CN102642967B - 一种有机废水超临界加热炉及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有机废水超临界加热炉及控制方法，加热炉结构上包括省煤器、部分氧化管路、脱盐设备、反冲洗管路以及过热器。控制方法包括正常运行控制、部分氧化防结焦控制、正常运行反冲洗控制以及亚临界水反冲洗控制。本发明着眼于工业现场的应用需求，避免了加热过程中产生的结焦、盐沉积和腐蚀等问题，大大延长了加热炉的连续运行时间和使用寿命，并可提高反应器内反应速率、防止后续管路发生盐沉积。

Description

一种有机废水超临界加热炉及控制方法

技术领域

本发明涉及高含盐(无机盐浓度大于2.0wt％)有机废水的超临界水处理预热装置及方法，特别涉及一种高含盐高浓度有机废水超临界加热炉及控制方法。

背景技术

温度压力均高于临界点(Pc＝22.1MPa，Tc＝374.15℃)的水是超临界水，它兼具液态水和气态水的性质：介电常数近似于有机溶剂，具有高的扩散系数和低的粘度；可以与有机物、非极性气体(特别是氧化剂)以任意比混溶，使非均相反应转变为均相反应，大大减少了传热、传质阻力；无机盐在超临界水中的溶解度极低，容易结晶分离出来。

超临界水技术利用了超临界水的特殊性质，将超临界水、有机物和氧气形成均相反应体系，使得有机物结构迅速破坏，有机物中的碳、氢、氮元素分别转化为二氧化碳、水和氮气，杂原子则转化为相应的酸根离子。超临界水氧化技术、超临界水部分氧化技术和超临界水气化技术均属于超临界水技术范畴，其中超临界水氧化技术的目的将废有机物处理至无害化并达标排放，超临界水部分氧化技术和超临界水气化技术的最终目的是将废有机物最大化的转化为氢气，并在此基础上尽量实现废有机物的无害化。

目前，国外商业化的超临界水处理有机废水的装置中，因为超临界条件下有机物结焦和无机盐沉积引起的设备及管道堵塞，阻碍了超临界水处理技术的商业化应用。常压常温下，大多数无机盐在水中的溶解度一般在10～100g/L的范围内。然而，在超临界水中，无机盐的溶解度极低，一般为1～100×10^-6(质量浓度)。因此，含盐有机废水在加热器(炉)中预热时，有机物气化生成焦油，发生结焦现象；本来溶解在废水中的无机盐很容易从超临界水中析出，析出的无机盐固体颗粒趋向接触加热面的内表面，如果趋向沉积的沉降力超过趋向输送它们的剪切力，无机盐就会沉积在加热面的内表面。再加上焦油和无机盐粘滞一起，粘在受热面上。因此，如果不进行处理，就会导致传热恶化，最后堵塞加热器(炉)管道，进而导致加热器(炉)乃至整个系统的停机、清洗、装配和重新启动，甚至引起重大安全事故。

发明内容

针对现有的超临界水处理系统在高含盐高浓度有机废水预热方面的不足和缺陷，本发明的目的在于提供一种高含盐高浓度有机废水用超临界加热炉及控制方法，可保证不发生结焦和盐沉积的前提下，将有机废水加热至反应所需的温度。该方法通过在加热炉装置上增设辅助管路和阀门，利用部分氧化可预防焦油生成的原理，在预热过程中的引入部分氧化剂进入加热炉管道，进行有机废水的超临界部分氧化反应，防止结焦；利用无机盐在低于某一温度(以下称溶解温度)的水中溶解而在超临界水温度高于某一温度(以下称脱盐温度)时结晶析出的性质，通过引出管路将析出的盐脱除，而后再引回加热炉进行加热至所需的温度。此外，该控制方法使得溶解温度至脱盐温度的加热炉受热管道具有正常运行过程中反冲洗功能，可保证加热炉的长时间连续正常运行。

