CN108911108A - 一种管式超临界水氧化反应器及其用途 - Google Patents

一种管式超临界水氧化反应器及其用途 Download PDF

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Abstract

本发明“一种管式超临界水氧化反应器及其用途”，属于环保技术中的污水超临界水氧化技术，其特征在于，筒体内设置有隔板，隔板将筒体分隔为三个独立的空间，反应管竖直贯穿隔板，且采用等距排列的方式进行分布，每个独立空间内设置有折流板，使通入的流体在独立空间内折线流动，从而使流体与反应管内的物料换热更加充分，下部空间通入的冷却水对反应后的物料进行降温，中部空间通入常温物料，通过与反应后的超临界物料进行换热，使其升温至亚临界状态，然后再通过亚临界物料进口管进入反应器中，即可冷却反应物料又可加热常温物料，充分地利用超临界氧化反应的余热；上部空间通入高温导热油，可维持反应器的温度，保证反应的稳定进行。

Description

一种管式超临界水氧化反应器及其用途
技术领域
本发明涉及环保技术中的超临界水氧化技术，具体涉及一种管式超临界水氧化反应器及其用途。
技术背景
水的临界温度T＝374℃，临界压力P＝22.1MPa，当水的温度和压力超过临界点时，被称为超临界水。超临界水与标准状态水相比具有一些特殊性质，表现为一种弱极性的物质，可与有机物和氧气、氮气、空气及二氧化碳等气体以任意比例互溶，从而使超临界水氧化反应成为均相反应，大大减少了相间传质阻力，提高了反应速率。
超临界水氧化技术(Supercritical Water Oxidation，SCWO)是指以超临界水为反应介质，以空气、氧气或双氧水等为氧化剂，将水中有机污染物彻底氧化成无害的CO2、N2和H2O等小分子化合物的高级氧化技术。鉴于超临界水具有超强的氧化能力，在有机废弃物、高浓度难生物降解有毒有害的“三致”物质、污泥的无害化处理及资源化利用、航天推进剂废水的降解、废弃弹药的销毁等方面得到广泛应用，而日益受到工程界的关注，但其产业化应用推广依然受到很大的限制。
超临界水氧化技术通常利用反应物料中的有机物氧化放出的热量，来实现系统热量的自平衡。但在实际应用过程中，反应物料的有机物含量波动较大。当进料有机物浓度很高时，反应物料会在短时间内放出大量的热，这部分热量需要被快速地释放到氧化器外部，以确保氧化器的运行安全。而当进料有机物的浓度较低时，反应放出的热量又难以使氧化器维持在设计温度下运行，需要外部热源对其进行加热。因此传统超临界水氧化反应器可采用直接向反应器内部通入一定量的超临界水(或通过蒸发壁的形式)，与反应物料进行混合，用来维持氧化器的温度。此种方式对进水水质要求极高，一般采用脱盐水，其水量为反应物料量的0.8～1.2倍，这样大大的增大了氧化器的体积。而且反应物料一般都含有一定浓度的无机盐，因此经过超临界氧化反应后的物料，还需要经过蒸发、浓缩等工序进行脱盐处理之后，才能进行排放或回用。这样在消耗的大量的脱盐水的同时，增加后续脱盐处理的水量，因此大大地提高了反应器的投资和运行成本。另一方面当进料有机物的含量高的情况下，氧化反应过程会释放出大量的热量，容易引起过热反应，通常的方法是在反应内部设置换热器将多余的热量及时传递出反应器以确保反应器的正常运行。将换热器设置在反应器内部，同样存在腐蚀和无机盐的沉积问题。
因此，需要设计一种新型氧化器形式以解决超临水氧化反应器投资、运行成本较高以及运营可靠性的问题。
发明内容
本发明目的是提供一种新型管式超临界水氧化器，能够实现物料的预热和反应，维持氧化器的反应温度，保证氧化器的稳定运行，同时降低氧化器投资和处理成本。
本发明的技术方案如下：
一种管式超临界水氧化反应器，其特征在于，包括：上封头(01)、筒体(12)、多个隔板(06)、多个折流板(19)、多根反应管(13)、下封头(16)；
上封头(01)和下封头(16)分别设置在筒体(12)上部和下部；
筒体(12)内沿着内腔中心轴依次设置多个所述隔板(06)，所述隔板(06)将筒体(12)内部空间分隔为相对独立的上部空间，中部空间和下部空间，顶部的隔板和上封头(01)构成上封头空间，底部的隔板和下封头(16)构成下封头空间；
