一种水煤浆超临界水热燃烧设备及燃烧处理方法

技术领域

本申请属于煤炭清洁利用技术领域，具体涉及一种水煤浆超临界水热燃烧设备及燃烧处理方法。

背景技术

煤炭资源是我国能源的重要组成部分，也是我国工业生产中必不可少的因素，在我国工业生产中起着至关重要的作用。随着经济的发展和社会工业化的进程，煤炭的需求量越来越大。

但是，在煤炭燃烧过程中会伴随产生氮氧化物、硫化物、粉尘等污染物，以及二氧化碳的排放，都会严重影响空气质量。2020年，我国的总煤耗量约36亿吨，煤炭一年排放的二氧化碳约为73.5亿吨，2020年中国的二氧化碳排放量约为102～108亿吨。因此，开发一种无硫化物、氮氧化物、无粉尘和二氧化碳排放的新型煤炭清洁利用技术和设备，对于我国能源经济的可持续发展以及“双碳”目标的实现具有重大意义。

目前煤炭利用技术采用的是高效燃煤技术，如超临界机组、蒸汽燃气联合循环机组、整体气化蒸汽燃气联合循环机组等，但这些设备仍需要额外配套的例如脱硫、脱硝以及二氧化碳捕集等系统，才能够实现超低排放的目标，而这些额外配套系统又存在工艺及设备复杂、投资和运行成本高等缺点。

发明内容

为了解决现有技术中存在的至少一个技术问题，本申请提供了一种水煤浆超临界水热燃烧设备及燃烧处理方法。

第一方面，本申请公开了一种水煤浆超临界水热燃烧设备，包括：

上承压筒，其内腔作为超临界水热燃烧室，其顶部开设有与所述超临界水热燃烧室连通的喷射孔，所述喷射孔内固定设置有两端开口的喷嘴固定筒，以及，在所述上承压筒的底部开设有与所述超临界水热燃烧室连通的反应物出口；

喷射烧嘴，所述喷射烧嘴的出口端通过所述喷嘴固定筒伸入到所述超临界水热燃烧室中，并通过所述喷嘴固定筒进行密封固定，以及所述喷射烧嘴的位于所述上承压筒外部的入口端至少包括水煤浆进料口和燃料进口；

下承压筒，其内腔作为反应物容纳腔，其顶部开口作为的反应物入口，其底部开口作为的排渣口，以及在其侧壁上由上至下依次开设有与所述反应物容纳腔连通的反应气出口和灰水出口，另外，所述下承压筒的顶部密封固定连接至所述上承压筒的底部，使得所述反应物出口与所述反应物入口连通。

根据本申请的至少一个实施方式，所述超临界水热燃烧室的内壁呈筒状，从底部到顶部依次包括内径线性渐变增大的内径扩大段、内径不变的直管段、内径非线性渐变的内径缩小段以及内径不变的喷射烧嘴段。

根据本申请的至少一个实施方式，所述上承压筒为双层结构，包括：

同轴套设的上承压外筒、上承压内筒，以及在所述上承压外筒与上承压内筒之间形成的密封的冷却水环隙，其中，所述上承压内筒的内腔作为所述超临界水热燃烧室；

冷却水入口，其贯穿设置在所述上承压外筒侧壁的底部位置处，并与所述冷却水环隙连通；

冷却水出口，其贯穿设置在所述上承压外筒侧壁的顶部位置处，并与所述冷却水环隙连通。

根据本申请的至少一个实施方式，所述下承压筒从底部到顶部依次包括内径不变的排渣段、内径线性渐变增大的内径扩大段以及内径不变的直管段，其中，其直管段的筒径与所述上承压外筒的筒径相等。

根据本申请的至少一个实施方式，所述的水煤浆超临界水热燃烧设备还包括：

激冷导管，其位于所述下承压筒的反应物容纳腔中，所述激冷导管通过其位于顶部的开口端固定连接所述上承压筒的底部，且该开口端的内径与所述反应物出口的内径相同并相互连通，另外，所述激冷导管位于底部的开口端朝向所述排渣口方向竖直延伸，且未与所述下承压筒的筒壁和底板接触。

