CN109748375A - 一种低温等离子体协同处理难降解有机物废水处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温等离子体协同处理难降解有机物废水处理系统，其包括废水供给系统、氧气供应系统、启动燃料系统及超临界反应器，废水供给系统包括由废水管道依次连接的废水槽、高压废水泵、废水换热器及废水电加热器；氧气供应系统包括液氧增压系统、等离子体发生器，液氧经液氧增压系统输送至等离子体发生器进行离子化后进入超临界反应器氧化剂入口；启动燃料系统由燃料管道依次连接燃料桶、低压燃料泵、燃料缓冲罐高压燃料泵及燃料电加热器；超临界反应器底部设置有无机盐出口。本发明采用低温等离子体发生器与超临界水氧化反应器协同处理难降解有机物废水，可有效提高氧化效率，缩短反应时间，降低反应温度、压力要求，降低反应成本。
Description
技术领域
本发明涉及难降解有机物废水处理技术领域，特别是一种低温等离子体协同处理难降解有机物废水处理系统。
背景技术
等离子体是物质的第四态，由大量的自由电子和离子组成，且整体上表现为电中性的电离气体。低温等离子体氧化技术不仅富集了具有强氧化性的自由基以及激发态的原子、分子等高活性粒子，可使难降解有机物分子激发、电离或断键，而且氧化过程中还伴随有紫外光辐射、冲击波以及液电空化降解等物理化学效应，加速了有机物的降解。
湿式空气氧化法(WetAir Oxidation，简称WAO法)是在高温(150～350℃)、高压(0.5～20MPa)下，利用氧和空气或其它氧化剂将在废水中的有机物氧化为二氧化碳和水，从而达到去除污染物的目的。该法在国外已实现工业化。其优点为：氧化速度快，处理效率高，适用范围广，一般无二次污染等。但其应用也存在一定局限性： (1)该法要求在高温、高压条件下进行，反应条件苛刻，系统的设备费用大，一次投资大；(2)设备材料要耐高温、高压，且防腐蚀要求高；(3)COD去除率较低，反应时间较长，对多氯联苯、小分子羧酸的去除难以完全。
为降低湿式空气氧化法的反应温度和压力，同时提高处理效果，出现了使用高效、稳定催化剂的湿式催化氧化法(Catalytic Wet Air Oxidation，简称CWAO法)。为彻底去除一些难以去除的有机物，利用超临界水的特性，将废液的温度、压力提升至临界温度、临界压力以上加速反应过程，称为超临界水氧化法(Supercritical Wet Oxid ation，简称SCWO法)。
湿式催化氧化法应用催化剂降低了反应活化能，改变了反应历程，从而降低了反应所需的温度和压力，提高了氧化分解能力，缩短了反应时间，有效地遏制了设备腐蚀，降低了成本。湿式催化氧化法所采用的催化剂分为均相和多相两类。均相催化剂溶于废水中会造成二次污染，需后续处理，已被逐步淘汰。多相催化剂包括贵金属和金属氧化物催化剂。其中贵金属催化剂活性高、寿命长、适应性广、但价格昂贵，应用受到限制。湿式催化氧化反应为气液固三相反应，高温高压下，液体不断地冲刷，催化剂会粉化，堵塞反应器，影响反应器的长期运行和废水处理效果，因此对催化剂强度有较高要求。其次废水水量波动较大，水质较为复杂，可能会使催化剂中毒，影响催化剂寿命。
超临界水氧化技术对于大多数难降解有机物均具有很高的去除率。但是由于超临界水氧化反应条件苛刻，反应器内局部温度过高，废水、废物及污泥等成分复杂，变化较大，这些对超临界反应器设计计算，材料选择造成了极大的困难，系统升级及大型化、工业化进程缓慢。