在上封头(01)的侧壁上设置有插入上封头空间的亚临界物料进口管(02)及氧化剂进口管(04)；所述亚临界物料进口管(02)伸入上封头空间中的部分为亚临界物料分布管(03)，用于喷出物料；氧化剂进口管(04)伸入上封头空间中的部分为氧化剂分布管(05)，用于分配氧化剂产于反应；
所述反应管(13)两端开口，穿过所有隔板(06)和筒体内部空间，其两端开口分别对着上封头空间和下封头空间；所述上部空间对应的侧壁下部和上部分别设置高温热油进口管(07)和高温热油出口管(08)；
在中部空间对应的侧壁的下部设置有常温物料进口管(10)，侧壁顶部设置亚临界物料出口管(11)，中部空间中物料可与途径中部空间的反应管中的高温物料热交换从而被加热至亚临界状态，然后经由亚临界物料出口管(11)流出并通过所述物料分布管(02)导入上封头空间中参与反应；
在下部空间对应的侧壁下部和上部分别设置冷却水进口管(14)和冷却水出口管(15)；
所述氧化剂分布管(4)由主管和垂直于主管的支管构成，支管用于伸入到所述反应管中。
优选地，在上部空间中部空间和/或下部空间内设置有多个折流板(09)，所述折流板(09)用于使通入的流体在相应的空间内折线流动，使热交换更加充分。
优选地，所述折流板(09)为面积小于筒体(12)的横截面积的金属薄板，通过将其部分边沿焊接在筒体(12)的侧壁上进行固定。
优选地，所述上封头(01)和下封头(16)为半球结构，与筒体(12)为可拆卸连接；优选上封头(01)、下封头(16)与筒体12之间设置有八角垫密封，采用法兰连接的方式进行连接和密封。
优选地，所述亚临界物料分布管(03)为多孔结构。
优选地，物料分布管(02)具有自动旋转功能。
优选地，所述反应管(13)为直管，且多根，以等距平行排列的方式设置在筒体内；所述氧化剂分布管(4)由上的支管数量与所述反应管数量相同。8.根据权利要求1所述的一种新型管式超临界水氧化反应器，其特征在于，位于下封头(16)的底部设置有物料出口管(17)用于反应后物料的排出。
本发明还提供一种超临界水氧化方法，其特征在于，采用上述任一新型管式超临界水氧化反应器，包括以下步骤如下：
向氧化剂进口管(04)导入氧化剂，经氧化剂分布管(05)向反应管(13)喷氧化剂；
向将预热至亚临界状态的物料经亚临界物料进口管进口管(02)导入并由亚临界物料分布管(03)分配到上封头空间中并进入反应管，
氧化剂和亚临界物料通过反应管与上部空间中的高温导热油进行热交换形成超临界物料，超临界物料通过反应管经过中部空间和下部空间与其中的液体发生热交换，
通过常温物料进口管(10)向中部空间中导入常温物料，通过与其中流趟着超临界物料的反应管(13)的进行热交换，常温物料升温至亚临界状态，然后再通过亚临界物料出口管(11)和亚临界物料进口管(12)进入上封头空间中。
优选地，所述物料为生活污水，油田废水，工业废水等等。
本发明的亚临界物料分布管采用多孔结构，使物料均匀的分布到各反应管中，有效地避免了“反应死水区”的形成。
本发明的氧化剂分布管采用多支管结构，直接插入反应管中心位置，在实现氧化剂预热的同时，还使氧化剂均匀的分到各反应管中。
本发明的一种新型管式超临界水氧化反应器中，筒体内设置有隔板，隔板将筒体分隔为三个独立的空间，反应管竖直贯穿隔板，且采用等距排列的方式进行分布。每个独立空间内设置有折流板，使通入的流体在独立空间内折线流动，从而使流体与反应管内的物料换热更加充分。下部空间通入的冷却水对反应后的物料进行降温。中部空间通入常温物料，通过与反应后的超临界物料进行换热，使其升温至亚临界状态，然后再通过亚临界物料进口管进入反应器中，这样即可以冷却反应物料，又可以加热常温物料，使超临界氧化反应的余热得到充分地利用。上部空间通入高温导热油，可维持反应器的温度，保证反应的稳定进行。
本发明的上封头与筒体采用法兰连接，下封头与筒体同样采用法兰连接，这种结构方便拆卸及检修氧化器。
附图说明
图1为本发明新型管式超临界水氧化反应器的结构示意图。
