CN109848182B - 超临界水氧化系统和处理固体可燃物的方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种超临界水氧化系统，包括供水装置，用于提供水和目标溶液；氧化剂供料装置，用于为超临界水氧化反应提供氧化剂；固体可燃物切碎磨浆机，用于将固体可燃物磨碎至浆料；超临界水氧化反应器，用于接收所述固体可燃物磨碎后得到的浆料、所述氧化剂、所述水和所述目标溶液，并提供超临界水氧化反应的反应区；分离设备，用于分离所述超临界水氧化反应器的流出物。本公开还提供了一种利用超临界水氧化系统处理固体可燃物的方法。

Description

超临界水氧化系统和处理固体可燃物的方法

技术领域

本公开涉及一种超临界水氧化系统和一种利用超临界水氧化系统处理固体可燃物的方法。

背景技术

超临界水氧化法是一种新型的湿法氧化技术。通过利用有机废物、水、氧气在超临界水体系中完全混溶的特点，将有机物氧化分解为水、二氧化碳、氮气等气体，所含放射性核素转变为无机盐，从而完成对有机溶剂蒸残液的处理。一般地，超临界水是指温度超过374℃、压力超过22Mpa的一种特殊状态的水。在超临界水状态下有机废物和氧气在超临界水体系中完全混溶，当超临界水温度超过550℃，无机盐在其中的溶解度为零。利用超临界水的这种性能，可以将有机物转化为二氧化碳、水和无机盐，利用无机盐在550℃以上溶解度为零的特点实现放射性元素的分离。

由于水是一种常见的溶剂，各种污染物本身一般都含有水。超临界水氧化技术可以应用于环保、化工、煤气化、核电和火电、新材料合成等多种领域中，用于处理污水、污泥等污染物。

目前，美、法、俄、日等国相关核研究单位近年来积极开展有机废物超临界水处理技术研究，建立了实验装置，部分工作已达到中试规模。研究认为，超临界水氧化法分解效率高、处理周期短、无明火、二次废物少、环境友好，适合处理多种有机废物，是一种极具潜力的处理技术。

但是发明人在实现本发明的过程中发现，在相关技术中，超临界水氧化反应器处理的对象是液体废物，难以将固体废物进行超临界水氧化处理，无法解决例如核电站及其它核设施的放射性固体可燃废物的减容减害问题。

发明内容

本公开的一个方面提供了一种超临界水氧化系统，包括供水装置，用于提供水和目标溶液；氧化剂供料装置，用于为超临界水氧化反应提供氧化剂；固体可燃物切碎磨浆机，用于将固体可燃物磨碎至浆料；超临界水氧化反应器，用于接收上述固体可燃物磨碎后得到的浆料、上述氧化剂、上述水和上述目标溶液，并提供超临界水氧化反应的反应区；分离设备，用于分离上述超临界水氧化反应器的流出物。

根据本公开的实施例，上述超临界水氧化反应器包括第一壳体，内部形成用于提供上述反应区的腔室，上述第一壳体上至少设置有浆料入口、氧化剂入口和出料口；加热装置，用于提高上述腔室的温度；螺旋环流管，设置在上述腔室内，上述螺旋环流管的一端与上述浆料入口连通，其中，上述螺旋环流管设置为使得上述浆料从上述浆料入口导入上述螺旋环流管之后，沿上述螺旋环流管的管道流动，从上述螺旋环流管的另一端流出，并与从上述氧化剂入口流入上述腔室的氧化剂混合并发生氧化反应。

根据本公开的实施例，上述超临界水氧化反应器还包括折返管，设置在上述腔室中，上述折返管包括两端开口的内管以及一端开口的外管，上述外管套设于上述内管的外部，上述内管与上述氧化剂入口连通。

根据本公开的实施例，上述折返管设置在上述腔室的中心轴位置。

根据本公开的实施例，上述超临界水氧化反应器还包括搅拌器，搅拌器包括转轴，上述转轴穿过上述第一壳体伸入上述腔室内，并且/或者上述转轴穿过上述出料口伸入上述腔室内；内衬，设置在上述腔室中，其中，上述螺旋环流管沿上述内衬外壁缠绕设置。

根据本公开的实施例，上述分离设备包括蒸发池，用于接收上述超临界水氧化反应器的流出物，其中，上述流出物为多态相混合物，其中，上述蒸发池内设置有第一冷却盘管和排渣口，上述第一冷却盘管用于在上述多态相混合物流入上述蒸发池之后，将上述蒸发池中溶液的温度稳定在目标温度范围内，上述排渣口用于排出上述多态相混合物中的固态物质；冷却内桶，包括第二冷却盘管和冷凝水池，上述第二冷却盘管用于冷却上述蒸发池中蒸发的蒸汽，上述冷凝水池用于接收上述第二冷却盘管冷却上述蒸汽后得到的液态物质，上述冷凝水池设置有排水口，用于排出上述液态物质，其中，上述冷却内桶的桶壁上设置有多个孔道，用于供上述蒸发池中蒸发的蒸汽进入上述冷却内桶；其中，上述蒸发池与上述冷却内桶封装在第二壳体内，上述蒸发池设置在上述冷却内桶下方，上述第二壳体的顶部设置有排气口，用于排放上述多态相混合物中的气态物质。

