CN103776038A

CN103776038A - 多功能超临界水热燃烧装置

Info

Publication number: CN103776038A
Application number: CN201410035412.9A
Authority: CN
Inventors: 王树众; 张洁; 公彦猛; 郭洋; 唐兴颖; 李艳辉
Original assignee: XI'AN WONFU ENERGY AND ENVIRONMENT TECHNOLOGIES Co Ltd
Current assignee: XI'AN WONFU ENERGY AND ENVIRONMENT TECHNOLOGIES Co Ltd
Priority date: 2014-01-25
Filing date: 2014-01-25
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2034-01-25
Also published as: CN103776038B

Abstract

本发明公开了一种多功能超临界水热燃烧装置，包括上端盖、直筒体和底部封头三部分。所述上端盖设置在直筒体的上端，径向同轴燃烧器管设置在上端盖，其中包括燃料溶液进口芯管与混合管，芯管与混合管之间的环隙构成了氧气进口通道，混合管与端盖底部喷嘴管之间的环隙构成了废液进口通道；直筒体分为外筒与内筒，外筒为承压壁，内筒构成了燃烧反应室，内外筒壁之间的环形腔隙构成了冷却水通道，内筒可更换为水冷壁或多孔蒸发壁；反应后流体出口设置在底部封头上。可更换的内筒使该反应器既可以进行蒸发壁反应器的超临界水热燃烧特性研究，而且可以进行冷壁式反应器的超临界水热燃烧特性研究。

Description

多功能超临界水热燃烧装置

技术领域

本发明涉及有机废物处理技术领域，特别涉及一种多功能超临界水热燃烧装置。

背景技术

超临界水氧化技术（Supercritical Water Oxidation，简称SCWO）是近年来很受关注的一种有机废物处理技术，是指在水的临界点（T_c=647K，P_c=221bar）以上，可以安全、干净、有效地降解浓度低于20wt%的有机废液的处理技术。在纯水的临界点附近或高于临界点，水的热物理性质相对于常温下的水发生了显著的变化，超临界水的极性显著降低而成为非极性有机物和气体（如氧气、氮气和二氧化碳等）的良好溶剂，因此在这些条件下，氧化反应在均相环境中进行，克服了相间传质阻力，并且因为超临界水中较高的反应温度，使有机物降解的转化率在很短的停留时间（1min或更短）内可达到100%。然而，尽管大量的实验结果已经证实了SCWO技术可以达到良好的有机物处理效果，但是SCWO技术仍存在两个主要的不可避免的技术问题：一个是反应器材质需要耐高温高压条件以及在反应器条件下的材料腐蚀问题，另一个问题是由于盐在超临界水中会析出，进而导致在预热管线中、SCWO反应器和其他高温高压容器内的盐沉积和堵塞问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多功能超临界水热燃烧装置，以解决传统超临界水氧化技术所存在两个主要问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

多功能超临界水热燃烧装置，包括依次连接的上端盖、直筒体和底部封头；所述上端盖设置在直筒体的上端，上端盖上径向同轴设置有燃烧器管；燃烧器管包括燃料溶液进口的芯管与混合管，混合管同轴设置于芯管外周，上端盖底部设置有喷嘴管，喷嘴管同轴设置于混合管外周；芯管与混合管之间的环隙构成了氧气进口通道，混合管与喷嘴管之间的环隙构成了废液进口通道；氧气进口通道连通设置在上端盖上的若干氧气进口；废液进口通道连通设置在上端盖上的若干废液进口；直筒体分为外筒与可更换式内筒，外筒为承压壁，内筒构成了燃烧反应室；底部封头的底部设有供反应后流体流出的出口接管；上端盖、直筒体和底部封头分别设置了监测混合器出口流体温度和端盖壁面温度、外筒壁面温度、内筒壁面温度、火焰燃烧温度和出口反应流体温度的热电偶。

本发明进一步的改进在于：内外筒壁之间的环形腔隙构成了冷却水通道。

本发明进一步的改进在于：内筒为水冷壁或多孔蒸发壁。

本发明进一步的改进在于：所述混合管以螺纹密封的形式连接到上端盖，并且混合管伸出反应器上端盖。使水热火焰远离上端盖壁面而保护其不被烧坏。

本发明进一步的改进在于：上端盖和底部封头上设置有内筒定位槽及内外筒密封。打开上端盖后可将内筒更换为水冷壁或多孔蒸发壁。

本发明进一步的改进在于：当内筒为多孔蒸发壁时，冷却水从外筒上端的蒸发壁水进口进入环形腔隙，由多孔蒸发壁流入燃烧反应室，进行蒸发壁反应器内的超临界水热燃烧特性研究，包括多孔蒸发壁的水膜形成特性、蒸发壁式反应器的超临界水热火焰燃烧特性、反应器材料腐蚀及盐沉积的防控机理研究。

