应装置在水热燃烧区域增设了蓝宝石玻璃视窗，反应管采用石英玻璃管，石英玻璃管透光性好且可耐1200℃以上的高温，蓝宝石玻璃视窗透光性好，耐高温(600℃)，具有良好的耐压(30MPa)性能、良好的化学稳定性及密封性能，蓝宝石玻璃视窗的设置可用于火焰的光学检测。为诸如火焰图像拍摄、光谱分析、激光诱导荧光分析等检测手段的应用提供可能，大大扩展了超临界水热燃烧相关研究的实验信息来源。解决了现有技术中检测手段单一，仅能通过温度变化判断火焰状况的问题。
[0023]进一步的，通过采用金属网石墨垫片的密封设计，能确保蓝宝石玻璃视窗处的密封，保证装置的稳定性。
[0024]进一步的，所述反应装置通过采用特殊的结构设计，提供了燃料喷管的替换方案。仅需对喷管固定螺栓进行简单拆装，便可实现不同形式燃料喷管的快速替换。该过程仅涉及双锥卡套等部件的损耗，成本极低，为研究不同喷管对水热燃烧过程的影响提供了便利。解决了现有技术中物料喷管通过焊接方式固定，难以进行更换的问题。
附图说明
[0025]图1是本专利技术氢超临界水热燃烧反应装置剖面结构图。
[0026]图2是本专利技术可替换燃料喷管安装剖面原理图。
[0027]图3是本专利技术蓝宝石玻璃视窗安装剖面原理图。
[0028]图4是本专利技术反应管安装剖面(与图1剖面垂直)原理图。
[0029]图中标号含义如下：1
‑
燃料喷管；2
‑
下端盖；3
‑
蓝宝石玻璃；4
‑
视窗固定端盖；5
‑
反应装置本体；6
‑
反应管；7
‑
上端盖；8
‑
热电偶固定底座；201
‑
氢气喷管；202
‑
卡套螺母；203
‑
双锥卡套；204
‑
喷管固定螺栓；205
‑
柔性石墨垫片；206
‑
氧气进口；301
‑
金属网石墨垫片；302
‑
双头螺柱；401
‑
氧气喷管；40本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种氢超临界水热燃烧反应装置，其特征在于，包括：反应装置本体(5)，反应装置本体(5)内同轴设置有反应管(6)，反应管(6)与反应装置本体(5)之间形成环空间隙；反应装置本体(5)下端侧壁上设置有与环空间隙连通的冷却水进水口(402)；反应装置本体(5)底部连接有下端盖(2)，顶部连接有上端盖(7)；下端盖(2)上安装有端部插入反应管(6)内的燃料喷管(1)；反应管(6)底部与下端盖(2)密封连接，顶部呈开口设置。2.根据权利要求1所述的氢超临界水热燃烧反应装置，其特征在于，反应装置本体(5)下端侧壁上开设有视窗安装槽，视窗安装槽内通过视窗固定端盖(4)固定安装有蓝宝石玻璃(3)，反应管(6)为石英玻璃管。3.根据权利要求2所述的氢超临界水热燃烧反应装置，其特征在于，蓝宝石玻璃(3)与视窗安装槽的台阶面之间及蓝宝石玻璃(3)与视窗固定端盖(4)端面之间均通过金属网石墨垫片(301)密封。4.根据权利要求2所述的氢超临界水热燃烧反应装置，其特征在于，反应装置本体(5)下端为正四棱柱状结构，正四棱柱状结构的每个侧面上均开设一视窗安装槽。5.根据权利要求1所述的氢超临界水热燃烧反应装置，其特征在于，燃料喷管(1)包括氢气喷管(201)、卡套螺母(202)、双锥卡套(203)和喷管固定螺栓(204)；氢气喷管(201)上端依次穿过卡套螺母(202)、双锥卡套(203)、喷管固定螺栓(204)和下端盖(2)并与下端盖...
【专利技术属性】
技术研发人员：吕友军，樊明境，王昊泽，王丹青，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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