将低温等离子体技术与湿式(催化)氧化或超临界水氧化技术协同处理难降解有机物废水，可优势互补。不同发生类型的低温等离子体技术可分别对氧气或废水进行放电活化。氧气由于气体放电而产生具有强氧化能力的氧等离子体，将其通入湿式(催化)氧化反应系统或超临界水氧化反应系统中，可提高氧化效率，缩短反应时间，降低反应温度、压力，降低反应成本，延长催化剂使用寿命，扩展了设备、管道选材范围。将低温等离子体发生器置于上述氧化反应系统的反应器中，也可获得类似效果。
经检索，未发现采用低温等离子体技术与超临界水氧化技术协同处理难降解有机物废水的文献报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种低温等离子体协同处理难降解有机物废水处理系统，采用低温等离子体与超临界水氧化反应系统协同处理难降解有机物废水，可有效提高氧化效率，缩短反应时间，降低反应温度、压力，降低反应成本，延长催化剂使用寿命，扩展了设备、管道选材范围。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种低温等离子体协同处理难降解有机物废水处理系统，其特征在于：包括废水供给系统、氧气供应系统、启动燃料系统及超临界反应器，废水供给系统包括由废水管道依次连接的废水槽、高压废水泵、废水换热器及废水电加热器，废水管道连接至超临界反应器的物料入口；氧气供应系统包括液氧增压系统、等离子体发生器，液氧经液氧增压系统输送至等离子体发生器进行离子化后进入超临界反应器的氧化剂入口；启动燃料系统由燃料管道依次连接的燃料桶、低压燃料泵、燃料缓冲罐高压燃料泵及燃料电加热器，燃料管道连接至超临界反应器的燃料入口；超临界反应器底部设置有无机盐出口，并依次连接无机盐水罐及盐水分离罐。
而且，所述超临界反应器包括反应器筒体、上端筒体、上封头、下封头、多层烧嘴及冷却壁，反应器筒体上端固定安装上端筒体及上封头，上封头设置物料进口，上端筒体设置氧化剂进口及气体产物出口，反应器筒体下部固定安装下封头，上端筒体内安装多层烧嘴，反应器筒体内设置冷却壁，其特征在于：所述多层烧嘴下部伸入至反应器筒体内，在反应器筒体内的多层烧嘴外壁设置多层换热套，该多层换热套包括外套体及折流挡板，该多层换热套的外套体与多层烧嘴外壁之间由若干折流挡板分隔成为若干连通的冷却腔，在该若干冷却腔内均设置换热管，多层换热套设置一进气端及一出气端，进气端连通反应器筒体内部，出气端连通上端筒体所设置的气体产物出口，在多层换热套与反应器筒体之间的区域内设置有喷淋管，对气体产物进行喷淋降温。
而且，所述上封头的进水口与冷却水泵连接。
而且，所述冷却壁为多层冷却壁，该多层冷却壁的外壁与反应器筒体的内壁之间形成狭隙，该狭隙由从上至下分隔开的多个狭隙构成，该多个狭隙至少包括从上至下的一个高温蒸发壁狭隙，一个中温蒸发壁狭隙及一个低温蒸发壁狭隙，在反应器筒体上制有分别与所述高温蒸发壁狭隙，中温蒸发壁狭隙及低温蒸发壁狭隙连通的高温蒸发壁水入口、中温蒸发壁水入口及低温蒸发壁水入口。
而且，所述高温蒸发壁水入口、中温蒸发壁水入口及低温蒸发壁水入口分别与第一水冷壁水泵C、水冷壁水泵B、水冷壁水泵A连接。
而且，所述下封头设置有急冷水入口，急冷水入口与急冷水泵连接。
而且，所述上封头安装有插入至反应器筒体内部的温度变送器。
本发明的优点和有益效果为：
