CN105457560B - 一种超临界水氧化反应器的燃烧器组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超临界水氧化反应器的燃烧器组件，其包括烧嘴套筒、冷却水套筒及冷却水第一渗透壁，烧嘴套筒包括中心套筒、中间层套筒及最外层套筒，烧嘴套筒的中心套筒、中间层套筒、最外层套筒、冷却水套筒及冷却水第一渗透壁由内至外依次同轴套装安装于反应器的平盖封头及连接法兰内，各套筒之间形成环隙并在下端形成逐级下降的环形出口，中心套筒与自平盖封头垂直插入的顶部物料通道连通，各环隙分别与物料通道及氧化剂通道连通，冷却水套筒与第一渗透壁的底部封闭，其内部形成的环形空腔与侧壁第一冷却水入口连通。本发明的烧嘴套筒可实现物料和氧化剂分别由不同的层段逐步交叉进入反应器，避免过早混合发生回流燃烧，造成反应器腐蚀。

Description

一种超临界水氧化反应器的燃烧器组件

技术领域

本发明涉及一种高温高压的化工设备，特别是一种超临界水氧化反应器的燃烧器组件。

背景技术

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，氧化剂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，产物为无机盐、二氧化碳和水。由于反应在封闭的反应器中进行，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。

高COD有机废水、垃圾、污泥在超临界状态下的高温气体产物主要有O₂、CO₂、SO₂、N₂，由于超临界水氧化反应过程中放出大量的热，使得反应器内部的温度和压力急剧升高，高温高压的气体产物加剧了对反应器本身的腐蚀性，且高温气体易发生爆炸，两种因素叠加起来对设备壳体内壁及内部零部件产生严重的腐蚀破坏。

在进行强度计算时，温度高对反应器筒体和封头的厚度影响很大，对材质、密封、强度要求高，高温高压反应器设备常用锻件材料，耐高温耐腐蚀性的锻件材料选择性少。且高温气体对设备气体出口管道仪表和阀门的选型造成困难，对输送气体的管道材质要求高。除了管道用材之外，常用仪表和阀门的使用温度在中高温以下，温度过高时，仪表和阀门需要使用高合金材质，高合金材质比普通材质费用高出几倍，造成整个工艺系统的成本造价居高不下。所以降低反应器内部温度，对反应器、管道、仪表、阀门的成本有着直接联系。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种由多层环形隔层自上而下套装，形成阶梯型烧嘴，物料和氧化剂分别通入隔层之间形成的环隙，分别由不同的层段逐步交叉进入反应器充分反应，避免物料和氧化剂过早混合发生回流燃烧造成反应器内部腐蚀的超临界水氧化反应器的燃烧器组件。

本发明决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种超临界水氧化反应器的燃烧器组件，其特征在于：包括安装于反应器筒体顶部的平盖封头、连接法兰、烧嘴套筒、冷却水套筒及冷却水第一渗透壁，所述反应器筒体顶部与所述平盖封头之间通过所述连接法兰固定，烧嘴套筒包括中心套筒、至少一个中间层套筒及最外层套筒，所述烧嘴套筒的中心套筒、各中间层套筒、最外层套筒、冷却水套筒及冷却水第一渗透壁由内至外依次同轴套装安装于平盖封头及连接法兰内；所述中心套筒、中间层套筒、最外层套筒、冷却水套筒之间形成环隙，并在下端形成自内而外、逐级下降的环形出口，所述最外层套筒的下端为喷烧区域；各层环隙分别与侧部物料通道及侧部氧化剂通道交替连通；冷却水套筒与第一渗透壁的底部封闭，其内部形成的环隙与侧壁第一冷却水入口连通，所述反应器筒体顶部下方与第一渗透壁外部之间形成冷却区域，所述冷却区域与连接法兰上所制的气体出口连通。

所述中心套筒与顶部物料通道及顶部氧化剂通道连通。

所述最外层套筒与冷却水套筒之间的第一环形空腔与侧部物料通道连通。

所述反应器筒体顶部下方的筒壁向内收敛，所述冷却区域为倒锥体空间。

所述反应器筒体顶部下方的筒壁内侧设置第二渗透壁，所述第二渗透壁与筒壁内侧之间形成第二环形空腔，所述第二环形空腔与筒壁上的第二冷却水入口连通。

所述的第一渗透壁和第二渗透壁为多孔丝网烧结材料或者粉末冶金烧结材料。

经过所述第一渗透壁、第二渗透壁后雾化的冷却水进入所述冷却区域。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明的超临界水氧化反应器的燃烧器组件，可调控产物气体温度的烧嘴组合结构主要是有多层烧嘴套筒结构进行上下环套布置，通入的物料分别通过环向环隙进入喷烧，在多层烧嘴套筒底部形成阶梯形环状出口，避免物料相遇过早发生反应。当物料、氧化剂逐步交叉通过物料环隙、氧化剂环隙逐步在喷烧区域喷出后，发生超临界水氧化反应，之后高温产物气体向下移动，到冷却水套筒底端后折回向上进入冷却区域降温，之后通过气体出口排出。这样可避免物料在死区发生反应产生设备腐蚀，多层烧嘴组合结构对不同物料分开通入反应器，避免混合发生回流燃烧，通过对进入各容腔的物质量，对不同反应物的流量可实时监控。

