CN109847669A - 一种用于超临界水氧化装置管式反应器的超温控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种用于超临界水氧化装置管式反应器的超温控制系统及控制方法，包括：反应器套管，真空泵，鼓风机，阀门，测温装置，测压装置等。管式反应器采用直管段+弯头的形式累积连接成盘管，套管装在反应器的直管段，并通过管道相互连接形成一个整体。冷风可以通过鼓风机从套管入口进入，出口排出。本发明还提供一种基于上述系统进行应对超临界水氧化装置管式反应器超温控制方法，在反应器超温时采用鼓风机向套管中吹风的方式进行快速降温冷却。本系统通过将套管抽真空的方式，在反应器正常工作时起到保温绝热的作用。通过本发明公开的系统及方法，可以实现对超临界水氧化系统管式反应器的快速、安全的超温控制。

Description

一种用于超临界水氧化装置管式反应器的超温控制系统及控 制方法

技术领域

本发明属于化工及环保技术领域，具体涉及一种用于超临界水氧化装置管式反应器的超温控制系统及控制方法。

背景技术

超临界水氧化(简称SCWO)技术是一种用于高浓度有机废水、污泥、危废的高级氧化技术，利用超临界水(温度高于374.15℃、压力大于22.1MPa的特殊状态的水)作为有机物与氧气发生氧化反应的媒介，实现有机物的快速、高效去除。该技术具有突出优势，列举如下：

1)反应自身放热，正常运行过程中，依靠超临界水氧化反应释放的热量即可将冷态物料预热到超临界状态，无需额外添加辅助燃料；

2)反应时间极短，可在小于2min内实现难降解的有机物的快速彻底氧化。

3)反应系统封闭，没有二次污染性气体的产生。

得益于该技术的诸多优势，目前很多国家都在推进该技术的工业化推广。

超临界水氧化系统包括物料储罐、预热器、反应器、分离器、降压器等设备，其中反应器是该系统最核心、最重要的设备。国内外普遍采用耐蚀性能良好的镍基合金625作为反应器的设备材料。由于超临界水环境打破了气体和固体的相界面，超临界水氧化反应是快速、剧烈的自由基反应，在系统的反应器中，短时间内迅速发生反应，放出大量热量，甚至能够形成液态环境中的火焰燃烧，而此时仍为高压环境，镍基合金625材料的许用应力随温度的升高而逐渐降低，在650℃左右时迅速降低。一般地，超临界水氧化系统的安全控温线在600℃左右，一旦超温，很可能引发用于材料应力降低导致的不可预期破裂，而且加剧设备材料的腐蚀，危害极大。因此需要对超临界水氧化反应器中的温度进行严格控制，防止系统超温引发的危害。

对于传统的高温高压装置如电站锅炉，喷水减温器或面式减温器在系统正常运行状态时均处于运行状态，也就是说一直发挥减温功能，只是在超温严重时加大冷水流量以提高减温能力。而对于超临界水氧化装置，由于反应器中涉及到有机物的氧化反应，此反应本身为放热反应，整个系统的热量主要依靠这部分放热过程来维系。如果采用喷水减温的方式进行减温，势必在急速降温的同时稀释物料浓度，使得氧化反应无法达到预期效果，严重打乱系统正常运行过程中建立的热量平衡关系。而且，在一个处于600℃左右高温的装置中突然喷射冷水，极可能造成金属材料的受热不均导致的应力差，从而造成设备损坏，甚至出现更严重的安全事故。如果采用面式减温的方式进行减温，如果在反应放热过程中进行面式减温，则会影响反应放热，同样也存在向600℃高温的钢材上面通冷水的过程，同样存在造成设备损坏，甚至出现更严重的安全事故的风险。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于超临界水氧化装置管式反应器的超温控制系统及控制方法，该系统结构设置合理，能够解决超临界水氧化装置的管式反应器中由于剧烈的氧化反应而造成的局部超温的问题，且能够在消除超温安全性事故隐患后使得系统迅速回到正常运行状态，不会由于紧急降温调控而造成系统的严重波动，从而影响有机污染物的处理效果。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种用于超临界水氧化装置管式反应器的超温控制系统，包括设置在管式反应器前若干圈盘管上的套管，套管上分别连接有鼓风单元、抽真空单元及对空排放管路；

