CN112250157B - 一种低能耗的超临界水氧化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及资源与环境保护技术领域，具体涉及一种低能耗的超临界水氧化系统，包括固液分离系统、氧气支路、燃烧系统、烟气热量回收系统、冷壁式反应器、压力平衡器、排出系统和冷却系统；高含固有机危废液通过固液分离形成废液和废渣，分别通过超临界水氧化和焚烧处理，焚烧产生的高温烟气通过烟气热量回收系统回收利用，冷壁式反应器可解决超临界反应器的腐蚀和盐沉积问题；压力平衡器实现冷壁反应器内外壳间的压力平衡，保证反应器的抗腐蚀和盐沉积性能及高压蒸汽的品质；冷却系统与反应流体间壁换热，产生的高品质高压蒸汽可直接用于发电系统。

Description

一种低能耗的超临界水氧化系统
技术领域
本发明涉及资源与环境保护技术领域，具体涉及一种低能耗的超临界水氧化系统。
背景技术
超临界水氧化是在超过水的临界点(Pc＝22.1MPa,Tc＝374℃)的条件下，利用氧化剂将有机物进行“燃烧”氧化的方法。该技术利用超临界水的独特性质(如密度、粘度、介电常数、离子积降低，氢键减弱，扩散性能、非极性特征显著增强等)，将有机污染物彻底氧化为CO2、H2O等无毒无害产物，具有反应速率快、降解彻底、无二次污染等独特优势，是目前最具潜力的有机废水处理技术之一。
化工、机械加工、医药、石油等行业产生大量的母液、蒸馏浓缩液等高含固有机危废液，该类废液虽然有机含量高，但含水率高，直接焚烧处理能耗极高。利用超临界水氧化处理效率高，但也面临腐蚀结垢等问题。高含固对超临界水氧化系统的增温增压(一般临界点以上)、反应、传热等设备影响大，容易造成系统堵塞、磨损、能量利用效率显著下降等问题。此外，在超临界水氧化运行过程中，需要将物料提升至高温高压，该过程需要消耗大量电能，导致系统运行成本较高。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种低能耗的超临界水氧化系统。系统中高含固有机危废液通过固液分离形成废液和废渣，分别通过超临界水氧化和焚烧实现协同处理，回收焚烧热能并用于超临界水氧化过程，克服单独采用超临界水氧化或焚烧处理的技术难题，实现低能耗及废物的彻底处理。该方案不仅适用于含固有机危废液，也适用于两种及以上废液和固废的协同处理。
为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：
低能耗的超临界水氧化系统，包括固液分离系统、氧气支路、燃烧系统、烟气热量回收系统、冷壁式反应器、压力平衡器、排出系统和冷却系统；
所述固液分离系统的入口与有机废液管路连接；所述固液分离系统的固体出口与燃烧系统连接，液体出口与烟气热量回收系统的废液入口连接；所述烟气热量回收系统的废液出口与冷壁式反应器的废液入口连接；
所述冷壁式反应器的氧气入口与氧气支路连接；所述冷壁式反应器的反应流体出口依次与压力平衡器的反应流体通道、排出系统连接；所述冷壁式反应器的冷却流体入口与冷却系统的出口连接，冷却流体出口(即蒸汽出口)依次与压力平衡器的蒸汽通道、烟气热量回收系统的蒸汽入口连接；
所述燃烧系统的烟气出口与烟气热量回收系统的烟气入口连接。
冷壁式反应器为一双壳反应器，冷却流体注入内外壳间的环隙，一方面对壁面进行冷却避免无机盐结垢，同时内壳为防腐蚀材料，解决腐蚀问题，这样冷壁式反应器即可同时解决腐蚀和盐沉积问题。由于内外壳压差小，因此内壳不承压，外壳承压，内壳可用薄壁结构，大大降低材料消耗。
在系统启动、工况调节或异常工况下，内外壳压力容易出现压力不平衡状态。如果内外壳长时间处于不平衡，容易造成薄壁内壳变形，反应区和冷却流体环隙区的密封破坏及串通，极大影响反应器的安全和稳定，无法实现抗腐蚀盐沉积性能及发电蒸汽的品质。通过设置压力平衡器，实现反应器内外壳压力的动态平衡，保证反应器薄壁内壳的安全稳定。