为了达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种有机废水超临界加热炉，其特征在于，包括设置在炉体内的省煤器、部分氧化管路、反冲洗管路、过热器，设置在炉体外的脱盐设备和减温器，其中：省煤器入口端为常温有机废水入口，出口端与氧化剂管路通过第一三通连接后又与部分氧化管路连通；氧化剂管路上设置第一辅助阀门；部分氧化管路的出口端依次设置第二三通和第三三通，两三通之间设置第四辅助阀；部分氧化管路的出口端通过第三三通与反冲洗管路入口端连通；反冲洗管路的出口端依次设置第四三通和第五三通，两三通间设置第五辅助阀；第二三通与第四三通通过管道连接，组成反冲洗管路第一旁路，并在该旁路设置第二辅助阀；第三三通与第五三通通过管道连接，组成反冲洗管路第二旁路，并在该旁路设置第三辅助阀；在反冲洗管路进出口两端设置压差变送器；所述脱盐设备入口端设置流体温度监测点，出口端连通减温器；减温器的出口连通过热器的入口，过热器出口为超临界有机废水输出口。

上述方案中，所述脱盐设备是用于在超临界水条件下脱除固体无机盐的水力旋流器或过滤装置。

一种基于前述有机废水超临界加热炉的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)防结焦控制

通过调节第一辅助阀将氧化剂引入第一三通与常温有机废水混合，之后在部分氧化管路和反冲洗管路中发生部分氧化反应，防止该废水在加热过程中产生焦油；

2)防盐沉积控制

通过反冲洗管路两端设置的压差变送器，监测防堵塞情况，包括正常运行和非正常运行两种情况：

a、正常运行时，压差变送器的值不超过一个设定值，通过启动反冲洗管路第二、三、四、五辅助阀，使得有机废水和氧化剂的混合流体在反冲洗管路中的流向隔适当时间反转一次；

b、非正常运行时，压差变送器的值超过步骤a所述设定值时，说明反冲洗管路部分堵塞，利用反冲洗管路第一和第二旁路清洗反冲洗管路：冲洗方法同步骤a；

c、若差压变送器的值继续增大，则利用亚临界水进行冲洗。

上述方法中，所述混合流体在反冲洗管路中的流向隔适当时间反转一次的具体方法为：混合流体在反冲洗管路中的流向从下向上流动时，开启第四和第五辅助阀，关闭第二和第三辅助阀；当流向变为从上至下时，四个阀门的开启状态相反。

所述步骤c的具体步骤如下：

将有机废水换成洁净水，运行适当时间，若差压变送器的值没有降低，则降低超临界加热炉的负荷，使流体温度监测点处于亚临界温度范围内，利用亚临界水冲洗反冲洗管路适当时间；当压差变送器的值仍高于设定值，则再继续冲洗适当时间；若冲洗后压差变送器的值仍高于设定值，则说明反冲洗管路堵塞，加热炉停车，然后进行清洗；

若压差变送器的值低于设定值，将进料切换成有机废水；增大超临界加热炉的负荷，使流体温度监测点温度稳定在设定温度范围内，系统恢复正常运行。

所述亚临界温度范围为350～370℃。

本发明的优点是，通过引入部分氧化剂，在高含盐高浓度有机废水预热过程中进行部分氧化反应，防止焦油的产生；利用无机盐在超临界水中溶解度较低的特性，通过在合适温度点设置脱盐设备将无机盐在加热过程中予以脱除，达到整个超临界水系统防止盐沉积的目的。通过简单的添加辅助管路和阀门，能够实现高含盐高浓度有机废水在反冲洗管路里正方向运行和反方向运行，并且不影响加热炉的正常运行，实现加热炉运行过程中清理盐沉积的目的。此外，本发明方法还包括检测所述反冲洗管路的有机废水进出口端压差变化的压差变送器，可以通过压差的变化判定废水通路的堵塞情况，以及适宜地决定是否需要清理堵塞物，保证超临界加热炉能够长期可靠稳定运行。

附图说明

以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

图1为本发明高含盐高浓度有机废水超临界加热炉的控制方法示意图。

图中：1为省煤器，2为部分氧化管路，3为反冲洗管路，4为脱盐设备，5为减温器，6为过热器；7为固体盐排渣口；8为氧化剂入口；9为超临界有机废水出口；10为常温有机废水入口；11为冷却水入口；12为冷却水出口；P1为氧化剂管路，P2为反冲洗管路第一旁路，P3为反冲洗管路第二旁路；PIA1为压差变送器；S1～S5为三通接头；TI1为流体温度监测点；V1为氧化剂管路的辅助阀，V2为反冲洗管路下旁路的辅助阀，V3为反冲洗管路上旁路的辅助阀，V4为部分氧化管路出口端的辅助阀，V5为反冲洗管路出口端的辅助阀。