所述鼓风单元包括送风装置，送风装置通过管路与套管的冷风入口相连，在该管路上设有阀门V1和阀门V2；

所述抽真空单元包括抽气装置，抽气装置通过管路与套管中部的一个开口相连，在该管路上设有阀门V5和阀门V6；

所述对空排放管路与套管的冷风出口相连，在该对空排放管路上设有阀门V3和阀门V4；

在靠近套管入口处的管式反应器上设有用于测量管式反应器的温度测温装置，在靠近套管出口处的套管上设有用于测量套管内压力的测压装置；

其中，送风装置与阀门V1、阀门V2、测温装置、阀门V3、阀门V4及抽气装置联锁，用于控制送风装置的启停；抽气装置与阀门V5、阀门V6、测压装置、送风装置联锁，用于控制抽气装置的启停，且送风装置和抽气装置为互斥关系。

优选地，管式反应器采用直管连接弯头的形式形成多层螺旋的盘管。

进一步优选地，套管紧密焊接在管式反应器的直管部分，且每个直管段的套管之间设有连接管。

优选地，阀门V1、阀门V2、阀门V3、阀门V4、阀门V5和阀门V6为能够远程控制且具备联锁功能的阀门。

优选地，当测温装置监测到温度超过高位预警值，阀门V1、阀门V2、阀门V3和阀门V4全部开启，且抽气装置关闭时，送风装置启动。

优选地，当测压装置监测到压力高于设定的目标负压值，阀门V5、阀门V6处于开启状态，且送风装置关闭时，抽气装置启动。

优选地，所述送风装置为鼓风机、空气压缩机、电风扇或吹风机；所述抽气装置为真空泵或抽风机。

优选地，所述测温装置为温度传感器、温度表或热电偶，具有传输信号的功能。

本发明还公开了基于上述的用于超临界水氧化装置管式反应器的超温控制系统的控温方法，包括以下步骤：

1)系统正常运行过程中，保持阀门V1、阀门V2、阀门V3、阀门V4、阀门V5和阀门V6关闭，此时套管内保持负压状态；

2)当测温装置监测到管式反应器某处的温度超过高位预警值时，则认定当前系统超温；此时，打开阀门V1、阀门V2、阀门V3及阀门V4，启动送风装置，对套管内进行吹风降温；

3)当监测到管式反应器的全部温度测量点的温度均回归正常值时，认定吹风降温过程完成，关闭阀门V1、阀门V2、阀门V3及阀门V4，关闭送风装置；

4)打开阀门V5和阀门V6，启动抽气装置，对套管进行抽真空操作；

5)当监测到套管上的测压装置达到设定的真空度时，认为抽真空流程完成，此时关闭阀门V5和阀门V6，关闭抽气装置；

6)系统回归正常运行状态。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的超温控制系统，采用冷风降温方式，较现有技术中喷水减温、面式减温等高温高压装置的降温方式更适用于超临界水氧化装置，避免了向600℃左右高温金属上喷注冷水的过程，从而避免了材料受冷热应力从而出现的开裂的风险，提高系统可靠性和安全性。同时，本发明的控温系统设计的抽气装置，系统正常运行过程中套管内保持真空，从而降低了由于反应器管道表面不能直接敷设固体保温层造成的反应器局部散热过重的问题。

本发明公开的基于上述系统的基于上述系统进行应对超临界水氧化装置管式反应器超温的控制方法，能够高效、快速的投入使用，没有复杂的准备过程，而且冷风降温的方式更加柔和，不会造成反应器温度降低过多、系统热量平衡被彻底打乱的问题。经过吹风冷却，系统很快又可以回到正常的运行过程中，能够对系统运行的干扰降低到最低。

附图说明

图1为本发明的用于超临界水氧化装置管式反应器的超温控制系统的结构示意图；

图2-1为管式反应器的结构示意图；

图2-2为套管在管式反应器前部分上的安装连接示意图。

其中，1为鼓风机，2为真空泵，3为测温装置，4为测压装置，5为管式反应器，6为套管，7为连接管，8为盘管；9为盘管支撑架另外设有6个阀门，分别用V1、V2、V3、V4、V5、V6表示。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，为本发明的一种用于超临界水氧化装置管式反应器的超温控制系统，在常规的管式反应器5的前几圈设置套管6，套管6上进行的操作主要包括两个流程，分别是抽真空流程和鼓风流程。其中，抽真空流程包括阀门的开启关闭及真空泵的开启关闭过程，鼓风流程包括入口阀门的开启关闭、出口阀门的开启关闭以及鼓风机的开启关闭过程。