本发明进一步的改进在于：当内筒为水冷壁时，冷却水从外筒下端的冷却水进口进入内外筒环形腔隙，从外筒上端的冷却水出口流出，进行水冷壁反应器内的超临界水热燃烧特性研究，包括水冷壁式反应器的超临界水热火焰燃烧特性、冷却水的燃烧室壁面冷却特性研究。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明一种多功能超临界水热燃烧装置，水热燃烧可以实现低温有机废液通过与辅助燃料水热燃烧产生的高温燃烧产物混合而提高温度至超临界反应温度，进而保证了反应器进口的有机废液可以低温入射。超临界水热火焰是一种新的燃烧方式，发生在温度高于可燃物自燃温度的超临界水氧化过程中；在超临界水氧化环境中，当有机物浓度足够高，并且温度高于其自燃温度的条件下，有可能形成水热火焰，在这个条件下，有机污染物可以在数毫秒的停留时间内完全降解，并且不会产生传统燃烧过程引起的燃烧副产物（如NO_x、二噁英）。

与传统SCWO反应器相比，超临界水热燃烧反应器有以下优点：

1）、反应器进口的低温废液通过与辅助燃料水热燃烧产生的高温燃烧产物混合被加热至超临界反应温度，有效降低了外部预热器的热负荷；

2）、采用超临界水热燃烧反应器，进口物料在室温的条件下，燃烧反应仍可进行，从而避免了预热阶段的堵塞和腐蚀问题；

3）、采用超临界水热燃烧，600～1100℃的反应温度实现有机物在数毫秒的反应时间内完全降解，进而降低废液的超临界水氧化负荷，减小反应器的容积。

超临界水热燃烧反应器燃烧室内的流体温度比传统SCWO反应器要高得多，因而需考虑对燃烧室壁面的冷却保护措施，多孔蒸发壁和水冷壁的概念被应用于超临界水热燃烧反应器中。蒸发壁反应器中冷却水通过多孔壁渗入，在内壁表面形成一层亚临界保护水膜，该水膜不仅可以实现对燃烧室内壁面的冷却，而且能阻止无机盐与壁面的接触和溶解壁面附近析出的无机盐，从而有效解决了反应器内的腐蚀和盐沉积问题。水冷壁反应器是指冷却水通过反应器承压壁与水冷壁构成的燃烧室之间的环形通道，对燃烧室壁面进行冷却保护，冷却水从环形通道出口流出。本发明多功能超临界水热燃烧装置，内筒的可更换性，实现了在该反应器实验装置中进行蒸发壁式和水冷壁式超临界水热火焰燃烧特性的对照实验研究，对比不同反应器型式对超临界水热火焰燃烧特性的影响机理。

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是本发明多功能超临界水热燃烧装置的结构示意图。

图中：1、芯管；2、混合管；3、喷嘴管；4、上端盖；5、直筒体；6、内筒；7、底部封头；8、出口接管；N1、燃料溶液进口；N2a,b、氧气进口；N3a,b、废液进口；N4、反应流体出口；T5、热电偶；T6、热电偶；T7、热电偶；T8、热电偶；T9、热电偶；T10、热电偶；N11、冷却水进口；N12、冷却水出口；N13、蒸发壁水进口。

具体实施方式

参照图1，本发明一种多功能超临界水热燃烧装置，包括依次连接的上端盖4、直筒体5和底部封头7三部分。直筒体5和底部封头7可以是分体结构可以是一体式结构。上端盖4设置在直筒体5的上端；上端盖4上径向同轴设置有燃烧器管；燃烧器管包括燃料溶液进口的燃烧器芯管1与混合管2，混合管2同轴设置于芯管1外周，并与芯管1交错设置；上端盖4底部设置有喷嘴管3，喷嘴管3同轴设置于混合管2外周；芯管1与混合管2之间的环隙构成了氧气进口通道，混合管2与喷嘴管3之间的环隙构成了废液进口通道；氧气进口通道连通设置在上端盖4上的氧气进口N2a、N2b；废液进口通道连通设置在上端盖4上的废液进口N3a、N3b；直筒体分为外筒51与内筒6，外筒51为承压壁，内筒6构成了燃烧反应室，内外筒壁之间的环形腔隙构成了冷却水通道，内筒6可更换为水冷壁或多孔蒸发壁；冷却水通道连通设置在外筒51上部的蒸发壁水进口N13、冷却水出口N12和设置在外筒51下部的冷却水进口N11。

反应后流体出口设置在底部封头7上；上端盖4、直筒体5和底部封头7分别设置了监测混合器出口流体温度和端盖壁面温度、外筒壁面温度和内筒壁面温度、火焰燃烧温度和出口反应流体温度的热电偶T5、T6、T7、T8、T10、T9。热电偶T10的测点位于内筒6中部，热电偶T9的测点位于内筒6底部。