1、本发明的低温等离子体协同处理难降解有机物废水处理系统，氧气供应系统采用液氧增压系统与等离子体发生器连接，等离子体发生器为耐高压等离子体发生器，原理同一般臭氧等离子体发生器，其等离子化过程实现高压氧气的等离子过程。液氧通过液氧增压系统增压后进行气化，高压氧气进入等离子体发生器，通过激发或电离将电子获得的能量转移到氧气分子或原子中去，获得能量的氧原子被激发形成不稳定高压臭氧，从而成为活性基团。臭氧作为氧化剂加速反应的进程，降低反应条件和成本。
2、本发明的低温等离子体协同处理难降解有机物废水处理系统，其超临界反应器采用多层喷烧多层冷却的超临界水氧化反应器，有机废液在超临界反应放热后，气体产物温度急剧升高，如若直接排放，对气体产物出口附近的管道、仪表、阀门的损害严重，需要降低并控制气体产物温度在300℃以下，通过在反应器筒体上端内部安装喷淋管，实现气体上升过程中首次降温，首次降温后的气体再次进入多层换热套中，气体在多层换热套内经过多次折流排出，换热管内部通入冷却水，再次对气体进行降温，通过调节通入喷淋管和换热管冷却水的流量大小，控制气体产物出口的温度，实现降低并控制气体产物温度在300℃以下。
3、本发明的低温等离子体协同处理难降解有机物废水处理系统，其超临界反应器的反应器筒体的内壁面在超临界反应区，温度过高，造成设计壁厚太大，耐高温高压抗腐蚀材料成本高，为解决此问题，本发明采用水冷壁结构，降低壁面温度，水冷壁结构设计独特，安装后与筒体形成多个环腔，将低温水通过多层次的高温蒸发壁水入口、中温蒸发壁水入口及低温蒸发壁水入口，进行壁面循环降温，降低反应釜壁面温度对设计壁面厚度减少很大，节约成本。
4、本发明的低温等离子体协同处理难降解有机物废水处理系统，采用低温等离子体发生器与超临界水氧化反应器协同处理难降解有机物废水，可有效提高氧化效率，缩短反应时间，降低反应温度、压力要求，降低反应成本，同时有效防止堵塞及腐蚀，能够连续运行处理有机废液30～100吨/天降低，扩展了设备、管道选材范围。
附图说明
图1为本发明的低温等离子体协同处理难降解有机物废水处理系统的系统流程图；
图2为本发明的超临界反应器的结构示意图。
1-废水槽、2-高压废水泵、3-废水换热器、4-废水电加热器、5-液氧增压系统、 6-等离子体发生器、7-燃料桶、8-低压燃料泵、9-燃料缓冲罐、10-高压燃料泵、11- 燃料电加热器、12-超临界反应器、13-无机盐水罐、14-盐水分离罐、15-低压废水泵、 16--冷却水泵、17--急冷水泵，18--水冷壁水泵A，19-水冷壁水泵B，20-水冷壁水泵 C、21-上封头、22-上端筒体、23-氧化剂进口、24-安全阀出接口、25-多层换热套、 26-喷淋管、27-折流挡板、28-高温蒸发壁水入口、29-中温蒸发壁水入口、30-低温蒸发壁水入口、31-下封头、32-急冷水入口、33-低温蒸发壁狭隙、34-隔板、35-中温蒸发壁狭隙、36-高温蒸发壁狭隙、37-冷却壁、38-反应器筒体、39-多层烧嘴、40-换热管、41-气体产物出口、42-温度变送器、43-物料进口、44-进水口、45-无机盐出口。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种低温等离子体协同处理难降解有机物废水处理系统，其包括废水供给系统、氧气供应系统、启动燃料系统及超临界反应器12，废水供给系统包括由废水管道依次连接的低压废水泵15、废水槽1、高压废水泵2、废水换热器3及废水电加热器4，废水管道连接至超临界反应器的物料入口，与超临界反应器内多层烧嘴的物料入口连接；氧气供应系统包括液氧增压系统5、等离子体发生器6，液氧经液氧增压系统输送至等离子体发生器进行离子化后进入超临界反应器的氧化剂入口，并通入至多层烧嘴的氧化剂入口；启动燃料系统由燃料管道依次连接的燃料桶7、低压燃料泵8、燃料缓冲罐9、高压燃料泵10及燃料电加热器11，燃料管道连接至超临界反应器的燃料入口，燃料与物料混合后进入多层烧嘴；超临界反应器底部设置有无机盐出口，并依次连接无机盐水罐13及盐水分离罐14。
