CN107698012B - 一种卧式自平衡超临界反应装置 - Google Patents

一种卧式自平衡超临界反应装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种卧式自平衡超临界反应装置，包括压力容器、高压空气压缩装置和设置于压力容器内的至少一个反应器；所述反应器内设有前、后活塞，两端通过反应器前活塞和反应器后活塞封闭；所述反应器前活塞与压力容器内壁之间充有压力介质；所述反应器后活塞通过后活塞推杆与后活塞驱动电机连接；所述反应器上设有阀门控制的进水口和出水/气口，反应器内设有加热装置；所述高压空气压缩装置与反应器内部联通。本发明装置采用压力自平衡系统，大大改善了反应器的受力特性，使得采用非金属材料作为内置反应器成为可能，克服了现有超临界反应装置反应器的腐蚀问题，大大节约了设备成本。

Description

一种卧式自平衡超临界反应装置
技术领域
本发明涉及环保技术领域，具体涉及一种卧式自平衡超临界反应装置。
背景技术
随着我国经济的发展，化工工业、皮革业、食品制药、造纸等行业高速发展，企业生产产生的高浓度有机废水体量非常大，现有的技术存在处理周期长、处理成本高、设备占地面积大、处理过程中常伴有二次污染、处理效果不佳、处理效率低等问题，给企业带来诸多困扰，制约了行业的发展。
高浓度有机废水指COD在2000mg/L以上的废水。有些工业废水COD达到几万甚至几十万mg/L，相对而言，BOD较低，很多废水的BOD与COD的比值小于0.3，这些废水往往有一定的酸碱性或有毒物质，这些条件使得生物法等传统工艺处理很难达到处理效果。
对于高浓度有机废水，目前主要采用的处理方法有氧化-吸附法、焚烧法、吸附法、SBR处理等方法。这些处理方法或存在处理效率低、处理成本高、处理不彻底、处理过程二次污染等问题，对相关企业的污水处理排放造成极大困扰。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效卧式自平衡超临界反应装置，对高浓度生物难降解有机废水及污染土实现快速高效低成本的处理。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种卧式自平衡超临界反应装置，包括压力容器、高压空气压缩装置和设置于压力容器内的至少一个反应器；
所述反应器内设有前、后活塞，两端通过反应器前活塞和反应器后活塞封闭；所述反应器前活塞与压力容器内壁之间充有压力介质；所述反应器后活塞通过后活塞推杆与后活塞驱动电机连接；所述反应器上设有阀门控制的进水口和出水/气口，反应器内设有加热装置；
所述高压空气压缩装置与反应器内部联通。
本发明中，通过压力容器与反应器内设置的活塞系统的相互联通，实现内置的反应器压力与压力容器中压力的自平衡，使得反应器所有部位处于均匀压力作用下，以保证内反应器的安全。高压空气压缩装置可将压缩空气加入反应器，利用空气中的氧气作为氧化剂对污染物进行处理，高压空气的加入使得反应器内压力升高，同时由于压力传导作用，压力容器中压力介质的压力也同时升高，且内反应器中压力与压力容器中压力介质的压力一致。当加入足够量的压缩空气后，关闭高压空气压缩装置，同时打开加热装置，使得反应器中的压力和温度继续升高，直至达到超临界反应条件。待反应结束后，打开出水/气口阀门减压阀，靠反应器中自身高压，将反应产物排除，在此过程中，反应器压力不断降低，压力容器中的压力介质压力也同步降低，反应产物通过出水/气管道排出，可按照常规流程进行冷凝。
此外，本发明中压力容器为常规压力容器，对材料无特殊需求，满足压力容器设计规范即可。压力容器中允许布置多个反应器，也可实现对压力容器空间的高效利用，也避免了制造体型较大的内置陶瓷反应器成型难，加工成本高的问题；压力容器中的压力介质可选用液压油。
作为本发明的进一步改进，所述装置还包括减压缓冲装置，所述减压缓冲装置由活塞、气缸、活塞推杆和活塞控制电机组成，气缸上设有减压缓冲装置进水口、减压缓冲装置出水口和减压缓冲装置控制阀门，所述减压缓冲装置进水口连接反应器出水/气口，所述减压缓冲装置出水口连接待处理废液池；所述活塞控制电机控制活塞推杆推动活塞运动，控制气缸内压力，通过开关减压缓冲装置控制阀门进行减压出料。设置减压缓冲装置时，反应器中的高温高压气/液体经阀门控制的反应器出水/气口进入减压缓冲装置，减压缓冲装置出水口可连接常规冷凝装置。
