CN103512034A

CN103512034A - 有机废水超临界水热燃烧反应器

Info

Publication number: CN103512034A
Application number: CN201310467264.3A
Authority: CN
Inventors: 徐东海; 王树众; 唐兴颖; 公彦猛; 郭洋; 周璐
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2033-09-30
Also published as: CN103512034B

Abstract

本发明公开了一种有机废水超临界水热燃烧反应器，包括筒体、与该筒体上端部密封连接的顶盖，筒体与顶盖之间的密闭空间为反应室，其特征在于，所述筒体内壁设置有隔热内衬，隔热内衬上再设置耐蚀内衬，顶盖上设置有与筒体内反应室连通的一个燃料进口、多个高温水进口、多个氧气进口、多个有机废水进口、一个压力表和安全阀接口，并设置有若干测温套管伸进反应室不同高度位置，其中，燃料进口在顶盖中心，其余布置在顶盖不同直径的圆周上；筒体底部设置有与反应室下部连通的一个浓盐水出口和一个冷却水进口，筒体偏下部侧壁上设置有与反应室连通的一个反应流体出口，筒体外壁设置有保温外壳。

Description

有机废水超临界水热燃烧反应器

技术领域

本发明涉及废水无害化处理技术，特别涉及一种有机废水超临界水热用的燃烧反应装置。

背景技术

超临界水是指温度和压力均高于其临界点（T=374.15℃，P=22.12MPa）的特殊状态下的水。通常条件下水是极性溶剂，能够溶解大多数无机盐类物质，但对气体和大多数有机物则微溶或不溶。超临界水兼具液体水和气体水的性质，但与液态水相比，它只有少量的氢键存在，介电常数近似于极性有机溶剂，具有高的扩散系数和低的粘度，传递性能特别好。在足够高的压力下，超临界水能按任意比与有机物、氧气互溶，使非均相反应变为均相反应，大大减小了传质、传热阻力。而无机物特别是盐类在超临界水中溶解度极低（通常小于100mg/L），容易被分离出来。超临界水因具有可连续变化的密度、低静电介质常数、低黏度的特性使其成为一种理想的反应介质。

超临界水热燃烧技术是利用超临界水对有机物和氧化剂都是良好溶剂的特殊性质，水热火焰作为内热源的前提下，有机物在富氧环境中进行均相反应，迅速、彻底地将有机物转化成无害的H₂O、CO₂等无机小分子化合物，氮转化成氮气，其它杂环原子转化成相应的无机盐。超临界水热燃烧技术的优势在于反应速度极快，在几秒内就可实现99.99％的有机物去除率，可以大大减小反应器体积；反应完全、彻底，最终产物为H₂O、CO₂等小分子化合物，无二次污染；技术本身符合全封闭的要求；进料不需要预热到较高的温度，甚至可以不进行预热，有助于解决进料预热过程中出现的腐蚀和盐沉积引起的堵塞问题。

超临界水热燃烧技术特别适用于高毒性、高浓度、难生化降解有机废水的高效、低成本无害化处理，这类有机废水通常产生于农药、化工、军工等特殊行业和领域，利用传统的物化、生化方法难以处理达标排放，而利用焚烧法会产生大量的二次污染物，且处理费用特别高。超临界水热燃烧技术中反应器的设计开发是关键问题之一，目前超临界水热燃烧反应器的开发还需要克服几方面的问题。首先，要通过合适的喷口设计在反应器中形成稳定的水热火焰，并且要求有机废水和氧化剂在水热火焰内热源的作用下要能够充分传热传质进行迅速、彻底的反应，这样才能够高效彻底地处理有机物，同时显著减小反应器的体积。鉴于水热火焰温度超过1000℃，现有的材料难以承受如此高的温度，因此需要降低反应器承压壁的温度。其次，高温高压的反应条件及高浓度溶解氧的反应环境会加剧反应器腐蚀。反应器腐蚀不仅降低反应器寿命，引起反应器安全问题，而且腐蚀产物也会影响处理效果。因此，需要有效解决超临界水热燃烧反应器的腐蚀问题。再次，在有机废水超临界水热燃烧氧化处理过程中，由于超临界条件下无机盐的溶解度极低，进料中本身含有的和反应过程中产生的无机盐会析出，有些盐的粘度较大，会沉积到反应器内表面上，进而引起反应器或其出口输运管路的堵塞，造成整套反应装置非正常停机，严重影响装置运行的可靠性和经济性，制约了有机废水超临界水热燃烧技术的发展。目前，还没有一种超临界水热燃烧反应器结构被证明是非常理想地解决了上述问题，因此一些新型反应器结构还在不断地开发之中。

