一種實(shí)現(xiàn)熱能回收與連續(xù)清焦耦合的系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種實(shí)現(xiàn)熱能回收與連續(xù)清焦耦合的系統(tǒng)，包括增壓泵、熱等離子體炬、反應(yīng)器、減壓閥、氣液分離器、旋風(fēng)分離器和除沫器，且熱等離子體炬的陽(yáng)極和反應(yīng)器接地，通過(guò)接地使得熱等離子體炬的陽(yáng)極和反應(yīng)器直接以普通鍋爐用軟化水作為冷卻水，大幅降低了生產(chǎn)成本；所述系統(tǒng)的熱能回收與連續(xù)清焦耦合的工藝是將熱等離子體炬和反應(yīng)器壁面損失的熱量用于生產(chǎn)蒸汽，并將蒸汽用于反應(yīng)器的連續(xù)清焦過(guò)程，一方面可以回收大部分損失的熱量，解決了生產(chǎn)蒸汽的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，另一方面將回收的熱量進(jìn)一步的利用，解決了等離子體反應(yīng)器內(nèi)壁結(jié)焦的問(wèn)題。
【專利說(shuō)明】一種實(shí)現(xiàn)熱能回收與連續(xù)清焦耦合的系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及熱能回收與綜合利用領(lǐng)域，特別涉及一種實(shí)現(xiàn)熱能回收與連續(xù)清焦耦合的系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]熱等離子體的重粒子與輕粒子處于同一能級(jí)，溫度高達(dá)3 X 103-3 X 14K,基本上達(dá)到熱力學(xué)平衡狀態(tài)。近年來(lái)，隨著理論和應(yīng)用研究的深入，熱等離子體技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)活躍的交叉學(xué)科領(lǐng)域，大功率、長(zhǎng)壽命熱等離子體裝備技術(shù)也日益成熟，為熱等離子體技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。基于熱等離子體高溫、高焓、富含活性粒子，有利于化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的特點(diǎn)，熱等離子體技術(shù)在合成氣、乙炔、乙烯、氫氣、炭黑、氫氰酸及納米材料制備等方面展現(xiàn)出巨大的潛力。
[0003]炬和反應(yīng)器是應(yīng)用等離子體技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備，其內(nèi)部溫度高達(dá)數(shù)千度甚至上萬(wàn)度，為了防止炬和反應(yīng)器被高溫?zé)龤?，通常采用水冷的方式?duì)炬和反應(yīng)器的壁面進(jìn)行降溫。冷卻水從壁面帶走的熱量與炬、反應(yīng)器的規(guī)模、結(jié)構(gòu)和材料等有關(guān)，一般占總輸入能量的10%-40%。目前，這些損失的熱量只能用于生產(chǎn)熱水，能量品位不高、經(jīng)濟(jì)價(jià)值低。因此，需要更加合理的方法實(shí)現(xiàn)這部分能量的回收利用。
[0004]熱等離子體反應(yīng)過(guò)程中往往存在結(jié)焦的問(wèn)題，需要采用合適的手段進(jìn)行清焦，才能維持反應(yīng)器的連續(xù)運(yùn)行。向反應(yīng)器中通入蒸汽，使其與結(jié)焦物在熱等離子體中發(fā)生快速反應(yīng)是一種有效的清焦方法。如果能將炬和反應(yīng)器壁面損失的熱量用于生產(chǎn)能量品位更高的蒸汽，并將其用于反應(yīng)器的清焦過(guò)程，將顯著提高炬和反應(yīng)器的能量利用效率，有利于提高熱等離子體反應(yīng)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)可行性、推動(dòng)該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種實(shí)現(xiàn)熱能回收與連續(xù)清焦耦合的系統(tǒng)，將熱等離子體炬和反應(yīng)器壁面損失的熱量用于生產(chǎn)蒸汽，并將蒸汽用于反應(yīng)器的連續(xù)清焦過(guò)程，可以顯著提高能量利用效率，提高熱等離子體技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。
