CN106007079A - 一种易放大的超临界水氧化处理装置 - Google Patents

一种易放大的超临界水氧化处理装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种易放大的超临界水氧化处理装置，通过将富氧膜组件与超临界水氧化系统耦合，有效地解决了采用空气作为氧化剂时因压缩大量氮气而导致运行成本过高及大型高压空压机难以采购的问题；同时选择具有经济性规格的超临界水反应器进行并联，巧妙实现超临界水反应器的放大和确保了系统的安全稳定；系统热量逐级充分回收利用，末端采用空冷技术确保温度降低；系统出水采用反渗透膜组件产生纯水，部分用于产蒸汽，富余部分用于外供生活或生产，实现了水资源的充分回收利用。巧妙实现了整体装置的放大，增强了超临界水氧化处理装置的规模化效应，提升了该技术的整体经济性，有助于推动该技术的大规模应用。

Description

一种易放大的超临界水氧化处理装置
技术领域
本发明属废有机物处理技术，涉及一种利用超临界水作为反应介质对高浓度有机废水进行无害化处理的装置，具体是一种易放大的超临界水氧化处理装置。
背景技术
超临界水氧化技术(Supercritical Water Oxidation，简称SCWO)已被公认为是非常高效和有前途的废有机物去除技术，美国国家关键技术六大领域之一“能源与环境”指出，二十一世纪最有前途的有机废物处理技术之一是超临界水氧化技术。该技术利用有机物和氧化剂在超临界水中特殊的溶解和传质特性，有机物在氧化剂足量的环境中进行均相，迅速、彻底地反应，从而实现机物的彻底降解，最终为H2O、CO2和无机盐。该技术主要应用于高毒性、高浓度、难生化降解的有机废水的处理，具有无二次污染，能实现自热，能量回收及反应迅速等突出优势，有光明的发展前景。
超临界水氧化装置采用空气作为氧化剂较为安全、经济和便捷，但是采用空气作为氧化剂由于需要压缩大量的氮气，会造成的巨大能耗，一方面导致运行费用的增高，另一方面同时具有大吸气量和高压压缩能力的压缩机难以采购；再者，目前建成的超临界水氧化装置很少报道有超过300t/d，而通常废水量很大，废水处理量大需要大容积的反应器，而超临界水氧化的高温高压反应器难以制造大尺寸。以上三点均增加了投资成本、大规模制造难度及增加了运行成本，影响超临界水氧化技术的规模化效应，严重制约了超临界水氧化技术大规模应用。
鉴于SCWO实际应用过程中面临难以放大，规模效应差的问题，重点需要解决反应器的放大和空气压缩机的问题，放大后的系统能形成规模效应，进而有效降低SCWO的运行成本和投资成本，大规模地推广应用。
发明内容
本发明的目的是克服SCWO系统难以放大，规模效应差的缺点，设计时面临高投资和高运行成本的问题，提供一种易放大的超临界水氧化处理装置，可以广泛应用于有机废水的高效、低成本无害化处理。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种易放大的超临界水氧化处理装置由空气进口管1、富氮空气出口管2、富氧膜组件3、富氧空气出口管4、高压气体压缩机5、第一预热器6、高压废水泵7、加热器8、第二预热器9、第一混合器10、第二混合器11、第一超临界水反应器12、第二超临界水反应器13、第三超临界水反应器14、净水泵15、回热器16、外供蒸汽出口管17、净水管路18、降压阀19、空冷器20、气液分离器21、反渗透膜组件22、回用净水出口管23、无害浓盐水外排出口管24、第一电动截止阀25、第二电动截止阀26组成。
1.各部件的結构如下：
