CN105600913B - 一种超临界水系统的降压装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超临界水系统的降压装置及方法，包括降压支路、启动停机支路和阻力水支路，高压流体自降压支路的入口流入，降压后由降压支路的出口流出；启动停机支路并联在降压支路两端。通过物料流经毛细管时的沿程阻力实现系统降压，有效避免了采用单个阀门实现一步降压时易引发的阀门故障，此外还可防止含固体颗粒的物料降压过程中存在的阀门内部元件磨蚀及堵塞的问题。通过调节引入毛细管前阻力水的流量，可实现系统压力的精确控制。另外，通过配合并联的调节阀或背压阀，实现系统启动及停机过程的逐步升压及降压。

Description

一种超临界水系统的降压装置及方法

【技术领域】

本发明属于环境保护及化工领域，具体涉及一种超临界水系统的降压装置及方法。

【背景技术】

超临界水氧化技术(Supercritical Water Oxidation，简称SCWO)作为一种新兴的有机废物处理技术，是利用水在超临界状态(Tc＝374℃，Pc＝22.1MPa)下所具有的特殊性质，使有机物和氧化剂完全溶于超临界水中，并迅速发生均相氧化反应，迅速、彻底地将有机物转化成无害化的CO2、N2、H2O等小分子化合物。这是因为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明显改变。介电常数的显著降低导致碳氢化合物和气体如O2、N2及CO2在超临界水中的溶解度明显增加，因而氧化反应在均相环境中进行，有效避免了相界面对传质和传热的相间阻力。另外，超临界水的低粘度保证了反应物在超临界水中的高扩散率，进而促进了快速有效的反应。因此超临界水为有机物的氧化降解提供了理想的反应媒介。

与传统有机废物的处理技术相比，SCWO具有明显的技术优势：1)反应彻底、处理效率高；2)反应系统封闭，不会产生二次污染；3)反应速率极高，有机物完全去除所需停留时间很短(1～5min)，因此反应器的体积小，整个装置的占地面积少；4)重金属离子在SCWO过程中转化为残渣态，可实现高效稳定化。5)当有机物含量超过3wt％时，可依靠反应过程中自身释放的热量来维持系统热量平衡，不需外界补充辅助能量，富裕能量还可以回收利用。因此，超临界水氧化技术被广泛应用于有机废水及污泥的无害化处理领域。

要实现有机污染物在超临界水反应器内分解，就需要将含水物料加温加压至水的临界点以上(Tc＝374℃，Pc＝22.1MPa)，在反应器处理后物料就必须降温降压后，才可从系统中输出。现有的超临界水系统多采用一个压力调节阀来控制系统压力及降压，那么系统整个压降在一个点实现，这会导致此处非常高的物料流速，亦容易引发阀门出现故障，影响系统的运行可靠性。此外，对于含有固体颗粒的超临界水系统降压过程中，惰性无机盐的存在会导致调节阀内部元件出现严重的磨蚀或者堵塞，因此不建议一步实现流体的彻底降压。

毛细管的降压原理为通过流体流经小管径毛细管(ID.1～10mm)所产生的沿程阻力来实现物料压降，并且可通过调节进入毛细管的流体流量来实现毛细管前压力的精确控制。将毛细管降压器应用于超临界水系统实现物料压降，可有效避免采用单个阀门降压时管内流速过高和阀门磨蚀损坏的问题，另外通过控制进入毛细管的物料流量可实现超临界水系统压力的精确控制，进而保证系统稳定可靠的运行。

【发明内容】

本发明的目的是克服超临界水处理系统的降压不可靠的问题，提供一种一种超临界水系统的降压装置及方法，不仅可有效避免单个阀门降压存在的磨蚀、堵塞及不可靠的问题，还可实现对系统压力的精确控制。

为达到以上目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种超临界水系统的降压系统，包括降压支路、启动停机支路和阻力水支路，高压流体自降压支路的入口流入，降压后由降压支路的出口流出；启动停机支路并联在降压支路两端；阻力水支路的出口连接到降压支路的入口处；高压流体通过反应后液体管流入第二截止阀，且反应后液体管上还设置有用于监测超临界水氧化反应系统压力的压力表。

