CN110793369B - 一种超临界水氧化反应产物余热余压利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超临界水氧化反应产物余热余压利用系统，包括第一换热器，包括热流入口I和热流出口I，热流入口I用于接收超临界水氧化反应产物，进而传递超临界水氧化反应产物所携带的部分热量；气液分离器，包括气液入口、液相出口和气相出口，气液入口与热流出口I连通，液相出口用于排放高压水，气相出口用于导出高压气体；涡流管，包括气相入口、热端出口和冷端出口，气相入口与气相出口连通，用于接收高压气体，并将其分离为高温气体和低温气体，并分别从热端出口和冷端出口导出。解决了现有技术不能很好的利用超临界水氧化反应产物余压能量的问题。

Description

一种超临界水氧化反应产物余热余压利用系统

【技术领域】

本发明属于余热余压回收技术领域，具体涉及一种超临界水氧化反应产物余热余压利用系统。

【背景技术】

超临界水氧化是一种使用氧气或空气作为氧化剂，在高于水的临界点(374.15℃和22.12MPa)的温度和压力下将水中有机物氧化的过程，有机物被氧化成CO₂、H₂O、N₂等无毒无害产物，由于该技术的高效性、清洁性，受到国内外学者的广泛关注。

超临界水氧化技术通常用来处理高浓度难降解的有机物，有机物中COD一般在20000mg/L至400000mg/L，单位COD的热值约为14.8kJ/g，超临界水氧化反应释放大量热能，导致超临界水氧化反应产物处于高温高压状态，具有很高的热能与压力能。目前，较多采用高温反应产物预热原料或加热冷却水的方法回收余热，而对压力能的利用方法较少，通常利用背压阀将高压产物降至常压后直接排放，造成压力能的浪费。对于蒸发壁式超临界水氧化系统而言，通过背压阀降压造成的能量损失可占系统输入总能量的20％，因此，对反应产物压力能的回收具有重要意义。

随着超临界锅炉发电技术的日趋成熟，有学者提出将除盐后的高温高压反应产物直接透平发电的构想，但到目前为止还未见相关试验研究报道。主要原因是SCWO反应产物组成较为复杂，且处理的有机物种类不同，其反应产物组成及含量也不同，不适用于常规涡轮机中膨胀，需要重新设计专用的涡轮，设计工作量较大。此外，对于蒸发壁式超临界水氧化系统而言，由于引入低温保护性流体造成反应器出口温度较低处于亚临界状态(250～350℃)，材料腐蚀速率远高于超临界状态，将大大降低涡轮使用寿命。对于现有技术而言，超临界水氧化反应产物不宜在透平机中直接减压，因此，需要探讨其它压力能回收方法。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种超临界水氧化反应产物余热余压利用系统，以解决现有技术不能很好的利用超临界水氧化反应产物余压能量的问题。

本发明采用以下技术方案：一种超临界水氧化反应产物余热余压利用系统，包括：

一第一换热器，包括热流入口I和热流出口I，热流入口I用于接收超临界水氧化反应产物，进而传递超临界水氧化反应产物所携带的部分热量；

一气液分离器，包括气液入口、液相出口和气相出口，气液入口与热流出口I连通，液相出口用于排放高压水，气相出口用于导出高压气体；

一涡流管，包括气相入口、热端出口和冷端出口，气相入口与气相出口连通，用于接收高压气体，并将其分离为高温气体和低温气体，并分别从热端出口和冷端出口导出。

进一步的，气液分离器的气相出口和涡流管的气相入口之间，还设置有高压干燥机和储气罐。

进一步的，热端出口连接一热量应用系统，热量应用系统包括并联设置的第二换热器和储热装置，其中，第二换热器包括热流入口II和热流出口II，储热装置包括热流入口和热流出口，热流入口II和热流入口均连通至热端出口。

进一步的，第二换热器还包括冷水入口II和热水出口II，储热装置还包括冷水入口和热水出口，热流出口与热流出口II连通，冷水入口II与冷水入口连通，热水出口II和热水出口连通。

进一步的，热流出口和/或热流出口II串联另一涡流管。

进一步的，冷端出口连通一冷量应用系统，冷量应用系统包括：

一第三换热器，其包括冷流入口和冷流出口，冷流入口与冷端出口连通，用于传递冷端出口输送来的低温常压气体的冷量；

一下游用冷单位，与第三换热器连接，用于获取第三换热器中储存的冷量。

本发明的有益效果是：系统中设置涡流管，可实现对反应产物中压力能的回收利用，且涡流管具有结构简单，启动快，投资等少优势；将储热装置与第二换热器相结合，可保证系统不间断地向外界提供热水；涡流管产生的冷流可作为下游用冷单位的冷源，出售获得收益，可进一步提高超临界水氧化系统的经济性。