所述富氧膜组件3设有空气进口、富氮空气出口、富氧空气出口。所述第一预热器6为管式换热器，设有管侧进口、管侧出口和壳侧进口、壳侧出口。所述加热器8为管式换热器设有壳侧高压废水进口和壳侧高压废水出口。所述第二预热器9为管式换热器，设有管侧进口、管侧出口和壳侧进口、壳侧出口。所述第一混合器10设有富氧空气进口、高压热废水进口和气水混合物出口。所述第二混合器11设有第一反应器反应物进口、第二反应器反应物进口、第三反应器反应物进口和反应物出口。所述第一超临界水反应器12、第二超临界水反应器13、第三超临界水反应器14分别设有气水混合物进口和反应物出口。所述回热器16为管式换热器，设有管侧进口、管侧出口和壳侧进口、壳侧出口；所述气液分离器21顶部设有二氧化碳和氮气排气口、上中部设有降压冷却后反应物进口和底部液体出口。所述反渗透膜组件22设有液体进口、净水出口、回用净水出口和无害浓盐水出口。
2.各部件的连接方式如下：
空气进口管1与富氧膜组件3的空气入口连接，富氧膜组件3的富氧空气出口与富氧空气出口管4的一端连接，富氧空气出口管4的另一端与高压气体压缩机5的进口连接，富氧膜组件3的富氮空气从富氮空气出口管2排出，高压气体压缩机5的出口与第一预热器6的管侧进口连接。
废水进入高压废水泵7，高压废水泵7出口通过第二电动截止阀26与第二预热器9的管侧进口连接或通过第一电动截止阀25与加热器8的壳侧高压废水进口连接，加热器8的壳侧高压废水出口与第二预热器9的管侧进口连接。
第一预热器6的管侧出口与第一混合器10的富氧空气进口连接，第二预热器9的管侧出口与第一混合器10的高压废热水进口连接，第一混合器10的气水混合物出口分别与第一超临界水反应器12、第二超临界水反应器13和第三超临界水反应器14的气水混合物进口连接，第一超临界水反应器12、第二超临界水反应器13和第三超临界水反应器14的反应物的出口分别与第二混合器11的第一超临界水反应器反应物进口、第二超临界水反应器反应物进口、第三超临界水反应器反应物进口连接。
第二混合器11的反应物出口与一预热器6的壳侧进口连接，一预热器6的壳侧出口与第二预热器9的壳侧进口连接，第二预热器9的壳侧出口与回热器16的管侧进口连接，第二预热器9的管侧出口与降压阀19进口连接，降压阀19出口与空冷器20进口连接；空冷器20出口与气液分离器21上中部降压冷却后反应物进口连接。
气液分离器21底部液体出口与反渗透膜组件22的液体进口连接，反渗透膜组件22的净水出口通过净水管路18与净水泵15进口连接，净水泵15出口与回热器16的壳侧进口连接，回热器16的壳侧出口与外供蒸汽出口管17连接；反渗透膜组件22的净水出口与回用净水出口管23连接，反渗透膜组件22的无害浓盐水出口与无害浓盐水外排出口管24连接。
上述的空气作为氧化剂在进入气体压缩机5前先经过富氧膜组件3处理成富氧空气。
上述的超临界水反应器由第一超临界水反应器12、第二超临界水反应器13、第三超临界水反应器14并联，其反应器可以是釜式或管式。
上述的经超临界水氧化处理装置处理后的水经反渗透膜组件22处理后产生净水和蒸汽供外用。
上述的经超临界水氧化处理装置的加热器16，可以是电加热、燃油加热或燃气加热。
上述的装置的热量实现整体逐级回收，且采用空气冷却，确保进入气液分离器21的流体充分降温冷却，便于调节。
本发明装置的主要优点如下：
1.本发明解决了高压空气压缩机的放大问题，随着系统的放大，需氧化剂的量也会随之上升，而采用空气作为氧化剂具有安全、便捷和经济的优势，而当高压压缩机需要压缩大量空气时，在压缩氧气的同时也压缩了大量的氮气，大量的电能都消耗在压缩氮气上，导致运行成本的增加，而高压且进气量大的压缩机难以采购，且采购成本高。若采用富氧膜组件在空气进高压气体压缩机前提高空气中氧气的浓度，则能减少气体压缩机的进气量，使高压压缩机更易采购，且减少了压缩氮气的电耗，提高系统运行的经济性。
2.本发明解决了反应器的放大问题，随着系统的放大，同样反应停留时间需要反应器容积会增大，而超临界水反应器为高温高压设备，如果容积过大，会导致壁厚迅速增加，壁厚的增加会增加加工制造难度和制造成本，另一方面尺寸过大的反应器也会增加系统的危险性。而若采用若干小的反应器并联即可避免制造过大尺寸的反应器，同时又保证了反应停留时间，在解决了系统的放大关键问题的同时提升了系统的安全性。