2、本发明的超临界水氧化反应器的燃烧器组件，第一环形空腔、第二环形空腔分别通入一定流量的常温冷却水，在一定的压力下，冷却水通过渗透壁向冷却区域喷出雾化水蒸汽，在冷却区域形成一个雾化冷却空间，吸收冷却区域内超临界蒸汽的热量，通过调整通入冷却水的流量可调控筒体内部温度和气体产物温度。

3、本发明的超临界水氧化反应器的燃烧器组件，烧嘴组合结构简单，安装方便，可拆卸，在使用过程中若出现烧嘴喷出端出现高温灼烧，可及时拆卸更换。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

附图标记说明

1-筒体、2-平盖封头、3-封头法兰、4-顶部物料通道、5-物料第一容腔、6-氧化剂容腔、7-冷却水容腔、8-中心套筒、9-物料第一环隙、10-氧化剂环隙、11-第一环形空腔、12-第二环形空腔、13-第一渗透壁、14-第二渗透壁、15-中间层套筒、16-冷却水套筒、17-喷烧区域、18-冷却区域、19-气体出口、20-冷却水第一入口、21-冷却水第二入口、22-最外层套筒、23-顶部氧化剂通道、24-侧部氧化剂通道、25-物料第二通道、26-物料第一通道、27-物料第二环隙、28-物料第二容腔。

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。

如图1所示，本发明超临界水氧化反应器的燃烧器组件，包括安装于反应器筒体1顶部的平盖封头2、连接法兰3、烧嘴套筒、冷却水套筒16及冷却水第一渗透壁13。连接法兰3连接安装于反应器顶部与平盖封头2之间，烧嘴套筒包括中心套筒8、至少一个中间层套筒15及最外层套筒22。本实施例中给出了一个中间层套筒的例子。烧嘴套筒的中心套筒8、中间层套筒15、最外层套筒22、冷却水套筒16及冷却水第一渗透壁13由内至外依次同轴套装安装于平盖封头2及连接法兰3内，中心套筒8自平盖封头垂直插入，中心套筒8、中间层套筒15、最外层套筒22、冷却水套筒16之间形成环隙并具有逐级下降的环形出口。中心套筒与顶部物料通道4及顶部氧化剂通道23连通；中心套筒8、中间层套筒15之间为物料第一环隙9，物料第一环隙9与侧部通过物料第一容腔5与物料第一通道26连通；中间层套筒15、最外层套筒22之间形成氧化剂环隙10，氧化剂环隙10与氧化剂容腔6及侧部氧化剂通道24连通，侧部物料通道及侧部氧化剂通道间隔设置。最外层套筒22与冷却水套筒16之间形成物料第二环隙27，物料第二环隙27通过物料第二容腔28与物料第二通道25连通，冷却水套筒16与第一渗透壁13的底部封闭，其内部形成的第一环形空腔11通过冷却水容腔7与侧壁第一冷却水入口19连通，筒体1上端与第一渗透壁13外部之间形成冷却区域18，该冷却区域与连接法兰3上所制的气体出口19连通。

反应器的筒体1上端与连接法兰3进行连接的部位为倒锥体，在该倒锥体的内壁固装第二渗透壁14，在第二渗透壁14与倒锥体内壁之间形成第二环形空腔12，该环隙连通于倒锥体所制的冷却水第二入口21。

其中，多个环状的容腔自上而下同轴设置在平盖封头2和封头法兰3的中部，按内容物质类别分为物料第一容腔5、氧化剂容腔6和冷却水容腔7，物料第一容腔5和氧化剂容腔6自上而下间隔设置，冷却水容腔7设置在最下端。物料第一容腔5连通物料供应系统，氧化剂容腔6连通氧化剂供应系统，冷却水容腔7连通冷却水供应系统。

中心套筒8自平盖封头2中部伸入封头法兰3，中心套筒与顶部物料通道4及顶部氧化剂通道23连通，物料和氧化剂在顶部物料通道4的入口处混合进入，顶部物料通道4与多层烧嘴套筒的中心套筒8连接，外层套筒的底端长于内层套筒的底端，烧嘴套筒的中心套筒8、中间层套筒15、最外层套筒22之间留有环形环隙，在多层烧嘴套筒底部形成自内而外逐层向筒体1内部延伸的阶梯形环状出口，最外层套筒22的底端为喷烧区域17。烧嘴套筒内的环形环隙按照通过的物质类别，可分为物料第一环隙9、氧化剂环隙10，物料第一环隙9与物料第一容腔5连通，氧化剂环隙10与氧化剂容腔6连通，物料第一环隙9和氧化剂环隙10对应于物料第一容腔5和氧化剂容腔6，也是间隔设置。同时，最外层烧嘴套筒和次外层烧嘴套筒之间须为物料环隙。

