CN109319861B - 一种用于高盐废水超临界水氧化系统的多级加热装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种用于高盐废水超临界水氧化系统的多级加热装置及方法，属于化工及环保技术领域。该多级加热装置由若干加热单元串联而成，一个加热单元包含：长直管、滑轨式管道加热器、温度表及压力表，加热单元通过短直管连接，同时加热单元设有可拆卸保温套、超声波管道除垢器、过滤器、辅料入口等部件。本装置将常规的加热装置分割为若干个加热单元，解决了常规电加热器中，加热管布置集中、无额外操作空间的缺点，为管道过滤器、超声波管道除垢器以及药剂入口的添加提供了条件。在加热高盐废水的时候，能够通过温度、压力测点精确地定位出发生无机盐结晶堵塞的位置，从而通过多种手段单独或联合使用，进行针对性地除垢。

Description

一种用于高盐废水超临界水氧化系统的多级加热装置及方法

技术领域

本发明属于化工及环保技术领域，具体涉及用于一种用于高盐废水超临界水氧化系统的多级加热装置及方法。

背景技术

高盐废水是指总含盐质量分数达到至少1％的废水。此类废水主要来自多种化工过程以及石油天然气的采集加工过程。随着我国工业水平逐渐提高，高盐废水的产量逐年提高。然而，对于高盐废水的处理目前尚无较好手段。由于废水中极高的含盐量，如果采用生物法去除废水中的有机物，盐类物质对微生物具有较强抑制作用；如果采用物理方法(如多效蒸发、多级闪蒸或蒸汽压缩冷凝等)对废水中的盐类进行去除，废水中的额有机物会富集在设备的高温区域造成设备结垢、损坏，同时上述物理方法目前对于盐的提纯水平有限，分离出来的无机盐无法妥善处理还会造成二次污染。

超临界水氧化(supercritical water oxidation)是一种用于处理高浓度、难降解有机废水及污泥的高级氧化技术。当水的温度、压力达到其临界点(374℃、22.1MPa)之上时，达到超临界状态。超临界水更像一种非极性流体，粘度降低导致流动性加强，对有机物和气体几乎可以完全溶解。超临界水氧化技术就是应用了超临界水的诸多优势，将超临界水作为废水中的有机物与氧气进行氧化反应的媒介，在高温高压条件下实现有机物的快速氧化。

图1给出了一个典型的现有技术中用于有机废水处理的超临界水氧化流程。废水存于储罐中，经物料泵增压后进入加热器进行升温，达到超临界状态后与氧气在反应器中进行混合，发生有机物的氧化反应。氧化反应自身是放热的，反应后的高温高压流体经过换热器进行冷却，然后经过降压器释放压力从而回到常温常压状态，最后达标排放。因此，应用超临界水氧化技术处理高盐废水是十分具有前景的，可以同时实现有机物的去除和无机盐的提纯、分离，降低投资成本，提高处理效率。

但是，由于工业化超临界水氧化系统的反应参数一般为600℃左右，在此温度下废水中的部分无机盐的溶解饱和浓度极低，导致废水中较高浓度的无机盐饱和析出，沉积在设备管道壁面上造成管道堵塞。一般地，废水中常见的无机盐包括NaCl、KCl、Na₂SO₄和K₂SO₄等，这些无机盐在300-400℃时的溶解度急剧降低，再尚未进入反应器，而是在加热器中即发生过饱和析出。而且超临界水氧化系统的物料加热方式一般为燃气炉加热、电加热或电磁感应加热，此类加热方式的直接效果是设备管道的壁温比流体温度高，因此会形成设备管道壁面的局部高温区，无机盐首先在此区域达到过饱和并析出，沉积在管道壁面上，造成严重的盐结晶堵塞。此类无机盐与常见的水垢不同，与壁面的黏附力较弱，易去除。同时，此类无机盐结晶行为是可逆的，当降低加热器的功率，使得工质温度降低到无机盐溶解度较大的温度点(一般来讲，此温度点为临界点温度以下)时，结晶的无机盐会逐渐溶解，加热管道重新通畅。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种用于高盐废水超临界水氧化系统的多级加热装置及方法，通过多种手段抑制无机盐在加热管道壁面的结晶、对已经结晶的无机盐进行有效去除，解决加热器中无机盐结晶导致的管道堵塞问题，提高系统可靠性和安全性。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种用于高盐废水超临界水氧化系统的多级加热装置，由若干个加热单元首尾依次串联而成，每个加热单元包括长直管和与其相连的短直管；自每个长直管的入口端起依次设有超声波管道除垢器、滑轨式管道加热器和可拆卸保温套，每个长直管的末端均分流为两路，一路安装截止阀Ⅰ，另一路依次安装截止阀Ⅱ、过滤器和截止阀Ⅲ；每个短直管上均装有三通，三通引出管道与辅料入口相连，三通与辅料入口之间设有截止阀Ⅳ；第一节长直管的入口端设有加热装置入口，最后一节长直管的末端不分流且设有加热装置出口，每根长直管的两端均装有压力及温度表。

