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CN104353403A - 一种实现热能回收与连续清焦耦合的系统 - Google Patents

一种实现热能回收与连续清焦耦合的系统 Download PDF

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CN104353403A CN201410563522.2A CN201410563522A CN104353403A CN 104353403 A CN104353403 A CN 104353403A CN 201410563522 A CN201410563522 A CN 201410563522A CN 104353403 A CN104353403 A CN 104353403A
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Abstract

本发明公开了一种实现热能回收与连续清焦耦合的系统，包括增压泵、热等离子体炬、反应器、减压阀、气液分离器、旋风分离器和除沫器，且热等离子体炬的阳极和反应器接地，通过接地使得热等离子体炬的阳极和反应器直接以普通锅炉用软化水作为冷却水，大幅降低了生产成本；所述系统的热能回收与连续清焦耦合的工艺是将热等离子体炬和反应器壁面损失的热量用于生产蒸汽，并将蒸汽用于反应器的连续清焦过程，一方面可以回收大部分损失的热量，解决了生产蒸汽的经济性问题，另一方面将回收的热量进一步的利用，解决了等离子体反应器内壁结焦的问题。

Description

一种实现热能回收与连续清焦耦合的系统
技术领域
本发明涉及热能回收与综合利用领域，特别涉及一种实现热能回收与连续清焦耦合的系统。
背景技术
热等离子体的重粒子与轻粒子处于同一能级，温度高达3×103-3×104K，基本上达到热力学平衡状态。近年来，随着理论和应用研究的深入，热等离子体技术已经成为一个活跃的交叉学科领域，大功率、长寿命热等离子体装备技术也日益成熟，为热等离子体技术的产业化奠定了基础。基于热等离子体高温、高焓、富含活性粒子，有利于化学反应发生的特点，热等离子体技术在合成气、乙炔、乙烯、氢气、炭黑、氢氰酸及纳米材料制备等方面展现出巨大的潜力。
炬和反应器是应用等离子体技术的关键设备，其内部温度高达数千度甚至上万度，为了防止炬和反应器被高温烧毁，通常采用水冷的方式对炬和反应器的壁面进行降温。冷却水从壁面带走的热量与炬、反应器的规模、结构和材料等有关，一般占总输入能量的10％-40％。目前，这些损失的热量只能用于生产热水，能量品位不高、经济价值低。因此，需要更加合理的方法实现这部分能量的回收利用。
热等离子体反应过程中往往存在结焦的问题，需要采用合适的手段进行清焦，才能维持反应器的连续运行。向反应器中通入蒸汽，使其与结焦物在热等离子体中发生快速反应是一种有效的清焦方法。如果能将炬和反应器壁面损失的热量用于生产能量品位更高的蒸汽，并将其用于反应器的清焦过程，将显著提高炬和反应器的能量利用效率，有利于提高热等离子体反应技术的经济可行性、推动该技术的产业化进程。
发明内容
本发明提供了一种实现热能回收与连续清焦耦合的系统，将热等离子体炬和反应器壁面损失的热量用于生产蒸汽，并将蒸汽用于反应器的连续清焦过程，可以显著提高能量利用效率，提高热等离子体技术经济效益。
本发明公开了一种实现热能回收与连续清焦耦合的系统，所述系统包括增压泵、热等离子体炬、反应器、减压阀、气液分离器、旋风分离器和除沫器；
所述的热等离子体炬和反应器分别设有冷却水的入口和出口，增压泵分别与热等离子体炬和反应器的冷却水的入口连通，热等离子体炬和反应器的冷却水出口合并后与减压阀连通；
所述的减压阀与气液分离器、旋风分离器和除沫器依次连接；
所述的热等离子体炬的阳极和反应器分别接地；
所述系统的热能回收与连续清焦耦合的工艺包括如下步骤：
(1)冷却水经增压泵增压后，分别通过热等离子体炬和反应器的冷却水入口进入，吸热后从各自的冷却水出口排出，排出的为水或汽水混合物；
(2)步骤(1)排出的水或汽水混合物合并，经减压阀减压闪蒸后进入气液分离器，夹带有液滴的蒸汽从气液分离器上部流出，依次通过旋风分离器和除沫器，除去夹带的液滴，分离得到的蒸汽通回到反应器中，在热等离子体产生的高温条件下，蒸汽与反应器内壁的结焦物发生反应完成清焦，实现热等离子体反应的连续进行；
(3)步骤(2)中，从蒸汽中除去的水通回气液分离器，从底部排出，与冷却水混合一起通入增压泵实现循环使用。