[0006]本發(fā)明公開(kāi)了一種實(shí)現(xiàn)熱能回收與連續(xù)清焦耦合的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括增壓泵、熱等離子體炬、反應(yīng)器、減壓閥、氣液分離器、旋風(fēng)分離器和除沫器；
[0007]所述的熱等離子體炬和反應(yīng)器分別設(shè)有冷卻水的入口和出口，增壓泵分別與熱等離子體炬和反應(yīng)器的冷卻水的入口連通，熱等離子體炬和反應(yīng)器的冷卻水出口合并后與減壓閥連通；
[0008]所述的減壓閥與氣液分離器、旋風(fēng)分離器和除沫器依次連接；
[0009]所述的熱等離子體炬的陽(yáng)極和反應(yīng)器分別接地；
[0010]所述系統(tǒng)的熱能回收與連續(xù)清焦耦合的工藝包括如下步驟:
[0011](I)冷卻水經(jīng)增壓泵增壓后，分別通過(guò)熱等離子體炬和反應(yīng)器的冷卻水入口進(jìn)入，吸熱后從各自的冷卻水出口排出，排出的為水或汽水混合物；
[0012](2)步驟(I)排出的水或汽水混合物合并，經(jīng)減壓閥減壓閃蒸后進(jìn)入氣液分離器，夾帶有液滴的蒸汽從氣液分離器上部流出，依次通過(guò)旋風(fēng)分離器和除沫器，除去夾帶的液滴，分離得到的蒸汽通回到反應(yīng)器中，在熱等離子體產(chǎn)生的高溫條件下，蒸汽與反應(yīng)器內(nèi)壁的結(jié)焦物發(fā)生反應(yīng)完成清焦，實(shí)現(xiàn)熱等離子體反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行；
[0013](3)步驟(2)中，從蒸汽中除去的水通回氣液分離器，從底部排出，與冷卻水混合一起通入增壓泵實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用。
[0014]熱等離子體炬包括陰極和陽(yáng)極，是產(chǎn)生熱等離子體的場(chǎng)所，在炬的陰極和陽(yáng)極之間存在較高的電勢(shì)差。為了保證炬和反應(yīng)器運(yùn)行安全，應(yīng)避免陰極和陽(yáng)極短路，因此需要采用低電導(dǎo)率的超純水作為陰極和陽(yáng)極的冷卻水。有些熱等離子體裝置直接以炬的陽(yáng)極作為反應(yīng)器的一部分，因此反應(yīng)器也是帶電的，同樣需要用超純水作為冷卻水。由于超純水價(jià)格高，直接用其產(chǎn)生蒸汽在經(jīng)濟(jì)上是不可行的。本發(fā)明將炬的陽(yáng)極和反應(yīng)器接地，使其電勢(shì)為零，此時(shí)陰極為負(fù)電勢(shì)。這樣就只有陰極需要用超純水做冷卻水，陽(yáng)極和反應(yīng)器則可以直接以普通鍋爐用軟化水作為冷卻水。已有的研究表明，陰極的熱量損失僅為總熱量損失的不足5%，只要回收炬陽(yáng)極和反應(yīng)器部分就可以回收95%以上熱量損失。本發(fā)明通過(guò)炬陽(yáng)極和反應(yīng)器接地，既可以回收大部分損失的熱量，又解決了生產(chǎn)蒸汽的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。
[0015]熱等離子體炬的陰極和陽(yáng)極分別設(shè)有冷卻系統(tǒng)，但本發(fā)明中所述的體系僅包括熱等離子體炬陽(yáng)極的冷卻系統(tǒng)，而熱等離子體炬陰極的冷卻系統(tǒng)另成一個(gè)體系，并不包含在本發(fā)明所述的實(shí)現(xiàn)熱能回收與連續(xù)清焦耦合的系統(tǒng)中。
[0016]冷卻水分別從熱等離子體炬和反應(yīng)器的冷卻水入口進(jìn)入炬陽(yáng)極和反應(yīng)器的水冷通道，通過(guò)反應(yīng)器壁面與反應(yīng)器內(nèi)的高溫介質(zhì)換熱而溫度升高。冷卻水的壓力由增壓泵控制，冷卻水經(jīng)泵增壓后的壓力> 0.5MPa ;為了獲得清焦所需的中低壓蒸汽，同時(shí)兼顧設(shè)備的耐壓能力，冷卻水經(jīng)泵增壓后的壓力為2?lOMPa。為了提高蒸汽的產(chǎn)量，將冷卻水出口溫度控制在水飽和溫度。
[0017]經(jīng)增壓、增溫后的冷卻水為水或汽水混合物，通過(guò)減壓閥后部分汽化產(chǎn)生蒸汽，蒸汽與水在氣液分離器中分離。蒸汽中仍然夾帶了大量的液滴，通過(guò)旋風(fēng)分離器除去較大的液滴，除沫器除去較小的液滴，得到蒸汽，所述的蒸汽可以用于反應(yīng)器清焦或其他用途，蒸汽的壓力通過(guò)減壓閥控制。
[0018]本發(fā)明中將所述的蒸汽通回反應(yīng)器中用于清焦。為了不影響反應(yīng)器中反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行，作為優(yōu)選，通入的蒸汽量為通入反應(yīng)器內(nèi)總氣體量的0.1?10vol%，通過(guò)改變通入蒸汽的量，可以調(diào)節(jié)清焦反應(yīng)的速率，在上述優(yōu)選的蒸汽用量時(shí)，既能夠滿足對(duì)清焦的要求，又不至于對(duì)反應(yīng)產(chǎn)生太大的影響。