优选地，长直管与短直管之间采用弯头连接。

优选地，长直管的单根长度根据超声波管道除垢器的有效作用距离而定，一般为5-10m。

优选地，滑轨加热套采用常用的滑轨管式炉上采用的上下开合式电加热方式，加热套可以在长直管上滑动，每段滑轨加热套的功率可单独调节。

优选地，可拆卸保温套采用硅酸铝或气凝胶或者二者结合的保温层组装而成，其特征在于采用螺栓固定、磁力吸合等方式固定在电加热装置的长直管上，由多段组成，可方便拆卸。当滑轨加热套的位置变动后，可拆卸保温套可以灵活地拆卸掉并重新集成到长直管上没有被滑轨加热套覆盖的位置上。

优选地，过滤器为Y型过滤器，过滤精度为50-3000μm。

使用上述加热装置进行高盐废水多级加热的方法包含以下步骤：

(1)进行阀门初始化，打开每一长直管上过滤器前后的截止阀，其他截止阀维持关闭状态。

(2)高盐废水从N1口进入本发明多级加热装置，首先经过一个滑轨加热器加热升温，然后经过过滤器，滑轨加热器和过滤器之间设有可拆卸保温套。

(3)经过步骤(2)处理的高盐废水温度有所升高，然后通过弯头进入短直管。短直管主要起连接作用，连接两个长直管。

(4)高盐废水再次进入一个长直管单元，继续加热升温。经过多个长直管加热单元后，高盐废水达到设定加热温度，此后的长直管加热单元中的滑轨加热器不再开启，废水流出多级加热装置。

下面介绍解决加热装置中无机盐结晶堵塞管道的方法：

在本发明多级加热系统中，每个长直管加热单元的首尾两端设有压力表。当两端的压差达到预警值时，说明该段长直管中的高盐废水中的无机盐发生了过饱和析出，堵塞了管道。

在本发明多级加热系统中，每个长直管加热单元的首尾两端设有温度表。监测每个长直管加热单元的入口温度，当入口温度达到预警值后，说明此后的长直管进入了易结晶堵塞温度区间。

对于满足上述两个条件中任一条件的长直管加热单元，使用上述加热装置进行除垢的方式包括以下几种：

(1)打开该长直管前一短直管上的三通入口，通过泵向装置中泵入含有晶种的药剂。

(2)打开该长直管前一短直管上的三通入口，通过泵向装置中泵入含有除垢沙粒。此过程中除垢沙粒可对沉积在管道壁面上的无机盐进行磨蚀减薄，然后被过滤器回收。运行一段时间后，停止泵入除垢沙粒。打开该长直管加热单元的过滤器旁路截止阀，关闭过滤器前后的截止阀。拆下并清理过滤器中回收的除垢沙粒，然后将过滤器装回，取消过滤器的旁路，恢复正常运行。该长直管加热单元完成一次沙粒除垢操作。

(3)打开该长直管加热段前的超声波管道除垢器，进行超声波除垢。

(4)改变滑轨加热器和可拆卸保温套的相对位置，改变该长直管段的加热位置。

以上四项操作，可以同时进行，也可分别进行，本方法中不做限制。

第(1)项中，加入的晶种根据高盐废水中无机盐的种类决定，本方法不做限制，同时其他促进无机盐团聚的药剂也包括在所谓的“晶种”范围内。

第(2)项中，除垢沙粒的粒径为50-3000μm，投加的沙粒粒径、沙粒浓度、投加时间、流速根据无机盐的结晶堵塞程度而定。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的用于高盐废水超临界水氧化系统的多级加热装置，将常规的加热装置(包括电加热器、电磁感应加热器及燃气炉等)分割成多个长直管加热单元，每个长直管加热单元中均设有滑轨加热套、可拆卸保温套、管道过滤器、超声波管道除垢器以及药剂入口及温度、压力测点，从而，在加热高盐废水的时候，能够通过温度、压力测点精确地定位出发生无机盐结晶堵塞的位置，从而有针对性地进行解决。同时，采用加热单元串联的方式，解决了常规电加热器中，加热管布置集中、无额外操作空间的缺点，为管道过滤器、超声波管道除垢器以及药剂入口的设置提供了条件。

