CN101560014A

CN101560014A - 废有机物的超临界水处理反应器的分区方法

Info

Publication number: CN101560014A
Application number: CNA2009100223441A
Authority: CN
Inventors: 王树众; 陈崇明; 徐东海; 郭洋; 马红和; 唐兴颖
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2009-05-05
Filing date: 2009-05-05
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2029-05-05
Also published as: CN101560014B

Abstract

本发明属于废有机物处理领域，涉及利用超临界水氧化或气化法实现有机废水废物无害化处理的反应器，公开了一种废有机物的超临界水处理反应器的分区方法，该反应器包括：由顶部、直筒部、锥状底部组成的承压腔室(2)，设置在承压腔室(2)内的由蒸发壁组成的内腔室(1)，所述内腔室(1)分为顶部、直筒部、锥状底部，其形状与承压腔室(2)相同，尺寸小于承压腔室(2)，内腔室(1)和承压腔室(2)之间留有的空隙作为蒸发壁水区(内部充满洁净的蒸发壁水)；内腔室(1)内部贴近壁面处为蒸发壁水膜区；内腔室(1)的顶部和直筒部的蒸发壁水膜区以外的区域作为反应区，锥状底部的蒸发壁水膜区以外的区域作为溶解盐区。

Description

废有机物的超临界水处理反应器的分区方法

技术领域

本发明属于废有机物处理领域，涉及利用超临界水氧化或气化法实现有机废水废物无害化处理的反应器，特别涉及一种废有机物的超临界水处理反应器的分区方法。

背景技术

超临界水(Supercritical Water，简称SCW)是指温度和压力均高于其临界点(T＝374.15℃，P＝22.12MPa)的特殊状态的水。超临界水兼具液态和气态水的性质，该状态下只有少量的氢键存在，介电常数近似于非极性有机溶剂，具有高的扩散系数和低的粘度。在足够高的压力下，SCW能与空气、氧气和有机物以任意比例混溶，从而形成均一相。此时，气液相界面消失了，也就消除了相间的传质阻力，溶于其中的物质的反应速度不再受传质的影响。同时，高的反应温度(约400～650℃)也使反应速度加快。

超临界水气化技术(Supercritical Water Gasification，简称SCWG)，利用超临界水强大的溶解能力，将有机物溶解，生成高密度、低粘度的液体，然后在高温、高压的反应条件下，生成富含氢气的可燃性气体。发明人进行了污泥超临界水气化(600℃、34.5MPa)实验，结果污泥在超临界水热分解工艺中产生的气体组分及体积含量为：H₂ 46％，CH₄ 39％，CO₂ 10％，N₂ 4％，CO 1％，生成气的热值为2337.9KJ/mol，其能量有效利用率达64.8％(已扣除了加热自身至水热分解温度所需的热量)。

超临界水氧化技术(Supercritical Water Oxidation，简称SCWO)，利用水在超临界状态下所具有的特殊性质，使有机物和氧化剂在超临界水中迅速发生氧化反应来彻底分解有机物。超临界水氧化技术对于处理那些工业部门难销毁的有毒有害物质(如染料废物、制药废物、润滑剂废物、含PCBs的绝缘油、放射性混合废物、多氯联苯、易挥发性酸等)、高浓度难降解的有机废物(污泥、造纸厂料浆等)、军用毒害物质(化学武器，火箭推进剂，炸药等)具有独特的效果。

超临界水部分氧化技术(Supercritical Water Partial Oxidation，简称SCWPO)是一种结合了SCWO在污染物处理和SCWG在制取富氢气体两方面优势的一种新型制氢技术。该技术不仅大大减少了完全气化反应中焦油的产生量，而且改变了气体产物分布，提高了氢气和二氧化碳的纯度等级，同时实现了有机污染物的无害化处理和资源化利用。

关于应用超临界水技术的废有机物处理的试验装置和商业装置，目前国内外已有相关报道，但还存在着不少缺点：

(1)材料腐蚀问题。由于废有机物的超临界水处理反应器处于高温高压条件下，尤其是废有机物中含有卤素、硫或磷，在超临界水中分解后会产生酸，引起设备的强烈腐蚀；即使具有较好耐蚀性的镍基材料，在超临界水中，特别是在亚临界水中，仍遭受了严重的腐蚀。

(2)盐沉积问题。常温下水对大多数盐来说是一种良溶剂，溶解度较大。而大部分盐在低密度的超临界水中溶解度很低(典型为1～100mg/L)。当亚临界溶液被迅速加热到超临界温度时，由于盐的溶解度大幅度降低，有大量沉淀析出，沉积的盐会引起反应器堵塞，这不仅影响了反应器的正常运行，还会带来潜在的危险。

