CN110124584A - 一种用于超临界水氧化处理的管式蒸发壁反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于超临界水氧化处理的管式蒸发壁反应器，通过将蒸发壁结构反应器连接起来，各段蒸发壁独立调节水量，形成优异性保护水膜，采用分段注氧避免反应器局部超温，并通过在反应器内设立温度分区，在保证高效的有机物降解的同时使析出的无机盐溶解，在解决反应器处理量放大的同时避免了反应器腐蚀和盐沉积堵塞，分离承压和耐蚀功能，降低制造成本，提升系统经济性。同时通过完善的温度和压力监测系统保障反应器的安全稳定运行，使得该技术更适用于工业大规模应用。

Description

一种用于超临界水氧化处理的管式蒸发壁反应器
技术领域
本发明涉及环境保护及化工领域，特别涉及一种用于超临界水氧化处理高浓度难生化降解废物过程中的管式蒸发壁反应器。
背景技术
超临界水氧化技术是利用水在超临界状态下所具有的特殊性质，使氧化剂和有机物完全溶解在超临界水中并发生均相氧化反应，迅速、彻底地将有机物转化成无害化的CO2、N2、H2O等小分子化合物，氯转化成氯离子的金属盐，硝基物转化成氮气，硫转化成硫酸盐，磷转化成磷酸盐。利用SCWO处理危废液体具有高效的氧化效率高，有机物去除率可达99.9％以上；反应空间密闭，不带来二次污染；反应时间短，设备结构简单，占地面积小；高浓度有机物能够实现自热；微溶的无机盐容易分离出来。总而言之，超临界水氧化技术具有高去除率、低运行成本的特点，且操作控制简单，是一种更为实用的高浓度难生化降解有机废水治理技术。
超临界水氧化技术的核心设备是同时具有高温、高压、高盐浓度和高氧浓度的反应器。在此苛刻的反应条件下，超临界水氧化反应器所面临的突出的问题就是放热量控制、材料腐蚀和盐沉积堵塞等。处理高有机物含量物料是超临界水氧化技术维持自热反应的必要条件，而高浓度有机物氧化反应时会剧烈放热，产生局部的高温，过高的温度会使材料承压能力降低和导致高温腐蚀。高温高压环境中高氧和高盐浓度(如卤素离子或磷酸根离子)会造成服役材料的严重腐蚀，而通过提高材料耐蚀等级来被动提升抗腐蚀能力，则会导致高昂的制造成本。超临界水条件下无机盐溶解度极低，析出的无机盐也会对反应器造成堵塞，致使系统超压引发安全事故或停机。局部高温、材料腐蚀和盐沉积堵塞都会严重影响反应器的安全和稳定运行。目前超临界水氧化反应器主要采用罐式反应器和管式反应器两种形式，两种反应器各有特点：管式反应器便于制造、利于工业放大，但是结构单一不利于设置防腐和防盐沉积结构，适于大规模工业化且弱腐蚀性和低含盐物料；罐式反应器制造相对复杂，工业放大受限，但是利于设置特殊结构防腐和防盐沉积，适用于处理量小且腐蚀性强的物料。在实际应用中常见处理量大、高有机物浓度和高含盐的物料，而大处理量是该技术实现规模化效应，进而提高经济性的关键，此时在反应器的设计和选用上则会面临困难。
因此，为了解决处理量大、高浓度有机物且高含盐物料在反应器设计上的困难，迫切需要一种针对处理量大、高浓度有机物和高腐蚀性的新型反应器，在保证工业放大的同时提高反应器的耐腐蚀性，保障整个系统的安全稳定，加快超临界水氧化技术的工业化进程。
发明内容