每个加热单元的入口处设有超声波管道除垢器，长直管的长度是根据除垢器的作用距离而确定的，保证入口处设置的除垢器能够实现对单个长直管加热单元的除垢作用。采用长直管的形式能够保证滑轨加热套和可拆卸保温套的灵活位置变动，同时对于市面上常见的超声波管道除垢器来讲，直管有助于超声波的传播，提高处理效果。

具体地，第一，滑轨式管道加热器和可拆卸保温套的使用，改变了常规加热器均匀加热的方式，可以通过加热器位置和加热功率的改变调整加热区间，在加热高盐废水的过程中，当加热装置中某一段温度过高导致无机盐结晶时，可以灵活调整该段的加热功率及位置，从而解决结晶造成的堵塞问题。第二，每个加热单元之间通过短直管连接，短直管上设有三通，可以在每个长直管加热单元的入口加入药剂，从而有针对性地对堵塞的加热单元进行除垢，抑制管道结晶。第三，每个加热单元上设有过滤器以及旁路，过滤器的作用是在投加除垢沙粒时对该加热单元中的沙粒进行回收，防止沙粒沉淀在管道中引发堵塞。采用过滤器，方便拆卸，在进行除垢沙粒投加操作后可迅速清理出投加的沙粒，在清洗过滤器的时候开启旁路，维持了加热装置的正常运行。根据装置运行时间、堵塞情况，上述除垢方法可以单独使用，也可以联合使用。第四，每根长直管的两端均装有压力表和温度表，当两端的压力表压差达到预警值时，说明该段长直管中的高盐废水中的无机盐发生了过饱和析出，堵塞了管道；温度表监测每个加热单元的入口温度，当入口温度达到预警值后，说明之后的长直管进入了易结晶堵塞温度区间。因此，投入小，易于判断。

进一步地，可拆卸保温套采用螺栓固定、磁力吸合等方式固定在长直管上，可拆卸保温套为多段结构，这样的结构使得可拆卸保温套的设置位置更加灵活。

进一步地，Y型过滤器具有阻力小、冲洗方便、通流快速、压力损失小、抗污性强、排渣方便等特点。

本发明公开的基于上述装置的方法，通过改变管道壁面温度、添加晶种、沙粒流态化除垢及超声波除垢四个方法结合的方式解决高盐废水超临界水氧化系统中加热装置中无机盐结晶堵塞管道的问题。

进一步地，所谓的“晶种”是指促进无机盐结晶的物质，由于管道加热方式是外壁加热，壁面温度高于流体温度，无机盐在壁面附近形成的过热区中优先结晶。而通过加入晶种的方法，使得无机盐首先在晶种上结晶，随着主流流体的流动被带走，从而减少了无机盐在壁面上结晶造成的管道堵塞问题。

进一步地，沙粒流态化除垢是一种常用的管道除垢方法，但由于其对操作空间、物料流速的要求，很少在常规的加热装置上使用。通过采用本发明公开的多级加热装置，可以在每一个长直管加热单元入口设置除垢沙粒的入口，然后通过和过滤器及其旁路的配合，实现高效除垢及沙粒的高比例回收。

进一步地，本发明公开的调整加热区间的方法，改变了常规加热器均匀加热的方式，可以通过加热器位置和加热功率的改变调整加热区间。在加热高盐废水的过程中，当加热装置中某一段温度过高导致无机盐结晶时，可以灵活调整该段的加热功率及位置，从而解决结晶造成的堵塞问题。

通过以上单一方法的多元组合，本发明公开的基于上述装置的处理方法完全可以实现高盐废水的加热，抑制无机盐结晶造成设备堵塞。

附图说明

图1为典型工业化超临界水氧化系统的装置流程图。其中，加热装置位于物料泵与反应器之间；

图2为本发明用于高盐废水超临界水氧化系统的多级加热装置。

图中，1为长直管，2为压力表及温度表，3为超声波管道除垢器，4为滑轨式管道加热器，5为可拆卸保温套，6为截止阀Ⅰ，7为截止阀Ⅱ，8为过滤器，9为截止阀Ⅲ，10为短直管，11为三通，12为截止阀Ⅳ，N1为加热装置入口，N2～N7为辅料入口，N8为加热装置出口。

