本发明属于能源及化工技术领域，特别涉及一种超临界水气化制氢的物料分级预热及超温保护系统与方法。
背景技术：
我国一次能源以煤为主的格局在未来较长时间内将难以改变。煤炭资源储量大，可获得性好，价格低廉，但生产和利用过程中引起的环境污染与生态破坏日益严重，甚至危及人类健康和可持续发展，因此受到各界的严重关注。氢具有清洁、热值高、可贮存和运输等特性，是一种优良的能源载体。但地球上很少有集中的自然氢存在，需要开发大规模制氢工艺。目前煤气化制氢比水电解制氢有明显的经济优势，比其他化石能源转化制氢有明显的资源优势。煤制氢作为煤清洁利用的一种重要方式，将为解决未来运输燃料供应提供有效途径。
尽管传统的煤炭气化制氢已广泛应用，但整体技术水平落后世界先进水平。目前使用的多是固定床水煤气炉制氢工艺，其单台炉气产量低，气化效率低、污染大气环境等问题。因此煤炭气化技术向加压，大容量、环境友好等方向发展，超临界水气化制氢技术则应运而生。在煤的超临界水气化制氢过程中，超临界水不仅是煤气化的反应介质，而且是重要的反应物，具有可与有机化合物及气体互溶、较高的扩散系数、较低的粘度和较高的温度等独特的物理性质，使反应可在几秒至几十秒的时间内完成，减少了反应器尺寸，增大了处理量。实验结果表明煤的超临界水气化所得产物的氢气含量高、污染物少，是一种新型高效的煤气化制氢方法。
大量研究证明煤的超临界水气化制氢反应中，温度越高，煤的气化率越高，产氢率也越高，各学者优化的最佳反应条件为700～800℃，25mpa。然而在此条件下的超临界水气化制氢系统仍存在以下两个个问题：第一，反应条件为超高温高压条件，目前尚未发现安全适用的管道、设备材料；第二，超临界水气化制氢反应需要大量的热量对气化原料进行预热至反应温度，但因为其是吸热反应故无法实现自热平衡，系统运行功耗大；上述问题已成为超临界水气化制氢技术大规模发展的制约因素。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的缺点，合理、高效地解决上述问题，本发明的目的在于提供一种超临界水气化制氢的物料分级预热及超温保护系统与方法，能够提高煤的气化率和产氢率，实现系统自热平衡，同时保证系统安全、稳定、高效地运行，降低系统能耗和运行成本，提高系统经济性，实现污染物零排放，有助于超临界水气化制氢技术的推广及应用。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种超临界水气化制氢的物料分级预热及超温保护系统，包括：
物料梯级预热单元，包括调浆储罐1，调浆储罐1有三个入口，分别是气化原料入口、补水口和热水回用口，调浆储罐1的出口通过浆料高压输送泵2连接浆料预热器3的冷侧入口，浆料预热器3的冷侧出口连接流量分配器4的入口，流量分配器4有两个出口，分别连接自热气化炉5的顶部入口和中部入口，自热气化炉5的出口连接浆料预热器3的热侧入口；
分离单元，包括调温器6，调温器6的热侧入口连接浆料预热器3的热侧出口，调温器6的热侧出口连接调压器7的入口，调压器7的出口连接高压气体分离器8的入口，高压气体分离器8的浆液出口连接高压固液分离器9的入口，高压固液分离器9的液相出口连接调浆储罐1的热水回用口；
超温保护单元，包括流量调节器10，流量调节器10的入口为冷却水入口，流量调节器10的出口连接调温器6的冷侧入口，调温器6的冷侧出口连接自热气化炉5顶部冷壁的超温保护水入口。
所述调浆储罐1是带压的热储罐，其运行温度和压力与高压固液分离器9分离后液相的温度和压力相匹配。
所述调浆储罐1内部设置搅拌器，搅拌器形式为桨式、涡轮式、锚式或螺带式。