本发明的目的是通过反应器结构创新设计，实现工业化放大的同时降低反应器的腐蚀速率和盐沉积堵塞风险，降低反应器制造成本，且要求该反应器便于调节，易于拆装和维护。解决当前的超临界水氧化反应器在处理大规模强腐蚀性物料所面临的困难，提供一种新型反应器，是对传统管式反应器和罐式反应器的改进和提升，可以广泛运用于处理各类高浓度难降解废有机物，尤其是高含盐、高腐蚀性和处理量大的废有机物。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种用于超临界水氧化处理的管式蒸发壁反应器，系统由氧气入口、物料入口、安全阀、反应流体出口、反应器内腔压力测点、反应器内第一测温点、反应器内第二测温点、反应器内第三测温点、反应器内第四测温点、顶盖、燃烧喷嘴、反应器第一温度区、反应器第二温度区、反应器第三温度区、反应器第四温度区、间壁水空腔、第一多孔蒸发壁、第二多孔蒸发壁、第三多孔蒸发壁、第四多孔蒸发壁、外壁第一测温点、外壁第二测温点、外壁第三测温点、外壁第四测温点、间壁水空腔压力测点、蒸发壁水第一调节阀、蒸发壁水第二调节阀、蒸发壁水第三调节阀、蒸发壁水第四调节阀、保温层、底部封头、氧气流量第一调节阀、氧气流量第二调节阀、氧气流量第三调节阀、碱入口和蒸发壁水入口组成。其中氧气入口、物料入口、碱入口、蒸发壁水入口和反应后流体出口构成了反应器的进出物料；反应器第一温度区、反应器第二温度区、反应器第三温度区和反应器第四温度区构成了反应器内温度物理分区，温度物理分区由常温入射梯度升温至超临界区，再降温至亚临界流出；反应器内腔压力测点、反应器内第一测温点、反应器内第二测温点、反应器内第三测温点、反应器内第四测温点、外壁第一测温点、外壁第二测温点、外壁第三测温点、外壁第四测温点和间壁水空腔压力测点构成了反应器的监测系统；安全阀、蒸发壁水第一调节阀、蒸发壁水第二调节阀、蒸发壁水第三调节阀、蒸发壁水第四调节阀、氧气流量第一调节阀、氧气流量第二调节阀和氧气流量第三调节阀构成了反应器的调控系统。
上述一种用于超临界水氧化处理的管式蒸发壁反应器的操作如下：物料由进料口进入反应器，经混合喷嘴与氧气混合后喷入反应器开始反应升温，反应器设置多段进氧使反应温度逐级升高，由亚临界条件最终达到超临界条件；氧气流量根据每段反应器温度调节，多段短管反应器连接组成反应器，反应后流体进入反应器尾部的亚临界区，无机盐在亚临界区重新溶解后经底部封头流出反应器；反应器整个反应内腔都采用多孔蒸发壁隔离反应器承压壁，每段反应器的蒸发壁水通过调节阀独立调节，以期形成优异性保护水膜隔离腐蚀介质与承压壁，且蒸发壁水设置加碱装置，调节蒸发壁水pH减缓腐蚀；超临界反应区设安全阀、反应器内腔压力测点和间壁水内腔压力测点，以保障反应器安全稳定运行。
本发明具有以下特点和优势：
1、由各段带蒸发壁反应器连接组成，可通过调整反应器长度从便捷适应不同的处理量和停留时间提升处理量；
2、每段反应器均设置蒸发壁结构，通过蒸发壁水隔离反应器承压壁和腐蚀性反应介质，通过耐蚀与承压的优化组合降低投资；
3、反应器按温度分为四个区间，温度从常温-亚临界区-超临界-亚临界：区间I温度为25℃～340℃、区间II温度为340℃～420℃、区间III温度为420℃～650℃、区间IV温度为650℃～300℃。要求进料热值高于5.1MJ/kg；
4、确保整体反应时间不低于1分钟，保证650℃后停留时间不低于20秒，整体反应器对有机物的综合降解效率预期能达到99.9％以上：区间I预期降解效率≥20％；区间II预期降解效率≥40％；区间III预期降解效率≥40％；
5、进料要求含盐浓度≤200g/L，含氯浓度≤100g/L、钙镁浓度≤100mg/L、不溶固体颗粒粒径≤0.5mm；
6、氧化剂可以是空气、富氧空气或纯氧。
附图说明
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明一种用于超临界水氧化处理的管式蒸发壁反应器结构示意图。
