[发明专利]亚临界水制备工艺及其发生装置

说明书

本发明提供了一种亚临界水制备工艺及其发生装置，亚临界水制备工艺包括气水混合系统和气水分离系统；气水混合系统用于将高压过热蒸气和工艺水进行充分混匀、换热，使高压过热蒸气和工艺水组成的气水混合流体生成亚临界水和饱和蒸气的气水混合物；气水分离系统用于将气水混合物中的亚临界水和饱和蒸气分离，亚临界水直接被应用，饱和蒸气进一步冷凝为亚临界水，进而被应用。本发明以高压过热蒸气为热源对工艺水直接加热，最终将高压过热蒸气和工艺水均转化成亚临界水而被充分利用，原料利用率高；无需额外引入加热装置，热能利用效率高。

技术领域

本发明涉及亚临界水制备技术领域，尤其涉及一种亚临界水制备工艺及其发生装置。

背景技术

生物质作为一种绿色可再生能源，具有产量大、分布广和可再生的属性，目前已经是世界第四大能源，推动生物质能源的开发利用在全球经济社会的可持续发展建设中具有重要的意义。生物质水热炭化提质技术是解决高水分、高碱金属含量、低发热值生物质能源在钢铁生产中应用的关键技术。水热炭化技术是以亚临界水为反应介质，在较低温度(180-350℃)条件下完成炭化反应过程，以生物质作为原料时得到的固体产物称之为生物质水热炭，是生物质资源高效应用的关键技术。

亚临界水是指水在一定压力下(P≤22.05MPa)，从常压沸点温度(100℃)加热到它的超临界点(374℃)时仍然保持液体状态的水，也称为过热水、高温水。

生物质水热炭化反应在亚临界水中进行，使用的设备为高压反应设备，产生亚临界水是通过首先将水源加入高压反应设备后进行封闭，然后通过加热装置对高压反应设备进行加热产生亚临界水。目前制备亚临界水常用的加热方式为电加热、导热油加热，申请号为CN201910199950.4的专利公开了一种亚临界水制备装置，包括：压力容器、多个加热单元、多个温度检测单元和压力检测单元；其中多个加热单元，用于对压力容器内不同位置的水进行加热；该装置的不足之处在于加热过程缓慢、加热能耗高且亚临界水的产生速率缓慢，难以满足生物质水热炭化工程化的应用。

有鉴于此，有必要设计一种改进的亚临界水制备工艺及其发生装置，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种亚临界水制备工艺及其发生装置，以高压过热蒸气为热源对工艺水直接加热，能提升亚临界水的产生速率、提升水热炭化效率、减少水热炭化过程能耗、降低生物质水热炭制备成本。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种亚临界水制备工艺，包括气水混合系统和气水分离系统；所述气水混合系统用于将高压过热蒸气和工艺水进行充分混匀、换热，使高压过热蒸气和工艺水组成的气水混合流体生成亚临界水和饱和蒸气组成的气水混合物；所述气水分离系统用于将所述气水混合物中的亚临界水和饱和蒸气分离，亚临界水直接被应用，饱和蒸气进一步冷凝为亚临界水，进而被应用。

本发明还提供了一种用于亚临界水制备工艺的发生装置，包括由上到下相互连通的气水混合区和气水分离区；所述气水混合区包括蒸气室、工艺水室和混合室；所述气水分离区包括气水分离组件和亚临界水区；所述蒸气室的高压过热蒸气和所述工艺水室的工艺水经所述混合室混合并进入所述气水分离区，经所述气水分离组件分离得到亚临界水和饱和蒸气，亚临界水直接被应用，饱和蒸气进一步冷凝为亚临界水，进而被应用。

作为本发明的进一步改进，所述蒸气室垂直穿插于所述工艺水室的内腔中，高压过热蒸气和工艺水沿相互垂直的方向分别喷入所述蒸气室和所述工艺水室；所述蒸气室的出口端设有拉瓦尔喷管结构的高压过热蒸气喷嘴，所述工艺水室的出口端设有工艺水喷嘴，所述高压过热蒸气喷嘴和所述工艺水喷嘴均延伸至所述混合室内，且所述高压过热蒸气喷嘴和所述工艺水喷嘴同轴设置。

作为本发明的进一步改进，所述气水混合区还包括由上至下依次设置于所述混合室下方的喉管和扩张室，所述混合室、所述喉管和所述扩张室相互连通、同轴设置，且三者形成拉瓦尔喷管结构，经所述混合室形成的气水混合流体依次通过所述喉管和所述扩张室，实现高压过热蒸气和工艺水的充分的混匀、换热，生成气水混合物，进而进入所述气水分离区。