本实施例中，可以采用甲醇、乙醇或异丙醇作为辅助燃料进行超临界水热火焰燃烧特性研究，辅助燃料溶液被预热至产生水热火焰所需的温度之后，进入反应器燃料溶液进口N1（芯管1的入口），氧气被引入氧气进口N2a,b后，与燃料溶液在混合管2中混合。未被预热的废液从N3a,b被引入喷嘴管环隙中。燃料氧气混合流体从混合管2射入内筒6构成的燃烧室后起燃，低温废液从喷嘴管3喷入燃烧室后，与燃烧后的高温产物混合被加热至超临界反应温度，进行氧化分解。混合管2以螺纹密封的形式连接到上端盖4，并且混合管2伸出反应器上端盖4，使水热火焰远离上端盖壁面而保护其不被烧坏。

参照图1，反应器直筒体5包括外筒51和内筒6，内外筒之间的环形腔室构成了冷却水通道，外筒51为承压壁，内筒6可拆卸，上端盖4和底部封头7上设置有内筒定位槽，打开上端盖4后将内筒6更换为水冷壁或多孔蒸发壁。当内筒6为蒸发壁时，冷却水从外筒上端的蒸发壁水进口N13进入环形腔隙，由多孔蒸发壁流入燃烧反应室，可以进行蒸发壁反应器内的超临界水热燃烧特性研究，包括多孔蒸发壁的水膜形成特性、蒸发壁式反应器的超临界水热火焰燃烧特性、反应器材料腐蚀及盐沉积的防控机理研究。当内筒6为水冷壁时，冷却水从外筒下端的冷却水进口N11进入内外筒环形腔隙，从外筒上端的冷却水出口N12流出，可以进行水冷壁反应器内的超临界水热燃烧特性研究，包括水冷壁式反应器的超临界水热火焰燃烧特性、冷却水的燃烧室壁面冷却特性研究。本实施例中，可更换的内筒6，实现了在该反应器实验装置中进行蒸发壁式和水冷壁式超临界水热火焰燃烧特性的对照实验研究，对比不同反应器型式对超临界水热火焰燃烧特性的影响机理。

本实施例中，通过热电偶T10测点的温度曲线来判断反应器内的水热火焰是否起燃，T10温度相对于T5急剧上升，说明有水热火焰产生，反应器中的最高温度点即为自燃点，最高温度即为火焰温度。另外，反应器中设置了监测混合器出口流体温度T5、端盖壁面温度T6、外筒壁面温度T7、内筒壁面温度T8、出口反应流体温度T9的热电偶测点，实时监测反应器内各结构壁面温度，保证反应器安全运行。

Claims

1.多功能超临界水热燃烧装置，其特征在于，包括依次连接的上端盖（4）、直筒体（5）和底部封头（7）；所述上端盖设置在直筒体的上端，上端盖上径向同轴设置有燃烧器管；燃烧器管包括燃料溶液进口的芯管（1）与混合管（2），混合管同轴设置于芯管外周，上端盖底部设置有喷嘴管（3），喷嘴管同轴设置于混合管外周；芯管与混合管之间的环隙构成了氧气进口通道，混合管与喷嘴管之间的环隙构成了废液进口通道；氧气进口通道连通设置在上端盖上的若干氧气进口；废液进口通道连通设置在上端盖上的若干废液进口；直筒体分为外筒（51）与可更换式内筒（6），外筒为承压壁，内筒构成了燃烧反应室；底部封头的底部设有供反应后流体流出的出口接管（8）；上端盖、直筒体和底部封头分别设置了监测混合器出口流体温度和端盖壁面温度、外筒壁面温度、内筒壁面温度、火焰燃烧温度和出口反应流体温度的热电偶。

2.根据权利要求1所述的多功能超临界水热燃烧装置，其特征在于，内外筒壁之间的环形腔隙构成了冷却水通道。

3.根据权利要求1所述的多功能超临界水热燃烧装置，其特征在于，内筒为水冷壁或多孔蒸发壁。

4.根据权利要求1所述的多功能超临界水热燃烧装置，其特征在于，所述混合管以螺纹密封的形式连接到上端盖，并且混合管伸出反应器上端盖。

5.根据权利要求1所述的多功能超临界水热燃烧装置，其特征在于，上端盖和底部封头上设置有内筒定位槽及内外筒密封。

6.根据权利要求3所述的多功能超临界水热燃烧装置，其特征在于，当内筒为多孔蒸发壁时，冷却水从外筒上端的蒸发壁水进口进入环形腔隙，由多孔蒸发壁流入燃烧反应室，进行蒸发壁反应器内的超临界水热燃烧特性研究，包括多孔蒸发壁的水膜形成特性、蒸发壁式反应器的超临界水热火焰燃烧特性、反应器材料腐蚀及盐沉积的防控机理研究。

7.根据权利要求3所述的多功能超临界水热燃烧装置，其特征在于，当内筒为水冷壁时，冷却水从外筒下端的冷却水进口进入内外筒环形腔隙，从外筒上端的冷却水出口流出，进行水冷壁反应器内的超临界水热燃烧特性研究，包括水冷壁式反应器的超临界水热火焰燃烧特性、冷却水的燃烧室壁面冷却特性研究。