热等离子体炬包括阴极和阳极，是产生热等离子体的场所，在炬的阴极和阳极之间存在较高的电势差。为了保证炬和反应器运行安全，应避免阴极和阳极短路，因此需要采用低电导率的超纯水作为阴极和阳极的冷却水。有些热等离子体装置直接以炬的阳极作为反应器的一部分，因此反应器也是带电的，同样需要用超纯水作为冷却水。由于超纯水价格高，直接用其产生蒸汽在经济上是不可行的。本发明将炬的阳极和反应器接地，使其电势为零，此时阴极为负电势。这样就只有阴极需要用超纯水做冷却水，阳极和反应器则可以直接以普通锅炉用软化水作为冷却水。已有的研究表明，阴极的热量损失仅为总热量损失的不足5％，只要回收炬阳极和反应器部分就可以回收95％以上热量损失。本发明通过炬阳极和反应器接地，既可以回收大部分损失的热量，又解决了生产蒸汽的经济性问题。
热等离子体炬的阴极和阳极分别设有冷却系统，但本发明中所述的体系仅包括热等离子体炬阳极的冷却系统，而热等离子体炬阴极的冷却系统另成一个体系，并不包含在本发明所述的实现热能回收与连续清焦耦合的系统中。
冷却水分别从热等离子体炬和反应器的冷却水入口进入炬阳极和反应器的水冷通道，通过反应器壁面与反应器内的高温介质换热而温度升高。冷却水的压力由增压泵控制，冷却水经泵增压后的压力＞0.5MPa；为了获得清焦所需的中低压蒸汽，同时兼顾设备的耐压能力，冷却水经泵增压后的压力为2～10MPa。为了提高蒸汽的产量，将冷却水出口温度控制在水饱和温度。
经增压、增温后的冷却水为水或汽水混合物，通过减压阀后部分汽化产生蒸汽，蒸汽与水在气液分离器中分离。蒸汽中仍然夹带了大量的液滴，通过旋风分离器除去较大的液滴，除沫器除去较小的液滴，得到蒸汽，所述的蒸汽可以用于反应器清焦或其他用途，蒸汽的压力通过减压阀控制。
本发明中将所述的蒸汽通回反应器中用于清焦。为了不影响反应器中反应的连续进行，作为优选，通入的蒸汽量为通入反应器内总气体量的0.1～10vol％，通过改变通入蒸汽的量，可以调节清焦反应的速率，在上述优选的蒸汽用量时，既能够满足对清焦的要求，又不至于对反应产生太大的影响。
本发明中蒸汽沿反应器内壁通入，使其主要存在于反应器壁的附近，一方面减小对反应的影响，另一方面更利于结焦物的清除。蒸汽通入的方式有两种，一种是沿反应器内壁以轴向通入反应器中，另一种是沿反应器内壁以切向通入反应器中。优选蒸汽以切向通入反应器，由于离心力的作用而使蒸汽紧贴反应器的内壁，可以进一步减小清焦气体对反应的影响。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明通过将炬的阳极和反应器接地，使得阳极和反应器可以直接以普通锅炉用软化水作为冷却水，大幅降低了生产成本；
(2)本发明将热能回收与连续清焦相耦合，将换热产生的蒸汽用于等离子体反应器的清焦，一方面可以回收大部分损失的热量，解决了生产蒸汽的经济性问题，另一方面将回收的热量进一步的利用，解决了等离子体反应器内壁结焦的问题。
附图说明
图1是本发明的实现热能回收与连续清焦耦合的系统的工艺流程示意图；
图中，1-等离子体炬；2-反应器；3-等离子体射流；4-等离子体炬冷却水入口；5-反应器冷却水入口；6-等离子体炬冷却水出口；7-反应器冷却水出口；8-增压泵；9-减压阀；10-气液分离器；11-旋风分离器；12-除沫器；13-蒸汽通道。
具体实施方式
本发明公开的实现热能回收与连续清焦耦合的系统的工艺流程示意图如图1所示，系统包括增压泵8、热等离子体炬1、反应器2、减压阀9、气液分离器10、旋风分离器11和除沫器12。
热等离子体炬1设有冷却水的入口4和出口6，反应器2设有冷却水的入口5和出口7，热等离子体炬的阳极和反应器分别接地。
增压泵8分别与热等离子体炬和反应器的冷却水的入口连通，热等离子体炬和反应器的冷却水出口合并后与减压阀9连通。
减压阀9与气液分离器10、旋风分离器11和除沫器12依次连通。
热等离子体炬1产生的等离子体射流3进入反应器2中，产生高温、高焓、富含活性粒子的反应氛围。来自增压泵8的冷却水分别通过等离子体炬冷却水入口4和反应器冷却水入口5进入热等离子体炬1和反应器2，再分别流入热等离子体炬1和反应器2内的水冷通道，通过壁面与热等离子体炬1和反应器2中的高温介质换热使温度升高，控制热等离子体炬内换热后的冷却水的最高温度为热等离子体炬的冷却水出口6处压力对应的水饱和温度，反应器内换热后的冷却水的最高温度为反应器的冷却水出口7处压力对应的水饱和温度。
增压、增温后的水或汽水混合物从热等离子体炬的冷却水出口6、反应器的冷却水出口7流出，合并后通过减压阀9减压闪蒸，通过控制闪蒸压力可以得到不同温度的蒸汽产品，闪蒸产生的汽水混合物进入气液分离器10中进行分离。夹带着大量液滴的蒸汽从气液分离器10的上部流出，进入旋风分离器11除去较大的液滴，再流经除沫器12除去小液滴，获得蒸汽产品。获得的部分蒸汽经蒸汽通道13通回反应器2，并沿反应器2的切向进入，与内壁的结焦物反应达到清焦的目的。
经旋风分离器11、除沫器12分离出的水靠重力流入气液分离器10中，再与补充的冷却水混合一起通入增压泵8，实验冷却水的补充和循环利用。
图中给出的箭头方向代表冷却水/蒸汽的流通方向。
本发明技术可以回收大部分冷却水带走的热量，并获得高品的蒸汽，实现清焦蒸汽的自给自足。采用本发明技术最多可以节能30％以上。