其中01-上封头；02-亚临界物料进口管；03-亚临界物料分布管；04-氧化剂进口管；05-氧化剂分布管；06-隔板；07-高温热油进口管；08-高温热油出口管；09-折流板；10-常温物料进口管；11-亚临界物料出口管；12-筒体；13-反应管；14-冷却水进口管；15-冷却水出口管；16-下封头；17-物料出口管。
具体实施方式
下面参照本发明实例中的附图1，更加清楚、完整地描述本发明公开的示例实施例。所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。此外，本发明的不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的实施例提供的一种管式超临界水氧化反应器，一种管式超临界水氧化反应器，其特征在于，包括：上封头(01)、筒体(12)、多个隔板(06)、多个折流板(19)、多根反应管(13)、下封头(16)；上封头(01)和下封头(16)分别设置在筒体(12)上部和下部；筒体(12)内沿着内腔中心轴依次设置多个所述隔板(06)，所述隔板(06)将筒体(12)内部空间分隔为相对独立的上部空间，中部空间和下部空间，顶部的隔板和上封头(01)构成上封头空间，底部的隔板和下封头(16)构成下封头空间；在上封头(01)的侧壁上设置有插入上封头空间的亚临界物料进口管(02)及氧化剂进口管(04)；所述亚临界物料进口管(02)伸入上封头空间中的部分为亚临界物料分布管(03)，用于喷出物料；氧化剂进口管(04)伸入上封头空间中的部分为氧化剂分布管(05)，用于分配氧化剂产于反应；所述反应管(13)两端开口，穿过所有隔板(06)和筒体内部空间，其两端开口分别对着上封头空间和下封头空间；所述上部空间对应的侧壁下部和上部分别设置高温热油进口管(07)和高温热油出口管(08)；在中部空间对应的侧壁的下部设置有常温物料进口管(10)，侧壁顶部设置亚临界物料出口管(11)，中部空间中物料可与途径中部空间的反应管中的高温物料热交换从而被加热至亚临界状态，然后经由亚临界物料出口管(11)流出并通过所述物料分布管(02)导入上封头空间中参与反应；在下部空间对应的侧壁下部和上部分别设置冷却水进口管(14)和冷却水出口管(15)；所述氧化剂分布管(4)由主管和垂直于主管的支管构成，支管用于伸入到所述反应管中。
在一些优选实施例中，在上部空间，中部空间和/或下部空间内设置有多个折流板(09)，所述折流板(09)用于使通入的流体在相应的空间内折线流动，使热交换更加充分。
在一些优选实施例中，所述折流板(09)为面积小于筒体(12)的横截面积的金属薄板，通过将其部分边沿焊接在筒体(12)的侧壁上进行固定。
在一些优选实施例中，所述上封头(01)和下封头(16)为半球结构，可拆卸连接于筒体(12)两端；优选上封头(01)、下封头(16)与筒体12之间设置有八角垫密封，采用法兰连接的方式进行连接和密封。
在一些优选实施例中，所述亚临界物料分布管(03)为多孔结构。
在一些优选实施例中，物料分布管(02)具有自动旋转功能。
在一些优选实施例中，所述反应管(13)为直管，且多根，以等距平行排列的方式设置在筒体内；所述氧化剂分布管(4)由上的支管数量与所述反应管数量相同。8.根据权利要求1所述的一种新型管式超临界水氧化反应器，其特征在于，位于下封头(16)的底部设置有物料出口管(17)用于反应后物料的排出。
本发明还提供一种超临界水氧化方法的实施方式，其特征在于，采用上述任一是实施例中的新型管式超临界水氧化反应器，包括以下步骤如下：
向氧化剂进口管(04)导入氧化剂，经氧化剂分布管(05)向反应管(13)喷氧化剂；
向将预热至亚临界状态的物料经亚临界物料进口管进口管(02)导入并由亚临界物料分布管(03)分配到上封头空间中并进入反应管，
氧化剂和亚临界物料通过反应管与上部空间中的高温导热油进行热交换形成超临界物料，超临界物料通过反应管经过中部空间和下部空间与其中的液体发生热交换，
通过常温物料进口管(10)向中部空间中导入常温物料，通过与其中流趟着超临界物料的反应管(13)的进行热交换，常温物料升温至亚临界状态，然后再通过亚临界物料出口管(11)和亚临界物料进口管(12)进入上封头空间中。
隔板和折流板由无缝金属板材制作而成，其采用焊接的方式固定在筒体内，并位于上封头和下封头之间，折流板采用单弓形结构。

