CN105776492B - 一种间接换热型超临界水氧化系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种间接换热型超临界水氧化系统及控制方法，主要包括超临界水氧化反应主流程和中间介质回路。控制方法包括两流程升压升温控制、降温降压控制、正常运行控制。本发明着眼于间接换热型超临界水氧化系统工程化实践的自动化控制策略，系统升温过程采用循环加热的思想，有效降低了加热设备投资；避免了两流程间工作压力的不匹配，确保了系统升温或者降温阶段预热器/换热器内外管中超临界压力流体间换热的有效性；反应温度的有效控制及关键设备超温保护，保证了工艺效果与系统安全。

Description

一种间接换热型超临界水氧化系统及控制方法

【技术领域】

本发明属于超临界水处理有机废物领域，特别涉及一种间接换热型超临界水氧化系统及控制方法。

【背景技术】

超临界水(Supercritical Water，简称SCW)是指温度和压力均高于其临界点(Tc＝374.15℃，Pc＝22.12MPa)的特殊状态的水。超临界水氧化技术是利用超临界水的低粘度、低介电常数、高扩散性等特殊性质，使完全溶解在其中的有机物与氧化剂发生快速、彻底的均相反应，有机物中的碳元素转化成二氧化碳，氯、硫、磷等元素转化成相应的无机盐，氮元素绝大多数转化成氮气，实现有机废物的高效无害化处理。此外，无机盐类在SCW中的溶解度极低，容易被分离出来，处理后的液体为洁净的水；当有机废水中有机物质量浓度超过2％时，可以依靠反应放热维持系统热量平衡，无需外界补充热量；设备体积小、安全性好、符合封闭性要求。超临界水氧化技术在处理难降解、有毒有害有机物方面表现出了极大的技术优势。该技术在美国国家关键技术所列的六大领域之一“能源与环境”中被定义为最有前途的废水处理技术。

超临界水氧化反应为高温高压反应，因而待处理物料的预热、反应出水的降温是超临界水氧化工艺中必不可少的环节。对于传统超临界水氧化工艺，通常借助换热器，待处理物料作为冷却介质对超临界水氧化反应出水进行降温，同时实现待处理物料的预热升温。预热升温后的待处理物料接着进入反应器，实现超临界水氧化系统的连续运行。由于320～410℃范围的临界点附近为高密度水区，水的介电常数和无机盐的溶解度都很大，该温度段为腐蚀敏感区，为传统超临界水氧化工艺中，设备腐蚀最严重的工艺段，而该工艺段恰恰对应于上述换热器的冷、热流体侧，对该换热器的持久可靠运行构成了潜在威胁。

此外，各类有机废液及污泥等待处理物料中往往含有大量的强腐蚀性组分如氯根等，当待处理物料内有机污染物中还含有卤素、硫或者磷等杂原子，在超临界水氧化反应过程还会产生相应的无机酸。此外，为了保证有机污染物的氧化降解效果，氧化剂的供给往往是过量的，有时氧化系数(氧化剂的供给量与有机废物氧化对氧化剂的消耗量的比值)甚至可高达3以上，超临界水氧化反应出水中往往含有较高含量的残留氧化剂。因此，超临界水氧化反应出水的腐蚀性常常更强于待处理物料。对于上述换热器，其冷却介质为待处理物料，热流体为超临界水氧化反应出水。若采用耐压能力强的套管式换热器时，则内管的内外壁面、外管的内壁面皆面临着严重的腐蚀威胁。换热设备的内外管皆须采用高端耐蚀合金，其制造成本较高。此外相对于内管流程，外管流程的局部堵塞可能性较大，当外管流程中流体为无机盐或者不溶性固体含量较高的超临界水流体时，极易导致外管流程的堵塞事故。

传统超临界水氧化工艺中待处理物料与反应出水直接换热设备的投资高、腐蚀/堵塞风险大，间接换热型超临界水氧化工艺有效克服了该问题。该工艺主要包括中间介质回路和超临界水氧化反应主流程，通过设置回热器、预热器，借助中间介质循环，实现间接地将超临界水氧化反应出水的热量传递给后续待处理物料。此时，预热器、回热器的内管侧走腐蚀性流体(预热器内管为待处理物料、回热器内管为超临界水氧化反应出水)，外管侧为干净的除盐水，因此预热器与回热器仅其内管需采用高端耐蚀合金，外管采用较为廉价的碳钢或者低合金钢即可，从而大大降低了超临界水氧化工艺中预热-冷却设备的投资成本。此外，外管侧为干净的除盐水，避免了外管侧走脏流体(待处理物料或者反应出水)时的堵塞风险。