本发明进一步的改进在于：

所述阻力水支路包括阻力水储罐，阻力水储罐的出口依次连接阻力水泵和第一截止阀，第一截止阀的出口与阻力水接管相连通，阻力水接管的出口连接至降压支路的入口处。

所述降压支路包括依次串联的第二截止阀和毛细管降压器，第二截止阀的入口为降压支路的高压流体入口，毛细管降压器的出口为降压后的流体出口。

采用毛细管替换毛细管降压器，毛细管的出口串接第二调节阀，第二调节阀的出口为降压后的流体出口，启动停机支路的出口连接至第二调节阀出口后端的管路上。

所述毛细管降压器的管道内径为1～10mm。

所述启动停机支路包括依次串联第三截止阀和第一调节阀，第三截止阀的入口连接至第二截止阀入口前端的管路上，第一调节阀的出口连接至毛细管降压器出口后端的管路上。

采用背压调节阀替换第一调节阀。

所述启动停机支路包括四组并联的毛细管降压器，这四组毛细管降压器的长度依次减小，且均小于降压支路中的毛细管降压器的长度；启动停机支路的每个毛细管降压器的入口分别串接一个截止阀，四个截止阀的入口均连接至第二截止阀入口前端的管路上，四个毛细管降压器的出口均连接至降压支路中的毛细管降压器出口后端的管路上。

采用毛细管替换毛细管降压器；第一调节阀的出口与毛细管的出口汇合后与第二调节阀的入口相连通，第二调节阀的出口为降压后的流体出口。

本发明还公开了一种超临界水系统的降压方法，包括以下步骤：

1)系统启动阶段，阻力水支路的阻力水泵未启动，关闭降压支路的截止阀，打开启动停机支路的截止阀；随着系统充水，逐渐调节启动停机支路的调节阀的开度，使系统压力逐渐上升至设定操作压力；打开降压支路的截止阀，关闭启动停机支路的截止阀，同时开启阻力水支路的阻力水泵，使阻力水流过降压支路的毛细管，逐渐增加阻力水泵流量直至系统压力上升至设定工作压力；

2)系统运行阶段，通过调节阻力水泵的流量控制超临界水氧化反应反应器后的压力在24～26MPa；

3)系统停机阶段，关闭阻力水泵，打开启动停机支路的截止阀，关闭降压支路的截止阀，逐渐调节启动停机支路的调节阀的开度，使系统压力逐渐降低至设定操作压力。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

首先，本发明高压流体流经一定长度的毛细管，通过流体的沿程阻力实现其压力的稳步降低；其次毛细管作为降压部件，流体流经其流速可控制在一定的范围内，有效避免了通过单个阀门降压时流体流速过高而导致的阀门故障问题。对于含有固体颗粒的物料，毛细管降压方式可防止降压单元的磨蚀及堵塞问题，进而保障整个系统的安全、可靠、稳定的运行；最后，通过控制流入毛细管前的流体流量，可以实现超临界水系统压力的精确调节。

【附图说明】

图1是本发明实施例1的整体结构示意图；

图2是本发明实施例2的整体结构示意图；

图3是本发明实施例3的整体结构示意图；

图4是本发明实施例4的整体结构示意图；

图5是本发明实施例5的整体结构示意图。

其中：1-阻力水储罐；2-阻力水泵；3-截止阀；4-压力表；5-截止阀；6-截止阀；7-毛细管降压器；8-调节阀；9-反应后液体管；10-阻力水接管。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例1：

如图1所示，降压系统包括降压支路、启动停机支路和阻力水支路。降压支路包括毛细管降压器7，其管道内径在1～10mm范围内，毛细管降压器7连接于第二截止阀5。启动停机支路包括第一调节阀8，第一调节阀8连接于第三截止阀6。降压支路与启动停机支路之间并联连接。阻力水支路包括阻力水储罐1，储罐1出口连接于阻力水泵2进口，阻力水泵2出口与第一截止阀3连通，第一截止阀3连接于阻力水接管10。超临界水氧化反应后高压流体流入反应后液体管9，反应后液体管9出口连接于降压支路。阻力水接管10连接于反应后液体管9。通过压力表4监测超临界水氧化反应系统压力。

