【技术实现步骤摘要】
一种造纸黑液超临界水气化发电系统及方法
[0001]本专利技术属于造纸黑液资源化利用
，具体涉及一种造纸黑液超临界水气化发电系统及方法。
技术介绍
[0002]造纸工业的发展不仅与国家经济关系密切，也与社会文明建设紧密相关，近年来，伴随着国内生产总值的高速增长，我国纸及纸板的消费量也与日俱增，造纸工业废水中最主要的污染源是在制浆过程中产生的造纸黑液，黑液作为生物质能源，可利用其生产电能、热能和生物燃料，黑液气化技术被认为可替代传统的碱回收炉法，制浆过程中产生的黑液浓度较低（10
‑
20wt%），需要消耗大量的能量用于蒸发，其次，碱盐在高温下熔融会带来严重的安全问题，因此，黑液气化联合循环发电是最直接和渐变的发展方向。黑液气化技术可以在纸浆厂发电，生产化学品或燃料二甲醚，合成天然气、甲醇、氢气或合成柴油，黑液气化是在还原条件下加压，生成的气体通常被称为合成气，包括氢气、一氧化碳、甲烷等；在《黑液气化技术研究进展》中指出，实现黑液利用过程中经济效益及资源价值最大化、环境污染最小化，是本领域技术人员的热点研究课题，现有技术中，通过控制运行温度和黑液中氧平衡分数，通过增加系统压力、提高黑液中氧平衡分数改变合成气中成分占比，进而保证较高的碳转换率和能源效率，得到输出能源占输入能源的比例为66%
‑
74%；但现有技术通常需要对气化后产生的氢气进行分离后实现有效利用，而在此过程中会增加输入能源的消耗，因此，如何进一步对黑液处理过程中产生的能量有效利用进行研究。
技术实现思路
>[0003]本专利技术的目的是针对现有造纸黑液在经过超临界水气化后会产生高温高压的富氢合成气，但未对氢气直接有效利用的问题，提供了一种造纸黑液超临界水气化发电系统及方法。
[0004]本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种造纸黑液超临界水气化发电系统，包括进料机构、预热机构以及水气化反应机构，所述进料机构及预热机构之间设有换热机构一，所述水气化反应机构的气体输出端与透平机的输入端连通，用于输送水气化混合气；所述透平机的输出端与换热机构一连接，用于输送透平后混合气；透平后混合气通过分离、换热后导入发电机构，所述发电机构的输出端通过连接换热机构三后连通燃烧机构，所述燃烧机构包括热量输出端和气体输出端，燃烧机构的气体输出端与换热机构四连接，燃烧机构的热量输出端与预热机构和水气化反应机构连接。
[0005]其中，所述进料机构通过连接加压泵分别导入水和黑液，水和黑液分别连接换热机构一的低温进入端，对应的，换热机构一的两个低温输出端分别与预热机构连通。
[0006]其中，所述透平机的输出端与换热机构一的高温输入端连接，换热机构一的高温输出端与换热机构二的高温输入端连接，换热机构二的高温输出端与分离器一的输入端连接，分离器一的气体输出端连接换热机构三的低温输入端连接，分离器一的液体输送端向
外界导出液体；所述换热机构三的低温输入端连接导入常温空气的输送泵一，所述换热机构三的两个低温输出端连接发电机构，发电机构的输出端连通换热机构三的高温输入端，换热机构三的高温输出端与燃烧机构连接。
[0007]其中，所述换热机构四的低温输入端连接常温蒸汽输入管，换热机构四的低温输出端连接高温蒸汽输出管，此处的蒸汽输入管包括低压蒸汽输入管和中压蒸汽输入管；换热机构四的高温输出端连接分离器二；所述换热机构二的低温输入端连接常温蒸汽输入管，换热机构二的低温输出端连接高温蒸汽输出管。
[0008]具体的，所述发电机构为燃料电池，燃料电池是一种高效的能量转换装置，由于其及较高的工作温度，可以利用多种染料，如煤和生物质产生的合成气、天然气和甲醇、没有等液体燃料，因此能对处理黑液超临界水气化产生的CH4、H2、CO、CO2能有效处理；虽然CH4和CO可直接氧化，但通常认为，CH4通过重整反应生成H2，CO通过水煤气变换反应生成H2，最终只有H2参与电化学反应，燃料利用率为85%。在实际生产中SOFC的总效率由最大热效率、电压效率、法拉第效率共同决定，常见工作条件下的总效率为0.6。SOFC产生的电为直流电，转换为交流电的逆变效率为0.97。SOFC同时产生大量的热量，用于加热进口物流和维持反应温度，剩余热量由尾气携带和冷却介质吸收。所述燃烧机构为天然气锅炉。