根据本公开的实施例，上述蒸发池内设置有用于接收上述多态相混合物的套管，上述套管的管壁上分布有多个小孔，上述多态相混合物通过上述多个小孔分散排入上述蒸发池内。

根据本公开的实施例，上述分离设备还包括背压阀，其中，上述背压阀一端通过管道与上述套管连接，上述背压阀另一端用于通过管道与上述超临界水氧化反应器的出料口连接；并且/或者上述排气口处设置有挥发性有机物在线监测器；并且/或者上述蒸发池内配备有液位计；并且/或者上述蒸发池内配备有pH计；并且/或者上述排水口处配备有化学需氧量在线监测器。

本公开的另一个方面提供了一种利用超临界水氧化系统处理固体可燃物的方法，包括将上述超临界水氧化反应器的腔室温度提升到第一温度；通过上述氧化剂供料装置将氧化剂输入上述腔室内；通过上述供水装置将目标溶液输入上述腔室内，并对上述腔室继续加热，直到上述腔室内的温度达到第二温度；通过上述固体可燃物切碎磨浆机将固体可燃物磨碎至浆料，并将上述浆料输入上述腔室内，以使得上述浆料与上述氧化剂发生氧化反应，得到流出物；通过上述超临界水氧化反应器的出料口将上述流出物送入上述分离设备；以及通过上述分离设备分离上述流出物。

根据本公开的实施例，在上述分离设备分离上述流出物的过程中，上述方法还包括通过上述分离设备上设置的化学需氧量在线监测器监测排出的液态物质的COD值；并且/或者通过上述分离设备上设置的挥发性有机物在线监测器监测排出的气态物质的VOC值；并且/或者通过上述分离设备上设置的pH计监测上述分离设备中的蒸发池中溶液的pH值；并且/或者通过上述分离设备上设置的温度计监测上述分离设备中的蒸发池中溶液的温度和/或冷却内桶内的温度。

根据本公开的实施例，本公开的超临界水氧化系统可以用于处理固体可燃物浆料。一般而言，如果固体直接进料超临界水氧化反应器会导致超临界水氧化反应器内堵塞，本公开突破了国内外进料为液体或气体的技术瓶颈，可以将固体经过切碎磨浆后，将浆料的颗粒低于50μm，浆料被泵入超临界水氧化反应器，为防止大颗粒在超临界水反应器内部沉积消除了障碍，解决了例如核电站及其它核设施的放射性固体可燃废物的减容减害问题。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1示意性示出了根据本公开实施例的超临界水氧化系统的示意图；

图2示意性示出了根据本公开实施例的利用超临界水氧化系统处理固体可燃物的方法流程图；

图3示意性示出了根据本公开实施例的超临界水氧化反应器的示意图；

图4示意性示出了根据本公开另一实施例的超临界水氧化反应器的示意图；

图5示意性示出了根据本公开另一实施例的超临界水氧化反应器的示意图；

图6示意性示出了根据本公开实施例的冷却装置506的示意图；

图7示意性示出了根据本公开实施例的分离设备的示意图；

图8示意性示出了根据本公开实施例的冷却内桶的示意图；以及

图9示意性示出了根据本公开实施例的套管的示意图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

根据本公开的实施例，为了实现核电站及其它核设施的放射性固体可燃物(包括废树脂)的减容减害，本公开提供了一种超临界水氧化系统和方法，通过本公开提供的超临界水氧化系统和方法，可以将固体可燃物通过超临界水氧化转化为无机物，同时将有机物中放射性金属元素回收，实现了废物最小化的目的。在实际应用之中，利用该超临界水氧化系统和方法处理放射性固体可燃废物的处理能力至少可以达到20kg/h～200kg/h，达到了工程应用规模，纤维织物(工作服、吸水纸、手套、气衣等)减容比可以到达100～150，塑料和橡胶减容比可以达到60～90，废树脂减容比可以达到30～90，废木料减容比可以达到80～120。

本公开实施例提供的超临界水氧化系统包括供水装置，用于提供水和目标溶液；氧化剂供料装置，用于为超临界水氧化反应提供氧化剂；固体可燃物切碎磨浆机，用于将固体可燃物磨碎至浆料；超临界水氧化反应器，用于接收固体可燃物磨碎后得到的浆料、氧化剂、水和目标溶液，并提供超临界水氧化反应的反应区；分离设备，用于分离超临界水氧化反应器的流出物。

图1示意性示出了根据本公开实施例的超临界水氧化系统的示意图。需要注意的是，图1所示仅为可以应用本公开实施例的超临界水氧化系统的示例，以帮助本领域技术人员理解本公开的技术内容，但并不能作为本公开实施例的超临界水氧化系统进行不当限定。

如图1所示，超临界水氧化系统包括供水装置101、氧化剂供料装置102、固体可燃物切碎磨浆机103、超临界水氧化反应器104和分离设备105。

供水装置101用于提供水和目标溶液。

根据本公开的实施例，供水装置101可以包括用于分别盛装水和目标溶液的多个容器。根据本公开的实施例，目标溶液可以是蔗糖溶液，可以启动蔗糖溶液供料泵，将蔗糖溶液从容器中抽出来。供水装置101还可以包括高压泵，用于将水和目标溶液传输到超临界水氧化反应器104中。

氧化剂供料装置102用于为超临界水氧化反应提供氧化剂。

根据本公开的实施例，氧化剂的种类不做限定。例如，可以是液氧，双氧水等等。氧化剂供料装置102与超临界水氧化反应器104相连，可以将氧化剂输入超临界水氧化反应器104中，以实现超临界水氧化反应。