具体实施方式

参考图1，本发明的高含盐高浓度有机废水超临界加热炉，设备连接方式如下：

氧化剂管路P1上设置辅助阀门V1，部分氧化管路2包括加热炉内将高含盐高浓度有机废水和氧化剂的混合流体(简称混合流体)加热至溶解温度的管路。部分氧化管路2的出口端设置三通接头S2和三通接头S3，两接头之间设置辅助阀V4，部分氧化管路的出口端通过三通接头S3与反冲洗管路入口端连通。反冲洗管路，包括炉膛内将混合流体从溶解温度加热至脱盐温度的管路。反冲洗管路3的出口端设置三通接头S4和三通接头S5，两接头间布置辅助阀V5。三通接头S2与三通接头S4通过反冲洗管路第一旁路P2连接，并在P2上设置辅助阀V2；三通接头S3与三通接头S5通过反冲洗管路第二旁路P3连接，并在P3上设置辅助阀V3。在反冲洗管路3进出口两端布置压差变送器PIA1，检测反冲洗管路进出口两端压差。脱盐设备4设置在加热炉外，将析出的固体盐颗粒脱除，固体盐从底部排渣口7排出；脱盐后的混合流体从脱盐设备的出口端流出。脱盐设备入口端布置流体温度监测点TI1。脱盐设备可是用于在超临界水条件下脱除固体无机盐的水力旋流器或过滤装置。

省煤器1的出口端与氧化剂管路P1通过三通接头S1连通，高含盐高浓度有机废水和氧化剂混合后连通至部分氧化管路2入口端；部分氧化管路2的出口端通过三通接头S3与反冲洗管路3的入口端连通；反冲洗管路3的出口端通过三通接头S5与脱盐设备4的入口端连通；脱盐设备4的流体出口端与减温器5的热流体入口端连通；减温器5热流体的出口端与过热器6的入口端连通。其中，脱盐设备4是用于在超临界水条件下脱除固体无机盐的水力旋流器或过滤装置。

减温器5设置在加热炉外，通过调节冷却水入口11冷却水的流量，实现调节加热炉最终出口混合温度的目的。过热器6包括加热炉内将从减温器热流体出口端流出的混合流体加热至设定温度的管路。过热器出口即为所述超临界有机废水出口9(也即加热炉的最终出口)。

图1所示有机废水超临界加热炉的控制方法，包括以下步骤：

1)防结焦控制

根据高含盐高浓度有机废水的化学需氧量和结焦特性，通过调节辅助阀门V1将适量的氧化剂引入三通接头S1与该废水混合，之后在部分氧化管路2和反冲洗管路3中发生部分氧化反应，防止该废水在加热过程中产生焦油。氧化剂可为纯氧化剂、空气或者双氧水。

2)防盐沉积控制

反冲洗管路3两端设置压差变送器PIA1，重点监测防堵塞情况，具体采取防堵塞措施如下：

正常运行时，通过启动反冲洗管路辅助阀V2、V3、V4、V5，使得高含盐高浓度有机废水和氧化剂的混合流体在反冲洗管路中的流向每24h反转一次。正常运行时混合流体在加热炉中反冲洗管路3中的流向从下向上，每24h流向反转一次，流向变为上至下。从下向上流动时，开启辅助阀V4和V5，关闭辅助阀V2和V3。当流向变为从上至下时，四个阀门的开启状态相反。正常运行过程中差压变送器的值不超过某一设定值(该设定值根据反冲洗管路两端的阻力计算确定)。

非正常运行时，利用反冲洗管路第一旁路P2和反冲洗管路第二旁路P3清洗反冲洗管路：

当差压变送器PIA1的值超过设定值时，说明反冲洗管路3部分堵塞，首先采取的措施反冲洗管路中的流向反转(如上所述)；若差压变送器PIA1的值继续增大，则利用亚临界水进行冲洗，具体步骤如下：

将高含盐高浓度有机废水换成洁净水，运行适当时间。若差压变送器PIA1的值没有降低，则降低超临界加热炉的负荷，使流体温度监测点TI1处于350～370℃范围内，利用亚临界水冲洗反冲洗管路3适当时间。

