CN104478064B - 能直接分离盐和亚临界水的蒸发壁式超临界水氧化反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能直接分离盐和亚临界水的蒸发壁式超临界水氧化反应器，其筒体与上端盖、下端盖固定安装，上端盖中部安装伸入筒体内部的烧嘴组件，上端盖制有气相出口及污水二次入口；筒体内的上部固装管壳式换热器，筒体上部制有污水一次入口及常温污水出口，筒体上制有亚临界水出口；筒体内的下部固装多层蒸发壁，多层蒸发壁与筒体之间由上至下形成多个环隙，筒体上依次制有多个蒸发壁水入口；多层蒸发壁的上沿制有蒸发壁球状挡板，烧嘴组件下端固装烧嘴球状挡板；下端盖底部制有盐水出口。本发明有效克服预热器、反应器、管路堵塞及腐蚀，减少蒸发壁用纯净水量，并能使反应器体积减小，降低贵重合金用量。

Description

能直接分离盐和亚临界水的蒸发壁式超临界水氧化反应器

技术领域

本发明涉及环保技术领域的超临界水氧化反应器，特别是一种能直接分离盐和亚临界水的蒸发壁式超临界水氧化反应器。

背景技术

目前，含有有机化合物水样的工业化处理采用的主要方法为氧化法、吸附过滤法、焚烧法等。其中氧化法、吸附过滤法处理后的水样中还是会残余有机物，而焚烧法的处理成本较高，并且会产生二噁英等物质，需要后续处理。

超临界水氧化(SCWO)技术最早是在20世纪80年代中期由美国学者Modell提出的一项能完全地、彻底地将有机物结构破坏的深度氧化技术。美国国家关键技术所列的六大领域之一“能源与环境”中指出,最有前途的废物处理技术是SCWO法。

超临界水(SCW)是指温度超过374.15℃，压力超过22.12Mpa的特殊状态的水，该条件下水的介电系数大大降低，氧气和多种有机物质在水体系中形成均一相，消除传质阻力，使本来发生在液相、固相、气相之间的多相反应转化为在SCW中的均相氧化反应，反应速率更快，停留时间更短。而且大多不需使用催化剂，氧化效率很高，大部分有机物的去除率可达99％以上。另外,无机组分与盐类在SCW中溶解度很低，几乎可以完全沉淀析出，使反应过程中盐的分离变得容易。当有机物浓度在1wt％～2wt％时，就可依靠反应过程中自身的氧化放热来维持反应所需的温度，不需要外界供热，多余的热能可以回收。由于反应在封闭的环境下进行，符合全封闭处理的要求。反应温度远低于焚烧,且无二次污染物的产生。

但是由于超临界水氧化反应的苛刻的条件374.15℃，22.12Mpa，很多工艺难以保持平稳的运行，很多工艺中对废水和氧化剂流体进行预热到超临界条件进入反应器，这样在预热阶段出现的盐类沉淀以及热解、裂解等反应带来的脱炭、焦化等引起的管路堵塞问题，反应器高温高压时材料选材问题，反应器高温下盐在亚临界水中的强烈腐蚀问题，反应后盐和亚临界水较难分离的问题等难题大大制约了该技术的发展。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种有效克服预热器、反应器、管路堵塞及腐蚀，减少蒸发壁用纯净水量，并能使反应器体积减小，降低贵重合金用量的能直接分离盐和亚临界水的蒸发壁式超临界水氧化反应器。

本发明决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种能直接分离盐和亚临界水的蒸发壁式超临界水氧化反应器，其特征在于：主要由筒体、上端盖、下端盖、烧嘴组件、管壳式换热器、多层蒸发壁构成，筒体与上端盖、下端盖固定安装，上端盖中部安装伸入筒体内部的烧嘴组件，上端盖制有气相出口及与烧嘴组件连通的污水二次入口；筒体内的上部固装所述管壳式换热器，筒体上部制有与该管壳式换热器连通的污水一次入口及常温污水出口，筒体上制有位于多层蒸发壁上部且壳管式换热器下部的亚临界水出口；筒体内的下部固装所述多层蒸发壁，多层蒸发壁与筒体之间由上至下形成多个环隙，筒体上依次制有与该多个环隙连通的多个蒸发壁水入口；多层蒸发壁的上沿制有蒸发壁球状挡板，烧嘴组件下端伸出管壳式换热器并位于蒸发壁球状挡板下部，烧嘴组件下端固装位于蒸发壁球状挡板上方的烧嘴球状挡板，烧嘴球状挡板与蒸发壁球状挡板之间留有超临界流体通道；下端盖底部制有盐水出口。

