[发明专利]煤炭超临界水制氢系统中超临界水换热器调控系统及方法

说明书

本发明提供煤炭超临界水制氢系统中超临界水换热器调控系统及方法，本发明各级换热器冷流体侧设计有冷流体旁路及控制旁路流量的换热器旁路流量调节阀，旁路内冷流体在换热器冷流体出口处与经过换热器升温的冷流体混合后可以改变换热器冷流体出口温度。从而实现了在不改变总冷流体流量的条件下调控换热器冷流体出口温度，因此总超临界水量不会随调控的进行过程而有明显的波动，也就不会对煤炭超临界水气化制氢系统中的其他部分的调控有比较大的影响能够在不改变总超临界水流量的同时实现换热器温度调节，对系统中其他部分调控环节影响小，实现煤炭超临界水气化制氢系统中超临界水换热器系统的安全运行和调控要求。

技术领域

本发明涉及温度控制技术领域，具体涉及煤炭超临界水制氢系统中超临界水换热器调控系统及方法。

背景技术

洁净、环境友好型的氢能应用领域很广，具有良好的发展前景，逐渐受到各个国家和地区的广泛重视。中国的煤炭储备量较充裕，但传统利用煤炭燃烧发电的能源利用方式无可避免的会带来环境问题。为落实“双碳”目标，实现“效能为本，协调发展；清洁低碳，绿色发展”，选用清洁能源，优化能源结构，加强能量的梯级利用，提高能源利用效率已经成为我国现在发展中的一个重要目标。利用煤炭制氢的方式既可以解决煤炭燃烧能源利用方式导致环境污染的问题，还可以保证制氢原料的供应环节成熟稳定，是一种清洁利用煤炭能源的理想方法。

煤炭超临界水气化制氢系统实现了煤在超临界水中发生气化反应，产生高含量的氢气以及二氧化碳和部分可燃碳氢化合物的过程。由于超临界水的物理特性，气化过程产生的氢气等气体可以很好的溶解在超临界水中，而煤中的杂质如氮、硫等不溶于超临界水，直接形成固体残渣被排出反应器。这种煤炭超临界水气化制氢方式从源头上解决了气体污染物，且氢元素的转化率相比传统气化过程更高。煤炭超临界水气化制氢系统要求反应水达到超临界状态，而这一过程的巨大能量来源与传递方式将影响整个系统的安全性和能量利用率。

换热器的使用能够实现工业上需要降温放热的流体与需要升温的流体在一个装置内进行热交换，降低系统复杂度的同时提高能源利用率。煤炭超临界水气化制氢系统中，超临界水换热器系统利用换热器将制氢系统产生的部分氢气燃烧释放的化学能传递用于加热水，使气化反应器达到生产要求。煤炭超临界水气化制氢系统中超临界水换热器系统温度需要调节控制，主要有以下三个原因：一是超临界水换热器系统冷流体出口处直接连接到气化炉超临界水进口，超临界水水温直接决定了气化炉内反应速率和效率，换热器出口水温是否平稳决定了气化炉是否能够稳定运行；二是超临界水温度过高，将使钢材加速蠕变，从而降低设备使用寿命，严重的超温甚至会使管子过热而爆管；三是煤炭超临界水气化制氢系统中超临界水换热器系统需要将25MPa的水从293K加热至1173K，所述升温过程中，当温度接近拟临界温度，冷流体的物性参数将会发生较大改变，浮升力效应和加速效应的存在可能会影响到系统的安全运行。将温度控制在合理的值，能够保证热流密度和流体质量流量保持良好的关系，避免传热恶化情况的发生。

针对所述煤炭超临界水气化制氢系统中超临界水换热器系统还未有过具体的温度调控方法，其它系统中换热器温度调控方法一般是在换热器出口处加装冷却水管道来直接控制换热器出口温度，而这些其它系统中换热器动态特性与超临界水换热器相差较大，其控制方法并不适用于超临界水换热器系统温度调控，这是因为：一方面这种调控方式下的总超临界水量将会随调控的进行过程而有明显的波动，对煤炭超临界水气化制氢系统中的其他部分的调控会有比较大的影响；另一方面冷却水与超临界水混合的过程增加了损，对系统的热效率有负面影响。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供煤炭超临界水制氢系统中超临界水换热器调控系统及方法，能够在不改变总超临界水流量的同时实现换热器温度调节，对系统中其他部分调控环节影响小，实现煤炭超临界水气化制氢系统中超临界水换热器系统的安全运行和调控要求。

本发明通过以下技术方案实现：

煤炭超临界水制氢系统中超临界水多级换热器调控系统，包括换热器；换热器包括n级换热器，n为大于等于2的整数；