根据本申请的至少一个实施方式，所述的水煤浆超临界水热燃烧设备还包括：

高压激冷环，其环套在所述激冷导管的靠近所述反应物出口的一端的外壁上，在所述高压激冷环与所述激冷导管的接触面位置，设置有多个用于将所述高压激冷环的内环腔与所述激冷导管的内筒腔连通的激冷液出口；

激冷液输送管，其一开口端由外向内贯穿所述下承压筒侧壁后延伸至与所述高压激冷环连通，另一开口端位于所述下承压筒外侧，作为激冷液入口。

根据本申请的至少一个实施方式，所述的水煤浆超临界水热燃烧设备还包括：

导气管，其内径大于所述激冷导管的外径，其外径小于所述下承压筒的内径，所述导气管同轴固定套设在所述激冷导管外部，使得所述导气管的内壁与所述激冷导管的外壁之间形成一个上下开口的套筒环隙，以及在所述导气管的外壁与所述下承压筒的内壁之间形成一环状的激冷室，另外，所述导气管的靠近所述下承压筒底板的一端未与所述下承压筒的筒壁和底板接触，且在该端部，所述导气管的轴向长度大于激冷导管的轴向长度。

根据本申请的至少一个实施方式，所述喷射烧嘴的位于所述上承压筒外部的入口端还包括备用进料口。

第二方面，本申请公开了一种水煤浆超临界水热燃烧处理方法，其采用上述第一方面中任一项所述的水煤浆超临界水热燃烧设备对水煤浆进行处理，包括如下步骤：

步骤一、将水煤浆和液态燃料分别从所述水煤浆进料口和燃料进口注入喷射烧嘴内部混合，混合后的物料再从所述喷射烧嘴出口端以雾状颗粒形式喷入超临界水热燃烧室，并形成超临界水热燃烧火焰，从而使得物料在超临界水中进行反应；

与此同时，通过冷却水入口和冷却水出口，循环向冷却水环隙中通入冷却水；

步骤二、在所述超临界水热燃烧室中的反应产物经反应物出口流出，并流经高压激冷环时，由外部向激冷液输送管中输入激冷剂，从而对反应产物进行冷却，流经高压激冷环的反应产物随后再流入激冷导管进行进一步冷却，从而使得反应产物由超临界状态转化为亚临界状态；

步骤三、反应产物转化为亚临界状态时分别形成固相、气相以及液相产物，其中

固相产物向下流入排渣口；气相产物经套筒环隙向上升流，再经激冷室进一步冷凝成液相；液相产物经灰水出口排出；最终残余气相经反应气出口排出。

根据本申请的至少一个实施方式，所述步骤一中，所述液态燃料为液氧；以及

所述步骤一中，通过控制通入所述冷却水环隙中冷却水的流速和温度，将所述超临界水热燃烧室中的反应温度控制在不高于1000℃；以及

所述步骤一中，控制所述超临界水热燃烧室中压力不超过25MPa；以及

所述步骤一中，从所述水煤浆进料口和燃料进口充入喷射烧嘴的水煤浆和液态燃料的比例为1～10：1；以及

在所述步骤二中，激冷剂为25～30℃工业用水，通过控制向所述激冷液输送管中输入激冷剂的流速，使得反应产物经高压激冷环冷却调节后温度为300～370℃。

本申请至少存在以下有益技术效果：

1)本申请的水煤浆超临界水热燃烧设备及燃烧处理方法中，无氮氧化物、硫化物和粉尘的排放；具体的，水煤浆的氧化过程是在超临界水中进行，因此基本不存在二次污染及大量尾气处理难题，二氧化碳经气液分离很容易捕集且捕集成本很低，实现了二氧化碳的零排放；

2)本申请的水煤浆超临界水热燃烧设备及燃烧处理方法中，煤的进料采用水煤浆的形式，杜绝了传统的固体煤输送带来的粉尘污染，对煤的品质要求低，可采用劣质煤，水煤浆的制备可采用污水，可直接将污水中的有机污染物转化为热值，减少传统污水处理的能耗；

3)本申请的水煤浆超临界水热燃烧设备及燃烧处理方法中，采用高速喷射雾化技术，将物料和液态燃料混合充分后，以雾状活性颗粒的形式均匀分布，可有效提高物料和燃料的接触面积，有助于燃料中的活性粒子与物料更充分反应，并且能更好地利用燃料活性高的优势及提高反应效率；