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2，本发明公开了一种用于高盐废水超临界水氧化系统的多级加热装置，由若干个加热除垢单元串联而成，每个长直管加热单元中包括长直管1、滑轨式管道加热器4、可拆卸保温套5、过滤器8、超声波管道除垢器3及温度、压力表2。在每一长直管1上布置有滑轨式管道加热器4和可拆卸保温套5，长直管的末尾分流为两路，一路设有过滤器8和截止阀7、9，另一路只设置一个截止阀6。每个长直管1的首、尾部分设置有压力表及温度表2，入口部分还设置有超声波管道除垢器3。两个长直管1之间采用短直管10连接，长直管1与短直管10之间采用弯头连接，短直管10上设有三通11，三通11引出管道上设置一个截止阀12。上述的长直管+短直管构成一个加热单元，每个加热单元上均按上述方法安装滑轨式管道加热器、可拆卸保温套、过滤器、超声波管道除垢器及三通等组件。整个加热装置由多个加热单元串联而成。

优选地，所述的长直管1的单根长度根据超声波管道除垢器的有效作用距离而定，一般为5-10m。

优选地，所述的滑轨式管道加热器4采用常用的滑轨管式炉上采用的上下开合式电加热方式，滑轨式管道加热器可以在长直管上滑动。每段滑轨式管道加热器的功率可单独调节。

优选地，可拆卸保温套5采用硅酸铝或气凝胶或二者结合的保温层组装而成，采用螺栓固定、磁力吸合等方式固定在长直管1上，可拆卸保温套5为多段结构，可方便拆卸。当滑轨加热套5的位置变动后，可拆卸保温套可以灵活地拆卸掉并重新集成到长直管上没有被滑轨加热套覆盖的位置上。

优选地，过滤器8为Y型过滤器，过滤精度为50-3000μm。

使用上述加热装置进行高盐废水多级加热的方法包含以下步骤：

以第一段长直管加热单元为例，介绍在本发明多级加热装置中高盐废水加热流程：

1)进行阀门初始化，打开每一长直管1上过滤器8前、后的截止阀Ⅱ7和截止阀Ⅲ9，其他截止阀维持关闭状态；

2)高盐废水从加热装置入口N1进入装置，首先经过一个滑轨式管道加热器4加热升温，然后经过过滤器8，滑轨式管道加热器4和过滤器8之间设有可拆卸保温套5；

3)经过步骤2)处理的高盐废水温度有所升高，然后通过弯头进入短直管10；

4)高盐废水再次进入一个加热单元，继续加热升温，经过多个加热单元后，高盐废水达到设定加热温度，之后的加热单元中的滑轨式管道加热器4不再开启，废水从加热装置出口N8流出多级加热装置。

下面介绍解决加热装置中无机盐结晶堵塞管道的方法：

在本发明多级加热系统中，每个长直管加热单元的首尾两端设有温度表及压力表2。当两端的压差达到预警值时，说明该段长直管中的高盐废水中的无机盐发生了过饱和析出，堵塞了管道。

在本发明多级加热系统中，监测每个长直管加热单元的入口温度，当入口温度达到预警值后，说明之后的长直管进入了易结晶堵塞温度区间。

对于满足上述两个条件中任一条件的长直管加热单元，说明管道发生堵塞现象，投入多种手段抑制无机盐结晶堵塞管道，包括以下方法中的一种或几种：

(1)打开该长直管前一短直管上的三通11入口，通过泵从N2口向装置中泵入含有晶种的药剂。

(2)打开该长直管前一短直管上的三通11入口，通过泵从N2向装置中泵入含有除垢沙粒。此过程中除垢沙粒可对沉积在管道壁面上的无机盐进行磨蚀减薄，然后被过滤器8回收。运行一段时间后，停止泵入除垢沙粒。打开该长直管加热单元的过滤器旁路截止阀6，关闭过滤器前后的截止阀7、9。拆下并清理过滤器8中回收的除垢沙粒，然后将过滤器8装回，关闭过滤器8的旁路上的截止阀6，恢复正常运行。长直管加热单元完成一次沙粒除垢操作。

(3)打开该长直管加热段前的超声波管道除垢器3，进行超声波除垢。

(4)改变滑轨式管道加热器4和可拆卸保温套5的相对位置，改变该长直管段的加热位置。

第(1)项中，加入的晶种根据高盐废水中无机盐的种类决定，本方法不做限制，同时其他促进无机盐团聚的药剂也包括在所谓的“晶种”范围内。

第(2)项中，除垢沙粒的粒径为50-3000μm，投加的沙粒粒径、沙粒浓度、投加时间、流速根据无机盐的结晶堵塞程度而定。

以上四项操作，可以同时进行，也可分别进行，本方法中不做限制。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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 (7)