若差压变送器PIA1的值低于设定值，进料切换成高含盐高浓度有机废水；增大超临界加热炉的负荷，使流体温度T1监测点温度稳定在设定温度范围内，系统恢复正常运行。

若利用亚临界水冲洗适当时间后，差压变送器PIA1的值仍高于设定值，则再继续冲洗适当时间；若此时差压变送器PIA1的值仍高于设定值，则说明反冲洗管路堵塞，加热炉停车，然后进行清洗。

本发明确保将废水预热至所需超临界温度的前提下，保证预热管路不发生结焦和盐沉积；同时利用无机盐在超临界水中溶解度极低的性质，在预热过程中尽量将无机盐脱除，防止在加热器(炉)后面的管路中发生盐沉积。此外，分离出的高浓度的盐可能被用作肥料。

Claims (7)

1.一种有机废水超临界加热炉，其特征在于，包括设置在炉体内的省煤器、部分氧化管路、反冲洗管路、过热器，设置在炉体外的脱盐设备和减温器，其中：省煤器入口端为常温有机废水入口，出口端与氧化剂管路通过第一三通连接后又与部分氧化管路连通；氧化剂管路上设置第一辅助阀；部分氧化管路的出口端依次设置第二三通和第三三通，两三通之间设置第四辅助阀；部分氧化管路的出口端通过第三三通与反冲洗管路入口端连通；反冲洗管路的出口端依次设置第四三通和第五三通，两三通间设置第五辅助阀；第二三通与第四三通通过管道连接，组成反冲洗管路第一旁路，并在该旁路设置第二辅助阀；第三三通与第五三通通过管道连接，组成反冲洗管路第二旁路，并在该旁路设置第三辅助阀；在反冲洗管路进出口两端设置压差变送器；所述脱盐设备入口端设置流体温度监测点，出口端连通减温器；减温器的出口连通过热器的入口，过热器出口为超临界有机废水输出口。

2.如权利要求1所述的有机废水超临界加热炉，其特征在于，所述脱盐设备是用于在超临界水条件下脱除固体无机盐的水力旋流器或过滤装置。

3.一种有机废水超临界加热炉的控制方法，该方法基于权利要求1所述的有机废水超临界加热炉，其特征在于，包括以下两大步骤：

1）防结焦控制

通过调节第一辅助阀将氧化剂引入第一三通与常温有机废水混合，之后在部分氧化管路和反冲洗管路中发生部分氧化反应，防止该废水在加热过程中产生焦油；

2）防盐沉积控制

通过反冲洗管路两端设置的压差变送器，监测防堵塞情况，包括正常运行和非正常运行两种情况：

a、正常运行时，压差变送器的值不超过一个设定值，通过启动反冲洗管路第二、三、四、五辅助阀，使得有机废水和氧化剂的混合流体在反冲洗管路中的流向隔适当时间反转一次；

b、非正常运行时，压差变送器的值超过步骤a所述设定值时，说明反冲洗管路部分堵塞，利用反冲洗管路第一和第二旁路清洗反冲洗管路：冲洗方法同步骤a；

c、若差压变送器的值继续增大，则利用亚临界水进行冲洗。

4.如权利要求3所述的有机废水超临界加热炉的控制方法，其特征在于，所述混合流体在反冲洗管路中的流向隔适当时间反转一次的具体方法为：混合流体在反冲洗管路中的流向从下向上流动时，开启第四和第五辅助阀，关闭第二和第三辅助阀；当流向变为从上至下时，四个阀门的开启状态相反。

5.如权利要求4所述的有机废水超临界加热炉的控制方法，其特征在于，所述隔适当时间反转一次是指每隔24小时反转一次。

6.如权利要求3所述的有机废水超临界加热炉的控制方法，其特征在于，所述步骤c的具体步骤如下：

将有机废水换成洁净水，运行适当时间，若差压变送器的值没有降低，则降低超临界加热炉的负荷，使流体温度监测点处于亚临界温度范围内，利用亚临界水冲洗反冲洗管路适当时间；当压差变送器的值仍高于设定值，则再继续冲洗适当时间；若冲洗后压差变送器的值仍高于设定值，则说明反冲洗管路堵塞，加热炉停车，然后进行清洗；

若压差变送器的值低于设定值，将进料切换成有机废水；增大超临界加热炉的负荷，使流体温度监测点温度稳定在设定温度范围内，系统恢复正常运行。

7.如权利要求6所述的有机废水超临界加热炉的控制方法，其特征在于，所述亚临界温度范围为350～370°C。