所述燃烧系统的设置，对富含有机质的废渣进行燃烧，一方面实现废渣的处理，另一方面形成高温烟气。
所述烟气热量回收系统用于回收燃烧系统中废渣燃烧产生的高温烟气的热量，实现废液的预热，省去了高品位电能的预热消耗，大大降低系统的电耗。并对冷壁式反应器出口蒸汽进一步加热，提升蒸汽温度品质。
进一步的，所述冷壁式反应器的废料入口与蒸汽出口位于同一侧，反应流体出口与冷却流体入口位于另外一侧。冷壁式反应器中的冷却流体与反应流体在反应器中间壁、逆流换热。
进一步的，所述固液分离系统包括沉降池和离心分离器；所述沉降池入口与有机废液管路连接，液体出口与所述离心分离器的入口连接；所述离心分离器的液体出口与烟气热量回收系统的废液入口连接；所述沉降池、离心分离器的固体出口分别与燃烧系统连接。
废液升压一般通过高压柱塞泵或隔膜泵实现，当废液含有较多固体颗粒时，高压泵的密封圈、隔膜、柱塞等极易磨损而影响密封，无法实现高含固废液的稳定升压。高含固废液在预热及反应后的热回收过程中，换热装置的换热效率大大降低，废液中固体灰渣和析出无机盐容易沉积堵塞，影响系统的安全运行。此外，高含固条件下也会降低超临界水氧化的反应效率，对反应条件的控制要求进一步提高。设置沉降池和离心分离器两级固液分离装置，将有机危废的固体物质有效分离，避免产生对系统的不良影响。为进一步提高固液分离效果，也可以进一步设置多级的分离装置，以及分离装置的不同排列组合方式。
进一步的，所述压力平衡器包括平推阀、壳体、密封圈、蒸汽通道和反应流体通道；所述平推阀的两侧为两圆锥，两圆锥通过连接杆连接，连接杆中间为凸台，密封圈置于凸台上，从而将压力平衡器分隔为蒸汽通道和反应流体通道。当蒸汽通道和反应流体通道两侧压力不平衡，平推阀向压力低的一侧移动，平衡器组件契合相应通道的锥形面，以降低甚至关闭低压流道，低压流道压力逐渐升高，从而实现冷壁式反应器内外壳间的压力平衡，保证反应器的抗腐蚀和盐沉积性能及高压蒸汽的品质。
进一步的，所述超临界水氧化系统还包括发电系统，所述发电系统的蒸汽入口与烟气热量回收系统的蒸汽出口连接。冷壁式反应器产生的高品质高压蒸汽可直接用于发电系统，避免当有机废液中含有一定量的固体颗粒和无机盐，用高温高压的反应流体直接用于发电会损坏汽轮机的问题。要保证反应器的抗盐沉积特性，冷壁式反应器的蒸汽出口的高压蒸汽温度一般控制低于400℃，因此反应器中的出口蒸汽能量品位不足，造成系统发电输出量较小，系统能量效率低。通过烟气热量回收系统对反应器出口蒸汽进一步加热，提升蒸汽温度品质，提高系统发电输出量。
进一步的，所述烟气热量回收系统包括过热模块、再热模块、废液预热模块、蒸汽输出模块、废渣预热模块；所述燃烧系统的烟气出口依次与过热模块、再热模块、废液预热模块、蒸汽输出模块、废渣预热模块连接；所述固液分离系统的液体出口与预热模块的废液入口连接；
所述发电系统包括高压汽轮机、低压汽轮机与发电机，所述高压汽轮机、低压汽轮机与发电机连接；所述压力平衡器的蒸汽通道经过热模块与高压汽轮机连接；所述高压汽轮机的蒸汽出口经再热模块与低压汽轮机连接。
进一步的，发电系统的蒸汽出口与冷壁式反应器的冷却流体入口连接，实现冷却流体在系统中循环利用。
进一步的，所述超临界水氧化系统还包括余热回收系统，所述余热回收系统包括1#换热器和2#换热器，所述1#换热器设置于冷壁式反应器的废液入口与反应流体出口管路上，用于对废液和反应流体进行换热；所述2#换热器设置于冷壁式反应器的氧气入口管路与反应流体出口管路上，用于对氧气和反应流体进行换热。余热回收系统用于回收反应流体的余热，利用换热器对废料及氧气进行初步预热。