作为本发明的进一步改进，所述装置还包括冷凝及热量回收装置和预热装置；冷凝及热量回收装置连接预热装置或为一体装置；所述冷凝及热量回收装置连接反应器出水/气口或减压缓冲装置出水口，所述预热装置连接待处理废液池和反应器进水口。反应器中的高温高压气/液体通过反应器出水/气口进入冷凝及热量回收装置，进行冷凝，同时冷凝及热量回收装置回收冷凝时释放出的热量，并输送至预热装置，废液池中的废水进入预热装置，经回收的热量预热后，通过反应器进水口进入反应器反应。冷凝及热量回收装置和预热装置可为一体装置，更利于换热。
作为本发明的进一步改进，还包括：液压控制系统；所述液压控制系统向压力容器内加压，控制反应器前活塞运动；所述反应器上设置出渣口，所述出渣口位于反应器后活塞的运动范围内。设置出渣口，可定期对反应器的无机盐析出物进行清理，保证设备的高效运行，出渣口位于反应器后活塞的运动范围内，液压控制系统向压力容器内加压，控制反应器前活塞运动，可使得析出物从出渣口排出。
本发明可针对高浓度生物难降解有机污染土进行超临界氧化处理，将污染土加入适量水制成泥浆，通过泥浆泵泵入内置反应器，通过高压空气压缩装置，将压缩空气加入内置反应器，利用空气中的氧气作为氧化剂对污染物进行处理。反应过程同前述，反应结束后，打开出水/气口阀门减压阀，靠内反应器中自身高压，将反应产生的气体排除，通过活塞结构运动，将反应残渣推至出渣口排出，再通过活塞系统运动将活塞复位，进行下一次反应。
作为本发明的进一步改进，所述加热装置选用电磁加热装置，所述电磁加热装置设置于反应器前、后活塞内。将加热装置设置在反应器活塞系统内部，不与超临界水接触，避免加热电路被腐蚀的问题。
作为本发明的进一步改进，反应器出水/气口处的阀门及出水/气管道主体结构为陶瓷材料。陶瓷结构可避免阀门和管道长期接触超临界水导致的腐蚀失效问题。
作为本发明的进一步改进，所述反应器内还设有压力温度传感器；所述压力温度传感器为陶瓷密封的压力温度传感器。在反应器内设置压力温度传感器可以试试获取反应器内压力温度，陶瓷密封的压力温度传感器可避免传感器因超临界水腐蚀导致的损坏。
作为本发明的进一步改进，所述反应器主体材料采用陶瓷材料、陶瓷喷涂材料或陶瓷金属复合材料。其中陶瓷材料优选采用纳米陶瓷材料。本发明的装置结构使得反应器在不同工作状态下均处于内外压自平衡状态，受力特性良好，避免了陶瓷材料在高内压情况下可能出现的爆裂问题；相对于金属材料做陶瓷涂层的结构形式，由于两种材料的变形特性和热膨胀特性的不同，在高温高压下由于变形不协调导致涂层破损脱落，导致结构防腐失效，本发明的结构使得陶瓷材料的应用成为可能，也避免了金属材料做陶瓷涂层的结构形式带来的诸多问题。
作为本发明的进一步改进，所述反应器截面采用对称结构；优选圆形。圆形截面的反应器可减小陶瓷材料的成型难问题，设备生产简单，成本低。
作为本发明的进一步改进，所述反应器外设有保护固定隔热层；所述保护固定隔热层材料选用橡胶材料或气溶胶材料。
作为本发明的进一步改进，所述反应器为分离式单体结构或组合式整体结构。
本发明装置采用压力自平衡系统，大大改善了内反应器的受力特性，使得采用非金属材料作为内置反应器成为可能，克服了现有超临界反应装置反应器的腐蚀问题，大大节约了设备成本。该设备可广泛应用与化工、皮革、食品药品等行业生产过程中产生的高浓度生物难降解废水处理。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图；
其中，1.压力容器，2.反应器，3. 保护固定隔热层，4. 进水口电磁控制阀，5.高压气体阀门，6. 出水/气口电磁控制阀门，7. 压力温度传感器，8. 高压空气压缩装置，9.液压控制系统，10.反应器前活塞，11. 反应器后活塞，12. 反应器后活塞推杆，13.出渣口，14. 出水/气管道，15.进水管道，16. 减压缓冲装置活塞，17. 减压缓冲装置控制阀门，18.减压缓冲装置出水/气口，19. 减压缓冲装置活塞控制电机，20. 冷凝及热量回收装置和预热一体装置，21. 冷凝及热量回收装置出水孔，22. 冷凝及热量回收装置排气孔，23. 待处理废水池，24. 预热装置进水孔，25. 预热装置出水孔，26. 反应器后活塞驱动电机。
具体实施方式
下面结合实施例和附图说明对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1
如图1所示的装置，包括压力容器1、设置于压力容器内的至少一个反应器2和高压空气压缩装置8；