而且，所述的多层蒸发壁与筒体之间由上至下形成的多个环隙至少包括一个高温蒸发壁狭隙，一个中温蒸发壁狭隙及一个低温蒸发壁狭隙，所述多个蒸发壁水入口为分别与高温蒸发壁狭隙，中温蒸发壁狭隙及低温蒸发壁狭隙连通的高温蒸发壁水入口、中温蒸发壁水入口及低温蒸发壁水入口。

而且，所述的管壳式换热器由管板、换热管、折流板板构成，纵向排列的换热管通过水平管板固装成一体，并固装于筒体内部，换热管上共同安装多个折流板；所述的烧嘴球状挡板与蒸发壁球状挡板之间留有的超临界流体通道与管壳式换热器的管程连通，所述筒体上所制的污水一次入口、常温水出口与管壳式换热器的壳程连通。

而且，所述的下端盖制有大倒角的锥形导流底面，该锥形导流底面的底端制有盐水出口。

而且，所述的下端盖插装有伸入筒体内的冲洗水管。

而且，所述的下端盖插装有伸入筒体内的多高度集成温度计。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明的能直接分离盐和亚临界水的蒸发壁式超临界水氧化反应器，采用遮挡技术将反应区域控制在一个由下端盖、多层蒸发壁、蒸发壁球状挡板及烧嘴球状挡板围成的空间内，因为此区域只是高温而不是高压，可以降低反应器的材料选用，并且能够使析出盐能够被溶解到蒸发壁渗入的亚临界水中，从盐水出口排出，超临界流体通过烧嘴球状挡板与蒸发壁球状挡板之间留有的超临界流体通道折流入反应器上部的管壳式换热器，直接实现盐和超临界流体的分离，并且球状挡板可以有效防止超临界流体冷却成亚临界流体后倒流回反应区域与盐水混合。

2、本发明的能直接分离盐和亚临界水的蒸发壁式超临界水氧化反应器，采用多层蒸发壁，可以将上层的蒸发壁纯净水的流量加大，而减少下层的蒸发壁纯净水的流量，这样既可以防止上层的蒸发壁因为处于超临界状态盐析出的挂壁现象，也能使得下层的纯净水用量减少很多，解决了以前反应器要么纯净水用量大，要么上层蒸发壁的盐挂壁现象严重。

3、本发明的能直接分离盐和亚临界水的蒸发壁式超临界水氧化反应器，下端盖出口处设计成为大倒角的锥形导流底面，这样可以最大限度的减少反应后产物对最下层蒸发壁的冲刷，能有效的防止蒸发壁的堵塞，并且减少亚临界盐水对下层蒸发壁的腐蚀。

4、本发明的能直接分离盐和亚临界水的蒸发壁式超临界水氧化反应器，将管壳式换热器直接放入反应器内部，使之在反应器内部直接将反应的热量传递给待加热污水，并且将超临界流体降温为亚临界流体，直接实现气液分离，同时将整个超临界系统中的污水加热系统和气液分离系统集成到反应器内部，能够极大的降低成本，并且因为在反应器内部换热，能极大的节约能源。

5、本发明的能直接分离盐和亚临界水的蒸发壁式超临界水氧化反应器，烧嘴组件的底部设置烧嘴球形挡板，实现扰流式烧嘴设计，反应后喷出的盐在重力作用下坠落，而超临界流体向上扰流，可以防止盐在蒸发壁球状挡板、烧嘴球状挡板挂壁。

6、本发明的能直接分离盐和亚临界水的蒸发壁式超临界水氧化反应器，温度计采用多高度集成，能直接采集到反应区域任何高度的反应温度，利于反应烈度控制。

7、本发明结构设计科学合理，有效克服预热器、反应器、管路堵塞及腐蚀，减少蒸发壁用纯净水量，并能使反应器体积减小，降低贵重合金用量的多层喷烧的蒸发壁式超临界水氧化反应器，可以广泛应用于对高浓度、含盐、难生化降解的有机废水/市政污泥/人体排泄物等有机废物进行的无害化处理和资源化回收利用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