4)本申请的水煤浆超临界水热燃烧设备及燃烧处理方法中，水热燃烧室内的反应过程中由于挥发分的析出，反应渣会形成多孔结构，增加了活性位点，更有利于水热燃烧室内的氧化反应快速进行；

5)本申请的水煤浆超临界水热燃烧设备及燃烧处理方法中，采用冷却水环流技术，冷却水经环隙在夹套内筒外壁环流，可通过控制水流速度，调节水热燃烧室内反应温度，并有效避免反应温度分布不均匀及局部温度过高导致夹套内筒易烧穿的问题，并进一步提高反应中热能的利用率；

6)本申请的水煤浆超临界水热燃烧设备及燃烧处理方法中，通过高压激冷环与激冷导管的结合，使得反应产物能充分冷却，避免了无机盐的析出问题；

7)本申请的水煤浆超临界水热燃烧设备及燃烧处理方法中，在水煤浆超临界水热燃烧设备内设置了套筒环隙，使得反应产物经激冷导管冷凝后的残余的不凝气(主要是二氧化碳)经套筒环隙多次折流排出后再经气液分离器得以回收，实现了二氧化碳的零排放。

附图说明

图1是本申请水煤浆超临界水热燃烧设备的剖面图；

图2是本申请水煤浆超临界水热燃烧设备中的喷射烧嘴的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

需要理解的是，在本申请的描述中可能涉及到的技术术语，例如“竖直”、“水平”、“上下”、“左右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

下面结合附图1-图2对本申请的水煤浆超临界水热燃烧设备及燃烧处理方法做进一步详细说明。

第一方面，本申请公开了一种水煤浆超临界水热燃烧设备，可以包括上承压筒1、下承压筒3以及喷射烧嘴2。

具体的，上承压筒1具有内腔，其内腔作为超临界水热燃烧室11，另外，上承压筒1的顶部开设有与超临界水热燃烧室11连通的喷射孔，喷射孔内固定设置有两端开口的喷嘴固定筒12；以及，在上承压筒1的底部开设有与超临界水热燃烧室11连通的反应物出口13。需要说明的是，由于超临界水热燃烧室内会形成超临界水热燃烧火焰，且物料会在超临界水中进行反应，因此上承压筒1可以根据需要选择已知的耐热、耐火、耐腐蚀、耐高压材料制成。

喷射烧嘴2可以采用多种适合的结构，本实施例中，如图2所示，喷射烧嘴2整体呈直管状，其右侧(对应于图1中顶部竖直设置的喷射烧嘴2的底部)为出口端，左侧的入口端包括沿径向分别设置的水煤浆进料口21(并可设置法兰)和燃料进口22(并可设置法兰)；具体的，喷射烧嘴2出口端通过喷嘴固定筒12伸入到超临界水热燃烧室11中，并通过喷嘴固定筒12进行密封固定，以及水煤浆进料口21和燃料进口22是位于上承压筒1外部。

进一步的，下承压筒3具有内腔，且具有顶部开口和底部开口；具体的，其内腔作为反应物容纳腔，其顶部开口作为的反应物入口31，其底部开口作为的排渣口32；以及在下承压筒3的侧壁上由上至下依次开设有与反应物容纳腔连通的反应气出口33和灰水出口34；另外，下承压筒3的顶部与上承压筒1的底部之间通过纵向设置的高强螺栓进行固定连接，且连接处进行密封，从而使得反应物出口13与反应物入口31连通。

可以理解的是，本申请的上述上承压筒1的内腔(即超临界水热燃烧室11)可以设置成多种适合的形状，本实施例中，如图1所示，优选超临界水热燃烧室11的内壁呈筒状，从底部到顶部依次包括内径线性渐变增大的内径扩大段、内径不变的直管段、内径非线性渐变的内径缩小段以及内径不变的喷射烧嘴段，这样的结构可以使得喷射出的混合物料可以在超临界水热燃烧室11中最大范围形成覆盖，当然，如果配合将喷射烧嘴2设置于超临界水热燃烧室11顶部中心位置，则覆盖效果更佳。

同样的，本申请的上述上承压筒1的除了其内腔形状，其具体结构也可以根据需要设置为多种；本实施例中，如图1所示，优选上承压筒1为双层结构，可以包括上承压外筒14、上承压内筒15、冷却水入口17、冷却水出口18。

