一种氢超临界水热燃烧特性的实验测量系统及方法技术方案

本发明专利技术一种氢超临界水热燃烧特性的实验测量系统及方法，包括介质水供应单元、氢气供应单元、氧气供应单元、水热燃烧反应器和产物回收及检测单元；介质水供应单元包括依次连接的第一水箱、高压恒流泵和第一预热器；氢气供应单元包括依次连接的高压纯氢气瓶、氢气增压泵和第二预热器；氢气增压泵出口与第一预热器出口汇合后连接第二预热器入口端；第二预热器出口端与水热燃烧反应器的燃料喷嘴相连；氧气供应单元包括依次连接的高压纯氧气瓶、氧气增压泵和第三预热器；第三预热器出口端与水热燃烧反应器的氧气喷嘴相连；产物回收及检测单元用于对燃烧产物进行气液分离并对气相产物分析。该系统能够适用于高浓度氢在超临界水热环境中燃烧特性的研究。境中燃烧特性的研究。

【技术实现步骤摘要】
一种氢超临界水热燃烧特性的实验测量系统及方法


[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特性的实验测量系统及方法。

技术介绍

[0002]随着化石能源消耗速率的增加，能源危机日益加剧，环境问题愈渐突出。氢气作为一种新型清洁能源，不仅燃烧过程绝对零碳排放，还可用作储能介质，有望在未来能源体系中发挥不可替代的作用。西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室提出的以水相环境煤气化为核心的新型制氢技术，利用超临界水独特的理化性质，可高效地将煤炭的化学能转化为氢能，同时从源头上避免SO
x
、NO
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及粉尘颗粒物的生成与排放。通过该技术制得的一部分高纯度氢气可直接在超临界水热环境中燃烧放热，为气化反应提供所需的热量，从而实现制氢系统的内部能量优化。针对氢气在超临界水热环境中的燃烧问题，该实验室专利技术了“一种用于超临界混合工质完全燃烧的装置及方法”并申请了专利，该专利技术专利(申请公布号：CN108980885A)实现并验证了超临界混合工质中氢的完全燃烧，为后续研究奠定了基础；随后，该实验室又专利技术了“一种超临界混合工质中氢的燃烧特性的测量系统及方法”并申请了专利，该专利技术专利(申请公布号：CN108414673A)解决了超临界混合工质中氢燃烧速率测定的难题，获得了氢燃烧过程的动力学参数。然而，上述专利技术中的氢气均由有机物在超临界水中气化制得，其浓度调节范围有限，难以适用于高浓度氢的水热燃烧过程。因此，开发一种针对高浓度氢在超临界水热环境中燃烧特性的研究方法，对煤炭超临界水气化制氢系统的集成放大与工业化应用具有重要意义。