所述自热气化炉5顶部入口的管线上设置调节阀v1，中部入口的管线上设置调节阀v2。
所述自热气化炉5采用冷壁结构，共4个入口，分别为顶部氧化剂入口、顶部冷壁的超温保护水入口以及连接流量分配器4的顶部入口和中部入口；共2个出口，分别为底部与浆料预热器3的热侧入口连接的气化产物出口和底部冷壁的超温保护水出口。
所述自热气化炉5的顶部氧化剂入口与连接流量分配器4的顶部入口为同向、同轴结构。
所述高压气体分离器8为高压容器，高压固液分离器9为高压容器，浆料预热器3采用两侧高压的换热器，调温器6采用单侧高压的换热器，浆料高压输送泵2采用含固高压泵，调压器5采用减压阀、背压阀和节流元件中的单一或组合装置。
本发明还提供了基于所述超临界水气化制氢的物料分级预热及超温保护系统的物料分级预热及超温保护方法，包括：
物料梯级预热：气化原料在调浆储罐1内与回用热水掺混预热，接着进入浆料预热器3内被来自自热气化炉5的气化产物回热，然后进入自热气化炉5被上部空间反应放热直接加热，完成三级预热过程；
分离：出浆料预热器3的气化产物经调温器6和调压器7调温调压至气体分离的最佳条件，之后进入高压气体分离器8进行气体分离，气体分离后所得浆液进入高压固液分离器9进行固液分离，固液分离后所得液相回注调浆储罐1用于超临界水气化反应原料的调配；
超温保护：冷却水在调温器6内将气化产物调温，之后进入自热气化炉5的冷壁内提供超温保护。
所述调浆储罐1内第一级预热温度保持80℃以上，浆料高压输送泵2将浆料升压至超临界压力送往浆料预热器3，浆料预热器3内的第二级预热温度为超临界着火温度，高温高压的浆料经流量分配器4分成两股浆料，其中一股从自热气化炉5顶部进入与氧化剂混合发生超临界水热燃烧反应，并迅速燃尽伴随大量内热生成，随后向下传输，另一股从自热气化炉5中部进入迅速被第三级预热至超临界水气化制氢反应的温度，开始反应；
所述调温器6和调压器7将超临界水气化制氢反应后得到的产物调整至最佳分离条件，然后经过高压气体分离器8将混合气体分离排放。
与现有技术相比，本发明可以达到超高温高压的超临界气化反应条件，提高煤的气化率和产氢率；利用对冷壁水的控制调节实现对反应器材料的超温保护，从而解决超高温高压条件下的材料服役问题，维护系统安全、平稳地运行；气化原料梯级预热，结合超临界水热燃烧技术，达到气化原料的超高温预热目标，并实现系统的自热平衡，及气化后产物的无害化处理，降低系统能耗和运行成本，实现污染物零排放。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图。
具体实施方式
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，而不是全部的实施例。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。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，本发明一种超临界水气化制氢系统的物料分级预热及超温保护系统，包括：
物料梯级预热单元，主要包括调浆储罐1、浆料高压输送泵2、浆料预热器3、流量分配器4和自热气化炉5；调浆储罐1是带压的热储罐，其内部设置搅拌器，搅拌器形式可选但不限于桨式、涡轮式、锚式、螺带式；调浆储罐1有三个入口，分别是气化原料入口、补水口和热水回用口，调浆储罐1的出口与浆料高压输送泵2的入口相连，浆料高压输送泵2的出口与浆料预热器3的冷侧入口相连，浆料预热器3的冷侧出口与流量分配器4入口相连，流量分配器4有两个出口，自热气化炉5采用冷壁结构，共4个入口2个出口，分别为浆料顶部入口、顶部氧化剂入口、顶部冷壁的超温保护水入口、浆料中部入口、底部气化产物出口以及底部冷壁的超温保护水出口，经流量分配器4分配后的两股浆料，其中浆料一从自热气化炉5的浆料顶部入口进入，浆料二从自热气化炉5的浆料中部入口进入；调节阀v1设置于浆料一与顶部入口之间的管线上，调节阀v2设置于浆料二与中部入口之间的管线上；自热气化炉5顶部采用浆料和氧化剂同向、同轴的入射方式，自热气化炉5的出口与浆料预热器3的热侧入口相连。
