CN109592774A - 一种管式超临界水氧化反应器、超临界水氧化系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种管式超临界水氧化反应器、超临界水氧化系统及方法。其中，一种管式超临界水氧化反应器，包括：内筒和外筒；所述外筒套设在内筒外部，物料入口设置在内筒和外筒之间，物料出口设置在内筒顶部，使得工质由内筒和外筒之间的间隙流入且从内筒顶部流出；所述内筒与外筒之间的间隙中加装有翅片或膨胀节，以增大扰流，增长流程，强化换热。

Description

一种管式超临界水氧化反应器、超临界水氧化系统及方法

技术领域

本公开属于管式超临界水氧化反应器领域，尤其涉及一种管式超临界水氧化反应器、超临界水氧化系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

核电厂的水处理系统使用有机物离子交换树脂(IER)，以吸附各类离子，最大限度地减少系统组件的腐蚀和降解，并去除放射性污染物。有机树脂也用于化学除污或清洁过程、通过试剂再生工艺用水和去除放射性核素。因此，核电厂会有大量受污染的有机物离子交换树脂生成。但因废树脂具有放射性，现今一般以储存的方式对其进行处理，暂时没有令人满意的工业处理途径。对于超临界水氧化反应，有机废物和空气、氧气等氧化剂在超临界水中进行氧化反应而将有机废物去除，因此可以用于废树脂的处理。

在超临界条件(P>22.1MPa和T>647K)下，水作为非极性致密气体具有许多独特的性质。其溶剂化性质类似于低极性有机溶剂，在其中，液体有机物与其完全混溶。烃类等非极性有机物与极性有机物一样可完全与超临界水互溶，氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳等气体也都能以任意比例溶于超临界水中，但无机物尤其是盐类在超临界水中的溶解度很小。

由于SCWO是在高温高压下进行的均相反应，反应速率很快，对有机物处理较为彻底。此外，有机物被完全氧化成二氧化碳、水、氮气以及盐类等无毒的小分子化合物，不会形成二次污染，且无机盐可从水中分离出来，处理后的废水可完全回收利用。另外，当有机物含量超过2％时SCWO过程还可以形成自热而不需额外供给热量。但是，因树脂颗粒为固相，反应为非均相反应，需要的反应时间较长，固相反应时间和流体流动时间之间存在矛盾，当前反应器一般无法满足要求。此外，目前的技术在不对固体颗粒进行破碎的情况下无法实现其完全氧化。若将树脂破碎成小颗粒再进行反应，会使得系统复杂，并且导致二次污染。其次，由于超临界水反应器内处于层流流动，导热效果差，因此没有合适的手段给进料均匀加热从而满足树脂能迅速升温开始反应并且管路温度不会太高的两个条件。除反应时间不能满足、不能均匀加热外，当前反应器还存在容易形成盐沉淀的缺点。