【附图说明】

图1为本发明一种超临界水氧化反应产物余热余压利用系统的系统原理图；

其中，1.下游用冷单位，2.储热装置，3.第三换热器，4.涡流管，5.储气罐，6.高压干燥机，7.气液分离器，8.第二换热器，9.第一换热器；

21.热流入口，22.热流出口，23.冷水入口，24.热水出口；

31.冷流入口，32.冷流出口；

41.气体入口，42.热端出口，43.冷端出口；

71.气液入口，72.气体出口，73.液相出口；

81.热流入口II，82.热流出口II，83.冷水入口II，84.热水出口II；

91.热流入口I，92.热流出口I。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明公开了一种超临界水氧化反应产物余热余压利用系统，如图1所示，包括顺次连接的第一换热器9、气液分离器7、高压干燥机6和储气罐5，该储气罐5连通至涡流管4。第一换热器9包括热流进口I91、热流出口I92；气液分离器7包括气液入口71、液相出口73和气相出口72；高压干燥机6包括进口和出口，储气罐5包括进口和出口；涡流管4包括气相入口41、热端出口42和冷端出口43。

其中，超临界水氧化反应产物为高温高压的气液混合物，其由热流进口I91进入第一换热器9并进行换热，相当于对高温高压的超临界水氧化反应产物进行一次冷却得到常温高压的气液混合物。热流出口I92连接至气液入口71，气液分离器7将超临界水氧化反应产物分成气相和液相，分别从气相出口72和液相出口73导出，所述气相出口72导出常温高压气体，液相出口73排放常温高压水，常温高压水包含溶解在其中的无机盐。气相出口72和高压干燥机6连接，高压干燥机6再和储气罐5连接，高压干燥机6的作用是完全去除高压气体中携带的水蒸气，防止涡流管4的冷端出口43会出现结冰，影响涡流管4的性能。储气罐5的出口连接至涡流管4的气相入口41，涡流管4将接受的常温高压气体分离成高温气体和低温气体，并分别从热端出口42和冷端出口43排出。采用涡流管4，可实现对反应产物中压力能的回收利用，将压力能转化为热能，且涡流管4具有结构简单，启动快，投资等少优势。

热端出口42连接一热量应用系统，该热量应用系统将储热装置与第二换热器相结合，可保证系统不间断地向外界提供热水。该热量应用系统包括并联设置的第二换热器8和储热装置2。其中，第二换热器8包括热流入口II81和热流出口II82，储热装置2包括热流入口21和热流出口22，热流入口II81和热流入口21均连通至所述热端出口42。第二换热器8还包括冷水入口II83和热水出口II84，储热装置2还包括冷水入口23和热水出口24，所述热流出口22与所述热流出口II82连通，所述冷水入口II83与所述冷水入口23连通，所述热水出口II84和所述热水出口24连通。

冷端出口43连通一冷量应用系统，涡流管4产生的冷流可作为下游用冷单位1的的冷源，出售获得收益，可进一步提高超临界水氧化系统的经济性。该冷量应用系统包括第三换热器3和下游用冷单位1。其中，第三换热器3包括冷流入口31和冷流出口32，所述冷流入口31与所述冷端出口43连通，用于传递所述冷端出口43输送来的低温气体的冷量。而下游用冷单位1与所述第三换热器3连接，用于获取所述第三换热器3中储存的冷量。

本发明一种超临界水氧化反应产物余热余压利用系统的工作过程为：提压升温的有机废液在超临界水氧化反应器中被氧化，反应产物经第一换热器9换热将热量传递给冷水，反应产物被冷却至常温，冷水经第一换热器9升温至目标值时，可向外界提供热水。常温高压反应产物经过压力调节阀降压后进入气液分离器7中，分离出的较高压力的液态水从气液分离器7底部出口排除，此部分水可用于调节待处理的有机废液浓度；分离出的高压气体从气液分离器7上部的气相出口排出进入高压干燥机6中，从储气罐5排出的较稳定的高压气体从涡流管4喷嘴处进入涡流室内，在涡流管内4分离成两股不同温度的气流，其中外层气流温度较高，经热端出口流出，内层气流温度较低，经冷端出口流出，冷热气流的比率由热端调节阀控制。

从涡流管4热端出口排出的热流分两股，一股进入第二换热器8中，加热从冷水增压泵排出的冷水，另一股热流作为传热流体从储热单元2传热流体进口21流入，在储热单元2内将热量传递给储热材料进行储存，换热降温后的热流经储热单元传热流体出口22流出。从冷水增压泵排出的冷水分支路流入储热单元冷水进口23，在储热单元2内储热材料将热量传递给冷水，升温后的冷水从储热单元热水出口24排出。

在超临界水氧化系统正常运行期间，连接冷水增压泵和储热单元冷水进口23之间的管道上的阀门处于关闭状态，与涡流管4热端连接的第二换热器8和储热单元传热流体进口21之间的两支路管道上的阀门均处于开启状态，在此期间，储热单元2处于蓄热状态。当超临界水氧化系统停运时，连接第二换热器8和冷水增压泵之间的管道阀门关闭，连接冷水增压泵和储热单元冷水进口23之间的管道阀门开启，在此阶段，储热单元2处于放热状态。从而保证不间断的向外界提供热水。

