一种超临界水多孔介质氢氧化放热反应器及其工作方法 |
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| 申请号 | CN202210987909.5 | 申请日 | 2022-08-17 | 公开(公告)号 | CN115353909B | 公开(公告)日 | 2024-03-26 |
| 申请人 | 西安交通大学; 佛山市南海区鑫锦伟华洁净能源研究院; | 发明人 | 郭烈锦; 贝里京; 葛志伟; 陈渝楠; 金辉; 苏迪; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种超临界 水 多孔介质氢 氧 化放热反应器及其工作方法，包括反应器本体，所述反应器本体内设置有原料区，其中，原料区的中部设置有多孔介质氧化区，反应器本体的侧面设置有原料及 超临界水 入口和氢氧化放热反应器出口，其中，所述氢氧化放热反应器出口和原料及超临界水入口与所述原料区相连通， 氧化剂 通道的端部穿过反应器本体的 侧壁 插入于原料区内后与多孔介质氧化区相连通，该反应器及其工作方法能够满足氢氧化放热反应器达到最高效率的最佳工况条件，且安全性较高。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种超临界水多孔介质氢氧化放热反应器，其特征在于，包括反应器本体，所述反应器本体内设置有原料区(5)，其中，原料区(5)的中部设置有多孔介质氧化区(4)，反应器本体的侧面设置有原料及超临界水入口(1)和氢氧化放热反应器出口(3)，其中，所述氢氧化放热反应器出口(3)和原料及超临界水入口(1)与所述原料区(5)相连通，氧化剂通道(2)的端部穿过反应器本体的侧壁插入于原料区(5)内后与多孔介质氧化区(4)相连通； |
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| 说明书全文 | 一种超临界水多孔介质氢氧化放热反应器及其工作方法技术领域背景技术[0002] 能源是人类活动的物质基础，是不可或缺的生产要素与生活资料，在我国国民生产乃至国家安全方面都具有重要的战略地位。无论是广泛使用的化石能源，还是各式各样的生物质能源都为在今人类的能源生产与利用活动中具有用大作用。然而，传统的燃烧或气化方式(非超临界环境下)虽然给人类带来了大量可供生产使用的能量，但同时也产生了不小的问题：一次投资巨大，维修成本高；环境污染严重，包括废气、废液、废固的排放量较高；温室气体的排放等等都对地球和人类自身都造成了巨大的负面伤害。煤炭超临界水热电联产系统作为一种新型系统装置具有独特优势，从根本上解决了上述问题，提供了一种高效、清洁、可持续的能量利用途径。 [0003] 水在近临界或超临界状态下(水的临界点：374.3℃，22.1MPa)具有一系列独特的物理与化学性质，使得超临界水具有高溶解性、高扩散性以及高反应性。例如，超临界水中氢键几乎全部断裂，且具有低的介电常数与高扩散系数，呈现出非极性溶液的特征，能够与气体和大部分有机物互溶，容易形成均相反应体系，大大提高了反应速率；超临界水具有独特的离子积性质，对离子型反应和自由基型反应均能提供很好的离子积环境；超临界水可以通过改变温度和压力使得其物理、化学性质在大范围内连续变化，使得气化反应路径可调。超临界水有利于煤中酯键和醚键的水解，可以在较短的时间内将煤转化为富含氢气的可燃气体，相比于水蒸气，使用超临界水气化煤可以使反应速率增加几十甚至上百倍。反应产物的气体和液体污染物极少，固体产物可以通过排渣器排出反应器，集中作为建筑材料处理。 [0004] 在煤炭超临界水氢热联产中，煤炭在超临界水条件下气化，气体产物(主要是H2等)接着进入氢氧化放热反应器，在氢氧化放热反应器中，氢气与另外通入的氧化剂发生氧化反应，释放热能。反应完成后，产物离开氧化放热反应器，进入下游装置。氢氧化放热器的主要作用为，提供煤炭超临界水气化产物氧化放热场所，气化反应中的氢气与氧化剂发生氧化反应，释放热量，以供下游装置使用。 [0005] 现有的一种提供超临界水气化所需能量的装置，来源于气化产物中的可燃气体在超临界水条件下的燃烧反应，而这种方式的氢氧化放热反应器存在一些不足，即在通入氧化剂后，由于燃烧反应本身所具有的迅速性和放热性等特点，可燃组分会与氧化剂迅速发生剧烈的放热反应，这一过程虽然将反应物的化学能转化为热能释放出来，但能量释放过于集中、剧烈，容易在反应器内形成热点，并引起压力波动，而这种情况并不能满足实际氢氧化放热反应器达到最高效率的最佳工况条件，并且存在安全隐患。 