根据本公开的实施例，以氧化剂为液氧为例，氧化剂供料装置102可以包括杜瓦瓶1021，水浴汽化器1022和高压氧气瓶组1023。液氧可以从杜瓦瓶1021中通过低温高压液氧泵输入水浴汽化器1022，然后从水浴汽化器1022中进入高压氧气瓶组1023。当需要处理固体可燃物时，可以打开单向阀，将氧气从高压氧气瓶组1023中输入超临界水氧化反应器104中。根据本公开的实施例，液氧设备、管道、阀门及部件材质可以采用超冷低温钢。

固体可燃物切碎磨浆机103用于将固体可燃物磨碎至浆料。

根据本公开的实施例，固体可燃物可以存储在包装箱106中，从包装箱106中将固体可燃物输入固体可燃物切碎磨浆机103中。在启动同体可燃物切碎磨浆机103将同体可燃物磨碎至浆料的过程中，固体可燃物可以先进入大块辊筒阵列切碎，然后进入小块旋转切刀切碎，最后通过控制辊筒转速、旋转切刀转速、导流泵水量进行碎渣胶体磨磨浆，实现放射性固体废物的切碎磨浆。

根据本公开的实施例，固体可燃物切碎磨浆机103可以将固体可燃物磨碎到一定的粒级范围内，例如，可以将固体可燃物磨碎到50μm以下。当需要处理固体可燃物时，可以打开单向阀，将浆料从固体可燃物切碎磨浆机103中输入超临界水氧化反应器104中。根据本公开的实施例，固体可燃物切碎磨浆机103材质可以采用不锈钢。

超临界水氧化反应器104用于接收固体可燃物磨碎后得到的浆料、氧化剂、水和目标溶液，并提供超临界水氧化反应的反应区。

根据本公开的实施例，可以向超临界水氧化反应器104中充入过量的氧化剂，从而保证浆料被充分氧化，根据本公开的实施例，超临界水氧化反应器104的反应温度可以在600℃～800℃之间，压强可以在20Mpa～30Mpa之间。浆料在超临界水氧化反应器104中被充分氧化之后，可以得到氧化产物，通过排料口输送到分离设备105。

分离设备105用于分离超临界水氧化反应器104的流出物。

根据本公开的实施例，分离设备105可以包括活性炭过滤柱1051和高效过滤器1052，设置在分离设备105的排气口处。

根据本公开的实施例，分离设备105的排气口处设置有挥发性有机物在线监测器1053。根据本公开的实施例，分离设备105的蒸发池内配备有液位计(图1中未示出)。根据本公开的实施例，分离设备105的排水口处配备有化学需氧量在线监测器1054。根据本公开的实施例，分离设备105的蒸发池内配备有pH计1055。

根据本公开的实施例，在分离设备105分离流出物的过程中，通过分离设备105上设置的化学需氧量在线监测器1054监测排出的液态物质的COD值；并且/或者通过分离设备105上设置的挥发性有机物在线监测器1053监测排出的气态物质的VOC值；并且/或者通过分离设备105上设置的pH计1055监测分离设备中的蒸发池中溶液的pH值；并且/或者通过分离设备105上设置的温度计监测分离设备中的蒸发池中溶液的温度和/或冷却内桶内的温度。

根据本公开的实施例，分离设备105还包括背压阀1056，其中，背压阀1056一端通过管道与套管(图1中未示出)连接，背压阀另一端用于通过管道与超临界水氧化反应器104的出料口连接。

根据本公开的实施例，供水装置101、氧化剂供料装置102、固体可燃物切碎磨浆机103、超临界水氧化反应器104和分离设备105设备体积小、能力大、可以实现远距离自动控制，各部分可以为撬装独立单元，以便于总体装备的现场的组合。其中高温高压设备与液氧低温设备可以设计防爆隔离室与泄爆通道等安全防护措施。

图2示意性示出了根据本公开实施例的利用超临界水氧化系统处理固体可燃物的方法流程图。

根据本公开的实施例，可以利用超临界水氧化系统处理固体可燃物，如图2所示，具体方法可以包括步骤S201～S206。

在步骤S201，将超临界水氧化反应器的腔室温度提升到第一温度。

根据本公开的实施例，例如，可以利用电加热装置预热反应器，使反应器腔室内的温度达到第一温度，例如可以是300℃。

在步骤S202，通过氧化剂供料装置将氧化剂输入腔室内。

在步骤S203，通过供水装置将目标溶液输入腔室内，并对腔室继续加热，直到腔室内的温度达到第二温度。

根据本公开的实施例，目标溶液可以是蔗糖溶液，例如，供水装置可以启动蔗糖溶液供料泵，将蔗糖溶液通过超临界水氧化反应器的浆料入口输入腔室内，将反应器温度加热到第二温度，其中，第二温度大于或等于600℃，例如可以是650℃以上。

在步骤S204，通过固体可燃物切碎磨浆机将固体可燃物磨碎至浆料，并将浆料输入腔室内，以使得浆料与氧化剂发生氧化反应，得到流出物。

根据本公开的实施例，步骤S201～S204中的多个步骤可以同时进行。例如，首先启动超临界水氧化反应器的电加热装置，同时启动供水装置中的供水泵，供水装置充满水，泵流量调整到较低状态。超临界水氧化反应器加热升温，直到温度达到300℃之后，启动蔗糖蠕动泵与氧化剂供料装置，用浓蔗糖溶液对超临界水氧化反应器继续加热，直到温度达到600℃以上。例如，超临界水氧化温度保持在650℃至750℃，压力保持在20-25MPa。根据本公开的实施例，固体可燃物切碎磨浆机可以预先将固体可燃物磨碎至浆料，在需要处理浆料时，再将浆料输入腔室内。