1.一种用于高盐废水超临界水氧化系统的多级加热装置，其特征在于，由若干个加热单元首尾依次串联而成，每个加热单元包括长直管（1）和与其相连的短直管（10），长直管（1）与短直管（10）之间采用弯头连接；

自每个长直管（1）的入口端起依次设有超声波管道除垢器（3）、滑轨式管道加热器（4）和可拆卸保温套（5），每个长直管（1）的末端均分流为两路，一路安装截止阀Ⅰ（6），另一路依次安装截止阀Ⅱ（7）、过滤器（8）和截止阀Ⅲ（9）；每个短直管（10）上均装有三通（11），三通（11）引出管道与辅料入口相连，三通（11）与辅料入口之间设有截止阀Ⅳ（12）；

所述滑轨式管道加热器（4）能够在长直管（1）上滑动，且每个长直管（1）上的滑轨式管道加热器（4）的功率单独可调；可拆卸保温套（5）采用螺栓固定或磁力吸合的方式固定在长直管（1）上，可拆卸保温套（5）为多段结构；第一节长直管（1）的入口端设有加热装置入口（N1），最后一节长直管（1）的末端不分流且设有加热装置出口（N8），每根长直管（1）的两端均装有压力表及温度表（2）。

2.根据权利要求1所述的用于高盐废水超临界水氧化系统的多级加热装置，其特征在于，单根长直管（1）的长度根据超声波管道除垢器（3）的有效作用距离而定。

3.根据权利要求1所述的用于高盐废水超临界水氧化系统的多级加热装置，其特征在于，可拆卸保温套（5）采用硅酸铝和/或气凝胶的保温层组装而成，可拆卸保温套（5）能够根据滑轨式管道加热器（4）的位置变动而自由拆卸、集成。

4.根据权利要求1所述的用于高盐废水超临界水氧化系统的多级加热装置，其特征在于，过滤器（8）为Y型过滤器，过滤精度为50~3000μm。

5.使用权利要求1~4任意一项所述装置进行高盐废水多级加热的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）进行阀门初始化，打开每一长直管（1）上过滤器（8）前、后的截止阀Ⅱ（7）和截止阀Ⅲ（9），其他截止阀维持关闭状态；

2）高盐废水从加热装置入口（N1）进入多级加热装置，首先经过一个滑轨式管道加热器（4）加热升温，然后经过可拆卸保温套（5）进入过滤器（8）；

3）经过步骤2）处理的高盐废水温度有所升高，然后进入短直管（10）；

4）高盐废水再次进入一个加热单元，继续加热升温，经过多个加热单元后，高盐废水达到设定加热温度，之后的加热单元中的滑轨式管道加热器（4）不再开启，直至废水经过最后一个加热单元的长直管（1）的末端的加热装置出口（N8）流出装置；

当检测到某个长直管（1）两端的压差达到预警值时，或者当检测到某个长直管（1）的入口温度达到预警值时，说明管道发生堵塞现象，抑制无机盐结晶堵塞管道的方法包括以下方法中的一种或几种：

第一，打开该段长直管（1）前的一节短直管（10）上的三通（11）入口，通过泵从辅料入口向装置中泵入含有晶种的药剂；

第二，通过泵从辅料入口向装置中泵入除垢沙粒，除垢沙粒对沉积在管道壁面上的无机盐进行磨蚀减薄，然后被过滤器（8）回收；运行一段时间后，停止泵入除垢沙粒，打开过滤器（8）旁路的截止阀Ⅰ（6），关闭过滤器（8）前、后的截止阀Ⅱ（7）和截止阀Ⅲ（9）；拆下并清理过滤器（8）中回收的除垢沙粒，然后将过滤器（8）装回，关闭过滤器（8）的旁路上的截止阀Ⅰ（6），恢复正常运行，完成一次沙粒除垢操作；

第三，打开该段长直管（1）加热段前的超声波管道除垢器（3），进行超声波除垢；

第四，改变滑轨式管道加热器（4）和可拆卸保温套（5）的相对位置，从而改变该长直管段的加热位置。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，第一种处理方式中，含有晶种的药剂根据高盐废水中无机盐的种类决定。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，第二种处理方式中，除垢沙粒的粒径为50~3000μm，投加的沙粒粒径、沙粒浓度、投加时间及流速根据无机盐的结晶堵塞程度而定。

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