技术实现思路

[0003]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特性的实验测量系统及方法。该系统及方法能够适用于高浓度氢(H2O/H2混合流中H2占比10mol％以上)在超临界水热环境中燃烧特性的研究，实现反应器内自动点火并维持稳定燃烧，获得包括但不限于火焰温度、火焰稳定条件及不同运行工况对燃烧过程的影响等燃烧特性，为氢超临界水热燃烧的工业化应用提供有效指导。
[0004]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0005]一种氢超临界水热燃烧特性的实验测量系统，包括：介质水供应单元、氢气供应单元、氧气供应单元、水热燃烧反应器和产物回收及检测单元；
[0006]介质水供应单元包括依次连接的第一水箱、高压恒流泵和第一预热器；
[0007]氢气供应单元包括依次连接的高压纯氢气瓶、氢气增压泵和第二预热器；氢气增压泵的出口管线与第一预热器的出口管线汇合，一同连接第二预热器的入口端；第二预热器的出口端与水热燃烧反应器的燃料喷嘴相连；
[0008]氧气供应单元包括依次连接的高压纯氧气瓶、氧气增压泵和第三预热器；第三预热器的出口端与水热燃烧反应器的氧气喷嘴相连；
[0009]产物回收及检测单元，用于对水热燃烧反应器内生成的燃烧产物进行气液分离并对所得气相产物进行成分分析，还用于检测水热燃烧反应器内流体的温度。
[0010]优选的，还包括冷却水供应单元；冷却水供应单元包括依次连接的第二水箱、高压柱塞泵、蓄能器和第四预热器；第四预热器的出口端与水热燃烧反应器侧壁上的冷却水入口管相连。
[0011]进一步的，产物回收及检测单元包括套管式冷却器、背压阀、气液分离器和气相色谱仪；
[0012]套管式冷却器的热侧入口端与水热燃烧反应器顶部的产物出口相连，其热侧出口端与背压阀相连；气液分离器的入口端与背压阀相连，上端出口与气相色谱仪相连，下端出口与第二水箱相连。
[0013]优选的，氢气供应单元还包括氢气缓冲罐、氢气排放阀、氢气减压阀、氢气质量流量控制器和紧急切断阀；氢气增压泵的出口端与氢气缓冲罐相连；氢气缓冲罐的出口端分两路，分别与氢气排放阀和氢气减压阀相连；氢气排放阀的出口端通室外大气；氢气质量流量控制器的入口端与氢气减压阀相连，其出口端与紧急切断阀相连；紧急切断阀的出口管线与第一预热器的出口管线汇合，一同连接第二预热器的入口端。
[0014]优选的，氧气供应单元还包括氧气缓冲罐、氧气排放阀、氧气减压阀和氧气质量流量控制器；氧气增压泵的出口端与氧气缓冲罐相连；氧气缓冲罐的出口端分两路，分别与氧气排放阀和氧气减压阀相连；氧气排放阀的出口端通室外大气；氧气质量流量控制器的入口端与氧气减压阀相连，其出口端连接第三预热器的入口端。
[0015]优选的，水热燃烧反应器的燃料喷嘴与氧气喷嘴同轴布置在水热燃烧反应器底部；水热燃烧反应器的燃烧产物出口位于水热燃烧反应器顶部。
[0016]优选的，氢气增压泵和氧气增压泵均为活塞式气动泵；氢气增压泵的低压气体入口端经截止阀与高压纯氢气瓶相连，氢气增压泵的高压气体出口端经安全阀与氢气缓冲罐相连，氢气增压泵的驱动空气入口端依次经球阀、调速阀和驱动调压阀与空气压缩机相连，氢气增压泵的驱动空气出口端与室外大气相通；氧气增压泵的低压气体入口端经截止阀与高压纯氧气瓶相连，氧气增压泵的高压气体出口端经安全阀与氧气缓冲罐相连，氧气增压泵的驱动空气入口端依次经球阀、调速阀和驱动调压阀与空气压缩机相连，氧气增压泵的驱动空气出口端与室外大气相通。
[0017]一种氢超临界水热燃烧特性的实验测量方法，基于所述的实验测量系统，包括：利用高压恒流泵将第一水箱中的水输送至第一预热器进行预热，使水达到超临界状态；利用氢气增压泵对高压纯氢气瓶中的氢气进行增压，使氢气与第一预热器出口的超临界水混合，并一同进入第二预热器进行二次预热，最终由燃料喷嘴进入水热燃烧反应器；利用氧气增压泵对高压纯氧气瓶中的氧气进行增压，并将氧气通过第三预热器进行预热，预热后的氧气由氧气喷嘴进入水热燃烧反应器；在水热燃烧反应器内部，燃料喷嘴出口的H2O/H2混合流与氧气喷嘴出口的O2流混合并发生燃烧反应；燃烧产物经过气液分离得气相产物，对气相产物进行成分检测，通过对水热燃烧反应器内温度和气相产物检测结果进行分析，获得氢在超临界水热环境中的燃烧特性。