Claims (8)

1.一种实现热能回收与连续清焦耦合的系统，其特征在于，所述系统包括增压泵、热等离子体炬、反应器、减压阀、气液分离器、旋风分离器和除沫器；
所述的热等离子体炬和反应器分别设有冷却水的入口和出口，增压泵分别与热等离子体炬和反应器的冷却水的入口连通，热等离子体炬和反应器的冷却水出口合并后与减压阀连通；
所述的减压阀与气液分离器、旋风分离器和除沫器依次连接；
所述的热等离子体炬的阳极和反应器分别接地；
所述系统的热能回收与连续清焦耦合的工艺包括如下步骤：
(1)冷却水经增压泵增压后，分别通过热等离子体炬和反应器的冷却水入口进入，吸热后从各自的冷却水出口排出，排出的为水或汽水混合物；
(2)步骤(1)排出的水或汽水混合物合并，经减压阀减压闪蒸后进入气液分离器，夹带有液滴的蒸汽从气液分离器上部流出，依次通过旋风分离器和除沫器，除去夹带的液滴，分离得到的蒸汽通回到反应器中，在热等离子体产生的高温条件下，蒸汽与反应器内壁的结焦物发生反应完成清焦，实现热等离子体反应的连续进行；
(3)步骤(2)中，从蒸汽中除去的水返回气液分离器，从底部排出，与冷却水混合一起通入增压泵实现循环使用。
2.根据权利要求1所述的实现热能回收与连续清焦耦合的系统，其特征在于，所述的冷却水为软化水，经增压泵增压后的压力＞0.5MPa。
3.根据权利要求2所述的实现热能回收与连续清焦耦合的系统，其特征在于，所述的冷却水经增压泵泵增压后的压力为2～10MPa。
4.根据权利要求3所述的实现热能回收与连续清焦耦合的系统，其特征在于，所述的冷却水的出口温度控制在水饱和温度。
5.根据权利要求1所述的实现热能回收与连续清焦耦合的系统，其特征在于，所述的通入反应器内蒸汽量为通入反应器内总气体量的0.1～10vol％。
6.根据权利要求1所述的实现热能回收与连续清焦耦合的系统，其特征在于，所述的蒸汽沿反应器内壁通入。
7.根据权利要求6所述的实现热能回收与连续清焦耦合的系统，其特征在于，所述的蒸汽沿反应器内壁以轴向或切向通入。
8.根据权利要求6所述的实现热能回收与连续清焦耦合的系统，其特征在于，所述的蒸汽沿反应器内壁以切向通入。
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