一种基于内部氧化放热的超临界水气化系统的启动方法

技术领域

本发明属于超临界水气化技术利用领域，涉及一种基于内部氧化放热的超临界水气化系统的启动方法。

背景技术

超临界水气化技术是一种清洁高效的煤炭、生物质、有机燃料和废弃物的利用技术，其具有反应速率快、温度温和、无高温氮氧氮硫氧化物产生的特点，这是由于采用了超临界水作为气化反应物和均相反应环境，超临界水(温度大于374℃，压力大于22.1MPa)具有优良的物理化学特性，比如高扩散性和低介电常数能够有效加快反应物和生成物的扩散，有机物的溶解度高，形成均相反应，大大提高了反应速率。高压下的超临界水密度大，超临界水参与的重整反应速率加快，能够促进有机物的完全转化。因此，超临界水气化能够在较低温度条件下，实现高效无污染的转化。

目前，超临界水气化技术依然面对一些困难，比如高压条件下的进料、排渣和产物分离问题，其中超临界水的生成需要大量吸热，超临界水反应系统的启动是一大重要关键环节。超临界水是通过水加压升温得到的，水的比容大，采用传统锅炉的燃烧和换热管对流辐射的方式需要很大的换热面及设备投资，燃烧会产生污染，大大拖累了超临界水气化技术的清洁特性，目前实验室规模反应器主要采用电加热来实现超临界水气化条件，同时启动过程漫长低效，已有报导的采用超临界水内的氧化放热来实现系统的热量自我供给方案，只考虑了稳定运行后的热量平衡和传热设计，对于启动过程如何实现从冷态系统向运行工况转变，目前缺失详细的研究和方案。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于内部氧化放热的超临界水气化系统的启动方法，该方法能够实现超临界水气化系统的快速升温，同时避免增加外部设备或热源。

为达到上述目的，本发明所述的基于内部氧化放热的超临界水气化系统的启动方法包括以下步骤：在氧化反应器内通过氧化反应实现放热，实现氧化反应器的预热，再将氧化后的高温流体逆向返回到气化反应器中，同时送入换热器中，实现超临界水气化系统整体的升温。

所述超临界水气化系统包括原料罐、高压加压泵、气化反应器、氧化反应器、换热器、背压阀、水箱、高压柱塞泵、氧化剂储罐、氧化剂加压泵、高压气瓶、气体加压泵、原料控制阀、高压水控制阀、氧化剂控制阀、气体控制阀、第一控制阀及第二控制阀；原料罐的出口经高压加压泵及原料控制阀与气化反应器的入口相连通，高压气瓶的出口经气体加压泵及气体控制阀与氧化反应器的入口相连通，氧化剂储罐的出口经氧化剂加压泵及氧化剂控制阀与氧化反应器的入口相连通，气化反应器的顶部开口与氧化反应器的顶部开口相连通，气化反应器的底部开口与换热器壳侧的一端相连通，换热器壳侧的另一端与第二控制阀的一端及高压水控制阀的一端相连通，水箱的出口经高压柱塞泵与高压水控制阀的另一端相连通，第二控制阀的另一端与背压阀相连通，氧化反应器的底部开口与换热器的管侧入口相连通，换热器的管侧出口经第一控制阀与背压阀相连通。

具体包括系统升压阶段、氧化反应器升温阶段、气化反应器升温阶段及换热器升温阶段。

在系统升压阶段，打开高压水控制阀、背压阀及第一控制阀，通过高压柱塞泵将系统压力升高至超临界运行压力，在背压阀的控制下，压力运行稳定后，将高压柱塞泵的流量降为零，然后关闭高压水控制阀。

在氧化反应器升温阶段，高压气瓶中的气体通过气体加压泵进入到氧化反应器中，与此同时，氧化剂储罐中的氧化剂通过氧化剂加压泵加压后进入氧化反应器中，在氧化反应器中，氧化剂与气体发生氧化反应进行放热，使得氧化反应器的温度升高直至正常运行时的气化反应器的温度，完成氧化反应器的升温，在此过程中，氧化后的高温流体将氧化反应器内部原有的低温流体推向换热器的高温侧，再经第一控制阀及背压阀流出，等待氧化反应器的整体温度达到稳定时，则进入气化反应器升温阶段。

在气化反应器升温阶段，逐渐关闭第一控制阀，同时逐渐打开第二控制阀，氧化后的高温流体将气化反应器内部原有的低温流体推向换热器的低温侧，再经第二控制阀及背压阀流出系统，等待气化反应器整体温度达到稳定时，则进入换热器升温阶段。

在换热器升温阶段，逐渐减小第二控制阀的开度，并逐渐增大第一控制阀的开度，通过氧化后的高温流体将氧化反应器内部以及气化反应器内部升温后的高温流体同时或交替推向换热器，再经第一控制阀、第二控制阀及背压阀流出系统，等待换热器内部温度分布达到正常气化时的温度分布时，则换热器升温阶段结束。

换热器升温阶段之后还依次包括流量调节阶段及初始进料阶段。

逐渐关闭第二控制阀，并逐渐完全开启第一控制阀，然后开启高压水控制阀及高压柱塞泵，调节高压柱塞泵逐渐增大流量，同时，调整氧化剂加压泵及气体加压泵，以配合增大氧化剂及气体的流量，逐渐提高氧化反应器的温度。