3.利用反渗透膜组件处理后出水，产生纯水回用，部分供系统产蒸汽，另一部分回用生产或生活，实现水资源内部循环，不消耗外部新鲜水，提高了系统的环保性和经济性。
以上优点，在满足废水整体处理效果的前提下，实现了系统处理能力的放大，有效降低系统的运行成本。
附图说明
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明一种易放大的超临界水氧化处理装置的结构示意图。
图中：空气进口管1、富氮空气出口管2、富氧膜组件3、富氧空气出口管4、高压气体压缩机5、第一预热器6、高压废水泵7、加热器8、第二预热器9、第一混合器10、第二混合器11、第一超临界水反应器12、第二超临界水反应器13、第三超临界水反应器14、净水泵15、回热器16、外供蒸汽出口管17、净水管路18、降压阀19、空冷器20、气液分离器21、反渗透膜组件22、回用净水出口23、无害浓盐水外排出口24、第一电动截止阀25、第二电动截止阀26。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施对本发明作进一步描述。
一种易放大的超临界水氧化处理装置如图1所示，一种易放大的超临界水氧化处理装置由空气进口管1、富氮空气出口管2、富氧膜组件3、富氧空气出口管4、高压气体压缩机5、第一预热器6、高压废水泵7、加热器8、第二预热器9、第一混合器10、第二混合器11、第一超临界水反应器12、第二超临界水反应器13、第三超临界水反应器14、净水泵15、回热器16、外供蒸汽出口管17、净水管路18、降压阀19、空冷器20、气液分离器21、反渗透膜组件22、回用净水出口管23、无害浓盐水外排出口管24、第一电动截止阀25、第二电动截止阀26组成。
1.各部件的結构如下：
所述富氧膜组件3设有空气进口、富氮空气出口、富氧空气出口。所述第一预热器6为管式换热器，设有管侧进口、管侧出口和壳侧进口、壳侧出口。所述加热器8为管式换热器设有壳侧高压废水进口和壳侧高压废水出口。所述第二预热器9为管式换热器，设有管侧进口、管侧出口和壳侧进口、壳侧出口。所述第一混合器10设有富氧空气进口、高压热废水进口和气水混合物出口。所述第二混合器11设有第一反应器反应物进口、第二反应器反应物进口、第三反应器反应物进口和反应物出口。所述第一超临界水反应器12、第二超临界水反应器13、第三超临界水反应器14分别设有气水混合物进口和反应物出口。所述回热器16为管式换热器，设有管侧进口、管侧出口和壳侧进口、壳侧出口；所述气液分离器21顶部设有二氧化碳和氮气排气口、上中部设有降压冷却后反应物进口和底部液体出口。所述反渗透膜组件22设有液体进口、净水出口、回用净水出口和无害浓盐水出口。
2.各部件的连接方式如下：
空气进口管1与富氧膜组件3的空气入口连接，富氧膜组件3的富氧空气出口与富氧空气出口管4的一端连接，富氧空气出口管4的另一端与高压气体压缩机5的进口连接，富氧膜组件3的富氮空气从富氮空气出口管2排出，高压气体压缩机5的出口与第一预热器6的管侧进口连接。
废水进入高压废水泵7，高压废水泵7出口通过第二电动截止阀26与第二预热器9的管侧进口连接或通过第一电动截止阀25与加热器8的壳侧高压废水进口连接，加热器8的壳侧高压废水出口与第二预热器9的管侧进口连接。
第一预热器6的管侧出口与第一混合器10的富氧空气进口连接，第二预热器9的管侧出口与第一混合器10的高压废热水进口连接，第一混合器10的气水混合物出口分别与第一超临界水反应器12、第二超临界水反应器13和第三超临界水反应器14的气水混合物进口连接，第一超临界水反应器12、第二超临界水反应器13和第三超临界水反应器14的反应物的出口分别与第二混合器11的第一超临界水反应器反应物进口、第二超临界水反应器反应物进口、第三超临界水反应器反应物进口连接。
第二混合器11的反应物出口与一预热器6的壳侧进口连接，一预热器6的壳侧出口与第二预热器9的壳侧进口连接，第二预热器9的壳侧出口与回热器16的管侧进口连接，第二预热器9的管侧出口与降压阀19进口连接，降压阀19出口与空冷器20进口连接；空冷器20出口与气液分离器21上中部降压冷却后反应物进口连接。