为保证工艺可操作性及其运行经济性，采用超临界水作为中介导热介质是比较优质的选择。此时，系统正常运行过程中反应主流程与中间介质回路的压力皆为超临界压力。对于超临界水体系，由于其临界点附近存在大比热区存在，合理匹配换热器内外管中超临界压力流体的焓温变化特性，是保证有效换热的前提。两流程间操作压力、温度的匹配对系统启动与停机的安全可靠性、系统运行效果起决定性作用。因此，制定合理的系统控制策略是保证间接换热型超临界水氧化工艺顺利开展工程实践的必要前提。

【发明内容】

本发明的目的是针对背景技术中间接换热型超临界水氧化系统工艺参数高，且两流程间温度压力匹配要求高的问题，提供一种间接换热型超临界水氧化系统及控制方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种间接换热型超临界水氧化系统，包括超临界水氧化反应主流程、中间介质回路以及除盐水补充系统；超临界水氧化反应主流程包括物料缓冲罐，物料缓冲罐通过物料泵连接到预热器的内管，预热器的内管出口通过减温器连接到反应器的内管，反应器的内管出口与回热器的内管相连通，回热器的内管出口通过与三相分离器的入口相连通；

中间介质回路包括缓冲罐和管道增压泵，缓冲罐的出口与管道增压泵相连，管道增压泵的出口与回热器的外管相连通，回热器的外管出口连接加热器，加热器的出口与预热器的外管相连通，预热器的外管出口连接到缓冲罐的入口上。

本发明进一步的改进在于：

所述回热器的内管出口通过降压器与三相分离器相连。

所述反应器的内管入口通过氧气控制阀连接氧气管路。

所述物料缓冲罐的出口处的管道上设置有物料缓冲罐出口控制阀。

所述缓冲罐上设置有用于调节中间介质回路压力的背压阀。

所述除盐水补充系统包括除盐水箱，除盐水箱的出口分为两路，一路连接至物料泵入口前的管路上，另一路连接到高压变频泵的入口；高压变频泵的出口分为三路，第一路与缓冲罐的入口相连通，第二路与减温器的入口相连通，第三路与除盐水箱的入口相连通。

所述除盐水箱出口至物料泵入口前的管路上设置有除盐水管路控制阀；高压变频泵通过补水控制阀与缓冲罐相连，通过减温水控制阀与减温器相连，通过回流背压阀与除盐水箱相连。

一种间接换热型超临界水氧化系统的控制方法，包括以下步骤：

1)系统启动前：所有控制阀处于关闭状态、背压阀处于全开状态；

2)系统启动：

2-1)物料泵向超临界水氧化反应主流程内充注除盐水，逐步调节降压器，直至反应器处压力升高至目标压力值A1，此时主流程升压完成；

2-2)设置回流背压阀目标压力值为A2，采用高压变频泵向缓冲罐除盐水，然后启动管道增压泵使中间介质回路内的介质循环起来，逐步调小背压阀开度直至缓冲罐内的压力升高至目标压力值A2，此时中间介质回路升压完成；

2-3)启动加热器对中间介质加热，调节加热器功率以保证反应器的入口具有恒定的温升速率，待反应器的入口达到目标温度值B1后，物料泵进口流体切换成来自物料缓冲罐的待处理物料，同时开启氧气控制阀向反应器供应氧气，至此系统启动过程完毕；

3)正常运行：

a)若缓冲罐内压力升高，增大背压阀开度以泄压；若缓冲罐内压力降低，则开启控制阀向缓冲罐补水；

b)通过调节降压器及物料泵流量维持反应器，使压力处于25±1MPa；

c)若反应器出口温度低于B2，则增加热器功率；若反应器出口温度高于B3，则降低加热器功率；反应器上壁面温度最大值达到B4时，关闭加热器，若反应器上壁面温度最大值继续升高至B5，则开启减温水控制阀；

4)系统停机：

4-1)关闭氧气管路控制阀，停止氧气供应；物料泵进口流体切换为除盐水；调节加热器功率，保证反应器出口具有恒定的降温速率，降温过程中控制降压器和背压阀，分别确保反应器出口处、缓冲罐内压力仍维持在目标压力值A；

4-2)待反应器出口温度降至目标温度值B6时，关闭物料泵、管道增压泵和高压变频泵，控制降压器和背压阀，使两回路逐级降压至常压；

上述目标温度值大小关系如下：B6<B1<B2<B3<B4<B5。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、系统启动时先升压后升温：首先进行两流程的充水升压，实现二者间工作压力的匹配，以保证后续升温阶段预热器/换热器内外管中超临界压力流体间换热的有效性；通过调节中间介质回路背压阀和反应主流程降压器，以维持二流程的工作压力，以确保升温过程的顺利进行。