发明内容

根据本公开的一个或多个实施例的一个方面，提供一种管式超临界水氧化反应器，其能够增长超临界水氧化反应器反应时间。

本公开的一种管式超临界水氧化反应器，包括：

内筒和外筒；

所述外筒套设在内筒外部，物料入口设置在内筒和外筒之间，物料出口设置在内筒顶部，使得工质由内筒和外筒之间的间隙流入且从内筒顶部流出；

所述内筒与外筒之间的间隙中加装有扰流装置，以增大扰流，增长流程，强化换热。

在一个或多个实施例中，所述内筒内部安装有滤网，用于拦截随流体流动至上方的粒径超过预设阈值的颗粒，延长其反应时间。

在一个或多个实施例中，所述外筒底部安装有挡板，使颗粒在挡板上发生堆积并进行化学反应，从而延长颗粒的反应时间。

在一个或多个实施例中，所述挡板为凹球面多边形，以减少与外筒内壁结合处盐沉淀。

在一个或多个实施例中，所述内筒连通有排盐管道。

在一个或多个实施例中，外筒的高度大于内筒的高度。

在一个或多个实施例中，所述外筒的外壁连接有定热流或定壁温的加热装置，从而实现在热量不足时为所述管式超临界水氧化反应器提供所需热量的目的。

在一个或多个实施例中，所述外筒的外壁连接有定热流或定壁温的冷却装置，从而实现在产热过高时及时排除热量保护管式超临界水氧化反应器的目的。

根据本公开的一个或多个实施例的另一个方面，提供一种超临界水氧化系统，其在增长超临界水氧化反应器反应时间并能有效均匀加热的同时实现了减少盐沉淀及间歇式排盐的目的。

本公开的一种超临界水氧化系统，包括上述所述的管式超临界水氧化反应器。

根据本公开的一个或多个实施例的另一个方面，提供一种超临界水氧化方法，其在增长超临界水氧化反应器反应时间并能有效均匀加热的同时实现了减少盐沉淀及间歇式排盐的目的。

本公开的一种超临界水氧化方法，采用上述所述的管式超临界水氧化反应器进行超临界水氧化，具体包括：

超临界水携带物料从物料入口进入，同从另一侧物料入口进入的氧在外筒与内筒间隙中混合；

在流体温度满足化学反应发生最低温度时，物料与氧开始反应；

在外筒与内筒间隙流动到外筒底部后，还未完全反应的物料逐渐在凹球面多边形挡板上堆积，并最终形成相对稳定物料堆；

物料在稳定树脂堆中继续发生化学反应，多余的反应物与反应生成物携带部分物料继续由内筒向上流动；

在滤网前，颗粒直径大于预设阈值的物料在滤网阻拦下存留在内筒中滤网以下的空间中继续参与化学反应，颗粒直径小于滤网孔径的物料随生成物与未反应的反应物从内筒上侧物料出口流出。

在一个或多个实施例中，超临界水氧化方法，还包括：

采用间歇式排盐方案，定期排出含盐浓度高于预设浓度值的工质；

在排盐过程中，首先打开排盐口，关闭物料出口，将反应器中工质从排盐口排出，并可针对不同工况，控制排出工质流量，以达到排盐及冲刷反应器内壁的目的。

本公开的有益效果是：

(1)本公开在内筒顶部设置物料出口，使工质形成由内外筒间隙流入、由内筒顶部流出的回路，增长流动行程，从而增加反应时间；而且在内筒与外筒之间的间隙中加装扰流装置(如：翅片或膨胀节)，以增大扰流，增长流程，强化换热，由于间隙中布置有密集的翅片群，因此两者混合物可在间隙中充分与外筒内壁、内筒外壁进行换热，并且充分混合。

(2)本公开在内筒中部安装滤网，拦截随流体流动至上方的粒径较大物料颗粒，延长其反应时间。

(3)本公开在外筒底部安装挡板，使颗粒在其上发生堆积并进行化学反应，从而延长物料颗粒的反应时间。

(4)本公开的挡板设计成凹球面多边形可以有效减少夹角处析出盐的聚集与堆积；其次，凹球面多边形结构能减少流动死区的形成，在一定程度上也减少了析出盐的沉积的机会；同时，凹球面多边形结构能有效使流动均匀变化，使颗粒堆积有序。

(5)本公开采用间歇式排盐方案，定期排出含盐浓度较高工质，并可针对不同工况，控制排出工质流量，以达到排盐及冲刷反应器内壁的目的。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本公开的一种管式超临界水氧化反应器一实施例结构示意图。

图2是本公开的一种管式超临界水氧化反应器另一实施例结构示意图。

图3是本公开的扰流装置结构示意图。

图4是排盐操作流程图。

其中，1、内筒；2、外筒；3、物料出口；4、物料入口；5、上法兰；6、下法兰；7、扰流装置；8、挡板；9、排盐口。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