在步骤S205，通过超临界水氧化反应器的出料口将流出物送入分离设备。

根据本公开的实施例，在超临界水氧化反应器停机时，可以先停止进有机物，继续供氧，以便将设备内残留的有机物氧化完毕，之后停止进氧，继续供水，直到水温降到300℃后，停止供水泵，缓缓开启出口背压阀，让超临界水氧化反应器的内部余液缓缓释放到分离设备。

在步骤S206，通过分离设备分离流出物。

根据本公开的实施例，分离设备105可以将超临界水氧化反应器104的流出物分离为盐渣、蒸馏水和净化气。在固体可燃物为放射性固体可燃物时，可以被氧化成盐溶液和气体，经过分离设备105可以被分离为放射性盐渣、蒸馏水和净化气。放射性盐渣可以过一段时间排渣，大部分蒸馏水可以回流到固体可燃物切碎磨浆机103内循环使用，少量蒸馏水可以收集也可直接排放，净化气体可以收集或直接排放。

根据本公开的实施例，本公开的超临界水氧化系统可以用于处理固体可燃物浆料。一般而言，如果固体直接进料超临界水氧化反应器会导致超临界水氧化反应器内堵塞，本公开突破了国内外进料为液体或气体的技术瓶颈，可以将固体经过切碎磨浆后，将浆料的颗粒低于50μm，浆料被泵入超临界水氧化反应器，为防止大颗粒在超临界水反应器内部沉积消除了障碍。

在相关技术中，一般在超临界水氧化反应器内将氧化剂和废料直接进行混合，然后待氧化剂和废料的温度达到一定温度之后才能完全发生反应。但是，由于有机料浆分子量大，分子空间结构稳定，难以在较短的时间内氧化。通过本公开的实施例，当超临界水氧化反应器的腔室内温度达到一定温度时，充入氧化剂，使得可以预先提高氧化剂的温度，再将料浆输入超临界水氧化反应器的腔室内，使得料浆可以进行充分及时热分解，保证了有机料浆进行超临界水氧化的完全性，提高了反应效率。

根据本公开的实施例，采用本公开提供的超临界水氧化系统处理固体可燃物的方法包括固体可燃物切碎磨浆、超临界水氧化、流出物自蒸发分离净化，不仅工艺流程短，而且固体可燃物不需要热解预处理，同时，固体有机物直接被超临界水氧化。进一步地，本公开可以比相关技术中的超临界水反应位温度高，反应温度可以达600℃以上，有效提高了反应速率。

下面参考图3～图9，结合具体实施例对图1所示的超临界水氧化系统做进一步说明。

图3示意性示出了根据本公开实施例的超临界水氧化反应器的示意图。

如图3所示，超临界水氧化反应器300包括第一壳体301，加热装置302和螺旋环流管303。

第一壳体301内部形成用于提供所述反应区的腔室，所述第一壳体301上至少设置有浆料入口3011、氧化剂入口3012和出料口3013。

根据本公开的实施例，第一壳体301可以包括外壳和内壳(例如，内壳可以是图3中的内衬3014)，外壳和内壳的形状、材质、尺寸大小不做限定。例如，第一壳体301的主体部分可以是圆柱型，外壳内径为80～219mm，长度1000～9000mm；内壳内径40～133mm，长度1000～9000mm。

加热装置302用于提高腔室的温度。根据本公开的实施例，加热装置302的类型不做限定。例如，加热装置302可以是加热套。本公开可以将加热套套设在壳体301的外壁，通过热传导的方式将热量传递给壳体301内部的腔室，当然本公开也不限定其它加热方式。根据本公开的实施例，超临界水氧化反应器300的外壳两端可以配备压力表，内壳两端与中间可以配备温度探头，加热套与外壳外壁之间可以配备温度探头。

根据本公开的实施例，加热装置302可以覆盖第一壳体301外壁的一部分。例如，加热装置302可以设置在螺旋环流管303流出浆料的出口所在的预定区域对应的外壁上，从而覆盖第一壳体301的一部分。具体地，如图3所示，加热装置302包括4块加热套，覆盖第一壳体301的中间至螺旋环流管303流出浆料的出口的区域。

螺旋环流管303设置在腔室内，螺旋环流管一端3031与浆料入口3011连通，其中，螺旋环流管303设置为使得浆料从浆料入口3011导入螺旋环流管303之后，沿螺旋环流管303的管道流动，从螺旋环流管另一端流出3032，并与从氧化剂入口3012流入腔室的氧化剂混合并发生氧化反应。

根据本公开的实施例，螺旋环流管303可以将有机浆料沿着环流管流动，一方面增加有机浆料的流动程度，另一方面增加有机浆料的流速，这样可以增加有机浆料的热解效率。

根据本公开的实施例，螺旋环流管303可以设置在贴近壳体301内壁的位置。具体地，在壳体301包括外壳和内壳的情况下，可以将螺旋环流管303可以设置在外壳和内壳之间。为了加大有机浆料的流动程度，可以将螺旋环流管303缠绕内壳进行设置。