[0019]本發(fā)明中蒸汽沿反應(yīng)器內(nèi)壁通入，使其主要存在于反應(yīng)器壁的附近，一方面減小對(duì)反應(yīng)的影響，另一方面更利于結(jié)焦物的清除。蒸汽通入的方式有兩種，一種是沿反應(yīng)器內(nèi)壁以軸向通入反應(yīng)器中，另一種是沿反應(yīng)器內(nèi)壁以切向通入反應(yīng)器中。優(yōu)選蒸汽以切向通入反應(yīng)器，由于離心力的作用而使蒸汽緊貼反應(yīng)器的內(nèi)壁，可以進(jìn)一步減小清焦氣體對(duì)反應(yīng)的影響。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0021](I)本發(fā)明通過(guò)將炬的陽(yáng)極和反應(yīng)器接地，使得陽(yáng)極和反應(yīng)器可以直接以普通鍋爐用軟化水作為冷卻水，大幅降低了生產(chǎn)成本；
[0022](2)本發(fā)明將熱能回收與連續(xù)清焦相耦合，將換熱產(chǎn)生的蒸汽用于等離子體反應(yīng)器的清焦，一方面可以回收大部分損失的熱量，解決了生產(chǎn)蒸汽的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，另一方面將回收的熱量進(jìn)一步的利用，解決了等離子體反應(yīng)器內(nèi)壁結(jié)焦的問(wèn)題。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1是本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)熱能回收與連續(xù)清焦耦合的系統(tǒng)的工藝流程示意圖；
[0024]圖中，1-等離子體炬；2_反應(yīng)器；3_等離子體射流；4_等離子體炬冷卻水入口 ；5-反應(yīng)器冷卻水入口 ；6_等離子體炬冷卻水出口 ；7_反應(yīng)器冷卻水出口 ；8_增壓泵；9_減壓閥；10_氣液分離器；11_旋風(fēng)分離器；12_除沫器；13_蒸汽通道。

【具體實(shí)施方式】
[0025]本發(fā)明公開(kāi)的實(shí)現(xiàn)熱能回收與連續(xù)清焦耦合的系統(tǒng)的工藝流程示意圖如圖1所示，系統(tǒng)包括增壓泵8、熱等離子體炬1、反應(yīng)器2、減壓閥9、氣液分離器10、旋風(fēng)分離器11和除沫器12。
[0026]熱等離子體炬I設(shè)有冷卻水的入口 4和出口 6，反應(yīng)器2設(shè)有冷卻水的入口 5和出口 7，熱等離子體炬的陽(yáng)極和反應(yīng)器分別接地。
[0027]增壓泵8分別與熱等離子體炬和反應(yīng)器的冷卻水的入口連通，熱等離子體炬和反應(yīng)器的冷卻水出口合并后與減壓閥9連通。
[0028]減壓閥9與氣液分離器10、旋風(fēng)分離器11和除沫器12依次連通。
[0029]熱等離子體炬I產(chǎn)生的等離子體射流3進(jìn)入反應(yīng)器2中，產(chǎn)生高溫、高焓、富含活性粒子的反應(yīng)氛圍。來(lái)自增壓泵8的冷卻水分別通過(guò)等離子體炬冷卻水入口 4和反應(yīng)器冷卻水入口 5進(jìn)入熱等離子體炬I和反應(yīng)器2，再分別流入熱等離子體炬I和反應(yīng)器2內(nèi)的水冷通道，通過(guò)壁面與熱等離子體炬I和反應(yīng)器2中的高溫介質(zhì)換熱使溫度升高，控制熱等離子體炬內(nèi)換熱后的冷卻水的最高溫度為熱等離子體炬的冷卻水出口 6處壓力對(duì)應(yīng)的水飽和溫度，反應(yīng)器內(nèi)換熱后的冷卻水的最高溫度為反應(yīng)器的冷卻水出口 7處壓力對(duì)應(yīng)的水飽和溫度。
[0030]增壓、增溫后的水或汽水混合物從熱等離子體炬的冷卻水出口 6、反應(yīng)器的冷卻水出口 7流出，合并后通過(guò)減壓閥9減壓閃蒸，通過(guò)控制閃蒸壓力可以得到不同溫度的蒸汽產(chǎn)品，閃蒸產(chǎn)生的汽水混合物進(jìn)入氣液分離器10中進(jìn)行分離。夾帶著大量液滴的蒸汽從氣液分離器10的上部流出，進(jìn)入旋風(fēng)分離器11除去較大的液滴，再流經(jīng)除沫器12除去小液滴，獲得蒸汽產(chǎn)品。獲得的部分蒸汽經(jīng)蒸汽通道13通回反應(yīng)器2，并沿反應(yīng)器2的切向進(jìn)入，與內(nèi)壁的結(jié)焦物反應(yīng)達(dá)到清焦的目的。
