CN104291546B - 超临界水氧化装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超临界水氧化装置，包括：倾斜放置的反应器，包括反应器筒体和设置在反应器筒体内的内筒体，反应器筒体与内筒体之间形成环状间隙，反应器的上端设置有封头，内筒体通过设置在封头上的通道与氧化剂进口、污染物进口和超临界水进口连通；内筒体上设置有多个通孔，反应器筒体上设置有边界流体进口，边界流体进口通过环状间隙及通孔与内筒体的内部连通；竖直放置的分离器，包括分离器筒体和设置在分离器筒体内的冷却水分布器，分离器筒体的上端设置有气液混合物出料口，分离器筒体的下端设置有固液出料口；反应器的下端与分离器筒体的周向侧壁连接。本发明反应器采用倾斜式设计，可安全、稳定地实现对高固含量污染物的连续处理。

Description

超临界水氧化装置

技术领域

本发明涉及一种化工环保领域，特别涉及一种超临界水氧化装置。

背景技术

当温度和压力分别超过373.946℃、22.064MPa时，水将达到超临界态，对应的水被称为超临界水。超临界水具有常温水所不具备的独特性质，如非极性，低粘度、低密度和高扩散系数。以上特性使得以超临界水为反应介质，有氧化剂参与的超临界水氧化技术具备了其他污染物处理技术难以比拟的优点：适用范围广、反应速度快、降解效率高，无二次污染。该技术在上世纪80年代初被提出后不久就被认为是焚烧法最好的替代技术，同时被誉为最有前途的污染物末端处理技术。

但是，经过30余年的研究和开发，超临界水氧化技术的工业化程度远没达到最初人们的期望，至今全世界范围内也仅有几座工业化装置在运行，而其主要原因在于存在于设备内部的腐蚀和堵塞问题一直没有得到有效解决。腐蚀是由于超临界水氧化反应器内部高温、高压水热环境，以及无机酸、无机盐颗粒的存在，至今无一种材料能耐受如此苛刻的环境。堵塞是由于超临界水的非极性，无机盐在其中的溶解度极低，被析出沉积而造成设备堵塞。腐蚀和堵塞具有协同作用，一旦发生会加剧设备的腐蚀和堵塞进程。

鉴于现在还没有一种材料可以耐受超临界水氧化设备内部所有条件下的腐蚀，即便有，盐沉积引起的堵塞问题仍然需要解决。因此，需对超临界水氧化装置进行优化设计，使其达到最优的，或工业应用可接受的“防腐抗堵”功能。

目前，国内外的超临界水氧反应器多为垂直放置或水平放置。垂直放置的反应器，反应物料从反应器上端进入，反应产生的无机盐在重力作用下下落至反应器底端，进而被排出反应器；该设计利用重力分离无机盐，但容易导致物料还未反应完全即在重力作用下下落至反应器底部，难以保证物料在反应器内的停留时间。水平放置的反应器，反应物料从反应器一端进入，从反应器的另一端被挤出；该设计可有效保证物料的反应时间，但由于重力的作用，无机盐可能在未被挤出反应器之前就沉积于反应器器壁上，随着时间累计而造成堵塞。

发明内容

本发明的目的是提供一种超临界水氧化装置，以解决现有超临界水氧化设备结构布局所产生的反应器堵塞和停留时间不足的问题。

为此，本发明提供了一种超临界水氧化装置，包括：倾斜放置的反应器，包括反应器筒体和设置在反应器筒体内的内筒体，反应器筒体与内筒体之间形成环状间隙，反应器的上端设置有封头，内筒体通过设置在封头上的通道与氧化剂进口、污染物进口和超临界水进口连通；内筒体上设置有多个通孔，反应器筒体上设置有边界流体进口，边界流体进口通过环状间隙及通孔与内筒体的内部连通；竖直放置的分离器，包括分离器筒体和设置在分离器筒体内的冷却水分布器，分离器筒体的上端设置有气液混合物出料口，分离器筒体的下端设置有固液出料口；反应器的下端与分离器筒体的周向侧壁连接。