所述反应器前活塞10与压力容器1内壁之间充有压力介质；本实施例中压力介质选用液压油；所述反应器上2设有进水口电磁控制阀4控制的进水口和出水/气口电磁控制阀6控制的出水/气口，反应器2内设有加热装置；反应器2两端通过反应器前活塞10和反应器后活塞11封闭；所述反应器后活塞11通过后活塞推杆12与后活塞驱动电机26连接；所述高压空气压缩装置8与反应器2内部联通。
本实施例中，加热装置选用电磁加热装置，所述电磁加热装置设置于反应器前10、后活塞11内。
本实施例中，反应器2还设有陶瓷密封的压力温度传感器7。
所述反应器2主体材料采用陶瓷材料、陶瓷喷涂材料或陶瓷金属复合材料；反应器2截面采用对称结构；反应器2出水/气口处的阀门及出水/气管道主体结构为陶瓷材料；所述压力温度传感器7为陶瓷密封的压力温度传感器7。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处仅在于，还包括减压缓冲装置，所述减压缓冲装置由活塞16、气缸、活塞推杆和活塞控制电机19组成，气缸上设有减压缓冲装置进水口、减压缓冲装置出水/气口18和控制阀门17，所述减压缓冲装置进水口连接反应器出水/气口，所述减压缓冲装置出水/气口18连接可连接常规冷凝装置或本发明的一体装置20，具体将在实施例3中说明；所述活塞控制电机19控制活塞推杆推动活塞16运动，控制气缸内压力。
实施例3
本实施例与前述实施例的不同之处仅在于，还包括冷凝及热量回收装置和预热装置，本实施例中冷凝及热量回收装置和预热装置采用一体装置20；一体结构更利于冷凝及热量回收装置部分与预热装置部分的热量交换，减少热量流失。冷凝及热量回收装置部分连接反应器2出水/气口或减压缓冲装置出水口，所述预热装置部分连接待处理废液池23和反应器2进水口。
本实施例中，反应器2中的高温高压气/液体通过反应器2出水/气口或经过减压缓冲装置进入一体装置20的冷凝及热量回收装置部分，进行冷凝，同时冷凝及热量回收装置回收冷凝时释放出的热量，并输送至预热装置，废液池23中的废水进入预热装置经回收的热量预热后，通过反应器2进水口进入反应器2反应，反应得到的二氧化碳等气体通过排气孔22排出。
实施例4
本实施例与前述实施例的不同之处仅在于，还包括液压控制系统9，所述液压控制系统9向压力容器内2加压，控制反应器前活塞10运动，本实施例中通过液压控制系统9向压力容器内增加液压油，来控制反应器前活塞10运动；在反应器2上设置出渣口13，所述出渣口13位于反应器后活塞11的运动范围内。
本实施例的装置可用于反应器无机盐析出物清理及内部设备维修更换，具体流程如下：
打开出水/气口电磁控制阀门6，关闭进水口电磁控制阀4和高压气体阀门5，通过反应器后活塞驱动电机26驱动反应器后活塞推杆12，使得反应器后活塞11向出渣口13运动至出渣口13的右侧，同时通过液压控制系统9向压力容器内增加液压油，推动反应器前活塞10向出渣口13方向运动至出渣口13的左侧，将反应器2内部析出的无机盐通过活塞系统运动带至出渣口13排出，同时可对反应器2中的活塞系统进行清洗和设备更换维修。
实施例5
本实施例与前述实施例的不同之处仅在于，所述反应器2外还设有保护固定隔热层3；所述保护固定隔热层3材料选用橡胶材料或气溶胶材料。
实施例6
本发明装置可以根据需要选择结构和使用方式。
本实施例以实施例3的装置为例，提供一种处理高浓度生物难降解有机废水的装置运行方法，具体如下：
运行方案一：处理高浓度生物难降解有机废水
步骤一、打开减压缓冲装置控制阀门17，通过减压缓冲装置活塞控制电机19驱动减压缓冲装置活塞16向上运动至顶部，并关闭减压缓冲装置控制阀门17，关闭出水/气口电磁控制阀门6，打开进水口电磁控制阀门4，通过加料泵将待处理废水加入反应器2。
步骤二、加料结束后关闭进水口电磁控制阀门4，打开高压气体阀门5，通过高压空气压缩装置8将压缩空气加入反应器2，当加入反应器2中空气达到设计量后，关闭高压气体阀门5，打开设置在内置反应器前活塞10和内置反应器后活塞11上的电磁加热装置，对反应器2中的待处理液体及空气进行加热，以达到超临界反应状态。
步骤三、待反应结束，打开出水/气口电磁控制阀门6，使反应生产物通过出水/气管道14进入减压缓冲装置，高温高压气/液体推动减压缓冲装置活塞16向下运动至底部，经过减压后的气体通过减压装置出水/气孔18进入冷凝及热量回收装置和预热一体装置20，经过冷凝后水通过冷凝及热量回收装置21排除，反应得到的二氧化碳等气体通过冷凝及热量回收装置排气孔22排出，在此过程中，高温气体热量通过冷凝及热量回收装置和预热一体装置20对经过预热装置24进入的待处理废水池23的废水进行预热，预热后的废水通过经过高效冷凝及热量回收系统预热装置25，进入进水管道15，为下一次反应做准备。在整个过程中反应器后活塞11均处于锁止状态。