[0018]优选的，经水热燃烧反应器侧壁向水热燃烧反应器通入冷却水，冷却水温度介于250℃～350℃之间。
[0019]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0020]本专利技术所述系统利用超临界水可与非极性气体分子以任意比例互溶的特性，通过第一预热器预热得到超临界水，通过氢气增压泵将氢气增压后直接与超临界水混合以制备H2O/H2混合流，所溶解的H2浓度可在较大范围内任意调节，因此适用于开展高浓度氢在超临界水热环境中燃烧特性的研究。
[0021]进一步的，所述系统中水热燃烧反应器内部引入亚临界参数的冷却水对内壁面形成保护，一方面可充分利用水在临界点附近高比热容的特性对燃烧产物进行冷却，另一方面可防止冷却水温度过低而影响水热燃烧过程的稳定性。
[0022]进一步的，水热燃烧反应器的燃料喷嘴与氧气喷嘴同轴布置在水热燃烧反应器底部，可实现自动点火与连续燃烧；水热燃烧反应器垂直安装，物料自下而上流动，以避免氧气在燃料喷嘴处堆积形成爆燃条件本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氢超临界水热燃烧特性的实验测量系统，其特征在于，包括：介质水供应单元、氢气供应单元、氧气供应单元、水热燃烧反应器和产物回收及检测单元；介质水供应单元包括依次连接的第一水箱(1)、高压恒流泵(2)和第一预热器(3)；氢气供应单元包括依次连接的高压纯氢气瓶(4)、氢气增压泵(5)和第二预热器(11)；氢气增压泵(5)的出口管线与第一预热器(3)的出口管线汇合，一同连接第二预热器(11)的入口端；第二预热器(11)的出口端与水热燃烧反应器(23)的燃料喷嘴相连；氧气供应单元包括依次连接的高压纯氧气瓶(12)、氧气增压泵(13)和第三预热器(18)；第三预热器(18)的出口端与水热燃烧反应器(23)的氧气喷嘴相连；产物回收及检测单元，用于对水热燃烧反应器(23)内生成的燃烧产物进行气液分离并对所得气相产物进行成分分析，还用于检测水热燃烧反应器(23)内流体的温度。2.根据权利要求1所述的氢超临界水热燃烧特性的实验测量系统，其特征在于，还包括冷却水供应单元；冷却水供应单元包括依次连接的第二水箱(19)、高压柱塞泵(20)、蓄能器(21)和第四预热器(22)；第四预热器(22)的出口端与水热燃烧反应器(23)侧壁上的冷却水入口管相连。3.根据权利要求2所述的氢超临界水热燃烧特性的实验测量系统，其特征在于，产物回收及检测单元包括套管式冷却器(24)、背压阀(25)、气液分离器(26)和气相色谱仪(27)；套管式冷却器(24)的热侧入口端与水热燃烧反应器(23)顶部的产物出口相连，其热侧出口端与背压阀(25)相连；气液分离器(26)的入口端与背压阀(25)相连，上端出口与气相色谱仪(27)相连，下端出口与第二水箱(19)相连。4.根据权利要求1所述的氢超临界水热燃烧特性的实验测量系统，其特征在于，氢气供应单元还包括氢气缓冲罐(6)、氢气排放阀(7)、氢气减压阀(8)、氢气质量流量控制器(9)和紧急切断阀(10)；氢气增压泵(5)的出口端与氢气缓冲罐(6)相连；氢气缓冲罐(6)的出口端分两路，分别与氢气排放阀(7)和氢气减压阀(8)相连；氢气排放阀(7)的出口端通室外大气；氢气质量流量控制器(9)的入口端与氢气减压阀(8)相连，其出口端与紧急切断阀(10)相连；紧急切断阀(10)的出口管线与第一预热器(3)的出口管线汇合，一同连接第二预热器(11)的入口端。5.根据权利要求1所述的氢超临界水热燃烧特性的实验测量系统，其特征在于，氧气供应单元还包括氧气缓冲罐(14)、氧气排放阀(15)、氧气减压阀(16)和氧气质量流量控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕友军，樊明境，王昊泽，李国兴，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：