[0031]經(jīng)旋風(fēng)分離器11、除沫器12分離出的水靠重力流入氣液分離器10中，再與補(bǔ)充的冷卻水混合一起通入增壓泵8，實(shí)驗(yàn)冷卻水的補(bǔ)充和循環(huán)利用。
[0032]圖中給出的箭頭方向代表冷卻水/蒸汽的流通方向。
[0033]本發(fā)明技術(shù)可以回收大部分冷卻水帶走的熱量，并獲得高品的蒸汽，實(shí)現(xiàn)清焦蒸汽的自給自足。采用本發(fā)明技術(shù)最多可以節(jié)能30%以上。
【權(quán)利要求】
1.一種實(shí)現(xiàn)熱能回收與連續(xù)清焦耦合的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括增壓泵、熱等離子體炬、反應(yīng)器、減壓閥、氣液分離器、旋風(fēng)分離器和除沫器； 所述的熱等離子體炬和反應(yīng)器分別設(shè)有冷卻水的入口和出口，增壓泵分別與熱等離子體炬和反應(yīng)器的冷卻水的入口連通，熱等離子體炬和反應(yīng)器的冷卻水出口合并后與減壓閥連通； 所述的減壓閥與氣液分離器、旋風(fēng)分離器和除沫器依次連接； 所述的熱等離子體炬的陽(yáng)極和反應(yīng)器分別接地； 所述系統(tǒng)的熱能回收與連續(xù)清焦耦合的工藝包括如下步驟: (1)冷卻水經(jīng)增壓泵增壓后，分別通過(guò)熱等離子體炬和反應(yīng)器的冷卻水入口進(jìn)入，吸熱后從各自的冷卻水出口排出，排出的為水或汽水混合物； (2)步驟(I)排出的水或汽水混合物合并，經(jīng)減壓閥減壓閃蒸后進(jìn)入氣液分離器，夾帶有液滴的蒸汽從氣液分離器上部流出，依次通過(guò)旋風(fēng)分離器和除沫器，除去夾帶的液滴，分離得到的蒸汽通回到反應(yīng)器中，在熱等離子體產(chǎn)生的高溫條件下，蒸汽與反應(yīng)器內(nèi)壁的結(jié)焦物發(fā)生反應(yīng)完成清焦，實(shí)現(xiàn)熱等離子體反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行； (3)步驟(2)中，從蒸汽中除去的水返回氣液分離器，從底部排出，與冷卻水混合一起通入增壓泵實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)熱能回收與連續(xù)清焦耦合的系統(tǒng)，其特征在于，所述的冷卻水為軟化水，經(jīng)增壓泵增壓后的壓力> 0.5MPa。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的實(shí)現(xiàn)熱能回收與連續(xù)清焦耦合的系統(tǒng)，其特征在于，所述的冷卻水經(jīng)增壓泵泵增壓后的壓力為2?lOMPa。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的實(shí)現(xiàn)熱能回收與連續(xù)清焦耦合的系統(tǒng)，其特征在于，所述的冷卻水的出口溫度控制在水飽和溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)熱能回收與連續(xù)清焦耦合的系統(tǒng)，其特征在于，所述的通入反應(yīng)器內(nèi)蒸汽量為通入反應(yīng)器內(nèi)總氣體量的0.1?1vol%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)熱能回收與連續(xù)清焦耦合的系統(tǒng)，其特征在于，所述的蒸汽沿反應(yīng)器內(nèi)壁通入。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的實(shí)現(xiàn)熱能回收與連續(xù)清焦耦合的系統(tǒng)，其特征在于，所述的蒸汽沿反應(yīng)器內(nèi)壁以軸向或切向通入。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的實(shí)現(xiàn)熱能回收與連續(xù)清焦耦合的系統(tǒng)，其特征在于，所述的蒸汽沿反應(yīng)器內(nèi)壁以切向通入。
【文檔編號(hào)】B01J19/08GK104353403SQ201410563522
【公開(kāi)日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月21日
【發(fā)明者】蘇寶根, 聞光東, 任其龍, 邢華斌, 鮑宗必, 張治國(guó), 何潮洪, 陳豐秋, 陳新志, 陳隆道, 榮岡, 吳忠標(biāo) 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)