(3)温度控制问题。SCWO过程是一个放热反应，当有机物的质量分数达到1～2％时就能实现自热。对于有机物含量较高的废弃物来说，SCWO过程放热过多容易引起反应器温度无法控制，造成反应条件恶化和反应器器壁应力减小等后果。

发明内容

针对现有的废有机物的超临界水处理反应器存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种废有机物的超临界水处理反应器的分区方法，对废有机物的超临界水反应器进行分区，使反应器利用超临界水作为介质，能够在对有机物进行处理的同时，实现脱盐、控制反应器的壁温和减少反应器腐蚀的功能。

为了达到上述目的，本发明采取以下的技术方案予以实现。

一种废有机物的超临界水处理反应器的分区方法，其特征在于，所述反应器包括：由顶部、直筒部、锥状底部组成的承压腔室，设置在承压腔室内的由蒸发壁组成的内腔室，分别贯穿承压腔室的顶部并伸入内腔室的物料进管、溢流管，贯穿承压腔室底部并伸入内腔室的出盐管，以及分别设置在承压腔室顶部、直筒部、锥状底部的蒸发壁水的第一、第二、第三进水管；所述内腔室分为顶部、直筒部、锥状底部，其形状与承压腔室相同，尺寸小于承压腔室，内腔室和承压腔室之间留有的空隙作为蒸发壁水区；内腔室内部贴近壁面处为蒸发壁水膜区；内腔室的顶部和直筒部的蒸发壁水膜区以外的区域作为反应区，锥状底部的蒸发壁水膜区以外的区域作为溶解盐区。

本发明的进一步特点在于：

所述反应区温度为400～650℃，所述溶盐区温度为300～370℃。

所述第一进水管的蒸发壁水温度为200～370℃；第二进水管的蒸发壁水温度为200～370℃；第三进水管的蒸发壁水温度为200～350℃。

在本发明中，引入由蒸发壁组成的内腔室，进行物理分区，内腔室和承压腔室之间留有的空隙作为蒸发壁水区；内腔室内部贴近壁面处为蒸发壁水膜区。在由蒸发壁包围的蒸发壁水膜区以外的区域包含有超临界水、有机物、氧化剂以及腐蚀性离子等物质，提供了超临界水反应的场所；而内腔室和承压腔室之间留有空隙的区域则只包含有干净的蒸发壁水。蒸发壁水通过(um级)微孔渗入蒸发壁，在蒸发壁的内表面形成一层薄保护性水膜，从而阻止腐蚀性离子或氧化剂接触蒸发壁的内表面，减少对蒸发壁的腐蚀作用。通过物理分区，反应器外壁为承压壁，蒸发壁为防腐蚀壁，实现了压力作用和腐蚀作用的分离，可以有效提高反应器寿命。

上述物理分区，同时也达到了温度分区的目的。从整体上看，反应器内部温度由内向外递减：内层高温区域为超临界区，用于提供有机物氧化或气化的必要条件；外层通过引入最高不超过370℃蒸发壁水，一方面防止超临界水氧化过程中放热过多造成“飞温”现象，另一方面防止承压腔室或者内腔室的壁温因温度过高而造成应力下降。

对于内腔室区域，从功能上将内腔室的顶部和直筒部的蒸发壁水膜区以外的区域作为反应区，锥状底部的蒸发壁水膜区以外的区域作为溶解盐区。反应区温度为在400～650℃，有机物和氧气可以在此区域充分反应，盐由于在超临界水中的溶解度极低，从此区域析出并依靠重力作用向反应器下部沉积，干净流体则从反应器顶部通过溢流管排出；溶解盐区温度为300～370℃，沉积的盐可以在此区域重新溶解，在内腔室底部形成较浓的盐水，通过出盐管排除。通过功能分区，既实现了有机物的超临界水处理，又达到了脱盐的目的。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一详细说明。