初始进料阶段：当系统各处温度稳定后，开启原料控制阀及高压加压泵，将原料罐中的原料输入到气化反应器中，气化反应器中的气化产物流入氧化反应器中参与氧化反应，随着原料输入量和气化产物中有效成分的增加，逐渐减小气体加压泵的流量，调整氧化剂加压泵的流量，根据氧化反应器的温度，高压气体流量最终减小到零，然后关闭气体控制阀。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的基于内部氧化放热的超临界水气化系统启动方法在具体操作时，通过氧化反应实现放热，并且将氧化后的高温流体逆向返回到气化反应器，同时也向换热器进行流动，实现系统整体的快速升温。需要说明的是，本发明采用内部氧化放热的方式，无需外部的启动装置及加热管道，仅通过阀门控制即可实现，简化了系统，降低了投资成本。

进一步，本发明中启动过程的内部氧化过程与正常运行的氧化过程可以平滑过渡，从而加快系统的稳定，启动到稳定投产时间较短。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

其中，1为原料罐、2为高压加压泵、3为气化反应器、4为氧化反应器、5为换热器、6为背压阀、7为水箱、8为高压柱塞泵、9为氧化剂储罐、10为氧化剂加压泵、11为高压气瓶、12为气体加压泵、13为原料控制阀、14为高压水控制阀、15为氧化剂控制阀、16为气体控制阀、17为第一控制阀、18为第二控制阀。

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，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。

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。

参考图1，所述超临界水气化系统包括原料罐1、高压加压泵2、气化反应器3、氧化反应器4、换热器5、背压阀6、水箱7、高压柱塞泵8、氧化剂储罐9、氧化剂加压泵10、高压气瓶11、气体加压泵12、原料控制阀13、高压水控制阀14、氧化剂控制阀15、气体控制阀16、第一控制阀17及第二控制阀18；原料罐1的出口经高压加压泵2及原料控制阀13与气化反应器3的入口相连通，高压气瓶11的出口经气体加压泵12及气体控制阀16与氧化反应器4的入口相连通，氧化剂储罐9的出口经氧化剂加压泵10及氧化剂控制阀15与氧化反应器4的入口相连通，气化反应器3的顶部开口与氧化反应器4的顶部开口相连通，气化反应器3的底部开口与换热器5壳侧的一端相连通，换热器5壳侧的另一端与第二控制阀18的一端及高压水控制阀14的一端相连通，水箱7的出口经高压柱塞泵8与高压水控制阀14的另一端相连通，第二控制阀18的另一端与背压阀6相连通，氧化反应器4的底部开口与换热器5的管侧入口相连通，换热器5的管侧出口经第一控制阀17与背压阀6相连通。

需要说明的是，气化反应器3、氧化反应器4及换热器5可以为一个或者多个并联或者串联而成，在所述超临界水气化系统中，可以通过第一控制阀7及第二控制阀8控制管路中流体的流向。

为实现超临界水气化系统的平稳启动，参考图1，本发明基于内部氧化放热的超临界水气化系统启动方法包括以下步骤：

系统升压：启动前，所有阀门处于关闭状态，首先打开高压水控制阀14、背压阀6及第一控制阀17，通过高压柱塞泵8将系统压力升高至超临界运行压力，在背压阀6的控制下，压力运行稳定后，将高压柱塞泵8的流量降为零，然后关闭高压水控制阀14，升压完成；

氧化反应器4升温阶段：高压气瓶11中的气体通过气体加压泵12进入到氧化反应器4中，与此同时，氧化剂储罐9中的氧化剂通过氧化剂加压泵10加压后进入氧化反应器4中，在氧化反应器4中，氧化剂与气体发生氧化反应进行放热，使得氧化反应器4的温度升高直至正常运行时的气化反应器3的温度，完成氧化反应器4的升温，在此过程中，氧化后的高温流体将氧化反应器4内部原有的低温流体推向换热器5的高温侧，再经第一控制阀17及背压阀6流出，等待氧化反应器4的整体温度达到稳定时，则进入气化反应器3升温阶段；

其中，所述氧化剂一般为纯氧，富氧气体或过氧化氢溶液等，高压气体一般为甲烷等可燃气体，也可采用其它容易反应的液体燃料。

气化反应器3升温阶段：逐渐关闭第一控制阀17，同时逐渐打开第二控制阀18，氧化后的高温流体将气化反应器3内部原有的低温流体推向换热器5的低温侧，再经第二控制阀18及背压阀6流出系统，等待气化反应器3整体温度达到稳定时，则进入换热器5升温阶段；

换热器5升温阶段：逐渐减小第二控制阀18的开度，并逐渐增大第一控制阀17的开度，通过氧化后的高温流体将氧化反应器4内部以及气化反应器3内部升温后的高温流体同时或交替推向换热器5，再经第一控制阀17、第二控制阀18及背压阀6流出系统，等待换热器5内部温度分布达到近似于正常气化时的温度分布时，则进入流量调节阶段；

流量调节阶段：逐渐关闭第二控制阀18，并逐渐完全开启第一控制阀17，然后开启高压水控制阀14及高压柱塞泵8，调节高压柱塞泵8逐渐增大流量，同时，调整氧化剂加压泵10及气体加压泵12，以配合增大氧化剂及气体的流量，逐渐提高氧化反应器4的温度，通过监控各处的温度来进行调节，最终达接近设计工况的参数；

初始进料阶段：当系统各处温度稳定后，开启原料控制阀13及高压加压泵2，将原料罐1中的原料输入到气化反应器3中，气化反应器3中的气化产物流入氧化反应器4中参与氧化反应，随着原料输入量和气化产物中有效成分的增加，逐渐减小气体加压泵12的流量，调整氧化剂加压泵10的流量，根据氧化反应器4的温度，高压气体流量最终减小到零，然后关闭气体控制阀16，此时，系统各部分参数逐渐稳定，进入正常运行工况，启动过程结束。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。