分离单元，主要包括调温器6、调压器7、高压气体分离器8和高压固液分离器9；调温器6的热侧入口与浆料预热器3的热侧出口相连，调温器6的热侧出口与调压器7的入口相连，高压气体分离器8为高压容器，其入口与调压器7出口相连，高压气体分离器8有两个出口，其中一个为分离出的气化气体产物出口，另一个为经气体分离后的浆液出口，与高压固液分离器9的入口相连，高压固液分离器9为高压容器，有两个出口，其中一个为分离的固相残渣出口，另一个为经固体分离后的液相出口，与浆料储罐1的热水回用入口相连；高压固液分离器9的分离后液相的温度和压力与调浆储罐1运行温度和压力相匹配，从而使调浆储罐1能够有效利用系统的余热能和余压能。
超温保护单元，主要包括自热气化炉5、调温器6和流量调节器10；流量调节器10的入口为冷却水入口，流量调节器10的出口与调温器6的冷侧入口相连，调温器6的冷侧出口与自热气化炉5顶部冷壁的超温保护水入口相连。
其中，浆料预热器3采用两侧高压的换热器，调温器6采用单侧高压的换热器，可选但不限于套管式换热器。浆料高压输送泵2采用含固高压泵，可选但不限于高压隔膜泵。调压器5可采用但不限于减压阀、背压阀、节流元件等单独或组合装置。
根据该结构，本发明的物料分级预热及超温保护方法，包括：
物料梯级预热：气化原料、气化后回用热水(80℃以上)以及少量补水在调浆储罐1中掺混预热配置成浆料，其温度保持80℃以上，形成第一级预热；接着进入浆料预热器3内被来自自热气化炉5的气化产物回热至超临界着火温度，完成第二级预热，并且此时在浆料高压输送泵2的作用下，浆料的压力被升压至超临界压力；高温高压的浆料经流量分配器4分成两股，其中一股从自热气化炉5顶部进入与氧化剂混合发生超临界水热燃烧反应，并迅速燃尽伴随大量内热生成，随后向下传输，另一股从自热气化炉5中部进入，在上部空间反应放热的作用下，迅速被加热至超临界水气化制氢反应的超高温度(700～800℃)，完成三级预热过程，开始超临界水气化制氢反应；其中调节阀v1，v2用于进行辅助流量调节分配。
分离：出浆料预热器3的气化产物经调温器6和调压器7调温调压至气体分离的最佳条件，之后进入高压气体分离器8进行气体分离，气体分离后所得浆液进入高压固液分离器9进行固液分离，固液分离后所得液相回注调浆储罐1作为回用热水，用于超临界水气化反应原料的调配。
超温保护：冷却水在调温器6内将气化产物调温，之后进入自热气化炉5的冷壁内作为冷壁的中温供水，用于对超高温的自热气化炉5的超温材料保护，流量调节器10可对冷却水进行流量调节从而实现对自热气化炉5的超温保护调节。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
1.一种超临界水气化制氢的物料分级预热及超温保护系统，其特征在于，包括：
物料梯级预热单元，包括调浆储罐(1)，调浆储罐(1)有三个入口，分别是气化原料入口、补水口和热水回用口，调浆储罐(1)的出口通过浆料高压输送泵(2)连接浆料预热器(3)的冷侧入口，浆料预热器(3)的冷侧出口连接流量分配器(4)的入口，流量分配器(4)有两个出口，分别连接自热气化炉(5)的顶部入口和中部入口，自热气化炉(5)的出口连接浆料预热器(3)的热侧入口；