具体的，上承压外筒14、上承压内筒15为同轴套设，由于直径大小不同，因此能够在上承压外筒14与上承压内筒15之间形成的密封的冷却水环隙16；另外，是上承压内筒15的内腔作为上述超临界水热燃烧室11，即是上承压内筒15采用了上述扩大段、直管段的结构形式，而上承压外筒14则可以根据例如强度、安装需要设置成其他适合的形状。冷却水入口17是贯穿设置在上承压外筒14侧壁的底部位置处，并与冷却水环隙16连通；冷却水出口18是贯穿设置在上承压外筒14侧壁的顶部位置处(例如图1的在喷嘴固定筒12位置处，喷嘴固定筒12同样是双层结构)，并与冷却水环隙16连通。

综上，可以通过冷却水入口17和冷却水出口18向上述冷却水环隙16中循环通入冷却水，并通过控制冷却水的流速和温度，可适当调节超临界水热燃烧室11内反应温度，同时有利于超临界水热燃烧室11内部温度分布更均匀，避免反应温度过高以及超临界水热燃烧室11局部过热导致上承压内筒15局部易烧穿的问题出现。

同样的，本申请的上述下承压筒3的具体结构以及内腔形状也可以根据需要设置为多种；本实施例在，如图1所示，优选下承压筒3从底部到顶部依次包括内径不变的排渣段、内径线性渐变增大的内径扩大段以及内径不变的直管段，其中，其直管段的筒径与上承压外筒14的筒径相等，以便于两者进行对接固定以及便于密封。

进一步的，如图1所示，本申请的水煤浆超临界水热燃烧设备还可以包括激冷导管41、高压激冷环42、激冷液输送管43以及导气管44。

具体的，激冷导管41为直管，位于下承压筒3的反应物容纳腔中；激冷导管41通过其位于顶部的开口端通过8个高强螺钉固定连接至上承压筒1的底部(具体是上承压外筒14的底面)，且该开口端的内径与反应物出口13的内径相同并相互连通；另外，激冷导管41位于底部的开口端朝向排渣口32方向竖直延伸，且未与下承压筒3的筒壁和底板接触(即激冷导管41的底部未密封)。

进一步的，高压激冷环42环套在激冷导管41的靠近反应物出口13的一端的外壁上，在高压激冷环42与激冷导管41的接触面位置，设置有多个用于将高压激冷环42的内环腔与激冷导管41的内筒腔连通的激冷液出口；激冷液输送管43的一开口端由外向内贯穿下承压筒3侧壁后延伸至与高压激冷环42连通，另一开口端位于下承压筒3外侧，作为激冷液入口。

综上，通过上述高压激冷环42与激冷导管41的结合，可以使得反应后的产物能快速冷却至亚临界状态，避免了无机盐的析出，以及有利于残渣的排出。

进一步的，导气管44为直管，其内径大于激冷导管41的外径，其外径小于下承压筒3的内径；具体的，导气管44同轴固定套设在激冷导管41外部，使得导气管44的内壁与激冷导管41的外壁之间形成一个上下开口的套筒环隙45，以及在导气管44的外壁与下承压筒3的内壁之间形成一环状的激冷室46；另外，导气管44的靠近下承压筒3底板的一端(即图1中的底端)未与下承压筒3的筒壁和底板接触(即导气管44的底部未密封)，且在该端部，导气管44的轴向长度大于激冷导管41的轴向长度，从而有利于后续气相产物向上升流。

综上，通过上述导气管44的设置，使得反应后气相经激冷导管41冷凝后的不凝气(主要是二氧化碳)经套筒环隙45多次折流排出后，再经气液分离器得以回收实现了二氧化碳的零排放。

进一步，本申请的水煤浆超临界水热燃烧设备中，上述喷射烧嘴2的入口端还可以包括备用进料口23。

综上所述，本申请的水煤浆超临界水热燃烧设备是针对水煤浆的高效清洁利用设备，通过高速喷射雾化技术，使得进料过程物料和氧燃料充分混合，并呈现均匀的、雾状分布，最大程度上利用了氧的活性分子，使得在燃烧室内形成超临界水热燃烧火焰，提高了超临界水热燃烧的效率。另外，通过冷却水环隙中冷却水循环，在降低超临界水热燃烧室内反应温度的同时，解决燃烧室内部温度分布不均匀、温度过高以及局部过热导致夹套内筒易烧穿的问题。进一步，通过高压激冷技术，可解决在超临界水状态下，无机盐的析出问题和有利于超临界水热燃烧反应产生的渣排除的问题。