气液分离器21底部液体出口与反渗透膜组件22的液体进口连接，反渗透膜组件22的净水出口通过净水管路18与净水泵15进口连接，净水泵15出口与回热器16的壳侧进口连接，回热器16的壳侧出口与外供蒸汽出口管17连接；反渗透膜组件22的净水出口与回用净水出口管23连接，反渗透膜组件22的无害浓盐水出口与无害浓盐水外排出口管24连接。
上述的空气作为氧化剂在进入气体压缩机5前先经过富氧膜组件3处理成富氧空气。
上述的超临界水反应器由第一超临界水反应器12、第二超临界水反应器13、第三超临界水反应器14并联，其反应器可以是釜式或管式。
上述的经超临界水氧化处理装置处理后的水经反渗透膜组件22处理后产生净水和蒸汽供外用。
上述的经超临界水氧化处理装置的加热器16，可以是电加热、燃油加热或燃气加热。
上述的装置的热量实现整体逐级回收，且采用空气冷却，确保进入气液分离器21的流体充分降温冷却，便于调节。
本发明具体实施：
1.空气经富氧膜组件3处理后，分为富氧空气和富氮空气，富氧空气浓度达到35％以上，富氮空气外排，富氧空气由高压气体压缩机5增压至26MPa进入第一预热器6，经预热达到300℃～350℃后进入第一混合器10；
2.废水经过高压废水泵7升压至28MPa～29MPa后进入加热器8，加热器的热源可以选择电、天燃气和燃油，且加热器8仅在系统启动时开启，系统启动后进料预热采用反应后流体回热，加热器8关闭，预热到400℃～450℃后进入第一混合器10，预热后的空气和废水在第一混合器10混合后进入超临界水反应器；
3.废水和空气在第一混合器10内混合后进入并联的超临界水反应器，单个超临界水反应器处理量控制在50t/d以内，在超临界水反应器内完成反应后再进入第二混合器11，混合后再进入第一预热器6管侧、第二预热器9和回热器壳侧，反应后流体进入回热器16管侧回热降温至60℃～80℃，而后经过降压阀19降低至1.2MPa～1.5MPa，降压后的流体再经空冷器20冷却降温，确保进入气液分离器21的流体温度不超过60℃，在气液分离器21分离后的气体主要成分为二氧化碳和氮气，由顶部排气孔外排，液体部分由底部排液出口排液；
4)经超临界水氧化处理系统处理后的干净液体再进入反渗透膜组件22制取净水，部分净水由净水泵15增压后进入回热器16产蒸汽外供，另一部分净水通过回用净水出口管23可外供生产或生活用水，实现富余热量的回收和水资源的回用，浓缩产生的无害化浓盐水从无害化浓盐水排出管24外排或干化。
由此，可知本发明创新性地将富氧膜技术及采用反应器并联手段引入超临界水氧化处理系统，巧妙解决了困扰超临界水氧化系统的规模效应差的问题，实现了整体装置的放大，提升了系统的经济性；同时利用反渗透技术产生纯水，实现出水回收回用；整体系统并完成了热量的充分回收利用，降低了运行成本。

Claims (6)

1.一种易放大的超临界水氧化处理装置，其特征在于：由空气进口管(1)、富氮空气出口管(2)、富氧膜组件(3)、富氧空气出口管(4)、高压气体压缩机(5)、第一预热器(6)、高压废水泵(7)、加热器(8)、第二预热器(9)、第一混合器(10)、第二混合器(11)、第一超临界水反应器(12)、第二超临界水反应器(13)、第三超临界水反应器(14)、净水泵(15)、回热器(16)、外供蒸汽出口管(17)、净水管路(18)、降压阀(19)、空冷器(20)、气液分离器(21)、反渗透膜组件(22)、回用净水出口管(23)、无害浓盐水外排出口管(24)、第一电动截止阀(25)、第二电动截止阀(26)组成：
1)各部件的結构如下：