实施例7
本实施例以实施例4的装置为例，提供一种处理高浓度生物难降解有机污染土的装置运行方法，具体如下：
步骤一、打开减压缓冲装置控制阀门17，通过减压缓冲装置活塞控制电机19驱动减压缓冲装置活塞16向上运动至顶部，并关闭减压缓冲装置控制阀门17，关闭出水/气口电磁控制阀门6，打开进水口电磁控制阀门4，对待处理污染土加入适量水制成泥浆，通过泥浆泵加入反应器2。
步骤二、加料结束后关闭进水口电磁控制阀门4，打开高压气体阀门5，通过高压空气压缩装置8将压缩空气加入反应器2，当加入反应器2中空气达到设计量后，关闭高压气体阀门5，打开设置在反应器前活塞10和反应器后活塞11上的电磁加热装置，对反应器2中的待处理液体及空气进行加热，以达到超临界反应状态。
步骤三、待反应结束，打开出水/气口电磁控制阀门6，使反应生产物通过出水/气管道14进入减压缓冲装置，待反应器2中压力降至标准大气压时，通过反应器后活塞驱动电机26驱动反应器后活塞推杆12，使得反应器后活塞11向出渣口13运动至出渣口13的右侧，同时通过液压控制系统9向压力容器内增加液压油，推动反应器前活塞10向出渣口13方向运动至出渣口13的左侧，将固体残渣排出反应器2，排渣结束后通过反应器后活塞驱动电机26和液压控制系统9共同作用将反应器前活塞10和反应器后活塞11复位。
步骤四、高温高压气/液体推动减压缓冲装置活塞16向下运动至底部，经过减压后的气体通过减压缓冲装置出水/气口20进入高效冷凝及热量回收系统20，经过冷凝后水通过冷凝及热量回收装置出水孔21排出，反应得到的二氧化碳等气体通过冷凝及热量回收装置22排出，在此过程中，高温气体热量通过一体装置20对经过预热装置进水孔24进入的待处理污染泥浆池23的废水进行预热，预热后的废水通过预热装置出水孔25，进入进水管道15，为下一次反应做准备。
以上所述为本发明的优选实施实例，并不用于限制不发明，对于本领域技术人员，可以参照本发明详细说明，对前述各功能部件的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种卧式自平衡超临界反应装置，其特征在于，包括压力容器、减压缓冲装置、冷凝及热量回收装置、预热装置、液压控制系统、高压空气压缩装置和设置于压力容器内的至少一个反应器；
所述反应器内设有前、后活塞，两端通过反应器前活塞和反应器后活塞封闭；所述反应器前活塞与压力容器内壁之间充有压力介质；所述反应器后活塞通过后活塞推杆与后活塞驱动电机连接；所述反应器上设有阀门控制的进水口和出水/气口，反应器内设有加热装置；所述加热装置选用电磁加热装置，所述电磁加热装置设置于反应器前、后活塞内；
所述高压空气压缩装置与反应器内部联通；
所述减压缓冲装置由活塞、气缸、活塞推杆和活塞控制电机组成，气缸上设有减压缓冲装置进水口、减压缓冲装置出水口和减压缓冲装置控制阀门，所述减压缓冲装置进水口连接反应器出水/气口，所述减压缓冲装置出水口连接待处理废液池；所述活塞控制电机控制活塞推杆推动活塞运动，控制气缸内压力；
冷凝及热量回收装置连接预热装置或为一体装置；所述冷凝及热量回收装置连接反应器出水/气口或减压缓冲装置出水口，所述预热装置连接待处理废液池和反应器进水口；
所述液压控制系统通过调节压力容器内的压力介质，控制反应器前活塞往复运动；所述反应器上设置出渣口，所述出渣口位于反应器后活塞的运动范围内。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，反应器出水/气口处的阀门及出水/气管道主体结构为陶瓷材料。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反应器内还设有压力温度传感器；所述压力温度传感器为陶瓷密封的压力温度传感器。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反应器主体材料采用陶瓷材料、陶瓷喷涂材料或陶瓷金属复合材料。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反应器外设有保护固定隔热层；所述保护固定隔热层材料选用橡胶材料或气溶胶材料。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反应器为分离式单体结构或组合式整体结构。
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