发明内容[0006] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种超临界水多孔介质氢氧化放热反应器及其工作方法，该反应器及其工作方法能够满足氢氧化放热反应器达到最高效率的最佳工况条件，且安全性较高。 [0007] 为达到上述目的，本发明所述的超临界水多孔介质氢氧化放热反应器包括反应器本体，所述反应器本体内设置有原料区，其中，原料区的中部设置有多孔介质氧化区，反应器本体的侧面设置有原料及超临界水入口和氢氧化放热反应器出口，其中，所述氢氧化放热反应器出口和原料及超临界水入口与所述原料区相连通，氧化剂通道的端部穿过反应器本体的侧壁插入于原料区内后与多孔介质氧化区相连通。 [0008] 多孔介质氧化区包括若干个区域。 [0009] 各区域的参数可调。 [0010] 所述各区域的参数包括孔隙率、孔径及材料。 [0011] 本发明所述超临界水多孔介质氢氧化放热反应器的工作方法包括以下步骤： [0012] 1)将原料和超临界水通过原料及超临界水入口送入原料区中，原料和超临界水在原料区气化并扩散，得第一产物； [0013] 2)所述第一产物扩散进入多孔介质氧化区中； [0014] 3)将氧化剂经过氧化剂通道通入多孔介质氧化区中，氧化剂在多孔介质氧化区中扩散，得第二产物，所述第二产物与第一产物中的可燃组分发生氧化反应，产生热量； [0015] 4)通过所述产生的热量为原料区供热，以加热原料区中的原料和超临界水，促进气化效果，以生成第三产物； [0016] 5)所述生成的第三产物经氢氧化放热反应器出口排出。 [0017] 本发明具有以下有益效果： [0018] 本发明所述的超临界水多孔介质氢氧化放热反应器及其工作方法在具体操作时，采用氧化剂通过多孔介质氧化区扩散进入氢氧化放热反应器中，使发生反应的位置更加均匀的分布在氢氧化放热反应器中，提升传热能力，避免出现局部热点，吸收压力波动，实现可控的氧化反应，避免安全隐患，满足氢氧化放热反应器达到最高效率的最佳工况条件。附图说明 [0019] 图1为本发明结构示意图； [0020] 其中，1为原料及超临界水入口、2为氧化剂通道、3为氢氧化放热反应器出口、4为多孔介质氧化区、5为原料区。 具体实施方式[0021] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。 [0022] 在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。 [0023] 参考图1，本发明所述的超临界水多孔介质氢氧化放热反应器包括反应器本体，所述反应器本体内设置有原料区5，其中，原料区5的中部设置有多孔介质氧化区4，反应器本体的侧面设置有原料及超临界水入口1和氢氧化放热反应器出口3，其中，所述氢氧化放热反应器出口3和原料及超临界水入口1与所述原料区5相连通，氧化剂通道2的端部穿过反应器本体的侧壁插入于原料区5内后与多孔介质氧化区4相连通。 [0024] 在工作时，从原料及超临界水入口1通入的原料及超临界水在原料区5中继续气化生成氢气，也可以直接通入含氢组分和超临界水跳过气化过程；可氧化组分扩散至多孔介质氧化区4中后与氧化剂发生氧化反应，释放热量，利用该热量使得原料区5加热，以促进气化和其他反应。 [0025] 其中，多孔介质氧化区4包括若干个区域，其中，各区域的参数可调，所述参数包括孔隙率、孔径、材料。需要说明的是，每个区域的参数还可以包括其他参数，且每个区域的参数可视实际情况调节。 [0027] 本发明所述超临界水多孔介质氢氧化放热反应器的工作方法包括以下步骤： [0028] 1)将原料和超临界水通过原料及超临界水入口1送入原料区5中，原料和超临界水在原料区5气化并扩散，得第一产物； [0029] 2)所述第一产物扩散进入多孔介质氧化区4中； [0030] 3)将氧化剂经过氧化剂通道2通入多孔介质氧化区4中，氧化剂在多孔介质氧化区4中扩散，得第二产物，所述第二产物与第一产物中的可燃组分发生氧化反应，产生热量； [0031] 4)通过所述产生的热量为原料区5供热，以加热原料区5中的原料和超临界水，促进气化效果，以生成第三产物； [0032] 5)所述生成的第三产物经氢氧化放热反应器出口3排出。 [0033] 需要说明的是，在实际应用时，对于不同的煤种或其他原料，不同的运行工况，可以通过调节内多孔介质的分布、填充不同特性参数的多孔介质以及多孔介质氧化区4的形状大小，可以与煤炭超临界水气化器的热量需求进行匹配。 |
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