根据本公开的实施例，本公开的超临界水氧化反应器300可以用于处理固体可燃物浆料。通过将固体可燃物切碎磨浆，直接导入螺旋环流管303中，可以实现在螺旋环流管303中进行热分解，从螺旋环流管303流出之后，就可以进行超临界水氧化反应。当超临界水的平均温度为600℃时，有机物热解一般为1秒左右，当有机物流量为30L/h，有机物停留时间最少8s以上，效果好于理论所需。

在相关技术中，如果有机物直接进料，则有机物会冷却反应区温度，减低反应效果。当反应温度为600℃时，有机物热解需要时间为1s左右，当反应温度为550℃时，有机物热解所需时间则为5min，会降低反应效率。可见，本公开相比于现有技术，反应时间非常快，提高了处理效率。

图4示意性示出了根据本公开另一实施例的超临界水氧化反应器的示意图。

如图4所示，超临界水氧化反应器400包括第一壳体401、加热装置402、螺旋环流管403和折返管404。

其中，第一壳体401上设置有浆料入口4011、氧化剂入口4012和出料口4013。螺旋环流管403包括螺旋环流管一端4031和螺旋环流管另一端4032。

需要说明的是，本公开实施例中的第一壳体401、加热装置402、螺旋环流管403可以参考本公开对图3的描述，为了描述的简洁起见，在此不再赘述。

根据本公开的实施例，折返管404设置在腔室中，折返管404包括两端开口的内管4041以及一端开口的外管4042，外管4042套设于内管4041的外部，内管4041与氧化剂入口4012连通。

根据本公开的实施例，氧化剂从氧化剂入口4012导入后，经过内管4041，然后进入外管4042，最后从外管4042的一端开口处导出。

根据本公开的实施例，折返管404可以设置在腔室的中心轴位置。

根据本公开的实施例，内管4041和外管4042的形状、材质、尺寸大小不做限定。例如，内管4041直径可以是φ25～φ42mm，壁厚可以是4～6mm，外管直径可以是42mm以上，壁厚可以是4～6mm，长度都可以在3000mm～6000mm之间。根据本公开的实施例，折返管404大小适中，可以有效降低生产成本，有利于市场应用。

根据本公开的实施例，折返管可以使得管内氧化剂尽可能升温，增加了预热时间。同时将折返管设置于超临界水反应器中心轴位置，使其受热温度可以达到最高。

根据本公开的实施例，超临界水氧化反应器还包括搅拌器和内衬。

搅拌器包括转轴，转轴穿过第一壳体伸入腔室内，并且/或者转轴穿过出料口伸入腔室内。内衬设置在腔室中，其中，螺旋环流管沿内衬外壁缠绕设置。该内衬可以相当于超临界水氧化反应器的内壳。

根据本公开的实施例，内衬可以经渗铝、喷丸锻击以及喷涂热障涂层处理，热障涂层包括交替排布的多个铝层和多个氧化铝层。

根据本公开的实施例，内衬经渗铝、喷丸锻击以及喷涂热障涂层处理，热障涂层包括交替排布的多个铝层和多个氧化铝层之后，相当于在内衬上生成了防腐涂层，可以使得通过超临界水的高温作用在内衬的内壁形成一层致密的凝胶层，阻止超临界水与内衬金属的接触与腐蚀。

根据本公开的实施例，形成致密的凝胶层的关键条件是在金属与凝胶层之间有一层致密的特殊金属原子。一方面，这层特殊的金属原子通过金属键与本体金属相连。另一方面又以化学键的形式与凝胶层相连。为了制备这层金属原子，本发明采用镍基金属，首先对金属本体进行渗铝处理，之后用喷丸锻击金属表面，以便形成致密的金属铝原子层，之后喷涂热障涂层，通过金属铝、三氧化二铝陶瓷层的交替喷涂，金属表面形成6～8层的热障涂层，厚度约2～3mm。热障涂层遇到超临界水后，这层热障涂层将转变为致密的凝胶层。凝胶层可以阻止超临界水与内衬金属的接触与腐蚀。

根据本公开的实施例，超临界水氧化反应器还包括冷却装置，设置在侧壁上，用于冷却腔室中产生的反应产物；其中，加热装置与冷却装置可以并排设置在侧壁上，并且，加热装置与第一端壁的距离小于冷却装置与第一端壁的距离。

图5示意性示出了根据本公开另一实施例的超临界水氧化反应器的示意图。

如图5所示，超临界水氧化反应器500包括第一壳体501、加热装置502、螺旋环流管503、折返管504、搅拌器505和冷却装置506。

其中，第一壳体501上设置有浆料入口5011、氧化剂入口5012和出料口5013。螺旋环流管503包括螺旋环流管一端5031和螺旋环流管另一端5032。折返管504包括两端开口的内管5041以及一端开口的外管5042。搅拌器505包括转轴5051。根据本公开的实施例，浆料入口5011、氧化剂入口5012和出料口5013的设置位置不做限定。

需要说明的是，本公开实施例中的壳体501、加热装置502、螺旋环流管503和折返管504等可以参考本公开对图3和图4的描述，为了描述的筒洁起见，在此不再赘述。

根据本公开的实施例，如图5所示，搅拌器505包括转轴5051，转轴5051穿过壳体501伸入腔室内，并且/或者转轴5051穿过出料口5013伸入腔室内。

根据本公开的实施例，需要说明的是，搅拌器505还可以包括转子、隔离套、磁块等等搅拌器所需部件(图5中未示出)。

根据本公开的实施例，第一壳体501包括第一端壁、侧壁以及与第一端壁相对的第二端壁，其中，浆料入口5011设置在侧壁上，氧化剂入口5012设置在第一端壁上，搅拌器505和出料口5013设置在第二端壁上，可选地，出料口5013也可以设置在侧壁上。