2、系统启动升温循环加热：通过中介介质多次循环在加热器处吸热，提高自身温度的同时，将部分热量传递给反应主流程，最终实现整个系统的升温。此时，加热器无需将流过的中间介质一次性加热到目标温度值，因此加热器的设计功率较低，其投资较小。

3、系统停机时先降温后降压：通过调节中间介质回路背压阀和反应主流程降压器，以维持二流程的工作压力，以确保降温阶段预热器/换热器内外管中超临界压力流体间换热的有效性；当系统降温至近常温后，再调节中间介质回路背压阀和反应主流程降压器，分别进行两流程的逐级缓慢降压。

4、系统正常运行时，调节加热器功率，确保反应器内工作温度处于正常范围；反应器上设置有停止加热器、喷水降温两级超温保护措施，以保证反应器安全。流程上设置有压力联锁控制手段，维持两流程工作压力的正常，以确保中间介质导热效果的良好。

【附图说明】

图1是本发明系统的整体结构示意图。

其中，1-物料缓冲罐；2-物料泵；3-预热器；4-减温器；5-反应器；6-回热器；7-降压器；8-三相分离器；9-除盐水箱；10-管道增压泵；11-加热器；12-缓冲罐；13-背压阀；14-高压变频泵；15-回流背压阀；V1-物料缓冲罐出口控制阀；V2-除盐水管路控制阀；V3-补水控制阀；V4-减温水控制阀；V5-氧气控制阀。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明间接换热型超临界水氧化系统主要包括超临界水氧化反应主流程、中介介质流程及其他辅助管道，超临界水氧化反应主流程包括物料缓冲罐1连接物料泵2，且二者间设置有物料缓冲罐出口控制阀V1，物料泵2连接预热器3内管，预热器3内管出口接至减温器4入口1，减温器4出口接至反应器5入口1，反应器5出口接至回热器6内管，回热器6内管出口接至降压器7，降压器7出口接至三相分离器8。中间介质导热流程包括缓冲罐12出口接至管道增压泵10，管道增压泵10出口接至回热器6外管，回热器6外管出口接至加热器11，加热器11出口接至预热器3外管，预热器3外管出口接至缓冲罐12入口1，且缓冲罐12顶部设置有背压阀13。其他辅助管路包括除盐水箱9出口第一支路经除盐水管路控制阀V2接至物料泵2与物料缓冲罐出口控制阀V1间管路；除盐水箱9出口第二支路接至高压变频泵14，高压变频泵14出口设置三个支路：其一经回流背压阀15返回除盐水箱9，其二经减温水控制阀V4接至减温器4入口2，其三经补水控制阀V3接至缓冲罐12入口2；氧气管路经氧气控制阀V5接至反应器5入口2。

系统启动初期，确保物料缓冲罐出口控制阀V1、除盐水管路控制阀V2、补水控制阀V3、减温水控制阀V4皆处于关闭状态，背压阀13、回流背压阀15、降压器7皆处于全开状态。

系统启动时，首先打开补水控制阀V3，设置回流背压阀15目标压力值为A2，启动高压变频泵14向缓冲罐12充注来自除盐水箱9的除盐水；待缓冲罐12内有一定液位后，启动管道增压泵10使中间介质回路内介质循环起来；逐步调小背压阀13开度直至缓冲罐内压力升高至目标压力值A2，此时中间介质回路升压完成。同时，打开除盐水管路控制阀V2，启动物料泵2，采用来自除盐水箱16的除盐水进行反应主流程的充水；逐步调节降压器7，直至反应器处压力升高至目标压力值A1，此时主流程升压完成。待两流程皆升压完成后，启动加热器11对中间介质加热，在中间介质的循环流动导热下，系统温度逐步升高。升温过程中，调节加热器11功率以保证反应器5入口具有适宜的温升速率，待反应器入口达到目标温度值B1后，开启物料缓冲罐出口控制阀V1，关闭除盐水管路控制阀V2，物料泵2进口流体由除盐水切换成待处理物料。同时，开启氧气控制阀17向反应器5供应氧气，此时启动过程完毕。关闭缓冲罐12入口2管路上补水控制阀V3。

系统正常运行过程中调节手段如下：a、若缓冲罐12内压力升高，增大背压阀13开度以泄压；若缓冲罐12内压力降低，则开启补水控制阀V3向缓冲罐12补水。b、调节降压器7及物料泵2流量维持反应器5后压力处于正常范围。c、若反应器5出口温度低于B2，则增加热器11功率；若反应器5出口温度高于B3，则降低加热器11功率；反应器上壁面温度最大值达到B4时，关闭加热器11，若反应器上壁面温度最大值继续升高至B5，则开启减温水控制阀V4，以保证反应器安全。