附图标记说明：

1-耐高温螺栓、2-螺母、3-耐高温套筒、4-下端盖、5-低温蒸发壁狭隙、6-多层蒸发壁、7-中温蒸发壁狭隙、8-高温蒸发壁狭隙、9-亚临界水出口、10-蒸发壁球状挡板、11-烧嘴球状挡板、12-常温污水出口、13-上端盖、14-气相出口、15-污水二次入口、16-烧嘴组件、17-管板、18-换热管、19-折流板、20-污水一次入口、21-高温蒸发壁水入口、22-筒体、23-中温蒸发壁水入口、24-低温蒸发壁水入口、25-冲洗水管、26-多高度集成温度计、27-盐水出口、28-锥形导流底面。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种能直接分离盐和亚临界水的蒸发壁式超临界水氧化反应器，其主要由筒体22、上端盖13、下端盖4、烧嘴组件16、管壳式换热器、多层蒸发壁6构成。筒体与上端盖、下端盖采用耐高温螺栓1、螺母2固装，并采用耐高温套筒3保证螺母在高温下的紧固力。

上端盖中部安装伸入筒体内部的烧嘴组件，上端盖制有气相出口14及与烧嘴组件连通的污水二次入口15；筒体内的上部固装所述管壳式换热器，筒体上部制有与该管壳式换热器连通的污水一次入口20及常温污水出口12，筒体上制有位于多层蒸发壁上部且壳管式换热器下部的亚临界水出口9。管壳式换热器由管板17、换热管18、折流板19构成，纵向排列的换热管通过水平管板固装成一体，并固装于筒体内部，换热管上共同安装多个折流板。

筒体内的下部固装多层蒸发壁，多层蒸发壁与筒体之间由上至下形成多个环隙，筒体上依次制有与该多个环隙连通的多个蒸发壁水入口。多层蒸发壁与筒体之间由上至下形成的多个环隙包括一个高温蒸发壁狭隙8，一个中温蒸发壁狭隙7及一个低温蒸发壁狭隙5，筒体所制的高温蒸发壁水入口21、中温蒸发壁水入口23及低温蒸发壁水入口24分别与高温蒸发壁狭隙，中温蒸发壁狭隙及低温蒸发壁狭隙连通。

多层蒸发壁的上沿制有蒸发壁球状挡板10，烧嘴组件下端伸出管壳式换热器并位于蒸发壁球状挡板下部，烧嘴组件下端固装位于蒸发壁球状挡板上方的烧嘴球状挡板11，烧嘴球状挡板与蒸发壁球状挡板之间留有超临界流体通道；烧嘴球状挡板与蒸发壁球状挡板之间留有的超临界流体通道与管壳式换热器的管程连通，筒体上所制的污水一次入口、常温水出口与管壳式换热器的壳程连通。

下端盖制有大倒角的锥形导流底面28，该锥形导流底面的底端制有盐水出口27。下端盖插装有伸入筒体内的冲洗水管25。下端盖插装有伸入筒体内的多高度集成温度计26。

本反应器的工作原理为：

筒体与上端盖、下端盖构成密闭容器。蒸发壁球状挡板、烧嘴球状挡板将超临界水氧化反应区域控制在一个由下端盖、多层蒸发壁、蒸发壁球状挡板及烧嘴球状挡板所围成的空间内，筒体内设置的多层蒸发壁，蒸发壁采用粉末冶金制造，孔隙率能够严格控制，既能有效的减少盐类的挂壁现象，也能通过调节单层蒸发壁的水输入量，有效减少纯净水的用量。

筒体与蒸发壁之间形成三个密封的狭隙，一个高温蒸发壁狭隙，一个中温蒸发壁狭隙及一个低温蒸发壁狭隙，高温蒸发壁水、中温蒸发壁水及低温蒸发壁水在压差的作用下，流入多层蒸发壁内表面，在其上形成一层厚度均匀的水膜，溶解了在超临界反应过程中产生的无机盐，阻止了无机盐在内壁上的结垢，同时防止了腐蚀性物质与内筒壁接触从而造成的腐蚀(为防止反应后产物有固体颗粒，需要定期用冲洗水冲洗整个反应区域的内壁)。盐水从下端盖底部盐水出口流出，提高了装置的安全性，多层蒸发壁的使用降低了对反应釜筒体材料的选择难度。