根据本公开的实施例，搅拌器505可以是磁力搅拌器，在超临界水氧化反应器500竖直安装的情况下，可以通过将其安装于超临界水氧化反应器500的底部，主要用于搅拌反应器底部沉积物，防止出现固体颗粒物沉积、板结、堵塞出料口。

根据本公开的实施例，如图5所示，加热装置502与第一端壁的距离小于冷却装置506与第一端壁的距离，也即，加热装置502更靠近第一端壁，冷却装置506远离第一端壁。由于浆料和氧化剂在靠近第一端壁的位置发生反应，因此，可以在靠近第一端壁的位置设置加热装置502，可以在靠近第二端壁的位置设置冷却装置506。

图6示意性示出了根据本公开实施例的冷却装置506的示意图。

如图6所示，冷却装置506可以由冷却套组组成，覆盖在超临界水氧化反应器500的外壁，每个冷却套组包括2个半冷却套5061，2个半冷却套5061可以以固定孔和螺栓5062固定，半冷却套5061中可以充入冷却水，例如按照图5中箭头方式从2个半冷却套5061一端充入水后，然后从2个半冷却套5061另一端排出水。

根据本公开的实施例，需要说明的是，冷却装置506在冷却腔室中产生的反应产物时，一般不会将反应产物的温度降低到常温，可以是将反应产物的温度降低到比常温高，甚至是高于水沸腾的温度，例如，从500℃降低到300℃。如此设计，由于反应产物排出时的温度较高，不仅减轻了超临界水反应器降温的负担，同时提高超临界水氧化反应器流出物温度后，可以充分利用反应产物自身的温度为后面的反应产物分离设备创造了自发蒸发的必要条件。需要说明的是，冷却装置506的另一个功能是防止腔室的温度过高，从而防止过热反应。

图7示意性示出了根据本公开实施例的分离设备的示意图。

根据本公开的实施例，分离设备700包括蒸发池701和冷却内桶702。

蒸发池701用于接收超临界水氧化反应器的流出物，其中，流出物为多态相混合物，其中，蒸发池701内设置有第一冷却盘管7011和排渣口7012，第一冷却盘管7011用于在多态相混合物流入蒸发池701之后，将蒸发池701中溶液的温度稳定在目标温度范围内，排渣口7012用于排出多态相混合物中的固态物质。

冷却内桶702，包括第二冷却盘管7021和冷凝水池7022，第二冷却盘管7021用于冷却蒸发池701中蒸发的蒸汽，冷凝水池7022用于接收第二冷却盘管7021冷却蒸汽后得到的液态物质，冷凝水池7022设置有排水口7023，用于排出液态物质，其中，冷却内桶702的桶壁上设置有多个孔道，用于供蒸发池701中蒸发的蒸汽进入冷却内桶702。

其中，蒸发池701与冷却内桶702封装在第二壳体内，蒸发池701设置在冷却内桶702下方，第二壳体的顶部设置有排气口703，用于排放多态相混合物中的气态物质。

根据本公开的实施例，第一冷却盘管7011和第二冷却盘管7021的种类不做限定。例如，可以是螺旋式冷却管。第一冷却盘管7011和第二冷却盘管7021的设置方式不做限定，只要能够实现其对应的功能即可。

根据本公开的实施例，通过将蒸发池701与冷却内桶702封装在第二壳体内，实现了固液气多态物质在一体机内分离，省去了冷却设备、气液分离设备、液体冷却设备、气体冷却设备，简化了处理流程。

根据本公开的实施例，蒸发池701可以接收超临界水反应器的流出物，流出物可以是多态相混合物，蒸发池701可以将流出物进行蒸发浓缩，然后回收固态物质，蒸汽上升到冷却内桶702中。

根据本公开的实施例，由于超临界水反应器的流出物可能是高温高压流体，例如反应的流出物本身的温度为150～300℃，压强为25MPa，为了能使高温高压流体平稳蒸发，可以在蒸发池701中设置冷却盘管，使得流出物可以始终处于沸腾状态。即第一冷却盘管7011将蒸发池701中溶液的温度稳定在目标温度范围内，例如，可以是在100℃左右，使得溶液可以在蒸发池701中稳定沸腾。蒸发的蒸汽可以上升到冷却内桶702中，反应流出物中所包含的例如放射性金属元素可以以无机盐的形式从排渣口7012流出并回收。

根据本公开的实施例，冷凝水池7022蒸发池内设置有用于接收冷凝水池7022多态相混合物的套管，冷凝水池7022套管的管壁上分布有多个小孔，冷凝水池7022多态相混合物通过冷凝水池7022多个小孔分散排入冷凝水池7022蒸发池内。

分离设备700的排气口703处设置有挥发性有机物在线监测器704。根据本公开的实施例，分离设备700的排水口7023处配备有化学需氧量在线监测器705。根据本公开的实施例，分离设备700的蒸发池701配备有pH计706。