系统受到停机指令后，开启除盐水管路控制阀V2，关闭物料缓冲罐出口控制阀V1，物料泵2进口流体由待处理物料切换成除盐水；关闭氧气管路氧气控制阀V5，停止氧气供应；调节加热器11功率，保证反应器5出口具有适宜的降温速率，降温过程中调节降压器7和背压阀13，分别确保反应器5出口处、缓冲罐12内压力仍维持在目标压力值A1、A2。待反应器出口温度降至目标温度值B6时，停止物料泵5、管道增压泵13和高压变频泵14，控制降压器7和背压阀13，使两回路逐级缓慢降压至常压。

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 (1)

1.一种间接换热型超临界水氧化系统的控制方法，所述间接换热型超临界水氧化系统，包括超临界水氧化反应主流程、中间介质回路以及除盐水补充系统；超临界水氧化反应主流程包括物料缓冲罐(1)，物料缓冲罐(1)通过物料泵(2)连接到预热器(3)的内管，预热器(3)的内管出口通过减温器(4)连接到反应器(5)的内管，反应器(5)的内管出口与回热器(6)的内管相连通，回热器(6)的内管出口通过与三相分离器(8)的入口相连通；

中间介质回路包括缓冲罐(12)和管道增压泵(10)，缓冲罐(12)的出口与管道增压泵(10)相连，管道增压泵(10)的出口与回热器(6)的外管相连通，回热器(6)的外管出口连接加热器(11)，加热器(11)的出口与预热器(3)的外管相连通，预热器(3)的外管出口连接到缓冲罐(12)的入口上；

回热器(6)的内管出口通过降压器(7)与三相分离器(8)相连；反应器(5)的内管入口通过氧气控制阀(V5)连接氧气管路；物料缓冲罐(1)的出口处的管道上设置有物料缓冲罐出口控制阀(V1)；缓冲罐(12)上设置有用于调节中间介质回路压力的背压阀(13)；除盐水补充系统包括除盐水箱(9)，除盐水箱(9)的出口分为两路，一路连接至物料泵入口前的管路上，另一路连接到高压变频泵(14)的入口；高压变频泵(14)的出口分为三路，第一路与缓冲罐(12)的入口相连通，第二路与减温器(4)的入口相连通，第三路与除盐水箱(9)的入口相连通；除盐水箱(9)出口至物料泵入口前的管路上设置有除盐水管路控制阀(V2)；高压变频泵(14)通过补水控制阀(V3)与缓冲罐(12)相连，通过减温水控制阀(V4)与减温器(4)相连，通过回流背压阀(15)与除盐水箱(9)相连；其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

1)系统启动前：所有控制阀处于关闭状态、背压阀处于全开状态；

2)系统启动：

2-1)物料泵(2)向超临界水氧化反应主流程内充注除盐水，逐步调节降压器(7)，直至反应器处压力升高至目标压力值A1，此时主流程升压完成；

2-2)设置回流背压阀(15)目标压力值为A2，采用高压变频泵(14)向缓冲罐(12)充注除盐水，然后启动管道增压泵(10)使中间介质回路内的介质循环起来，逐步调小背压阀(13)开度直至缓冲罐(12)内的压力升高至目标压力值A2，此时中间介质回路升压完成；

2-3)启动加热器(11)对中间介质加热，调节加热器(11)功率以保证反应器(5)的入口具有恒定的温升速率，待反应器(5)的入口达到目标温度值B1后，物料泵(2)进口流体切换成来自物料缓冲罐(1)的待处理物料，同时开启氧气控制阀(V5)向反应器供应氧气，至此系统启动过程完毕；

3)正常运行：

a)若缓冲罐(12)内压力升高，增大背压阀(13)开度以泄压；若缓冲罐(12)内压力降低，则开启补水控制阀(V3)向缓冲罐(12)补水；

b)通过调节降压器(7)及物料泵(2)的流量，使反应器(5)的压力维持在25±1MPa；

c)若反应器(5)出口温度低于B2，则增加加热器(11)功率；若反应器(5)出口温度高于B3，则降低加热器(11)功率；反应器上壁面温度最大值达到B4时，关闭加热器(11)，若反应器上壁面温度最大值继续升高至B5，则开启减温水控制阀(V4)；

4)系统停机：

4-1)关闭氧气控制阀(V5)，停止氧气供应；物料泵(2)进口流体切换为除盐水；调节加热器(11)功率，保证反应器(5)出口具有恒定的降温速率，降温过程中控制降压器(7)和背压阀(13)，分别确保反应器(5)出口处、缓冲罐(12)内压力仍维持在目标压力值A；

4-2)待反应器出口温度降至目标温度值B6时，关闭物料泵、管道增压泵(10)和高压变频泵(14)，控制降压器(7)和背压阀(13)，使两回路逐级降压至常压；

上述目标温度值大小关系如下：B6<B1<B2<B3<B4<B5。