降压过程如下：

系统启动阶段，阻力水泵2未启动，关闭降压支路的第二截止阀5，打开启动停机支路第三截止阀6。随着系统充水，逐渐调节第一调节阀8开度，使系统压力逐渐上升至设定操作压力。打开降压支路第二截止阀5，关闭第三截止阀6，同时开启阻力水泵2，使阻力水流过毛细管7，逐渐增加水泵流量直至系统压力上升至设定工作压力。正常运行阶段，通过调节阻力水泵2的流量控制超临界水氧化反应系统压力。系统停机阶段，关闭阻力水泵2，打开启动停机支路第二截止阀5，关闭降压支路的第三截止阀6。逐渐调节第一调节阀8开度，使系统压力逐渐降低至设定操作压力。

实施例2：

如图2所示，将实施例1中的第一调节阀8替换为背压调节阀11。通过调节背压阀来实现系统启动及停机过程系统压力控制。

降压过程如下：

系统启动阶段，阻力水泵2未启动，关闭降压支路的第二截止阀5，打开启动停机支路第三截止阀6。随着系统充水，逐渐调节背压阀11，使系统压力逐渐上升至设定操作压力。打开降压支路第二截止阀5，关闭第三截止阀6，同时开启阻力水泵2，使阻力水流过毛细管7，逐渐增加水泵流量直至系统压力上升至设定工作压力。正常运行阶段，通过调节阻力水泵2的流量控制超临界水氧化反应系统压力。系统停机阶段，关闭阻力水泵2，打开启动停机支路第二截止阀5，关闭降压支路的第三截止阀6。逐渐调节背压阀11，使系统压力逐渐降低至设定操作压力。

实施例3：

如图3所示，将实施例1中的第一调节阀8替换为一组长度依次增大的并联连接的第一毛细管13、第二毛细管15、第三毛细管17和第四毛细管19。通过切换不同的毛细管支路来实现系统启动及停机过程系统压力控制。

降压过程如下：

系统启动阶段，阻力水泵2未启动，关闭第二截止阀5、第四截止阀12、第五截止阀14和第六截止阀16。打开第七截止阀18，随着对系统充水，使反应器压力逐渐上升至设定操作压力I。打开第六截止阀16，关闭第七截止阀18，直至反应器压力逐渐上升至设定操作压力Ⅱ。打开第五截止阀14，关闭第六截止阀16，直至反应器压力逐渐上升至设定操作压力Ⅲ。打开第四截止阀12，关闭第五截止阀14，直至反应器压力逐渐上升至设定操作压力Ⅳ。打开第二截止阀5，关闭第四截止阀12，同时开启阻力水泵2，逐渐增加水泵流量直至反应器压力上升至设定工作压力。正常运行阶段，通过调节阻力水泵2的流量控制超临界水氧化反应系统压力。系统停机阶段，关闭阻力水泵2，打开第四截止阀12，关闭第二截止阀5，使反应器压力逐渐降低至操作压力Ⅳ。打开第五截止阀14，关闭第四截止阀12，使反应器压力逐渐降低至操作压力Ⅲ。打开第六截止阀16，关闭第五截止阀14，使反应器压力逐渐降低至操作压力Ⅱ。打开第七截止阀18，关闭第六截止阀16，使反应器压力逐渐降低至操作压力I。随着物料泵流量降低，使系统压力减小至常压。

实施例4：

如图4所示，将实施例1或2中的毛细管降压器7可替换为毛细管20与第二调节阀21的串联组合，使压降分别分布在毛细管20和第二调节阀21上。

降压过程如下：

系统启动阶段，阻力水泵2未启动，关闭降压支路的第二截止阀5，打开启动停机支路第三截止阀6。随着系统充水，逐渐调节第一调节阀8或背压阀11，使系统压力逐渐上升至设定操作压力。打开降压支路第二截止阀5，关闭第三截止阀6，将第二调节阀21开度打开至设定值，同时开启阻力水泵2，使阻力水流过毛细管20和第二调节阀21，逐渐增加水泵流量直至系统压力上升至设定工作压力。正常运行阶段，通过调节阻力水泵2的流量控制超临界水氧化反应器压力。系统停机阶段，关闭阻力水泵2，打开启动停机支路第二截止阀5，关闭降压支路的第三截止阀6。逐渐调节第一调节阀8或背压阀11，使系统压力逐渐降低至设定操作压力。