进一步地，超临界水氧化装置还包括设置在内筒体内的第一热电偶套管和设置在分离器筒体内的第二热电偶套管。

进一步地，冷却水分布器上设置有供第二热电偶套管上下贯穿的开口。

进一步地，分离器筒体包括由上到下依次连接的上部筒体和固体收集器，固体收集器向下逐渐收缩并在端部形成固液出料口。

进一步地，反应器与分离器之间的夹角为10～90°。

进一步地，边界流体为水、空气、氧气、氮气、氩气、二氧化碳中的一种或多种混合物。

进一步地，上部筒体的内径为反应器筒体内径的1～5倍，上部筒体的长度为反应器筒体长度的0.5～1倍。

进一步地，冷却水分布器的直径与上部筒体的内径之比为0.5～0.95。

进一步地，冷却水分布器内的冷却水为常温的去离子水或含有酸中和剂的溶液。

进一步地，上部筒体具有侧开口，侧开口处设置有连接法兰，反应器通过连接法兰与上部筒体可拆卸地连接。

本发明反应器采用倾斜式设计，可以保证反应液沿着一个方向做平推流流动，反应停留时间可以由物料的流速进行控制；同时结合边界流体的内渗冲刷作用，避免了固体颗粒在反应器壁面的沉积；垂直放置的分离器通过重力沉降实现反应出料的固液分离，避免了固体颗粒对后续设备的堵塞。倾斜放置的反应器和垂直放置的分离器作为一个整体，可安全、稳定地实现对高固含量污染物的连续超临界水氧化处理。

附图说明

图1为本发明中的高固含量污染物的超临界水氧化装置的结构示意图。

其中：1、氧化剂进口；2、污染物进口；3、超临界水进口；4、第一热电偶套管；5、封头；6、通道；7、密封件；8、反应器筒体；9、内筒体；10、反应区；11、边界流体进口；12、螺栓；13、连接法兰；14、气液混合物出料口；15、冷却水进口；16、封头；17、第二热电偶套管；18、冷却水分布器；19、上部筒体；20、夹角；21、反应器出口；22、固体收集器；23、固液出料口。

具体实施方式

重力对超临界水氧化设备内部的流体流动和颗粒运动都影响显著，表现为影响到物料在反应器内部的停留时间和颗粒物在反应器内的沉积。对于高固含量的污染物(如城市污泥、含油污泥等)，自身固含量高，重力对颗粒物在反应器内部的沉积影响更为显著。针对该类污染物需要设计新型的反应器，使其即能保证该类污染物在反应器的停留时间，又能有效利用重力作用实现固体颗粒的有效分离。

请参考图1，本发明提供了一种超临界水氧化装置，特别是一种用于处理高固含量污染物的超临界水氧化装置，包括：倾斜放置的反应器，包括反应器筒体8和设置在反应器筒体8内的内筒体9，例如，反应器筒体8和内筒体9相互平行地设置，反应器筒体8与内筒体9之间形成环状间隙，反应器的上端设置有封头5，例如，封头5是可拆卸的，内筒体通过设置在封头5上的通道6与氧化剂进口1、污染物进口2和超临界水进口3连通；内筒体9上设置有多个通孔，反应器筒体8上设置有边界流体进口11，边界流体进口11通过环状间隙及通孔与内筒体9的内部连通；竖直放置的分离器，包括分离器筒体和设置在分离器筒体内的冷却水分布器18，分离器筒体的上端设置有气液混合物出料口14，分离器筒体的下端设置有固液出料口23；反应器的下端与分离器筒体的周向侧壁连接。

优选地，边界流体进口11的个数为1～10个。优选地，反应器筒体8的内径在10～200mm的范围内。优选地，内筒体9为耐高温、耐腐蚀材料，耐受温度在常温～800℃。优选地，反应器筒体8与内筒体9两端的环状间隙内设置有可拆卸的密封件7。