图中，氧气入口1、物料入口2、安全阀3、反应流体出口4、反应器内腔压力测点5、反应器内第一测温点6、反应器内第二测温点7、反应器内第三测温点8、(9)为反应器内第四测温点9、顶盖10、燃烧喷嘴11、反应器第一温度区12、反应器第二温度区13、反应器第三温度区14、反应器第四温度区15、间壁水空腔16、第一多孔蒸发壁17-1、第二多孔蒸发壁17-2、第三多孔蒸发壁17-3、第四多孔蒸发壁17-4、外壁第一测温点18、外壁第二测温点19、外壁第三测温点20、外壁第四测温点21、间壁水空腔压力测点22、蒸发壁水第一调节阀23、蒸发壁水第二调节阀24、蒸发壁水第三调节阀25、蒸发壁水第四调节阀26、保温层27、底部封头28、氧气流量第一调节阀29、氧气流量第二调节阀30、氧气流量第三调节阀31、加碱入口32、蒸发壁水入口33。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施对本发明作进一步描述。
一种用于超临界水氧化处理的管式蒸发壁反应器结构如图1所示，系统由氧气入口1、物料入口2、安全阀3、反应流体出口4、反应器内腔压力测点5、反应器内第一测温点6、反应器内第二测温点7、反应器内第三测温点8、反应器内第四测温点9、顶盖10、燃烧喷嘴11、反应器第一温度区12、反应器第二温度区13、反应器第三温度区14、反应器第四温度区15、间壁水空腔16、第一多孔蒸发壁17-1、第二多孔蒸发壁17-2、第三多孔蒸发壁17-3、第四多孔蒸发壁17-4、外壁第一测温点18、外壁第二测温点19、外壁第三测温点20、外壁第四测温点21、间壁水空腔压力测点22、蒸发壁水第一调节阀23、蒸发壁水第二调节阀24、蒸发壁水第三调节阀25、蒸发壁水第四调节阀26、保温层27、底部封头28、氧气流量第一调节阀29、氧气流量第二调节阀30、氧气流量第三调节阀31、碱入口32和蒸发壁水入口33组成。其中氧气入口1、物料入口2、碱入口32、蒸发壁水入口33和反应后流体出口4构成了反应器的进出物料；反应器第一温度区12、反应器第二温度区13、反应器第三温度区14和反应器第四温度区15构成了反应器内温度物理分区，温度物理分区由常温入射梯度升温至超临界区，再降温至亚临界流出；反应器内腔压力测点5、反应器内第一测温点6、反应器内第二测温点7、反应器内第三测温点8、反应器内第四测温点9、外壁第一测温点18、外壁第二测温点19、外壁第三测温点20、外壁第四测温点21和间壁水空腔压力测点22构成了反应器的监测系统；安全阀4、蒸发壁水第一调节阀23、蒸发壁水第二调节阀24、蒸发壁水第三调节阀25、蒸发壁水第四调节阀26、氧气流量第一调节阀29、氧气流量第二调节阀30和氧气流量第三调节阀31构成了反应器的调控系统。
所述管式蒸发壁反应器的操作如下：氧气和物料分别由物料入口1和氧气入口2进入反应器，由燃烧喷嘴11喷入反应器內燃烧，逐级分梯度形成亚临界区-低温超临界区-高温超临界区-亚临界激冷区分别与反应器第一温度区12、反应器第二温度区13、反应器第三温度区14和反应器第四温度区15相对应，反应器由多段短反应器连接组成，反应流体通过各短反应器后、反应流体经反应流体出口4排出，其中反应流体在超临界区析出的无机盐在亚临界激冷区重新溶解后经底部封头28的出口后流出；反应器整个内腔除顶盖10和底部封头28外都采用第一多孔蒸发壁17-1、第二多孔蒸发壁17-2、第三多孔蒸发壁17-3和第四多孔蒸发壁17-4隔离反应器壁，蒸发壁水经蒸发壁水入口33通过蒸发壁水第一调节阀23、蒸发壁水第二调节阀24、蒸发壁水第三调节阀25和蒸发壁水第四调节阀26调节进入每段反应器的流量，在平衡水压的作用下蒸发壁水进入间壁水空腔16后形成优异性水膜保护第一多孔蒸发壁17-1、第二多孔蒸发