实施例5：

如图5所示，将实施例4中的第二调节阀21串联于降压支路和启动停机支路的并联组合下游。

降压过程如下：

系统启动阶段，阻力水泵2未启动，第二调节阀21处于全开状态，关闭降压支路的第二截止阀5，打开启动停机支路第三截止阀6。随着系统充水，逐渐调节第一调节阀8或背压阀11，使系统压力逐渐上升至设定操作压力。打开降压支路第二截止阀5，关闭第三截止阀6，将第二调节阀21开度打开至设定值，同时开启阻力水泵2，使阻力水流过毛细管20和第二调节阀21，逐渐增加水泵流量直至系统压力上升至设定工作压力。正常运行阶段，通过调节阻力水泵2的流量控制超临界水氧化反应器压力。系统停机阶段，关闭阻力水泵2，逐渐打开第二调节阀21直至全开，打开启动停机支路第二截止阀5，关闭降压支路的第三截止阀6。逐渐调节第一调节阀8或背压阀11，使系统压力逐渐降低至设定操作压力。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超临界水系统的降压装置，其特征在于，包括降压支路、启动停机支路和阻力水支路，高压流体自降压支路的入口流入，降压后由降压支路的出口流出；启动停机支路并联在降压支路两端；阻力水支路的出口连接到降压支路的入口处；高压流体通过反应后液体管(9)流入第二截止阀(5)，且反应后液体管(9)上还设置有用于监测超临界水氧化反应系统压力的压力表(4)；

所述阻力水支路包括阻力水储罐(1)，阻力水储罐(1)的出口依次连接阻力水泵(2)和第一截止阀(3)，第一截止阀(3)的出口与阻力水接管(10)相连通，阻力水接管(10)的出口连接至降压支路的入口处；

所述降压支路包括依次串联的第二截止阀(5)和毛细管降压器(7)，第二截止阀(5)的入口为降压支路的高压流体入口，毛细管降压器(7)的出口为降压后的流体出口，所述毛细管降压器(7)的管道内径为1～10mm；

所述启动停机支路包括依次串联第三截止阀(6)和第一调节阀(8)，第三截止阀(6)的入口连接至第二截止阀(5)入口前端的管路上，第一调节阀(8)的出口连接至毛细管降压器(7)出口后端的管路上。

2.根据权利要求1所述的超临界水系统的降压装置，其特征在于，采用毛细管(20)替换毛细管降压器(7)，毛细管(20)的出口串接第二调节阀(21)，第二调节阀(21)的出口为降压后的流体出口，启动停机支路的出口连接至第二调节阀(21)出口后端的管路上。

3.根据权利要求1所述的超临界水系统的降压装置，其特征在于，采用背压调节阀(11)替换第一调节阀(8)。

4.根据权利要求1所述的超临界水系统的降压装置，其特征在于，所述启动停机支路包括四组并联的毛细管降压器，这四组毛细管降压器的长度依次减小，且均小于降压支路中的毛细管降压器(7)的长度；启动停机支路的每个毛细管降压器的入口分别串接一个截止阀，四个截止阀的入口均连接至第二截止阀(5)入口前端的管路上，四个毛细管降压器的出口均连接至降压支路中的毛细管降压器(7)出口后端的管路上。

5.根据权利要求1所述的超临界水系统的降压装置，其特征在于，采用毛细管(20)替换毛细管降压器(7)；第一调节阀(8)的出口与毛细管(20)的出口汇合后与第二调节阀(21)的入口相连通，第二调节阀(21)的出口为降压后的流体出口。

6.一种采用权利要求1所述降压装置的降压方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)系统启动阶段，阻力水支路的阻力水泵未启动，关闭降压支路的截止阀，打开启动停机支路的截止阀；随着系统充水，逐渐调节启动停机支路的调节阀的开度，使系统压力逐渐上升至设定操作压力；打开降压支路的截止阀，关闭启动停机支路的截止阀，同时开启阻力水支路的阻力水泵，使阻力水流过降压支路的毛细管，逐渐增加阻力水泵流量直至系统压力上升至设定工作压力；

2)系统运行阶段，通过调节阻力水泵的流量控制超临界水氧化反应器反应后的压力在24～26MPa；

3)系统停机阶段，关闭阻力水泵，打开启动停机支路的截止阀，关闭降压支路的截止阀，逐渐调节启动停机支路的调节阀的开度，使系统压力逐渐降低至设定操作压力。