发明内容

针对背景技术中所述有机废水超临界水热燃烧反应器存在的缺陷或不足，本发明的目的是提供一种防腐蚀、防盐沉积、运行安全、设备成本低的有机废水超临界水热燃烧反应器。

一种有机废水超临界水热燃烧反应器，包括筒体、与该筒体上端部密封连接的顶盖，筒体与顶盖之间的密闭空间为反应室，其特征在于，所述筒体内壁设置有隔热内衬，隔热内衬上再设置耐蚀内衬，顶盖上设置有与筒体内反应室连通的一个燃料进口、多个高温水进口、多个氧气进口、多个有机废水进口、一个压力表和安全阀接口，并设置有若干测温套管伸进反应室不同高度位置，其中，燃料进口在顶盖中心，其余布置在顶盖不同直径的圆周上；筒体底部设置有与反应室下部连通的一个浓盐水出口和一个冷却水进口，筒体偏下部侧壁上设置有与反应室连通的一个反应流体出口，筒体外壁设置有保温外壳。

上述方案中，所述顶盖上靠近燃料进口同一圆周上均布的四个高温水进口；高温水进口外围同一圆周上均布的四个第一类氧气进口；第一类氧气进口外围同一圆周上均布的四个有机废水进口；有机废水进口外围同一圆周上均布的四个第二类氧气进口；再在该圆周上布置分别伸入反应室上、中、下位置的三个热电偶接口。

所述燃料进口、高温水进口和第一类氧气进口均位于顶盖下表面的一个凹槽中。所述高温水进口和有机废水进口均通过套管贯穿顶盖。所述冷却水进口上方设置一用于控制冷却水流动的挡板。

燃料进口在反应器顶盖下部进入反应器成八字分成两路，每一路均与筒体中轴形成15°夹角。所述第一类氧气进口在顶盖下部进入反应器的位置分成两路，一路垂直向下，一路与筒体中轴形成向内的15°夹角。所述有机废水进口与筒体中轴形成向内的15°夹角；第二类氧气进口与筒体中轴形成向内的15°夹角。

本发明的优点是，通过特殊的喷射口设计（数量、分布和喷射角），实现稳定的水热火焰，实现有机废水中有机物的高效无害化去除。承压的反应器筒体上最内层表面设置耐蚀内衬，进而降低反应器的腐蚀速率。耐蚀内衬与反应器筒体之间进一步设置耐压的隔热内衬，降低超临界水热燃烧反应器内高温流体对承压反应器筒体的加热，从而降低反应器筒体的工作温度，保护其运行安全，同时降低设备成本。此外，利用无机盐在超临界水热燃烧反应中析出的特性，通过流动惯性和重力的作用将反应器中析出的无机盐固体颗粒沉降到反应器底部，利用亚临界水环境将无机盐重新溶解然后带出反应器。脱盐后的反应流体从反应器底部靠上位置处的出口流出，进而有效克服了盐沉淀造成的反应器或其出口管路的堵塞问题。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明反应器的结构示意图。

图2是图1的A向视图。

图3是图1的B-B向视图。

图4是图1的I部放大图。

图1～图4中：1、螺母；2、螺栓；3、垫片；4、反应器顶盖；5、石墨密封垫；6、耐蚀内衬；7、反应器保温外壳；8、测温套管；9、挡板；10、铭牌；11、保温材料；12、反应器筒体；13、隔热内衬；14、测温套管；15、压力表和安全阀引管；16、套管；17、测温套管；18、凹槽。N1：燃料进口；N2a～N2d：高温水进口；N3a～d：第一类氧气进口；N4a～d：有机废水进口；N5a～d：第二类氧气进口；N6a～c：热电偶接口；N7：压力表和安全阀接口；N8：浓盐水出口；N9：冷却水进口；N10：反应流体出口。

具体实施方式

参照图1～图4，有机废水超临界水热燃烧反应器，包括用于承压的反应器筒体12和反应器顶盖4，用于密封反应器顶盖4和反应器筒体12的螺母1、螺栓2、垫片3和石墨密封垫5，用于降低反应器筒体12温度的隔热内衬13，用于防止反应器筒体12腐蚀的耐蚀内衬6，用于温度测量的测温套管8（伸至反应室下部）、14（伸至反应室中部）和17（伸至反应室上部），用于反应器保温的保温材料11，用于安装压力表和安全阀的引管15，用于控制冷却水流动的挡板9，反应器保温外壳7，反应器铭牌10，反应器顶盖4上中心位置处的燃料进口N1，反应器顶盖4上靠近燃料进口同一圆周上均布的4个高温水进口N2a～c，高温水进口外围同一圆周上均布的四个第一类氧气进口N3a～d，第一类氧气进口N3a～d外围同一圆周上均布的四个有机废水进口N4a～d，有机废水进口N4a～d外围同一圆周上均布的四个第二类氧气进口N5a～d，再在该圆周上布置的三个热电偶接口N6a～c，反应器顶盖4上布置的一个压力表和安全阀接口N7，反应器底部布置的一个浓盐水出口N8，浓盐水出口N8旁边布置的一个冷却水进口N9，其上方设置一个挡板9，可控制冷却水流动朝向反应器轴心流动。反应器底部靠上位置侧壁处布置的一个反应流体出口N10。