优选的，所述余热回收系统还包括3#换热器，所述3#换热器分别与1#换热器和2#换热器的反应流体出口连接。3#换热器用于进一步回收经1#换热器和2#换热器的反应流体余热。
进一步的，所述排出系统包括依次连接的背压阀、气液分离器。反应流体最后经背压阀降压后进入气液分离器排出系统。
废渣在锅炉中产生的烟气热源，分别实现初蒸汽过热、二次蒸汽再热、废液预热以及热水输出，实现废燃料能量的梯级利用，大大提高系统的能量效率。通过烟气热量回收系统的设置，对反应器流体出口蒸汽分别进行过热和再热，提升蒸汽温度品质，大大提升系统的发电效率。
本发明的有益效果为：
本发明采用冷壁式反应器可解决超临界反应器的腐蚀和盐沉积问题；压力平衡器实现冷壁反应器内外壳间的压力平衡，保证反应器的抗腐蚀和盐沉积性能及高压蒸汽的品质。
冷却流体不与反应流体混合，产生的高品质高压蒸汽可直接用于发电系统，避免当有机废液中含有一定量的固体颗粒和无机盐，使用高温高压的反应流体直接用于发电会损坏汽轮机的问题。
富含有机质的废渣在锅炉中燃烧，一方面实现废渣的处理，另一方面形成高温烟气，高温烟气的热量可进行回收利用，大大提升系统的能量利用效率。
附图说明
图1低能耗的超临界水氧化系统结构示意图；
图2冷壁式反应器结构示意图；
图3压力平衡器结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
如图1～3所示，低能耗的超临界水氧化系统，包括固液分离系统40、氧气支路50、燃烧系统30、烟气热量回收系统13、冷壁式反应器19、压力平衡器20、排出系统60和冷却系统70；
所述固液分离系统40的入口与有机废液管路连接；所述固液分离系统40的固体出口与燃烧系统30连接，液体出口与烟气热量回收系统13的废液入口连接；所述烟气热量回收系统13的废液出口与冷壁式反应器19的废液入口19-4连接；
所述冷壁式反应器19的氧气入口与氧气支路50连接；所述冷壁式反应器19的反应流体出口19-6依次与压力平衡器20的反应流体通道20a、排出系统60连接；所述冷壁式反应器19的冷却流体入口19-5与冷却系统70的出口连接，冷却流体出口(即蒸汽出口19-2)依次与压力平衡器的蒸汽通道20b、烟气热量回收系统13的蒸汽入口连接；
所述燃烧系统30的烟气出口与烟气热量回收系统13的烟气入口连接。
所述固液分离系统40包括依次管路连接的沉降池10和离心分离器9；废液储存在有机危废罐11中，高含固有机危废液经管路从有机危废罐11流出，首先通过沉降池10初步固液分离，固体从底部固体出口排出，分离液从中部液体出口排出；分离液进入离心分离器9进一步固液分离，形成废液从中部液体出口排出，固体从底部固体出口排出。
从离心分离器9的液体出口排出的废液收集在废液罐4中，废液罐4中的废液与废液增压泵6、1#换热器8、烟气热量回收系统13的预热模块1303、冷壁式反应器19的废液入口19-4依次连接；
氧气支路包括依次连接的氧气罐3、氧气增压泵5；氧气罐3的氧气经氧气增压泵5增压，在2#换热器7中预热后，进入冷壁式反应器19。
燃烧系统30包括废渣灌12和锅炉23，废渣灌12分别与沉降池10和离心分离器9的底部固体出口相连，收集有机危废液经沉降池10、离心分离器9分离出来的固体。废渣和氧气在锅炉23内部焚烧形成高温烟气，高温烟气出口与烟气热量回收系统13的烟气入口连接。
冷壁式反应器19包括上法兰盖19-1、承压外壳19-10、下法兰盖19-7、薄壁内壳19-9。上法兰盖19-1、下法兰盖19-7分别通过螺栓19-8和垫片19-11与承压外壳19-10连接固定密封。薄壁内壳19-9内为反应空间，承压外壳19-10和薄壁内壳19-9间形成的环隙为冷却流体流动空间。