第二方面，本申请还公开了一种水煤浆超临界水热燃烧处理方法，其采用上述第一方面中任一项所述的水煤浆超临界水热燃烧设备对水煤浆进行处理；具体的，该处理方法包括如下步骤：

步骤一、将水煤浆和液态燃料分别从水煤浆进料口21和燃料进口22注入喷射烧嘴2内部混合，混合后的物料再从喷射烧嘴2出口端以雾化活性颗粒形式喷入超临界水热燃烧室11，并形成超临界水热燃烧火焰，从而使得物料在超临界水中进行反应；

与此同时，通过冷却水入口17和冷却水出口18，循环向冷却水环隙16中通入冷却水。

可以理解的是，在本步骤中，喷射烧嘴2出口喷射出均匀、稳定、富含活性粒子的雾状颗粒，有利于提高水煤浆和液氧的接触面积，有助于液氧中的活性粒子与水煤浆充分反应。

另外，本步骤中可以通过控制通入冷却水环隙16中冷却水的流速和温度，从而实现对超临界水热燃烧室11中的反应温度的控制，同时有利于超临界水热燃烧室11内部温度分布更均匀，避免反应温度过高以及超临界水热燃烧室11局部过热导致上承压内筒15局部易烧穿的问题出现。

综上，经燃料进口22注入的液氧，能够与经水煤浆进料口21注入的水煤浆在喷射烧嘴2内进行对冲碰撞，充分混合，从而提高混合后活性粒子分布的均匀性，之后经喷射烧嘴2细分雾化后输运至超临界水热燃烧室11，经高温、分解、氧化，形成均匀的、温度为不高于1000℃的处于超临界状态的混合物，这种均匀的、小颗粒的超临界混合物有别于常规热解的颗粒物特性，超临界颗粒小，温度分布均匀，因此，在保持了高活性粒子的同时，降低了局部过热对物料的高温灼烧，避免了常规热解等工艺易导致的结焦结渣的问题。

步骤二、在超临界水热燃烧室11中的反应产物经反应物出口13流出，并流经高压激冷环42时，由外部向激冷液输送管43中输入激冷剂，从而对反应产物进行冷却，流经高压激冷环42的反应产物随后再流入激冷导管41进行进一步冷却，从而使得反应产物由超临界状态转化为亚临界状态。

步骤三、反应产物转化为亚临界状态时分别形成固相、气相以及液相产物，其中，固相产物向下流入排渣口32；气相产物经套筒环隙45向上升流，再经激冷室46进一步冷凝成液相；含渣较少的液相产物经灰水出口34排出；最终残余气相经反应气出口33排出。

步骤二和步骤三中，通过高压激冷环42与激冷导管41的结合，使得反应后的产物能快速冷却至亚临界状态，避免了无机盐的析出，以及有利于残渣的排出；另外，反应后气相经激冷导管41冷凝后的不凝气(主要是二氧化碳)经套筒环隙45多次折流排出后，再经气液分离器得以回收实现了二氧化碳的零排放。

进一步的，本申请的水煤浆超临界水热燃烧处理方法中，在上述步骤一中，液态燃料为液氧；以及超临界水热燃烧室11中的反应温度控制在不高于1000℃，压力不超过25MPa；以及从水煤浆进料口21和燃料进口22充入喷射烧嘴2的水煤浆和液态燃料的比例为1～10：1。

进一步的，在步骤二中，激冷剂为25～30℃工业用水，通过控制向激冷液输送管43中输入激冷剂的流速，使得反应产物经高压激冷环42冷却调节后温度为300～370℃。

综上所述，本申请的水煤浆超临界水热燃烧处理方法中，处理的水煤浆采用常温进料，水煤浆进入超临界水热燃烧室11进行超临界水氧化反应，煤中大分子有机物转化为小分子的有机物并最终转化成CO

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。