参照图1、图2和图4，在反应器顶盖4中心设置一个燃料进口，然后在反应器顶盖4下部进入反应器的位置分成两路，与反应器竖直方向的中轴线形成15°的夹角喷入反应器，可以加入燃料包括甲醇、乙醇、异丙醇等。燃料进口N1外围同一圆周方向上均布的高温水进口N2a～d，在反应器顶盖4下部进入反应器的位置朝燃料方向与反应器竖直方向的中轴线形成15°的夹角，喷入高温水与燃料进行射流碰撞，充分混合预热燃料，达到燃料的起燃温度，高温水进口外围同一圆周方向上均布四个第一类氧气进口N3a～d，这些氧气进口N3a～d在反应器顶盖4下部进入反应器的位置均分成两路，一路垂直向下，一路与反应器中轴线成15°的夹角，被混合预热后的高温燃料与喷入的第一类氧气碰撞后会燃烧产生稳定的水热火焰。燃料进口N1、高温水进口N2a～d和第一类氧气进口N3a～d均位于反应器顶盖下表面的一个凹槽18中，所形成的水热火焰位于该凹槽的下部，受外部的干扰较小。第一类氧气（使用纯氧，氧气浓度高于99%）作用主要是用于维持水热火焰的需求，同时具有一定的富余。第一类氧气进口N3a～d外围同一圆周方向上均布四个有机废水进口N4a～d，通过这四个进口N4a～d喷入有机废水，在反应器顶盖4下部进入反应器的位置与反应器的竖直方向的中轴线成15°的夹角，这些有机废水被喷射到水热火焰周围，被高温水热火焰迅速加热到超临界状态。在有机废水进口N4a～d的外围同一圆周方向上均匀布置四个第二类氧气进口N5a～d，从这些进口N5a～d喷入第二类氧气（可以是纯氧亦或是空气），这类氧气的功能主要作为有机废水超临界水氧化反应所需的氧气，具有一定的过量系数。第二类氧气在反应器顶盖4下部进入反应器的位置的喷射方向与反应器竖直方向的中轴线具有15°的夹角，目的是为了能够与被加热后的有机废水进行碰撞混合反应，被加热到超临界状态的有机废水与火焰周围富余的第一类氧气及有机废水外围同一圆周方向上的第二类氧气混合，发生均相氧化反应，在几秒内可以实现有机废水中有机物的高效无害化去除。第二类氧气进口N5a～d设置在最外围，其进入反应器的位置靠近反应器内壁，这有利于避免腐蚀性的有机废水接触反应器内壁，有利于降低高温水热火焰导致的反应器筒体温升。为了降低上述高温水和常温有机废水对反应器顶盖产生热应力的不利影响，高温水水管和有机废水水管均贯穿整个反应器顶盖4，通过套管16进行密封。上述燃料进口温度是380℃（燃料为异丙醇），高温水的进口温度是600℃，第一类氧气和第二类氧气的进口温度为20℃，有机废水的进口温度为300℃。

上述反应器中设置的耐蚀内衬6可以选用耐腐蚀性能好的材料，例如哈氏合金C276、Inconel625等，可以有效地克服反应器腐蚀问题。在耐蚀内衬6和承压的反应器筒体12之间设置有隔热内衬13，这种隔热内衬（由ZS-1型耐高温隔热保温涂料制成）要求能够承压，可以通过防止高温反应流体对反应器筒体12的加热，可以降低承压的反应器筒体12的工作温度，反应器筒体12可以选用普通耐腐蚀材料如奥氏体不锈钢304、316等，从而有效降低反应器的造价。在反应器底部浓盐水出口N8附近设置冷却水进口N9，通过泵入20℃的低温冷却水在反应器底部形成亚临界区，超临界水热燃烧反应条件下析出的无机盐，依靠惯性和重力作用落入亚临界会重新溶解，形成300℃浓盐水通过反应器底部浓盐水出口N8流出反应器。通过在反应器底部靠上位置处设置反应流体出口N10，通过反应器浓盐水出口N8和反应流体出口N10管路上的流量控制，实现脱盐后主反应流体从反应器的反应流体出口N10流出。从而有效避免有机废水超临界水热燃烧反应环境中无机盐沉积导致反应器及其出口管路堵塞的问题。此外，在有机废水超临界水热燃烧反应器内部设置了三个不同位置的测温套管8、14和17，通过热电偶来监控反应器不同位置处的温度，实现反应器的温度控制。在反应器顶盖4上设置了压力表和安全阀接口N7，用以安装压力表和安全阀，实现反应器的压力监控和安全保护。