图1是本公开的一种管式超临界水氧化反应器一实施例结构示意图。

如图1所示，本公开的一种管式超临界水氧化反应器，包括：

内筒1和外筒2；

所述外筒2套设在内筒1外部，物料入口4设置在内筒1和外筒2之间，物料出口3设置在内筒1顶部，使得工质由内筒1和外筒2之间的间隙流入且从内筒顶部流出；

所述内筒1与外筒2之间的间隙中加装有扰流装置7，以增大扰流，增长流程，强化换热。

其中，扰流装置为翅片或膨胀节，如图3所示。

具体地，外筒2的高度大于内1筒的高度。

具体地，外筒2和内筒1的上端和下端分别采用上法兰5和下法兰6固定，形成双层套管结构。

其中，物料入口4包括第一物料入口和第二物料入口，第一物料入口用于使得反应物料进入；

第二物料入口用于连通氧气通道，使得氧气进入外筒与内筒间隙，且与反应物料混合。

所述内筒内部安装有滤网，用于拦截随流体流动至上方的粒径超过预设阈值的颗粒，延长其反应时间。

其中，滤网的孔径大小可根据实际情况来具体设置。

本公开在内筒中部安装滤网，拦截随流体流

动至上方的粒径较大的物料颗粒，延长其反应时间。

所述外筒靠近底部安装有挡板8，将外筒分为上下两个腔室，使颗粒在挡板上发生堆积并进行化学反应，从而延长颗粒的反应时间。

在具体实施中，所述挡板为凹球面多边形，以减少与外筒内壁结合处盐沉淀。

图2是本公开的一种管式超临界水氧化反应器另一实施例结构示意图。

如图2所示，在图1的基础上，外筒与内筒形成双层套管，物料由两者间隙中注入，外筒下部设有凹球面多边形下挡板用于形成物料颗粒堆积，内筒中间设有排盐管道用于将含盐工质排入下挡板下，外筒底部设有排盐口9，用于排出含盐工质。

本公开在外筒底部安装挡板，使颗粒在其上发生堆积并进行化学反应，从而延长物料颗粒的反应时间。

本公开的挡板设计成凹球面多边形可以有效减少夹角处析出盐的聚集与堆积；其次，凹球面多边形结构能减少流动死区的形成，在一定程度上也减少了析出盐的沉积的机会；同时，凹球面多边形结构能有效使流动均匀变化，使颗粒堆积有序。

在另一实施例中，所述内筒连通有排盐管道，排盐管道连接内筒上部与下腔室，排盐口设置在外筒底部。

排盐管道作用只是将内筒内浓盐水排入挡板下的下腔室，排盐口的作用是从下腔室将浓盐水排到外界。

具体地，排盐管道穿过滤网、凹球面多边形挡板。

排盐管道的作用是：挡板将外筒分为上下两个腔室，盐溶液可通过排盐管道从上腔室排入下腔室。而下腔室又有排盐口，最终从排盐口排到外界。

在另一实施例中，所述外筒的外壁连接有定热流或定壁温的加热装置，从而实现在热量不足时为所述管式超临界水氧化反应器提供所需热量的目的。

在另一实施例中，所述外筒的外壁连接有定热流或定壁温的冷却装置，从而实现在产热过高时及时排除热量保护管式超临界水氧化反应器的目的。

其中，进行反应后的工质在内筒中流动时会通过内筒壁面传递给内筒与外筒间隙刚进入反应器的工质一部分热量，使工质在流出前降低到一定的温度并能回收废热以加热刚进如反应器的工质。此外，根据工况不同，外筒外可外接定热流或定壁温的加热或冷却装置，从而能实现在热量不足时为管式超临界水氧化反应器提供所需热量，在产热过高时及时排除热量保护管式超临界水氧化反应器的目的。

本公开在内筒顶部设置物料出口，使工质形成由内外筒间隙流入、由内筒顶部流出的回路，增长流动行程，从而增加反应时间；而且在内筒与外筒之间的间隙中加装翅片或膨胀节，以增大扰流，增长流程，强化换热，由于间隙中布置有密集的翅片群，因此两者混合物可在间隙中充分与外筒内壁、内筒外壁进行换热，并且充分混合。

本公开的一种超临界水氧化系统，包括上述所述的管式超临界水氧化反应器。

在具体实施中，所述超临界水氧化系统，还包括物料输送装置和氧气输送装置，所述氧气输送装置包括依次连通的液氧储罐和液氧输送泵。

本公开的一种超临界水氧化系统能够在增长超临界水氧化反应器反应时间并能有效均匀加热的同时实现了减少盐沉淀及间歇式排盐的目的。

本公开的一种超临界水氧化方法，采用上述所述的管式超临界水氧化反应器进行超临界水氧化。

下面以反应物料为废树脂颗粒为例：

具体地，超临界水氧化方法包括：

超临界水携带废树脂颗粒从物料入口进入，同从另一侧物料入口进入的氧在外筒与内筒间隙中混合；

在流体温度满足化学反应发生最低温度时开始进行废树脂的水解与氧相反应；

在外筒与内筒间隙流动到外筒底部后，还未完全反应的废树脂逐渐在凹球面多边形挡板上堆积，并最终形成相对稳定废树脂堆；

树脂颗粒在稳定树脂堆中继续发生化学反应，多余的反应物与反应生成物携带部分树脂颗粒继续由内筒向上流动；

在滤网前，颗粒直径大于预设阈值的物料在滤网阻拦下存留在内筒中滤网以下的空间中继续参与化学反应，颗粒直径小于滤网孔径的物料随生成物与未反应的反应物从内筒上侧物料出口流出。