[0009]基于所述系统，提出一种造纸黑液超临界水气化发电方法，包括以下步骤：（1）将水和黑液分别经过加压泵加压至25MPa，然后经换热后再分别经过预热器进行预热，水预热至700℃、黑液预热至300℃；（2）经分别预热后的水和黑液导入水气化反应机构中混合，设置反应温度为700℃、压强为25MPa，完成后得到水气化混合气；（3）所述水气化混合气进入透平机发电，泵效率为0.9、发电效率为0.72、压缩机效率为0.72，完成后得到高温透平后混合气；（4）所述高温透平后混合气依次流经换热机构一和换热机构二，导入分离器一，经分离后分离出大部分水，剩余氢气混合气导入换热机构三，经换热机构三换热至700℃，由输送泵一导入的空气经换热机构三换热后导入发电机构中，经反应导出重整混合气；发电机构的工作压力为0.1MPa，出口重整混合气温度为900℃；（5）所述重整混合气流经换热机构三后导入燃烧机构，同时分别由输送泵导入空气和甲烷，燃烧机构的效率为0.97；（6）燃烧机构燃烧后导出燃烧废气，燃烧废气流经换热机构四后由分离器二进行分离，排出冷凝水和废气，燃烧废气对流经换热机构四的常温蒸汽进行加热。
[0010]具体的，所述黑液的浓度为15
±
5wt%，所述高温透平后混合气的压力为0.1MPa，主要包括H2、CH4、CO和CO2，所述剩余氢气混合气包括H2O和H2， H2O和H2的摩尔比为0.56/0.44。
[0011]本专利技术中水气化反应机构为采用超临界水气化技术处理湿生物质及有机废弃物，造纸黑液在经过超临界水气化后会产生高温高压的富氢合成气，通过合理设计发电系统实现对富氢合成气的高效利用，实现造纸黑液资源化利用的目标，实现了气化产物的高效利用和节能减排的发展目标，为造纸黑液超临界水气化技术未来的工业化利用提供参考数据和方案。
[0012]本专利技术相比现有技术具有以下优点：（1）本专利技术中能量效率为84.6%，优于现有技术中66%
‑
74%；（2）系统产生的电能和蒸汽可满足纸浆厂的要求，能够直接应用于生产；除此之外，以黑液产量为350t/h导入系统，可对外输出189560 kW的电能，以及597346 kg
·
h
‑1的低压蒸汽；（3）经水气化反应机构产生的氢气的能量在系统中直接转化为热能和电能，省去储存、运输的过程，优化生产系统；（4）传统纸浆设备消耗的能量中约有37%来源于黑液的蒸发，而稀黑液（黑液的浓度为15
±
5wt%）在临界水环境下无需蒸发直接气化，节约蒸发能耗；（5）省去从水气化混合气分离氢气的步骤，节约分离能耗；（6）水气混合气本身具有高压，避免在进入透平机发电前的压缩所需高耗能；（7）对本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种造纸黑液超临界水气化发电系统，包括进料机构、预热机构以及水气化反应机构，其特征在于，所述进料机构及预热机构之间设有换热机构一，所述水气化反应机构的气体输出端与透平机的输入端连通，用于输送水气化混合气；所述透平机的输出端与换热机构一连接，用于输送透平后混合气；透平后混合气通过分离、换热后导入发电机构，所述发电机构的输出端通过连接换热机构三后连通燃烧机构，所述燃烧机构包括热量输出端和气体输出端，燃烧机构的气体输出端与换热机构四连接，燃烧机构的热量输出端与预热机构和水气化反应机构连接。2.如权利要求1所述一种造纸黑液超临界水气化发电系统，其特征在于，所述进料机构通过连接加压泵分别导入水和黑液，水和黑液分别连接换热机构一的低温进入端，对应的，换热机构一的两个低温输出端分别与预热机构连通。3.如权利要求1所述一种造纸黑液超临界水气化发电系统，其特征在于，所述透平机的输出端与换热机构一的高温输入端连接，换热机构一的高温输出端与换热机构二的高温输入端连接，换热机构二的高温输出端与分离器一的输入端连接，分离器一的气体输出端连接换热机构三的低温输入端连接，分离器一的液体输送端向外界导出液体；所述换热机构三的低温输入端连接导入常温空气的输送泵一，所述换热机构三的两个低温输出端连接发电机构，发电机构的输出端连通换热机构三的高温输入端，换热机构三的高温输出端与燃烧机构连接。4.如权利要求1所述一种造纸黑液超临界水气化发电系统，其特征在于，所述换热机构四的低温输入端连接常温蒸汽输入管，换热机构四的低温输出端连接高温蒸汽输出管；换热机构四的高温输出端连接分离器二；所述换热机构二的低温输入端连接常温蒸汽输入管，换热机构二的低温输出端连接高温蒸汽输出管。5.如权利要求1所述一种造纸黑液超临界水气化发电系...
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