本发明反应器的工作流程如下所述：燃料从燃料进口N1流入分成两股进入反应器，与两股喷入的高温水撞击混合后被预热到起燃温度，然后与四股第一类氧气撞击混合，燃料被点燃，在反应器中形成的水热火焰，四路均布的有机废水喷射反应器中水热火焰的周围，被迅速加热到超临界温度，与火焰周围富余的第一类氧气及有机废水外围均布喷入的第二类氧气发生超临界水氧化反应。通过反应器中布置的测温套管8、14和17，利用热电偶监控反应器中不同位置处的温度，进而调整各种物料的加入量，从而形成稳定的水热火焰，产生稳定的超临界水氧化反应环境。超临界水氧化反应条件下有机物在几秒内实现高效去除（去除率可大于99.99%）。无机盐由于在超临界水中的溶解度极低会析出，析出的无机盐依靠惯性和重力作用落入反应器底部，通过向反应器底部注入低温冷却水，在反应器底部形成亚临界区，重新溶解析出的无机盐颗粒，形成的浓盐水然后从浓盐水出口N8流出反应器。经过脱盐后反应器后流体通过反应器底部靠上位置处的反应流体出口N10流出反应器进入后续设备，从而有效避免盐沉积引起的堵塞问题。反应器筒体12与耐蚀内衬6之间设置了隔热内衬，可以显著降低反应器筒体12温度，保证其运行安全，同时降低其投资费用。在反应器筒体12最内层表面设置了耐蚀内衬6，可以保证反应器筒体不遭受腐蚀。通过在反应器上设置压力表和安全阀，监控反应器的工作压力，保证反应器工作安全。

Claims

1.一种有机废水超临界水热燃烧反应器，包括筒体、与该筒体上端部密封连接的顶盖，筒体与顶盖之间的密闭空间为反应室，其特征在于，所述筒体内壁设置有隔热内衬，隔热内衬上再设置耐蚀内衬，顶盖上设置有与筒体内反应室连通的一个燃料进口、多个高温水进口、多个氧气进口、多个有机废水进口、一个压力表和安全阀接口，并设置有若干测温套管伸进反应室不同高度位置，其中，燃料进口在顶盖中心，其余布置在顶盖不同直径的圆周上；筒体底部设置有与反应室下部连通的一个浓盐水出口和一个冷却水进口，筒体偏下部侧壁上设置有与反应室连通的一个反应流体出口，筒体外壁设置有保温外壳。

2.如权利要求1所述的有机废水超临界水热燃烧反应器，其特征在于，所述顶盖上靠近燃料进口同一圆周上均布的四个高温水进口；高温水进口外围同一圆周上均布的四个第一类氧气进口；第一类氧气进口外围同一圆周上均布的四个有机废水进口；有机废水进口外围同一圆周上均布的四个第二类氧气进口；再在该圆周上布置分别伸入反应室上、中、下位置的三个热电偶接口。

3.如权利要求2所述的有机废水超临界水热燃烧反应器，其特征在于，所述燃料进口、高温水进口和第一类氧气进口均位于顶盖下表面的一个凹槽中。

4.如权利要求1所述的有机废水超临界水热燃烧反应器，其特征在于，所述冷却水进口上方设置一用于控制冷却水流动的挡板。

5.如权利要求1所述的有机废水超临界水热燃烧反应器，其特征在于，燃料进口在反应器顶盖下部进入反应器成八字分成两路，每一路均与筒体中轴形成15°夹角。

6.如权利要求1所述的有机废水超临界水热燃烧反应器，其特征在于，所述第一类氧气进口在顶盖下部进入反应器的位置分成两路，一路垂直向下，一路与筒体中轴形成向内的15°夹角。

7.如权利要求1所述的有机废水超临界水热燃烧反应器，其特征在于，所述有机废水进口与筒体中轴形成向内的15°夹角；第二类氧气进口与筒体中轴形成向内的15°夹角。