壁17-2、第三多孔蒸发壁17-1和第四多孔蒸发壁17-1，进而隔离反应介质保护整个反应器外壁，调控使外壁第一测温点18、外壁第二测温点19、外壁第三测温点20和外壁第四测温点21不超过300℃，其中末端蒸发壁流量需蒸发壁水第四调节阀26使反应器末端区间第四温度测点9维持在300℃以下；氧气进入量通过氧气流量第一调节阀29、氧气流量第二调节阀30和氧气流量第三调节阀31来进行调节，保证反应器内第一测温点6、反应器内第二测温点7、反应器内第三测温点8分别达到340±10℃、420±10℃、650±10℃；反应器壁外设保温层27，反应区设安全阀3、反应器内腔压力测点5和间壁水内腔压力测点22，以保障反应器安全稳定运行。
上述一种用于超临界水氧化处理的管式蒸发壁反应器，由各段带蒸发壁反应器连接组成，可通过调整反应器长度从便捷适应不同的处理量和停留时间，可提升处理量至50吨/天以上处理量的工业化规模。
上述一种用于超临界水氧化处理的管式蒸发壁反应器，每段反应器均设置蒸发壁结构，通过蒸发壁水隔离反应器壁和腐蚀性反应介质，使防腐和承压在反应器内功能性分离，保障了反应器的稳定运行，同时将承压和耐蚀用材分离，蒸发壁可采用耐蚀合金，而反应器壁可采用热强钢，通过耐蚀与承压的优化组合降低投资。
上述一种用于超临界水氧化处理的管式蒸发壁反应器，通过蒸发壁水调节阀与反应器壁温联锁，调节蒸发壁水量在反应器内腔形成优异性水膜，隔离腐蚀性介质和反应器壁，蒸发壁水量与反应器壁温度联锁，控制反应器壁温度不超过300℃。
上述一种用于超临界水氧化处理的管式蒸发壁反应器，反应器按温度分为四个区间，温度从常温-亚临界区-超临界-亚临界：区间I温度为25℃～340℃、区间II温度为340℃～420℃、区间III温度为420℃～650℃、区间IV温度为650℃～300℃。要求进料热值高于5.1MJ/kg，阶段升温避免局部高温，超临界反应区通过高温反应保证有机物的彻底去除，亚临界激冷区使超临界区析出的无机盐重新溶解后排出，避免无机盐沉积堵塞。
上述一种用于超临界水氧化处理的管式蒸发壁反应器，确保整体反应时间不低于1分钟，保证650℃后停留时间不低于20秒，整体反应器对有机物的综合降解效率预期能达到99.9％以上：区间I预期降解效率≥20％；区间II预期降解效率≥40％；区间III预期降解效率≥40％。
上述一种用于超临界水氧化处理的管式蒸发壁反应器，进料要求含盐浓度≤200g/L，含氯浓度≤100g/L、钙镁浓度≤100mg/L、不溶固体颗粒粒径≤0.5mm。
上述一种用于超临界水氧化处理的管式蒸发壁反应器，其氧化剂可以是空气、富氧空气或纯氧。
由此，可知本发明创新性地将蒸发壁结构反应器连接起来，各段反应器蒸发壁独立调节水量，形成优异性保护水膜，并通过在反应器内设立温度分区，在保证高效的有机物降解的同时让析出的无机盐溶解，避免盐沉积堵塞。采用分段注氧避免反应器局部超温，在解决反应器处理量放大的同时避免反应器腐蚀和盐沉积堵塞，分离承压和耐蚀功能，降低制造成本，提升系统经济性。同时设立完善的温度和压力监测系统来保障反应器的安全稳定运行，使得该技术更适用于工业大规模应用。

Claims (1)