根据本公开的实施例，多态相混合物可以是包含固态物质、液体物质和气态物质中的两种以上物质。例如，多态相混合物同时包含固态物质和气态物质，或者同时包含固态物质、液体物质和气态物质。

根据本公开的实施例，多态相混合物可以是有机溶剂蒸残液采用超临界水氧化技术处理后得到的混合物，例如，可以是采用超临界水氧化反应器处理有机溶剂蒸残液后得到的流出物，一般超临界水氧化液体流出物为含盐废水，或者为放射性废水，或者为无机盐水。

在相关技术中，通过超临界水氧化反应器将有机物转化为二氧化碳、水和无机盐之后，一般需要经过冷却设备、气液分离设备、液体冷却设备、气体冷却设备等多个设备处理，才能将二氧化碳、水和无机盐分离。这种处理方式不仅处理流程长，设备多，而且成本高。

通过本公开的实施例，利用分离设备处理多态相混合物，使得多态相混合物中的固态物质在蒸发池底部蒸发浓缩，例如以无机盐渣的形式分离出来；使得多态相混合物中的液态物质在蒸发池中蒸发，经过冷却内桶冷却，可以从冷凝水池的排液口中排出；使得多态相混合物中的气态物质直接可以从分离设备的顶部排出。通过本公开的分离设备，可以同时实现多态相混合物的分离，处理流程不仅短，而且达到了有效降低设备一次性投资和设备运行费用，实现了多态相混合物最大限度减容。

图8示意性示出了根据本公开实施例的冷却内桶的示意图。

如图8所示，冷却内桶801的桶壁上设置有多个孔道8011，用于供蒸发池中蒸发的蒸汽进入冷却内桶801。

需要说明的是，本公开实施例中的冷却内桶801可以参考本公开对图7的描述，为了描述的简洁起见，在此不再赘述。

根据本发明的实施例，可以向冷却内桶801中的第二冷却盘管8012中充入冷却水，使得冷却内桶801中的温度相对于蒸发池中的温度低，第二冷却盘管8012充水后可以降低蒸汽的温度。

根据本公开的实施例，例如，蒸发池中蒸发的水蒸汽、氧气和二氧化碳可以从桶壁上设置的多个孔道8011进入冷却内桶801，如图8中箭头所示的向上流动方向。蒸汽遇到冷空气后，冷凝生成水珠并落入冷凝水池8013中，然后从排液口8014排出。而氧气和二氧化碳可以从顶部的排气口8015排出。

根据本发明的实施例，冷凝水池8013的体积不做限定。例如，冷凝水池8013的体积可以是50L～500L，冷凝水池8013中可以通过多根辐射管道与外部的环形管道连接，导水能力可以是800kg/h～8000kg/h。冷却盘管8012可以是水平缠绕螺旋冷却管，尺寸大小不做限定。

根据本发明的实施例，桶壁上留有多个孔道8011供气体穿过，冷凝内桶801能够使得100℃水蒸汽冷凝为60℃～90℃的水，冷凝能力可以是200kg/h～2000kg/h。冷却盘管区的体积不做限定，例如体积可以1000L，冷凝水大部分返回超临界水氧化反应器供水箱中复用，少量可以排放。

图9示意性示出了根据本公开实施例的套管的示意图。

需要说明的是，本公开实施例中的蒸发池901可以参考本公开对图7～图8的描述，为了描述的简洁起见，在此不再赘述。

如图9所示，蒸发池901内设置有用于接收多态相混合物的套管9011，套管9011的管壁上分布有多个小孔9012，多态相混合物通过多个小孔9012分散排入蒸发池901内。

根据本公开的实施例，套管9011的尺寸不做限定。例如，套管9011直径可以φ42～φ50mm，壁厚可以是4～6mm。小孔9012大小不做限定，例如，小孔直径可以是2～3mm，其作用主要是将高速流体通过出口管上的小孔9012得到消解与分散。

根据本公开的实施例，套管9011的种类不做限定。例如，套管9011可以是直管，也可以是螺旋管。

根据本公开的实施例，如图9所示，分离设备还可以包括背压阀9013。背压阀9013一端通过管道与套管9011连接，背压阀9013另一端用于通过管道与超临界水氧化反应器的出料口连接。

根据本公开的实施例，超临界水氧化反应器的流出物通过管道流经背压阀，打开背压阀后，流出物通过套管经过蒸发池时可以以螺旋形式绕行于蒸发池内，将其中的热量传递给处于100℃的水中。之后还可以通过管道从冷却内桶中穿出并与背压阀门相连接，经过减压后又返回到蒸发池内，将其中的气水混合物喷入蒸发池内(100℃，常压)。

根据本公开的实施例，以放射性有机废料为例，氧化产物从超临界水氧化反应器的出料口排出后首先进入蒸发池，在蒸发池内氧化产物依靠自身温度达到蒸发的目的。经过蒸发后，流出物可以分为三部分：放射性金属盐渣、蒸馏水、净化气体。

根据本公开的实施例，流出物中放射性元素以金属盐的形式作为盐渣间歇排出，蒸发池蒸出的蒸汽在蒸发池上方被冷却以蒸馏水的形式被回收利用，流出物中的氧气与二氧化碳则经过蒸发池水洗、蒸汽冷凝水洗后得到净化。

具体地，以放射性铯和锶为例，放射性铯经过蒸发池蒸发后，去污因子可以达到10⁵，水蒸气中的铯不到蒸发池水中铯浓度的十万分之一，蒸发对锶的去污因子可以达到10⁹，因此蒸汽可以得到深度净化。