抽真空流程：阀门V6与套管6的中部的一个开口连接，此开口用于抽出套管6内的空气，阀门V5与阀门V6连接，真空泵2与阀门V6连接。

鼓风流程：阀门V1与鼓风机1连接，阀门V2与阀门V1连接，阀门V2的另一端是套管6的一个入口，此入口位于套管6的一端，是冷风入口。套管6的另一端设置有一个冷风出口，该出口与阀门V4连接，阀门V3与阀门V4连接，气体经由阀门V3、V4后直接对空排放。

同时，上述系统的各装置、测点、阀门之间存在以下联锁关系：

鼓风机1与阀门V1、阀门V2、测温装置3、阀门V3、阀门V4、真空泵2联锁，用于控制鼓风机的启停，具体联锁方式为：①当测温装置3监测到温度超过高位预警值时，鼓风机具备第一个启动条件。②当阀门V1、阀门V2、阀门V3、阀门V4全部开启时，鼓风机具备第二个启动条件。③真空泵2与鼓风机1为互斥关系，真空泵2运行过程中鼓风机1无法运行，鼓风机1运行时真空泵2无法运行。

真空泵2与阀门V5、阀门V6、测压装置4、鼓风机1联锁，用于控制真空泵的启停，具体的联锁方式为：①当测压装置4监测到压力高于设定的目标负压值时，真空泵2具备第一个启动条件。②当阀门V5、阀门V6处于开启状态时，真空泵2具备第二个启动条件。③当鼓风机1处于关闭状态时，真空泵2具备第三个启动条件。

所述的鼓风机1为送风装置的一种，送风装置为具备强制空气流动的设备，包括但不限于：鼓风机，空气压缩机，电风扇，吹风机等。

所述的真空泵2为抽气装置的一种，抽气装置为能够将密闭容器中的空气强制抽出、使得容器内产生负压的机器，包括但不限于：真空泵、抽风机等。

所述的测温装置3指代任意一种能够测量温度的仪器或仪表，包括但不限于温度传感器、温度表、热电偶等。该测温装置能够远传信号，具备发出控制信号的能力。测温装置3位于靠近套管6入口处的管式反应器5上，用来测量管式反应器5的壁温或流体温度或者二者均进行测量。

所述的测压装置4指代任意一种能够测量压力的仪器或仪表，包括但不限于压力传感器、压力表、毕托管、差压液位计等。该测压装置能够远传信号，具备发出控制信号的能力。测压装置4位于靠近套管6出口处的套管6上，用于测量套管6内的表压、绝压或者二者均进行测量。

参见图2-1和2-2，管式反应器采用直管+弯头的形式连接形成多层螺旋的盘管8结构，并安装在盘管支撑架9上，所述的套管6紧密焊接在管式反应器5的直管部分，具备良好的密封性。每个直管段的套管之间具有连接管7。

所述的阀门V1、V2、V3、V4、V5、V6为可以远程控制、具备联锁功能的阀门，包括但不限于气动阀、电动阀。

本发明还公开了一种基于上述系统进行应对超临界水氧化装置管式反应器超温的控制方法，包括以下步骤：

1)系统正常运行过程中，保持阀门V1、V2、V3、V4、V5、V6关闭。此时套管内保持负压状态，一般为-75kPa。

2)测温装置3监测到管式反应器5的温度超过高位预警值时，认定系统超温。此时，打开阀门V1、阀门V2、阀门V3及阀门V4，启动鼓风机1，对管式反应器5的套管6内进行吹风降温；

3)当监测到管式反应器5的温度回归正常值时，认定吹风降温过程完成，关闭阀门V1、阀门V2、阀门V3及阀门V4，关闭鼓风机1；

4)打开阀门V5、V6，启动真空泵2，对管式反应器5的套管6进行抽真空操作。

5)当监测到套管6上的测压装置4达到设定的真空度时，认为抽真空流程完成。关闭阀门V5、阀门V6，关闭真空泵2。

6)系统回归正常运行状态。

优选地，测温点温度测量点可以是多个，当管式反应器上多个温度测量点上的测温装置监测到的管式反应器上某处的温度超过高位预警值时，则认定当前系统超温，启动降温操，当监测到管式反应器上全部温度测量点的温度均回归正常时，则认定吹风降温过程完成。