1.一种用于超临界水氧化处理的管式蒸发壁反应器，其特征在于：由氧气入口(1)、物料入口(2)、安全阀(3)、反应流体出口(4)、反应器内腔压力测点(5)、反应器内第一温度测点(6)、反应器内第二温度测点(7)、反应器内第三温度测点(8)、反应器内第四温度测点(9)、顶部封头(10)、燃烧喷嘴(11)、反应器第一温度区(12)、反应器第二温度区(13)、反应器第三温度区(14)、反应器第四温度区(15)、间壁水空腔(16)、第一多孔蒸发壁(17-1)、第二多孔蒸发壁(17-1)、第三多孔蒸发壁(17-1)、第四多孔蒸发壁(17-1)、外壁第一测温点(18)、外壁第二测温点(19)、外壁第三测温点(20)、外壁第四测温点(21)、间壁水空腔压力测点(22)、蒸发壁水第一调节阀(23)、蒸发壁水第二调节阀(24)、蒸发壁水第三调节阀(25)、蒸发壁水第四调节阀(26)、保温层(27)、底部封头(28)、氧气流量第一调节阀(29)、氧气流量第二调节阀(30)、氧气流量第三调节阀(31)、加碱入口(32)和蒸发壁水入口(33)组成；
其中氧气入口(1)、物料入口(2)、碱入口(32)、蒸发壁水入口(33)和反应后流体出口(4)构成了反应器的进出物料；反应器第一温度区(12)、反应器第二温度区(13)、反应器第三温度区(14)和反应器第四温度区(15)构成了反应器内温度物理分区，温度物理分区由常温入射梯度升温至超临界区，再降温至亚临界流出；反应器内腔压力测点(5)、反应器内第一测温点(6)、反应器内第二测温点(7)、反应器内第三测温点(8)、反应器内第四测温点(9)、外壁第一测温点(18)、外壁第二测温点(19)、外壁第三测温点(20)、外壁第四测温点(21)和间壁水空腔压力测点(22)构成了反应器的监测系统；安全阀(4)、蒸发壁水第一调节阀(23)、蒸发壁水第二调节阀(24)、蒸发壁水第三调节阀(25)、蒸发壁水第四调节阀(26)、氧气流量第一调节阀(29)、氧气流量第二调节阀(30)和氧气流量第三调节阀(31)构成了反应器的调控系统；
所述管式蒸发壁反应器的具体操作如下：氧气和物料分别由物料入口(1)和氧气入口(2)进入反应器，由燃烧喷嘴(11)喷入反应器內燃烧，逐级分梯度形成亚临界区-低温超临界区-高温超临界区-亚临界激冷区分别与反应器第一温度区(12)、反应器第二温度区(13)、反应器第三温度区(14)和反应器第四温度区(15)相对应，反应器由多段短反应器连接组成，反应流体通过各短反应器后、反应流体经反应流体出口(4)排出，其中反应流体在超临界区析出的无机盐在亚临界激冷区重新溶解后经底部封头(28)的出口后流出；反应器整个内腔除顶部封头(10)和底部封头(28)外都采用第一多孔蒸发壁(17-1)、第二多孔蒸发壁(17-2)、第三多孔蒸发壁(17-3)和第四多孔蒸发壁(17-4)隔离反应器壁，蒸发壁水经蒸发壁水入口(33)通过蒸发壁水第一调节阀(23)、蒸发壁水第二调节阀(24)、蒸发壁水第三调节阀(25)和蒸发壁水第四调节阀(26)调节进入每段反应器的流量，在平衡水压的作用下蒸发壁水进入间壁水空腔(16)后形成优异性水膜保护第一多孔蒸发壁(17-1)、第二多孔蒸发壁(17-1)、第三多孔蒸发壁(17-1)和第四多孔蒸发壁(17-1)，进而隔离反应介质保护整个反应器外壁，调控使外壁第一测温点(18)、外壁第二测温点(19)、外壁第三测温点(20)和外壁第四测温点(21)不超过300℃，其中末端蒸发壁流量需蒸发壁水第四调节阀(26)使反应器末端区间第四温度测点(9)维持在300℃以下；氧气进入量通过氧气流量第一调节阀(29)、氧气流量第二调节阀(30)和氧气流量第三调节阀(31)来进行调节，保证反应器内第一测温点(6)、反应器内第二测温点(7)、反应器内第三测温点(8)分别达到340±10℃、420±10℃、650±10℃；反应器壁外设保温层(27)，反应区设安全阀(3)、反应器内腔压力测点(5)和间壁水内腔压力测点(22)，以保障反应器安全稳定运行。
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