超临界反应器采用多层喷烧多层冷却超临界反应器，其包括反应器筒体38、上端筒体22、上封头21、下封头31、多层烧嘴39及冷却壁37，反应器筒体上端固定安装上端筒体及上封头，上封头设置物料进口43，上端筒体设置氧化剂进口23，反应器筒体下部固定安装下封头，上端筒体内安装多层烧嘴，反应器筒体内设置冷却壁。上端筒体设置有气体产物出口41、安全阀出接口24。下封头底部设置无机盐出口45。
多层烧嘴下部伸入至反应器筒体内，在反应器筒体内的多层烧嘴外壁设置多层换热套25，该多层换热套包括外套体及折流挡板27，该多层换热套的外套体与多层烧嘴外壁之间由若干折流挡板分隔成为若干连通的冷却腔，在该若干冷却腔内均设置换热管40，上封头设置有与换热管连通的进水口44。多层换热套设置一进气端及一出气端，进气端位于靠近多层烧嘴外壁的一端，其连通反应器筒体内部，出气端位于远离多层烧嘴外壁的一侧，其连通上端筒体所设置的气体产物出口。多层换热套内设置两道折流挡板，将气体产物在所形成的通道内逐渐冷却。在多层换热套与反应器筒体之间的区域内设置有喷淋管26，对气体产物进行喷淋降温，喷淋管连接上封头所设置的进水口44。该进水口与冷却水泵16连接。
冷却壁为多层冷却壁，该多层冷却壁的外壁与反应器筒体的内壁之间形成狭隙，该狭隙由从上至下通过隔板34分隔开的多个狭隙构成，该多个狭隙至少包括从上至下的一个高温蒸发壁狭隙36，一个中温蒸发壁狭隙35及一个低温蒸发壁狭隙33，在反应器筒体上制有分别与高温蒸发壁狭隙，中温蒸发壁狭隙及低温蒸发壁狭隙连通的高温蒸发壁水入口28、中温蒸发壁水入口29及低温蒸发壁水入口30。下封头设置有急冷水入口32。上封头安装有插入至反应器筒体内部的温度变送器42。
高温蒸发壁水入口、中温蒸发壁水入口及低温蒸发壁水入口分别与水冷壁水泵C、水冷壁水泵B、水冷壁水泵A，标号分别为20、19、18连接。急冷水入口与水冷壁水泵17连接。
本发明工作原理为：
氧气供应系统采用液氧增压系统与等离子体发生器连接，氧气由于气体放电而产生具有强氧化能力的臭氧，将其通入超临界水氧化反应系统，提高氧化效率，缩短反应时间，降低反应温度、压力，降低反应成本。
超临界水氧化反应器工作环境为高温高压，开车之前需要进行吹扫及压力试验。压力试验通过后，点火试验。从物料进口通入有机废液，助氧化剂进口通入助氧化剂，本发明超临界反应器上可添加与多层烧嘴连接的多层管口，包括物料进口和助氧化剂进口，交替通入相应物料，在超临界状态下，助氧化剂和有机废液发生剧烈反应放出热量。
多层烧嘴，可交替通入物料和助氧化剂，超临界反应后放出大量热，相邻层的物料和助氧化剂继续通入，热量逐层传递、相互加热，形成一条热量链，便于超临界水氧化的连续反应。烧嘴结构已经系列化，标准化，可根据不同有机废液更换烧嘴结构形式。