Claims (10)

1.一种管式超临界水氧化反应器，其特征在于，包括：上封头(01)、筒体(12)、多个隔板(06)、多个折流板(19)、多根反应管(13)、下封头(16)；
上封头(01)和下封头(16)分别设置在筒体(12)上部和下部；
筒体(12)内沿着内腔中心轴依次设置多个所述隔板(06)，所述隔板(06)将筒体(12)内部空间分隔为相对独立的上部空间，中部空间和下部空间，顶部的隔板和上封头(01)构成上封头空间，底部的隔板和下封头(16)构成下封头空间；
在上封头(01)的侧壁上设置有插入上封头空间的亚临界物料进口管(02)及氧化剂进口管(04)；所述亚临界物料进口管(02)伸入上封头空间中的部分为亚临界物料分布管(03)，用于喷出物料；氧化剂进口管(04)伸入上封头空间中的部分为氧化剂分布管(05)，用于分配氧化剂产于反应；
所述反应管(13)两端开口，穿过所有隔板(06)和筒体内部空间，其两端开口分别对着上封头空间和下封头空间；所述上部空间对应的侧壁下部和上部分别设置高温热油进口管(07)和高温热油出口管(08)；
在中部空间对应的侧壁的下部设置有常温物料进口管(10)，侧壁顶部设置亚临界物料出口管(11)，中部空间中物料可与途径中部空间的反应管中的高温物料热交换从而被加热至亚临界状态，然后经由亚临界物料出口管(11)流出并通过所述物料分布管(02)导入上封头空间中参与反应；
在下部空间对应的侧壁下部和上部分别设置冷却水进口管(14)和冷却水出口管(15)；
所述氧化剂分布管(4)由主管和垂直于主管的支管构成，支管用于伸入到所述反应管中。
2.如权利要求1所述的管式超临界水氧化反应器，其特征在于，在上部空间中部空间和/或下部空间内设置有多个折流板(09)，所述折流板(09)用于使通入的流体在相应的空间内折线流动，使热交换更加充分。
3.如权利要求1所述的管式超临界水氧化反应器，其特征在于，所述折流板(09)为面积小于筒体(12)的横截面积的金属薄板，通过将其部分边沿焊接在筒体(12)的侧壁上进行固定。
4.根据权利要求1所述的一种新型管式超临界水氧化反应器，其特征在于，所述上封头(01)和下封头(16)为半球结构，可拆卸连接于筒体(12)两端；优选上封头(01)、下封头(16)与筒体12之间设置有八角垫密封，采用法兰连接的方式进行连接和密封。
5.根据权利要求1所述的一种新型管式超临界水氧化反应器，其特征在于，所述亚临界物料分布管(03)为多孔结构。
6.根据权利要求1所述的一种新型管式超临界水氧化反应器，其特征在于，物料分布管(02)具有自动旋转功能。
7.根据权利要求1所述的一种新型管式超临界水氧化反应器，其特征在于，所述反应管(13)为直管，且多根，以等距平行排列的方式设置在筒体内；所述氧化剂分布管(4)由上的支管数量与所述反应管数量相同。
8.根据权利要求1所述的一种新型管式超临界水氧化反应器，其特征在于，位于下封头(16)的底部设置有物料出口管(17)用于反应后物料的排出。
9.一种超临界水氧化方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一所述的新型管式超临界水氧化反应器，包括以下步骤如下：
向氧化剂进口管(04)导入氧化剂，经氧化剂分布管(05)向反应管(13)喷氧化剂；
向将预热至亚临界状态的物料经亚临界物料进口管进口管(02)导入并由亚临界物料分布管(03)分配到上封头空间中并进入反应管，
氧化剂和亚临界物料通过反应管与上部空间中的高温导热油进行热交换形成超临界物料，超临界物料通过反应管经过中部空间和下部空间与其中的液体发生热交换，
通过常温物料进口管(10)向中部空间中导入常温物料，通过与其中流趟着超临界物料的反应管(13)的进行热交换，常温物料升温至亚临界状态，然后再通过亚临界物料出口管(11)和亚临界物料进口管(12)进入上封头空间中。
10.根据权利要求9所述的超临界水氧化方法，其特征在于，所述物料为生活污水，油田废水，工业废水等等。
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