本发明的工作原理如下：经过预热的水、氧化剂和污染物通过封头5上的通道进入倾斜的反应器，污染物一边降解，一边在重力作用下沿着倾斜的反应器向下流动。边界流体通过环状间隙进入反应器并将反应液局限在多孔的内筒体9以内，防止其对反应器筒体8造成腐蚀；同时，边界流体的不断渗入也防止了固体颗粒在内筒体9表面的沉积。反应完全后的反应液从内筒体9末端流出进入分离器，添加有酸中和剂的冷却水经过冷却水分布器18分散将反应液中和、降温。在重力作用下，反应液中的固体颗粒向下沉降，集聚于分离器的底部，通过固液出料口23排出；低密度的气体和超临界水向上流动，通过气液混合物出料口14排出。

本发明反应器采用倾斜式设计，可以保证反应液沿着一个方向做平推流流动，反应停留时间可以由物料的流速进行控制；同时结合边界流体的内渗冲刷作用，避免了固体颗粒在反应器壁面的沉积；垂直放置的分离器通过重力沉降实现反应出料的固液分离，避免了固体颗粒对后续设备的堵塞。倾斜放置的反应器和垂直放置的分离器作为一个整体，可安全、稳定地实现对高固含量污染物的连续超临界水氧化处理。

优选地，超临界水氧化装置还包括设置在内筒体9内的第一热电偶套管4和设置在分离器筒体内的第二热电偶套管17。优选地，第一热电偶套管4和第二热电偶套管17可分别容纳10根热电偶，以监测不同位置的温度情况。第一热电偶套管4和第二热电偶套管17分别平行于相应的筒体，且不与筒体接触。第一热电偶套管4一直延伸至反应器与分离器的连接处。

优选地，冷却水分布器18上设置有供第二热电偶套管17上下贯穿的开口。第二热电偶套管17与冷却水分布器18不接触，且延伸至分离器的底端，并与底端也不接触。

优选地，分离器筒体包括由上到下依次连接的上部筒体19和固体收集器22，固体收集器22向下逐渐收缩并在端部形成固液出料口23。优选地，上部筒体19和固体收集器22可拆卸地连接。优选地，分离器筒体还包括设置在上部筒体19顶部的封头16，冷却水分布器18穿过封头16后与冷却水进口15连接。

优选地，反应器与分离器之间的夹角20为10～90°，可在设备制造前根据具体的处理对象及其性质确定该角度。

优选地，边界流体为水、空气、氧气、氮气、氩气、二氧化碳中的一种或多种混合物。

优选地，上部筒体19的内径为反应器筒体8内径的1～5倍，上部筒体19的长度为反应器筒体8长度的0.5～1倍。

优选地，冷却水分布器18的直径与上部筒体19的内径之比为0.5～0.95。

优选地，冷却水分布器18内的冷却水为常温的去离子水或含有酸中和剂的溶液。

优选地，上部筒体19具有侧开口，侧开口处设置有连接法兰13，反应器通过连接法兰13与上部筒体19可拆卸地连接。优选地，侧开口的中心距离分离器筒体上沿的距离占整个分离器筒体长度的0.3～0.5。优选地，反应器通过螺栓12与连接法兰13连接。

优选地，第一热电偶套管4、第二热电偶套管17和冷却水分布器等均为耐高压、耐高温材料，可耐受常温～800℃和常压～50MPa。

下面，以城市污泥为污染物，以双氧水为氧化剂，以空气为边界流体，结合图1详细介绍本发明的实施方法和工作原理。

城市污泥是典型的高固含量污染物，采用传统的超临界水氧化设备，在预热过程易堵塞预热器；在氧化降解过程中易出现停留时间不足、固体颗粒沉降堵塞等问题。

首先，根据城市污泥的固含量和其流动性质，确定反应器与分离器之间的夹角20为60°。设备制造完毕，运行时，先将城市污泥预热至200℃以下的安全温度，再与双氧水和500～600℃的超临界水混合达到超临界态，通过封头5上的通道6进入反应器。同时，空气通过边界流体进口11进入反应器，再渗过内筒体9进入反应区10。空气的不断渗入将反应液局限在内筒体9以内，避免了反应液对反应器筒体8的腐蚀；同时空气在内筒体9内表面形成保护性空气膜，避免固体颗粒在其表面的附着沉积，空气还为反应提供额外的氧化剂，促进城市污泥的氧化降解。