图1为废有机物的超临界水处理反应器的结构示意图；

图中：1、内腔室；2、承压腔室；3、物料进管；4、出盐管；5、溢流管；6、第一进水管；7、第二进水管；8、第三进水管。

具体实施方式

参照图1，废有机物的超临界水处理反应器主要包括：由顶部、直筒部、锥状底部组成的承压腔室2，设置在承压腔室2内的由蒸发壁组成的内腔室1，分别贯穿承压腔室2的顶部并伸入内腔室1的物料进管3、溢流管5，贯穿承压腔室2底部并伸入内腔室1的出盐管4，以及分别设置在承压腔室2顶部、直筒部、锥状底部的蒸发壁水的第一、第二、第三进水管6、7、8；内腔室1分为顶部、直筒部、锥状底部，其形状与承压腔室2相同，尺寸小于承压腔室2。内腔室1和承压腔室2之间留有的空隙作为蒸发壁水区(内部充满洁净的蒸发壁水)；内腔室1内部贴近壁面处为蒸发壁水膜区。内腔室1的顶部和直筒部的蒸发壁水膜区以外的区域作为反应区，锥状底部的蒸发壁水膜区以外的区域作为溶解盐区。反应区温度为400～650℃，溶解盐区温度为300～370℃，使反应器利用超临界水作为介质，能够在对有机物进行处理的同时，实现脱盐、控制反应器的壁温和减少反应器腐蚀等功能。

对于内腔室1和承压腔室2之间留有的空隙作为蒸发壁水区，通过分别设置在承压腔室顶部、直筒部、锥状底部的第一、第二、第三进水管6、7、8提供不同温度范围的蒸发壁水，以达到控制反应器的壁温(承压腔室壁温和内腔室壁温)和调节反应区的温度范围为400～650℃，溶解盐区的温度范围为300～370℃。通过第一进水管6引入200～370℃的蒸发壁水，该部分流体一方面对反应器的顶部和顶部环形空间进行冷却，另一方面也用作蒸发壁水，保证反应器的顶部壁温在300℃～400℃，不超过450℃；通过第二进水管引入200～370℃的蒸发壁水，对反应器的直筒部进行冷却，保证反应器的直筒部壁温在300℃～450℃；通过第三进水管引入200～350℃的蒸发壁水，保证反应器的锥状底部壁温在300～370℃。

对于超临界水完全氧化或部分氧化法处理有机废液或废物，超临界状态的废有机物和氧化剂经混合后通过物料进管3加入反应器，在反应器的上部进行反应，生成了大量的CO₂和水。由于氧化反应持续放热，故反应器顶部和直筒部的温度在400～650℃，始终保持超临界状态。对于超临界水气化法处理废有机物，超临界状态的废有机物通过物料进管3加入反应器，在反应器顶部和直筒部进行气化反应，生成水和CO₂、H₂、CH₄等气体。与完全氧化和部分氧化过程相比，超临界水气化法要求反应物进料的温度高，同时反应器直筒部的蒸发壁水量要小，以保证有足够的超临界水进行废有机物的气化反应。

对于上述两种情况，在物料中含有的或反应过程中生成的盐在反应区析出，通过重力作用向反应器底部沉积。同时，由于蒸发壁水持续渗入反应器内表面，在反应器内表面形成了一层保护性的水膜，可以阻止废有机物和氧气接触反应器内表面，同时溶解先前析出的盐分，有效的起到了防止盐沉积和腐蚀的作用。

反应器上中部蒸发壁水的持续冷却作用加上反应器底部温度更低的蒸发壁水的通入，可以使反应器底部的温度保持在370℃以下。从而使反应器上部析出的盐分在此阶段重新溶解在水中，在反应器底部形成浓盐水。

Claims

1、一种废有机物的超临界水处理反应器的分区方法，其特征在于，所述反应器包括：由顶部、直筒部、锥状底部组成的承压腔室(2)，设置在承压腔室(2)内的由蒸发壁组成的内腔室(1)，分别贯穿承压腔室(2)的顶部并伸入内腔室(1)的物料进管(3)、溢流管(5)，贯穿承压腔室(2)底部并伸入内腔室(1)的出盐管(4)，以及分别设置在承压腔室(2)顶部、直筒部、锥状底部的蒸发壁水的第一、第二、第三进水管(6、7、8)；所述内腔室(1)分为顶部、直筒部、锥状底部，其形状与承压腔室(2)相同，尺寸小于承压腔室(2)，内腔室(1)和承压腔室(2)之间留有的空隙作为蒸发壁水区；内腔室(1)内部贴近壁面处为蒸发壁水膜区；内腔室(1)的顶部和直筒部的蒸发壁水膜区以外的区域作为反应区，锥状底部的蒸发壁水膜区以外的区域作为溶解盐区。

2、根据权利要求1所述的一种废有机物的超临界水处理反应器的分区方法，其特征在于，所述反应区温度为400～650℃，所述溶盐区温度为300～370℃。

3、根据权利要求1所述的一种废有机物的超临界水处理反应器的分区方法，其特征在于，所述第一进水管的蒸发壁水温度为200～370℃；第二进水管的蒸发壁水温度为200～370℃；第三进水管的蒸发壁水温度为200～350℃。