本领域的技术人员可以理解，上文所描述的实施例都是示例性的，并且本领域的技术人员可以对其进行改进，各种实施例中所描述的结构在不发生结构或者原理方面的冲突的情况下可以进行自由组合，从而在解决本发明的技术问题。

在详细说明本发明的实施例之后，本领域的技术人员可清楚的了解，在不脱离随附权利要求的保护范围与精神下可进行各种变化与改变，且本发明亦不受限于说明书中所举示例性实施例的实施方式。

Claims (9)

1.一种用于超临界水氧化装置管式反应器的超温控制系统，其特征在于，包括设置在管式反应器(5)前若干圈盘管上的套管(6)，套管(6)上分别连接有鼓风单元、抽真空单元及对空排放管路；

所述鼓风单元包括送风装置，送风装置通过管路与套管(6)的冷风入口相连，在该管路上设有阀门V1和阀门V2；

所述抽真空单元包括抽气装置，抽气装置通过管路与套管(6)中部的一个开口相连，在该管路上设有阀门V5和阀门V6；

所述对空排放管路与套管(6)的冷风出口相连，在该对空排放管路上设有阀门V3和阀门V4；

在靠近套管(6)入口处的管式反应器上设有用于测量管式反应器的温度测温装置(3)，在靠近套管(6)出口处的套管(6)上设有用于测量套管内压力的测压装置(4)；

其中，送风装置与阀门V1、阀门V2、测温装置(3)、阀门V3、阀门V4及抽气装置联锁，用于控制送风装置的启停；抽气装置与阀门V5、阀门V6、测压装置、送风装置联锁，用于控制抽气装置的启停，且送风装置和抽气装置为互斥关系。

2.根据权利要求1所述的用于超临界水氧化装置管式反应器的超温控制系统，其特征在于，管式反应器(5)采用直管连接弯头的形式形成多层螺旋的盘管(8)。

3.根据权利要求2所述的用于超临界水氧化装置管式反应器的超温控制系统，其特征在于，套管(6)紧密焊接在管式反应器(5)的直管部分，且每个直管段的套管(6)之间设有连接管(7)。

4.根据权利要求1所述的用于超临界水氧化装置管式反应器的超温控制系统，其特征在于，阀门V1、阀门V2、阀门V3、阀门V4、阀门V5和阀门V6为能够远程控制且具备联锁功能的阀门。

5.根据权利要求1所述的用于超临界水氧化装置管式反应器的超温控制系统，其特征在于，当测温装置(3)监测到温度超过高位预警值，阀门V1、阀门V2、阀门V3和阀门V4全部开启，且抽气装置关闭时，送风装置启动。

6.根据权利要求1所述的用于超临界水氧化装置管式反应器的超温控制系统，其特征在于，当测压装置(4)监测到压力高于设定的目标负压值，阀门V5、阀门V6处于开启状态，且送风装置关闭时，抽气装置启动。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的用于超临界水氧化装置管式反应器的超温控制系统，其特征在于，所述送风装置为鼓风机、空气压缩机、电风扇或吹风机；所述抽气装置为真空泵或抽风机。

8.根据权利要求1～6中任意一项所述的用于超临界水氧化装置管式反应器的超温控制系统，其特征在于，所述测温装置(3)为温度传感器、温度表或热电偶，具有传输信号的功能。

9.基于权利要求1～8中任意一项所述的用于超临界水氧化装置管式反应器的超温控制系统的控温方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)系统正常运行过程中，保持阀门V1、阀门V2、阀门V3、阀门V4、阀门V5和阀门V6关闭，此时套管(6)内保持负压状态；

2)当测温装置(3)监测到管式反应器(5)的温度超过高位预警值时，则认定当前系统超温；此时，打开阀门V1、阀门V2、阀门V3及阀门V4，启动送风装置，对套管(6)内进行吹风降温；

3)当监测到管式反应器(5)温度测量点的温度均回归正常值时，认定吹风降温过程完成，关闭阀门V1、阀门V2、阀门V3及阀门V4，关闭送风装置；

4)打开阀门V5和阀门V6，启动抽气装置，对套管(6)进行抽真空操作；

5)当监测到套管(6)上的测压装置(4)达到设定的真空度时，认为抽真空流程完成，此时关闭阀门V5和阀门V6，关闭抽气装置；

6)系统回归正常运行状态。