城市污泥在反应器内一边降解，一边在重力作用下沿着内筒体9向下流动，当达到反应器出口21时，城市污泥已降解完全，此时的反应液以由固体颗粒、超临界水和空气组成。

反应液从反应器出口21流出进入分离器，被从冷却水分布器18中喷洒出的含中和剂的冷却水中和、降温；在重力作用下，固体颗粒向下沉降并收集于固体收集器22中，通过固液出料口23排出；空气和水向上流动，通过封头16上的气液混合物出料口14排出。

本发明可有效解决高固含量污染物引起的设备堵塞问题，同时保证反应的停留时间。

Claims (10)

1.一种超临界水氧化装置，其特征在于，包括：

倾斜放置的反应器，包括反应器筒体(8)和设置在所述反应器筒体(8)内的内筒体(9)，所述反应器筒体(8)与所述内筒体(9)之间形成环状间隙，所述反应器的上端设置有封头(5)，所述内筒体通过设置在所述封头(5)上的通道与氧化剂进口(1)、污染物进口(2)和超临界水进口(3)连通；所述内筒体(9)上设置有多个通孔，所述反应器筒体(8)上设置有边界流体进口(11)，所述边界流体进口(11)通过所述环状间隙及所述通孔与所述内筒体(9)的内部连通；

竖直放置的分离器，包括分离器筒体和设置在所述分离器筒体内的冷却水分布器(18)，所述分离器筒体的上端设置有气液混合物出料口(14)，所述分离器筒体的下端设置有固液出料口(23)；所述反应器的下端与所述分离器筒体的周向侧壁连接。

2.根据权利要求1所述的超临界水氧化装置，其特征在于，所述超临界水氧化装置还包括设置在所述内筒体(9)内的第一热电偶套管(4)和设置在所述分离器筒体内的第二热电偶套管(17)。

3.根据权利要求1或2所述的超临界水氧化装置，其特征在于，所述冷却水分布器(18)上设置有供所述第二热电偶套管(17)上下贯穿的开口。

4.根据权利要求1所述的超临界水氧化装置，其特征在于，所述分离器筒体包括由上到下依次连接的上部筒体(19)和固体收集器(22)，所述固体收集器(22)向下逐渐收缩并在端部形成所述固液出料口(23)。

5.根据权利要求1所述的超临界水氧化装置，其特征在于，所述反应器与所述分离器之间的夹角为10-80°。

6.根据权利要求1所述的超临界水氧化装置，其特征在于，所述边界流体为水、空气、氧气、氮气、氩气、二氧化碳中的一种或多种混合物。

7.根据权利要求4所述的超临界水氧化装置，其特征在于，所述上部筒体(19)的内径为所述反应器筒体(8)内径的1-5倍，所述上部筒体(19)的长度为所述反应器筒体(8)长度的0.5-1倍。

8.根据权利要求4所述的超临界水氧化装置，其特征在于，所述冷却水分布器(18)的直径与所述上部筒体(19)的内径之比为0.5-0.95。

9.根据权利要求1所述的超临界水氧化装置，其特征在于，所述冷却水分布器(18)内的冷却水为常温的去离子水或含有酸中和剂的溶液。

10.根据权利要求4所述的超临界水氧化装置，其特征在于，所述上部筒体(19)具有侧开口，所述侧开口处设置有连接法兰(13)，所述反应器通过所述连接法兰(13)与所述上部筒体(19)可拆卸地连接。