反应器下端盖出口出设计成为大倒角的锥形导流底面，这样可以最大限度的减少反应后产物对最下层蒸发壁的冲刷，能有效的防止蒸发壁的堵塞，并且减少亚临界水对下层蒸发壁的腐蚀。该反应器上部设置管壳式换热器，从蒸发壁球状挡板和烧嘴球状挡板之间折流出来的超临界流体通过管壳式换热器管板进入管壳式换热器换热管，而常温污水从污水一次入口直接进入壳程，经过折流后，与超临界流体在换热管内外壁进行换热，直接将超临界流体降温至亚临界水从热污水出口流出，而因为降温析出的氧气、二氧化碳、氮气等气体从反应后气相出口排出，常温污水加热后从热污水出口流出，经过缓冲调整流速后流入污水二次入口，进入容器进行反应，以此循环。

采用管壳式换热器，可以直接将污水的预热系统取消掉，直接用管程污水反应物来加热壳程的未反应污水，实现将污水的加热和有机物氧化合为一体，将反应过程的最苛刻的条件全部放进反应器内，取消掉一个加热器，能极大的节省成本，并且因为换热后能够将超临界水直接换热成亚临界水，可以将超临界水中溶解的氧气、二氧化碳、氮气等气体分离出去，直接实现汽水分离。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (6)

1.一种能直接分离盐和亚临界水的蒸发壁式超临界水氧化反应器，其特征在于：主要由筒体、上端盖、下端盖、烧嘴组件、管壳式换热器、多层蒸发壁构成，筒体与上端盖、下端盖固定安装，上端盖中部安装伸入筒体内部的烧嘴组件，上端盖制有气相出口及与烧嘴组件连通的污水二次入口；筒体内的上部固装所述管壳式换热器，筒体上部制有与该管壳式换热器连通的污水一次入口及常温污水出口，筒体上制有位于多层蒸发壁上部且管壳式换热器下部的亚临界水出口；筒体内的下部固装所述多层蒸发壁，多层蒸发壁与筒体之间由上至下形成多个环隙，筒体上依次制有与该多个环隙连通的多个蒸发壁水入口；多层蒸发壁的上沿制有蒸发壁球状挡板，烧嘴组件下端伸出管壳式换热器并位于蒸发壁球状挡板下部，烧嘴组件下端固装位于蒸发壁球状挡板上方的烧嘴球状挡板，烧嘴球状挡板与蒸发壁球状挡板之间留有超临界流体通道；下端盖底部制有盐水出口。

2.根据权利要求1所述的能直接分离盐和亚临界水的蒸发壁式超临界水氧化反应器，其特征在于：所述的多层蒸发壁与筒体之间由上至下形成的多个环隙至少包括一个高温蒸发壁狭隙，一个中温蒸发壁狭隙及一个低温蒸发壁狭隙，所述多个蒸发壁水入口为分别与高温蒸发壁狭隙，中温蒸发壁狭隙及低温蒸发壁狭隙连通的高温蒸发壁水入口、中温蒸发壁水入口及低温蒸发壁水入口。

3.根据权利要求1所述的能直接分离盐和亚临界水的蒸发壁式超临界水氧化反应器，其特征在于：所述的管壳式换热器由管板、换热管、折流板板构成，纵向排列的换热管通过水平管板固装成一体，并固装于筒体内部，换热管上共同安装多个折流板；所述的烧嘴球状挡板与蒸发壁球状挡板之间留有的超临界流体通道与管壳式换热器的管程连通，所述筒体上所制的污水一次入口、常温水出口与管壳式换热器的壳程连通。

4.根据权利要求1所述的能直接分离盐和亚临界水的蒸发壁式超临界水氧化反应器，其特征在于：所述的下端盖制有大倒角的锥形导流底面，该锥形导流底面的底端制有盐水出口。

5.根据权利要求1所述的能直接分离盐和亚临界水的蒸发壁式超临界水氧化反应器，其特征在于：所述的下端盖插装有伸入筒体内的冲洗水管。

6.根据权利要求1所述的能直接分离盐和亚临界水的蒸发壁式超临界水氧化反应器，其特征在于：所述的下端盖插装有伸入筒体内的多高度集成温度计。