升压和预热后的废液和氧气分别从冷壁式反应器19的上法兰盖19-1的废液入口19-4和氧气入口19-3注入，在薄壁内壳19-9内发生超临界水氧化反应，反应流体冷却至亚临界温度后从冷壁式反应器19的下法兰盖19-7的反应流体出口19-6排出。冷却流体从下法兰盖19-7的冷却流体入口19-5注入，在环隙内流动，与反应流体逆流换热，进而实现反应流体的冷却，而自身升温形成蒸汽后从上法兰盖19-1的蒸汽出口19-2排出。
冷壁式反应器19的蒸汽出口19-2依次与压力平衡器20的蒸汽入口20-3、蒸汽出口20-5、过热模块1301、高压汽轮机14、再热模块1302、低压汽轮机15、冷凝器17、给水泵18、冷壁式反应器19的冷却流体入口19-5依次连接。
冷却流体在冷壁式反应器19内对反应流体进行逆流换热，一方面对反应器进行保护，另一方面自身温度提升形成高温高压蒸汽，初步达到用于发电的要求。蒸汽后续进入烟气热量回收系统13的过热器升温，进一步提高能量品位进入高压汽轮机发电，降温降压后的蒸汽进入再热器升温后再进入低压汽轮机进一步发电，大大提高发电效率。
压力平衡器20包括平推阀20-1、壳体20-2、蒸汽入口20-3、反应流体出口20-4、蒸汽出口20-5、密封圈20-6、反应流体入口20-7。平推阀的左右两侧为两圆锥，圆锥通过连接杆20-8连接，连接杆中间为凸台，密封圈置于凸台20-6上，从而将压力平衡器20分隔为蒸汽通道20b和反应流体通道20a。当蒸汽通道20b和反应流体通道20a两侧压力不平衡，平推阀20-1向压力低的一侧移动，平推阀20-1组件契合相应通道的锥形面，以降低甚至关闭流道，从而实现冷壁式反应器19内外壳间的压力平衡。
所述烟气热量回收系统13包括过热模块1301、再热模块1302、废液预热模块1303、蒸汽输出模块1304、废渣预热模块1305；所述燃烧系统30的烟气出口依次与过热模块1301、再热模块1302、废液预热模块1303、蒸汽输出模块1304、废渣预热模块1305连接；所述固液分离系统40的液体出口与预热模块1303的废液入口连接。
所述超临界水氧化系统还包括发电系统80，所述发电系统80的蒸汽入口与烟气热量回收系统13的蒸汽出口连接。
所述发电系统包括高压汽轮机14、低压汽轮机15与发电机16，所述高压汽轮机14、低压汽轮机15与发电机16连接；所述压力平衡器20的蒸汽通道20b经过热模块1301与高压汽轮机14连接；所述高压汽轮机14的蒸汽出口经再热模块1302与低压汽轮机15连接。从冷壁式反应器19流出的蒸汽进入过热模块1301，进一步提升蒸汽的温度，提升其能量品质进入高压汽轮机10发电，降温降压后的蒸汽进入烟气热量回收系统13的再热模块1302，实现蒸汽再热后进入低压汽轮机15发电，提高系统的发电效率。
高压汽轮机14和低压汽轮机15同轴与发电机16相连。
现有废液一般通过电加热器预热至400-500℃来保证超临界水氧化反应的启动和强化废液的降解，高品位电能的消耗大，是超临界水氧化高能耗高成本的重要原因。废渣燃烧温度一般大于1000℃，直接用于废液的预热效率低下、能量浪费。富含有机质的废渣燃烧产生的高温烟气依次经热过热模块1301、再热模块1302、废液预热模块1303、蒸汽输出模块1304、废渣预热模块1305，用于蒸汽过热及再热、预热废液、蒸汽输出、废渣干燥，实现热能的梯级利用，不仅大大降低系统电耗，增加系统电能输出，而且大大提升系统的能量利用效率。
所述超临界水氧化系统还包括余热回收系统90，所述余热回收系统90包括1#换热器8和2#换热器7，所述1#换热器8设置于冷壁式反应器19的废液入口与反应流体出口管路上，用于对废液和反应流体进行换热；所述2#换热器7设置于冷壁式反应器19的氧气入口管路与反应流体出口管路上，用于对氧气和反应流体进行换热。所述余热回收系统90还包括3#换热器21，所述3#换热器21分别与1#换热器8和2#换热器7的反应流体出口连接。在冷壁式反应器19反应后的流体分别进入1#换热器8和2#换热器7，分别对废液和氧气进行预热，剩余能量进入3#换热器21生成热水对外输出。