从涡流管4冷端出口排出的冷流进入第三换热器3中，将冷量传递给载冷剂，利用循环泵将被冷却的载冷剂输送至下游用冷单位1用于被冷却对象，而后升温的载冷剂再由循环泵送入第三换热器3中与冷流进行热交换，从而完成一个循环。

本发明一种超临界水氧化反应产物余热余压利用系统，将超临界水氧化反应器中的反应产物经过一些列预处理之后转变为常温高压气体，并传送至涡流管4，涡流管4将常温高压气体分离成高温气体和低温气体，并分别从热端出口42和冷端出口43排出进行进一步应用。

在第一换热器9的热流出口I92后连接有压力调节阀，压力调节阀出口与气液分离器7的气液入口71连接，气液分离器7上部的气相出口72与储气罐5入口连接，储气罐5出口与涡流管4的气相入口41连接。第二换热器8与储热装置2并联，其中第二换热器8的热流入口II81和储热装置2的热流入口并联于涡流管4的热端出口42，第二换热器8的冷水入口II83与储热装置2的冷水入口23并联于冷水增压泵的流体出口。涡流管4的冷端出口43与第三换热器3的冷流入口31连接，循环泵出口与第三换热器3的热流进口连接，第三换热器3的热流出口与下游用冷单位1连接。

在具体使用的过程中，进入涡流管4的高压气体压力应大于或等于7bar，涡流管4的热端出口42和冷端出口43处都连接有消声器。储热装置可为固体储热装置或相变储热装置，可以为双螺旋盘管换热器结构，在储热装置内壳与传流流体管道和冷水管道之间填充储热材料。如果为相变储热装置，则储热材料的相变温度应在50-80℃，可选用石蜡或Ba(OH)₂·8H₂O。涡流管4优先选用单级，当经过第二换热器8和储热装置2换热后的热流压力大于7bar时，可再串联涡流管4。载冷剂可选用乙二醇水溶液。

本发明提出了一种超临界水氧化反应产物余热余压利用系统，经第一换热器9冷却后的超临界水氧化反应产物经过气液分离器7进行分离，分离出的高压气体进入涡流管4中，在涡流管4内被分离成冷热两股不同的流体，冷流作为用冷单位的冷源，热流的一部分热量用来加热冷水，另一部分热量储存在储热装置2中，当超临界水氧化系统停机时，可继续由储热装置2向外界提供热水。该方法为超临界水氧化反应产物余热余压回收利用提供了一种新的途径。

Claims (2)

1.一种超临界水氧化反应产物余热余压利用系统，其特征在于，包括：

一第一换热器（9），包括热流入口I（91）和热流出口I（92），所述热流入口I（91）用于接收超临界水氧化反应产物，进而传递所述超临界水氧化反应产物所携带的部分热量；

一气液分离器（7），包括气液入口（71）、液相出口（73）和气相出口（72），所述气液入口（71）与所述热流出口I（92）连通，所述液相出口（73）用于排放高压水，所述气相出口（72）用于导出高压气体；

一涡流管（4），包括气相入口（41）、热端出口（42）和冷端出口（43），所述气相入口（41）与所述气相出口（72）连通，用于接收所述高压气体，并将其分离为高温气体和低温气体，并分别从所述热端出口（42）和冷端出口（43）导出；

所述气液分离器（7）的气相出口（72）和所述涡流管（4）的气相入口（41）之间，还设置有高压干燥机（6）和储气罐（5）；

所述热端出口（42）连接一热量应用系统，所述热量应用系统包括并联设置的第二换热器（8）和储热装置（2），其中，第二换热器（8）包括热流入口II（81）和热流出口II（82），储热装置（2）包括热流入口（21）和热流出口（22），热流入口II（81）和热流入口（21）均连通至所述热端出口（42）；

所述第二换热器（8）还包括冷水入口II（83）和热水出口II（84），储热装置（2）还包括冷水入口（23）和热水出口（24），所述热流出口（22）与所述热流出口II（82）连通，所述冷水入口II（83）与所述冷水入口（23）连通，所述热水出口II（84）和所述热水出口（24）连通；

所述热流出口（22）和/或所述热流出口II（82）串联另一涡流管（4）。

2.如权利要求1所述的一种超临界水氧化反应产物余热余压利用系统，其特征在于，所述冷端出口（43）连通一冷量应用系统，所述冷量应用系统包括：

一第三换热器（3），其包括冷流入口（31）和冷流出口（32），所述冷流入口（31）与所述冷端出口（43）连通，用于传递所述冷端出口（43）输送来的低温常压气体的冷量；

一下游用冷单位（1），与所述第三换热器（3）连接，用于获取所述第三换热器（3）中储存的冷量。