分离单元，包括调温器(6)，调温器(6)的热侧入口连接浆料预热器(3)的热侧出口，调温器(6)的热侧出口连接调压器(7)的入口，调压器(7)的出口连接高压气体分离器(8)的入口，高压气体分离器(8)的浆液出口连接高压固液分离器(9)的入口，高压固液分离器(9)的液相出口连接调浆储罐(1)的热水回用口；
超温保护单元，包括流量调节器(10)，流量调节器(10)的入口为冷却水入口，流量调节器(10)的出口连接调温器(6)的冷侧入口，调温器(6)的冷侧出口连接自热气化炉(5)顶部冷壁的超温保护水入口。
2.根据权利要求1所述超临界水气化制氢的物料分级预热及超温保护系统，其特征在于，所述调浆储罐(1)是带压的热储罐，其运行温度和压力与高压固液分离器(9)分离后液相的温度和压力相匹配。
3.根据权利要求1所述超临界水气化制氢的物料分级预热及超温保护系统，其特征在于，所述调浆储罐(1)内部设置搅拌器，搅拌器形式为桨式、涡轮式、锚式或螺带式。
4.根据权利要求1所述超临界水气化制氢的物料分级预热及超温保护系统，其特征在于，所述自热气化炉(5)顶部入口的管线上设置调节阀v1，中部入口的管线上设置调节阀v2。
5.根据权利要求1所述超临界水气化制氢的物料分级预热及超温保护系统，其特征在于，所述自热气化炉(5)采用冷壁结构，共4个入口，分别为顶部氧化剂入口、顶部冷壁的超温保护水入口以及连接流量分配器(4)的顶部入口和中部入口；共2个出口，分别为底部与浆料预热器(3)的热侧入口连接的气化产物出口和底部冷壁的超温保护水出口。
6.根据权利要求1所述超临界水气化制氢的物料分级预热及超温保护系统，其特征在于，所述自热气化炉(5)的顶部氧化剂入口与连接流量分配器(4)的顶部入口为同向、同轴结构。
7.根据权利要求1所述超临界水气化制氢的物料分级预热及超温保护系统，其特征在于，所述高压气体分离器(8)为高压容器，高压固液分离器(9)为高压容器，浆料预热器(3)采用两侧高压的换热器，调温器(6)采用单侧高压的换热器，浆料高压输送泵(2)采用含固高压泵，调压器(5)采用减压阀、背压阀和节流元件中的单一或组合装置。
8.基于权利要求1所述超临界水气化制氢的物料分级预热及超温保护系统的物料分级预热及超温保护方法，其特征在于，包括：
物料梯级预热：气化原料在调浆储罐(1)内与回用热水掺混预热，接着进入浆料预热器(3)内被来自自热气化炉(5)的气化产物回热，然后进入自热气化炉(5)被上部空间反应放热直接加热，完成三级预热过程；
分离：出浆料预热器(3)的气化产物经调温器(6)和调压器(7)调温调压，之后进入高压气体分离器(8)进行气体分离，气体分离后所得浆液进入高压固液分离器(9)进行固液分离，固液分离后所得液相回注调浆储罐(1)用于超临界水气化反应原料的调配；
超温保护：冷却水在调温器(6)内将气化产物调温，之后进入自热气化炉(5)的冷壁内提供超温保护。
9.根据权利要求8所述方法，其特征在于，所述调浆储罐(1)内第一级预热温度保持80℃以上，浆料高压输送泵(2)将浆料升压至超临界压力送往浆料预热器(3)，浆料预热器(3)内的第二级预热温度为超临界着火温度，高温高压的浆料经流量分配器(4)分成两股浆料，其中一股从自热气化炉(5)顶部进入与氧化剂混合发生超临界水热燃烧反应，并迅速燃尽伴随大量内热生成，随后向下传输，另一股从自热气化炉(5)中部进入迅速被第三级预热至超临界水气化制氢反应的温度，开始反应。
10.根据权利要求9所述方法，其特征在于，所述调温器(6)和调压器(7)将超临界水气化制氢反应后得到的产物调整至最佳分离条件，然后经过高压气体分离器(8)将混合气体分离排放。
技术总结