发生超临界水氧化反应后，保持流速稳定。有机废液在通过多层烧嘴喷烧，逐步将反应器内的温度达到工艺要求温度。燃烧同时通入冷却水和急冷水，监测气体产物出口、无机盐出口的温度和压力变化。通过温度和压力反馈进行调整物料的流量达到最佳流量。反应器通过多层次的水冷壁水，保证反应釜壁面温度不超过设备材质的许用温度。
无机盐出口处于常开状态，持续排出浓盐水，使釜体内反应持续进行。温度变送器能够反应该设备不同位置的温度，根据温度变化，调整有机废液流量及其他物料流量。通过浓度、流量、COD监测、冷却水流量等可实现调整有机废液处理量大小。
本发明虽公开了实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
Claims (7)
1.一种低温等离子体协同处理难降解有机物废水处理系统，其特征在于：包括废水供给系统、氧气供应系统、启动燃料系统及超临界反应器，废水供给系统包括由废水管道依次连接的废水槽、高压废水泵、废水换热器及废水电加热器，废水管道连接至超临界反应器的物料入口；氧气供应系统包括液氧增压系统、等离子体发生器，液氧经液氧增压系统输送至等离子体发生器进行离子化后进入超临界反应器的氧化剂入口；启动燃料系统由燃料管道依次连接的燃料桶、低压燃料泵、燃料缓冲罐高压燃料泵及燃料电加热器，燃料管道连接至超临界反应器的燃料入口；超临界反应器底部设置有无机盐出口，并依次连接无机盐水罐及盐水分离罐。
2.根据权利要求1所述的低温等离子体协同处理难降解有机物废水处理系统，其特征在于：所述超临界反应器包括反应器筒体、上端筒体、上封头、下封头、多层烧嘴及冷却壁，反应器筒体上端固定安装上端筒体及上封头，上封头设置物料进口，上端筒体设置氧化剂进口及气体产物出口，反应器筒体下部固定安装下封头，上端筒体内安装多层烧嘴，反应器筒体内设置冷却壁，其特征在于：所述多层烧嘴下部伸入至反应器筒体内，在反应器筒体内的多层烧嘴外壁设置多层换热套，该多层换热套包括外套体及折流挡板，该多层换热套的外套体与多层烧嘴外壁之间由若干折流挡板分隔成为若干连通的冷却腔，在该若干冷却腔内均设置换热管，多层换热套设置一进气端及一出气端，进气端连通反应器筒体内部，出气端连通上端筒体所设置的气体产物出口，在多层换热套与反应器筒体之间的区域内设置有喷淋管，对气体产物进行喷淋降温。
3.根据权利要求2所述的低温等离子体协同处理难降解有机物废水处理系统，其特征在于：所述上封头的进水口与冷却水泵连接。
4.根据权利要求2所述的低温等离子体协同处理难降解有机物废水处理系统，其特征在于：所述冷却壁为多层冷却壁，该多层冷却壁的外壁与反应器筒体的内壁之间形成狭隙，该狭隙由从上至下分隔开的多个狭隙构成，该多个狭隙至少包括从上至下的一个高温蒸发壁狭隙，一个中温蒸发壁狭隙及一个低温蒸发壁狭隙，在反应器筒体上制有分别与所述高温蒸发壁狭隙，中温蒸发壁狭隙及低温蒸发壁狭隙连通的高温蒸发壁水入口、中温蒸发壁水入口及低温蒸发壁水入口。
5.根据权利要求4所述的低温等离子体协同处理难降解有机物废水处理系统，其特征在于：所述高温蒸发壁水入口、中温蒸发壁水入口及低温蒸发壁水入口分别与第一水冷壁水泵C、水冷壁水泵B、水冷壁水泵A连接。
6.根据权利要求2所述的低温等离子体协同处理难降解有机物废水处理系统，其特征在于：所述下封头设置有急冷水入口，急冷水入口与急冷水泵连接。
7.根据权利要求2所述的低温等离子体协同处理难降解有机物废水处理系统，其特征在于：所述上封头安装有插入至反应器筒体内部的温度变送器。
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