所述富氧膜组件(3)设有空气进口、富氮空气出口、富氧空气出口；所述第一预热器(6)为管式换热器，设有管侧进口、管侧出口和壳侧进口、壳侧出口；所述加热器(8)为管式换热器设有壳侧高压废水进口和壳侧高压废水出口；所述第二预热器(9)为管式换热器，设有管侧进口、管侧出口和壳侧进口、壳侧出口；所述第一混合器(10)设有富氧空气进口、高压热废水进口和气水混合物出口；所述第二混合器(11)设有第一超临界水反应器反应物进口、第二超临界水反应器反应物进口、第三超临界水反应器反应物进口和反应物出口；所述第一超临界水反应器(12)、第二超临界水反应器(13)、第三超临界水反应器(14)分别设有气水混合物进口和反应物出口；所述回热器(16)为管式换热器，设有管侧进口、管侧出口和壳侧进口、壳侧出口；所述气液分离器(21)顶部设有二氧化碳和氮气排气口、上中部设有降压冷却后反应物进口和底部液体出口；所述反渗透膜组件(22)设有液体进口、净水出口、回用净水出口和无害浓盐水出口；
2)各部件的连接方式如下：
空气进口管(1)与富氧膜组件(3)的空气入口连接，富氧膜组件(3)的富氧空气出口与富氧空气出口管(4)的一端连接，富氧空气出口管(4)的另一端与高压气体压缩机(5)的进口连接，富氧膜组件(3)的富氮空气从富氮空气出口管(2)排出，高压气体压缩机(5)的出口与第一预热器(6)的管侧进口连接；
废水进入高压废水泵(7)，高压废水泵(7)出口通过第二电动截止阀(26)与第二预热器(9)的管侧进口连接或通过第一电动截止阀(25)与加热器(8)的壳侧高压废水进口连接，加热器(8)的壳侧高压废水出口与第二预热器(9)的管侧进口连接；
第一预热器(6)的管侧出口与第一混合器(10)的富氧空气进口连接，第二预热器(9)的管侧出口与第一混合器(10)的高压废热水进口连接，第一混合器(10)的气水混合物出口分别与第一超临界水反应器(12)、第二超临界水反应器(13)和第三超临界水反应器(14)的气水混合物进口连接，第一超临界水反应器(12)、第二超临界水反应器(13)和第三超临界水反应器(14)的反应物的出口分别与第二混合器(11)的第一超临界水反应器反应物进口、第二超临界水反应器反应物进口、第三超临界水反应器反应物进口连接；
第二混合器(11)的反应物出口与一预热器(6)的壳侧进口连接，一预热器(6)的壳侧出口与第二预热器(9)的壳侧进口连接，第二预热器(9)的壳侧出口与回热器(16)的管侧进口连接，第二预热器(9)的管侧出口与降压阀(19)进口连接，降压阀(19)出口与空冷器(20)进口连接；空冷器(20)出口与气液分离器(21)上中部降压冷却后反应物进口连接；
气液分离器(21)底部液体出口与反渗透膜组件(22)的液体进口连接，反渗透膜组件(22)的净水出口通过净水管路(18)与净水泵(15)进口连接，净水泵(15)出口与回热器(16)的壳侧进口连接，回热器(16)的壳侧出口与外供蒸汽出口管(17)连接；反渗透膜组件(22)的净水出口与回用净水出口管(23)连接，反渗透膜组件(22)的无害浓盐水出口与无害浓盐水外排出口管(24)连接。
2.根据权利要求1所述的易放大的超临界水氧化处理装置，其特征在于：所述的空气作为氧化剂在进入气体压缩机(5)前先经过富氧膜组件(3)处理成富氧空气。
3.根据权利要求1所述的易放大的超临界水氧化处理装置，其特征在于：所述的超临界水反应器由第一超临界水反应器(12)、第二超临界水反应器(13)、第三超临界水反应器(14)并联，其超临界水反应器可以是釜式或管式。
4.如权利要求1所述的易放大的超临界水氧化处理装置，其特征在于：所述的经超临界水氧化处理装置处理后的水经反渗透膜组件(22)处理后产生净水和蒸汽供外用。
5.如权利要求1所述的易放大的超临界水氧化处理装置，其特征在于：所述的经超临界水氧化处理装置的加热器(16)，可以是电加热、燃油加热或燃气加热。
6.如权利要求1所述的易放大的超临界水氧化处理装置，其特征在于：所述的装置的热量实现整体逐级回收，且采用空气冷却，确保进入气液分离器(21)的流体充分降温冷却，便于调节。
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