根据本公开的实施例，超临界水氧化反应器的流出物温度比传统流出物温度提高很多。一般地，超临界水氧化反应器的流出物，即氧化产物从出料口排出时，氧化产物从出料口排出时的温度为可以是150℃至300℃之间，而传统流出物温度一般是100℃。采用本公开的分离设备分离氧化产物时，可以使得超临界水反应器排出的氧化产物温度较高，减轻了超临界水反应器降温的负担。在提高超临界水氧化反应器流出物的温度后，为后面的流出物分离设备创造了自发蒸发的必要条件。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (9)

1.一种超临界水氧化系统，包括：

供水装置，用于提供水和目标溶液；

氧化剂供料装置，用于为超临界水氧化反应提供氧化剂；

固体可燃物切碎磨浆机，用于将固体可燃物磨碎至浆料；

超临界水氧化反应器，用于接收所述固体可燃物磨碎后得到的浆料、所述氧化剂、所述水和所述目标溶液，并提供超临界水氧化反应的反应区；

分离设备，用于分离所述超临界水氧化反应器的流出物；

其中，所述分离设备包括：

蒸发池，用于接收所述超临界水氧化反应器的流出物，其中，所述流出物为多态相混合物，其中，所述蒸发池内设置有第一冷却盘管和排渣口，所述第一冷却盘管用于在所述多态相混合物流入所述蒸发池之后，将所述蒸发池中溶液的温度稳定在目标温度范围内，所述排渣口用于排出所述多态相混合物中的固态物质；

冷却内桶，包括第二冷却盘管和冷凝水池，所述第二冷却盘管用于冷却所述蒸发池中蒸发的蒸汽，所述冷凝水池用于接收所述第二冷却盘管冷却所述蒸汽后得到的液态物质，所述冷凝水池设置有排水口，用于排出所述液态物质，其中，所述冷却内桶的桶壁上设置有多个孔道，用于供所述蒸发池中蒸发的蒸汽进入所述冷却内桶；

其中，所述蒸发池与所述冷却内桶封装在第二壳体内，所述蒸发池设置在所述冷却内桶下方，所述第二壳体的顶部设置有排气口，用于排放所述多态相混合物中的气态物质。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述超临界水氧化反应器包括：

第一壳体，内部形成用于提供所述反应区的腔室，所述第一壳体上至少设置有浆料入口、氧化剂入口和出料口；

加热装置，用于提高所述腔室的温度；

螺旋环流管，设置在所述腔室内，所述螺旋环流管的一端与所述浆料入口连通，其中，所述螺旋环流管设置为使得所述浆料从所述浆料入口导入所述螺旋环流管之后，沿所述螺旋环流管的管道流动，从所述螺旋环流管的另一端流出，并与从所述氧化剂入口流入所述腔室的氧化剂混合并发生氧化反应。

3.根据权利要求2所述的系统，所述超临界水氧化反应器还包括：

折返管，设置在所述腔室中，所述折返管包括两端开口的内管以及一端开口的外管，所述外管套设于所述内管的外部，所述内管与所述氧化剂入口连通。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，

所述折返管设置在所述腔室的中心轴位置。

5.根据权利要求2所述的系统，所述超临界水氧化反应器还包括：

搅拌器，包括转轴，所述转轴穿过所述第一壳体伸入所述腔室内，并且/或者所述转轴穿过所述出料口伸入所述腔室内；

内衬，设置在所述腔室中，其中，所述螺旋环流管沿所述内衬外壁缠绕设置。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述蒸发池内设置有用于接收所述多态相混合物的套管，所述套管的管壁上分布有多个小孔，所述多态相混合物通过所述多个小孔分散排入所述蒸发池内。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，

所述分离设备还包括背压阀，其中，所述背压阀一端通过管道与所述套管连接，所述背压阀另一端用于通过管道与所述超临界水氧化反应器的出料口连接；并且/或者

所述排气口处设置有挥发性有机物在线监测器；并且/或者

所述蒸发池内配备有液位计；并且/或者

所述蒸发池内配备有pH计；并且/或者

所述排水口处配备有化学需氧量在线监测器。

8.一种利用权利要求1至7中任一项所述的超临界水氧化系统处理固体可燃物的方法，包括：

将所述超临界水氧化反应器的腔室温度提升到第一温度；

通过所述氧化剂供料装置将氧化剂输入所述腔室内；

通过所述供水装置将目标溶液输入所述腔室内，并对所述腔室继续加热，直到所述腔室内的温度达到第二温度；

通过所述固体可燃物切碎磨浆机将固体可燃物磨碎至浆料，并将所述浆料输入所述腔室内，以使得所述浆料与所述氧化剂发生氧化反应，得到流出物；

通过所述超临界水氧化反应器的出料口将所述流出物送入所述分离设备；以及

通过所述分离设备分离所述流出物。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，在所述分离设备分离所述流出物的过程中，所述方法还包括：

通过所述分离设备上设置的化学需氧量在线监测器监测排出的液态物质的COD值；并且/或者

通过所述分离设备上设置的挥发性有机物在线监测器监测排出的气态物质的VOC值；并且/或者

通过所述分离设备上设置的pH计监测所述分离设备中的蒸发池中溶液的pH值；并且/或者

通过所述分离设备上设置的温度计监测所述分离设备中的蒸发池中溶液的温度和/或冷却内桶内的温度。

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