在另一实施例中，超临界水氧化方法，还包括：

采用间歇式排盐方案，定期排出含盐浓度高于预设浓度值的工质；

如图4所示，在排盐过程中，首先打开排盐口，关闭物料出口，将反应器中工质从排盐口排出，并可针对不同工况，控制排出工质流量，以达到排盐及冲刷反应器内壁的目的。

因内筒中用于排盐的管道入口接近内筒顶部，在排盐操作中可尽量的将反应器内工质排出。并且可根据具体盐沉积情况改变入口工质工况进行壁面沉积盐的冲刷。排盐管深入内筒上部，可增长在排盐过程中工质流动行程，进而提高排盐效果。

本公开采用间歇式排盐方案，定期排出含盐浓度较高工质，并可针对不同工况，控制排出工质流量，以达到排盐及冲刷反应器内壁的目的。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种管式超临界水氧化反应器，其特征在于，包括：

内筒和外筒；

所述外筒套设在内筒外部，物料入口设置在内筒和外筒之间，物料出口设置在内筒顶部，使得工质由内筒和外筒之间的间隙流入且从内筒顶部流出；

所述内筒与外筒之间的间隙中加装有扰流装置，以增大扰流，增长流程，强化换热。

2.如权利要求1所述的一种管式超临界水氧化反应器，其特征在于，所述内筒内部安装有滤网，用于拦截随流体流动至上方的粒径超过预设阈值的颗粒，延长其反应时间。

3.如权利要求1所述的一种管式超临界水氧化反应器，其特征在于，所述外筒底部安装有挡板，使颗粒在挡板上发生堆积并进行化学反应，从而延长颗粒的反应时间。

4.如权利要求3所述的一种管式超临界水氧化反应器，其特征在于，所述挡板为凹球面多边形，以减少与外筒内壁结合处盐沉淀。

5.如权利要求3所述的一种管式超临界水氧化反应器，其特征在于，所述内筒连通有排盐管道。

6.如权利要求1所述的一种管式超临界水氧化反应器，其特征在于，外筒的高度大于内筒的高度。

7.如权利要求1所述的一种管式超临界水氧化反应器，其特征在于，所述外筒的外壁连接有定热流或定壁温的加热装置，从而实现在热量不足时为所述管式超临界水氧化反应器提供所需热量的目的；

或所述外筒的外壁连接有定热流或定壁温的冷却装置，从而实现在产热过高时及时排除热量保护管式超临界水氧化反应器的目的。

8.一种超临界水氧化系统，其特征在于，包括如权利要求1-7中任一项所述的管式超临界水氧化反应器。

9.一种超临界水氧化方法，其特征在于，采用如权利要求1-7中任一项所述的管式超临界水氧化反应器进行超临界水氧化；超临界水氧化方法包括：

超临界水携带物料从物料入口进入，同从另一侧物料入口进入的氧在外筒与内筒间隙中混合；

在流体温度满足化学反应发生最低温度时，物料与氧开始反应；

在外筒与内筒间隙流动到外筒底部后，还未完全反应的物料逐渐在凹球面多边形挡板上堆积，并最终形成相对稳定物料堆；

物料在稳定树脂堆中继续发生化学反应，多余的反应物与反应生成物携带部分物料继续由内筒向上流动；

在滤网前，颗粒直径大于预设阈值的物料在滤网阻拦下存留在内筒中滤网以下的空间中继续参与化学反应，颗粒直径小于滤网孔径的物料随生成物与未反应的反应物从内筒上侧物料出口流出。

10.如权利要求9所述的一种超临界水氧化方法，其特征在于，还包括：

采用间歇式排盐方案，定期排出含盐浓度高于预设浓度值的工质；

在排盐过程中，首先打开排盐口，关闭物料出口，将反应器中工质从排盐口排出，并可针对不同工况，控制排出工质流量，以达到排盐及冲刷反应器内壁的目的。