所述排出系统包括依次连接的背压阀22，气液分离器1。反应流体最后经背压阀22降压后进入气液分离器1排出系统。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种低能耗的超临界水氧化系统，其特征在于，包括固液分离系统、氧气支路、燃烧系统、烟气热量回收系统、冷壁式反应器、压力平衡器、排出系统和冷却系统；
所述固液分离系统的入口与有机废液管路连接；所述固液分离系统的固体出口与燃烧系统连接，液体出口与烟气热量回收系统的废液入口连接；所述烟气热量回收系统的废液出口与冷壁式反应器的废液入口连接；
所述固液分离系统包括沉降池和离心分离器；所述沉降池的入口与有机废液管路连接，液体出口与所述离心分离器的入口连接；所述离心分离器的液体出口与烟气热量回收系统的废液入口连接；所述沉降池、离心分离器的固体出口分别与燃烧系统连接；
所述冷壁式反应器的氧气入口与氧气支路连接；所述冷壁式反应器的反应流体出口依次与压力平衡器的反应流体通道、排出系统连接；所述冷壁式反应器的冷却流体入口与冷却系统的出口连接，冷却流体出口依次与压力平衡器的蒸汽通道、烟气热量回收系统的蒸汽入口连接；
所述压力平衡器包括平推阀、壳体、密封圈、蒸汽通道和反应流体通道；所述平推阀的两侧为两圆锥，两圆锥通过连接杆连接，连接杆中间为凸台，密封圈置于凸台上，从而将压力平衡器分隔为蒸汽通道和反应流体通道；当蒸汽通道和反应流体通道两侧压力不平衡，平推阀向压力低的一侧移动，平衡器组件契合相应通道的锥形面，以降低甚至关闭低压流道，低压流道压力逐渐升高，从而实现冷壁式反应器内外壳间的压力平衡；
所述燃烧系统的烟气出口与烟气热量回收系统的烟气入口连接；
还包括发电系统，所述发电系统的蒸汽入口与烟气热量回收系统的蒸汽出口连接，所述发电系统的蒸汽出口与冷壁式反应器的冷却流体入口连接；
所述烟气热量回收系统包括过热模块、再热模块、废液预热模块、蒸汽输出模块、废渣预热模块；所述燃烧系统的烟气出口依次与过热模块、再热模块、废液预热模块、蒸汽输出模块、废渣预热模块连接；所述固液分离系统的液体出口与废液预热模块的废液入口连接；
所述发电系统包括高压汽轮机、低压汽轮机与发电机，所述高压汽轮机、低压汽轮机与发电机连接；所述压力平衡器的蒸汽通道经过热模块与高压汽轮机连接；所述高压汽轮机的蒸汽出口经再热模块与低压汽轮机连接。
2.根据权利要求1所述的低能耗的超临界水氧化系统，其特征在于，还包括余热回收系统，所述余热回收系统包括1#换热器和2#换热器，所述1#换热器设置于冷壁式反应器的废液入口与反应流体出口管路上，用于对废液和反应流体进行换热；所述2#换热器设置于冷壁式反应器的氧气入口管路与反应流体出口管路上，用于对氧气和反应流体进行换热；余热回收系统用于回收反应流体的余热，利用换热器对废料及氧气进行初步预热。
3.根据权利要求2所述的低能耗的超临界水氧化系统，其特征在于，所述余热回收系统还包括3#换热器，所述3#换热器分别与1#换热器和2#换热器的反应流体出口连接。
4.根据权利要求1所述的低能耗的超临界水氧化系统，其特征在于，所述排出系统包括依次连接的背压阀，气液分离器。
5.根据权利要求1所述的低能耗的超临界水氧化系统，其特征在于，所述冷壁式反应器的废料入口与冷却流体出口位于同一侧，反应流体出口与冷却流体入口位于另外一侧。
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