当多层烧嘴套筒内的外层套筒的顶端低于内层套筒的顶端，则相邻两层套筒的顶端形成高度差，可自然地作为与各容腔的接口。

冷却水套筒16设置在烧嘴套筒的最外层套筒22之外，并与烧嘴套筒最外层套筒22之间形成物料第二环隙27，冷却水套筒16、封头法兰3的底部、筒体1的上部共同围成冷却区域18。筒体1中进行超临界水氧化反应的产物-超临界蒸汽进入冷却区域18中，并通过封头法兰3上的气体出口19排出。冷却水套筒16的外层设置第一渗透壁13，冷却水套筒16和第一渗透壁13之间为第一环形空腔11。冷却水套筒16和第一渗透壁13的底部封闭连接，第一环形空腔11与冷却水容腔7连通。

为了增加冷却效果，在冷却区域18的筒体1内壁上设置第二渗透壁14，第二渗透壁14和筒体1之间为第二环形空腔12。冷却水容腔7与封头法兰3上的冷却水第一入口20连通，第二环形空腔12通过筒体1上的冷却水第二入口21连通冷却水供应系统。

第一渗透壁13和第二渗透壁14为多孔丝网烧结材料或者粉末冶金烧结材料，孔径及孔隙率根据冷却水雾化原理进行计算。在一定的压力下，冷却水通过第一渗透壁13和第二渗透壁14雾化喷出，在冷却区域18形成一个雾化冷却空间，对即将通过气体出口19的超临界蒸汽进行冷却，以此来调控筒体1内温度和超临界蒸汽的输出温度。

由于第一环形空腔11与烧嘴套筒8下的喷烧区域17相邻，可辅助调节喷烧区域17的温度，避免烧嘴套筒8出现局部过热。

当物料、氧化剂分别通过物料环隙9、氧化剂环隙10逐步在喷烧区域17喷出后，发生超临界水氧化反应，之后高温产物气体向下移动，到冷却水套筒16底端后折回向上进入冷却区域18降温，之后通过气体出口19排出。

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 (7)

1.一种超临界水氧化反应器的燃烧器组件，其特征在于：包括安装于反应器筒体顶部的平盖封头、连接法兰、烧嘴套筒、冷却水套筒及冷却水第一渗透壁，所述反应器筒体顶部与所述平盖封头之间通过所述连接法兰固定，烧嘴套筒包括中心套筒、至少一个中间层套筒及最外层套筒，所述烧嘴套筒的中心套筒、各中间层套筒、最外层套筒、冷却水套筒及冷却水第一渗透壁由内至外依次同轴套装安装于平盖封头及连接法兰内；所述中心套筒、中间层套筒、最外层套筒、冷却水套筒之间形成环隙，并在下端形成自内而外、逐级下降的环形出口，所述最外层套筒的下端为喷烧区域；各层环隙分别与侧部物料通道及侧部氧化剂通道交替连通；冷却水套筒与第一渗透壁的底部封闭，其内部形成的环隙与侧壁第一冷却水入口连通，所述反应器筒体顶部下方与第一渗透壁外部之间形成冷却区域，所述冷却区域与连接法兰上所制的气体出口连通。

2.根据权利要求1所述的一种超临界水氧化反应器的燃烧器组件，其特征在于：所述中心套筒与顶部物料通道及顶部氧化剂通道连通。

3.根据权利要求1或2所述的一种超临界水氧化反应器的燃烧器组件，其特征在于：所述最外层套筒与冷却水套筒之间的第一环形空腔与侧部物料通道连通。

4.根据权利要求1所述的一种超临界水氧化反应器的燃烧器组件，其特征在于：所述反应器筒体顶部下方的筒壁向内收敛，所述冷却区域为倒锥体空间。

5.根据权利要求1或4所述的一种超临界水氧化反应器的燃烧器组件，其特征在于：所述反应器筒体顶部下方的筒壁内侧设置第二渗透壁，所述第二渗透壁与筒壁内侧之间形成第二环形空腔，所述第二环形空腔与筒壁上的第二冷却水入口连通。

6.根据权利要求5所述的一种超临界水氧化反应器的燃烧器组件，其特征在于：所述的第一渗透壁和第二渗透壁为多孔丝网烧结材料或者粉末冶金烧结材料。

7.根据权利要求6所述的一种超临界水氧化反应器的燃烧器组件，其特征在于：经过所述第一渗透壁、第二渗透壁后雾化的冷却水进入所述冷却区域。