CN112275248A - 超临界水氧化反应器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超临界水氧化反应器及其工作方法，超临界水氧化反应器包括反应容器、设置在反应容器内的螺旋盘管；反应容器内设有中心反应通道、位于中心反应通道外围的环形腔室以及位于反应容器内底部的连通腔室，中心反应通道通过连通腔室与环形腔室连通；反应容器顶部设有进料口、出料口；反应容器的侧壁设有连通环形腔室的进水口、连通中心反应通道的氧气进口；螺旋盘管位于环形腔室内，螺旋盘管的上端口连通进料口，螺旋盘管的下端口连通中心反应通道。本发明的超临界水氧化反应器，在反应容器内实现反应分区，固体有机物先完成固态向液体和气态的降解，再实现均相的超临界水氧化反应及无机盐等不溶解物质的分离，解决降解困难及腐蚀问题。

Description

超临界水氧化反应器及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种超临界水氧化反应器，尤其涉及一种超临界水氧化反应器及其工作方法。

背景技术

目前，使用超临界水氧化技术处理难降解固体有机废物的反应器存在两种形式，其优点和缺点如下：

(1)、使用单一的管式反应器对固体有机废物进行降解和氧化。优点：可以使用适宜长度管式反应器，以接近平推流的流态实现固体有机废物均一的反应停留时间，实现完全反应。缺点：反应器长度较长空间布置容易受限；超临界水氧化反应过程中生成的无机盐沉淀难以分离，沉淀容易在反应管内壁堆积，造成堵塞；承压边界与超临界反应区接触，在有侵蚀性组分的介质易发生严重腐蚀，存在安全隐患。

(2)、使用两个超临界水氧化反应器串联，在第一个反应器中进行间歇反应，将固体有机废物降解为液体产物，液体产物再输送到第二个反应器内进行连续超临界氧化反应，实现完全氧化。优点：间歇式反应器可控制反应停留时间，对固体有机废物进行充分降解，在间歇反应器内可以实现对无机盐等沉淀物的分离。缺点：由于间歇反应器的存在，反应过程不具备连续处理的特性，不利于工业推广使用；同时配置两个高温高压反应器，同时两个反应器之间的高温高压物料输送增加了装置工艺的复杂程度，增加了装置的费用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种实现固体有机物的降解和完全氧化的超临界水氧化反应器及其工作方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种超临界水氧化反应器，包括封闭的反应容器、设置在所述反应容器内的螺旋盘管；

所述反应容器内设有中心反应通道、位于所述中心反应通道外围的环形腔室以及位于所述反应容器内底部的连通腔室，所述中心反应通道通过所述连通腔室与所述环形腔室相连通；

所述反应容器的顶部设有连通所述环形腔室的进料口、连通所述中心反应通道的出料口；所述反应容器的侧壁设有连通所述环形腔室并用于接入超临界水的进水口、连通所述中心反应通道的氧气进口；

所述螺旋盘管位于所述环形腔室内，所述螺旋盘管的上端口连通所述进料口，所述螺旋盘管的下端口连通所述中心反应通道；

含固体有机物的待处理液从所述进料口进入所述螺旋盘管，沿着所述螺旋盘管流动并与所述环形腔室内的超临界水换热发生超临界水气化反应，再进入所述中心反应通道内与氧气和超临界水混合并发生氧化反应，反应后的产物从所述出料口排出。

优选地，所述反应容器的底部设有用于通入冷却水以将沉降到该底部的无机盐进行溶解的冷却水进口、用于排出无机盐的排盐口；所述冷却水进口和排盐口均连通所述连通腔室。

优选地，所述反应容器的底部呈外凸的弧状；所述排盐口位于所述底部的最低点位置处，所述冷却水进口在纵向上高于所述排盐口。

优选地，在纵向上，所述氧气进口位于所述螺旋盘管的下端口的下方。

优选地，所述超临界水氧化反应器还包括设置在所述反应容器内的内筒，所述内筒的顶部连接所述反应容器的内顶部，所述内筒的底部朝向并间隔所述反应容器的内底部；

所述内筒的内部通道形成所述中心反应通道，所述环形腔室形成在所述内筒和反应容器的内壁之间；所述螺旋盘管环绕在所述内筒的外周，其下端口穿进或连接在所述内筒上；所述内筒的底部与所述反应容器的内底部之间的间隔形成所述连通腔室。

优选地，所述超临界水氧化反应器还包括用于分离固相和气相的旋流分离器；所述旋流分离器设置在所述中心反应通道内并连通所述出料口。

本发明还提供一种超临界水氧化反应器的工作方法，包括以下步骤：

S1、将超临界水输送至反应容器内并填充反应容器内的环形腔室、连通腔室和中心反应通道，往所述中心反应通道内打入氧气；

S2、将含固体有机物的待处理液从所述反应容器上的进料口送入螺旋盘管内，所述待处理液沿着所述螺旋盘管流动并与所述环形腔室内的超临界水换热发生超临界水气化反应，所述待处理液中的固体有机物降解转变为液态和气态中间产物；

S3、含所述中间产物的待处理液通过所述螺旋盘管的下端口进入所述中心反应通道，在所述中心反应通道内与氧气和超临界水混合并发生氧化反应，反应生成的无机盐通过重力作用沉降至所述反应容器的内底部；

S4、反应后的产物从所述反应容器顶部的出料口排出。

优选地，步骤S2中，所述待处理液进入所述进料口前，在其中添加氧化剂，使所述待处理液在所述螺旋盘管内发生超临界水部分氧化反应。

优选地，步骤S4中，产物中未降解完全或由氧气流夹带的微米级颗粒物在所述中心反应通道顶部，经旋流分离器分离后再在所述中心反应通道中氧化或沉淀至所述反应容器内底部。

优选地，步骤S3还包括：

S5、通过所述反应容器底部的冷却水进口往所述反应容器内底部的连通腔室输送冷却水，所述冷却水在所述连通腔室中形成局部次临界区域，无机盐溶解于局部次临界区域并通过排盐口排出反应容器。

本发明的超临界水氧化反应器，通过反应容器内中心反应通道、环形腔室和螺旋盘管的设置，在反应容器内实现反应分区，固体有机物先在螺旋盘管中以平推流流态确保得到均匀的反应停留时间，完成固态向液体和气态的降解，然后在中心反应通道内与氧气和超临界水完全混和，实现均相的超临界水氧化反应及无机盐等不溶解物质的分离，解决固体有机物降解困难的问题，避免或减少反应器承压边界的腐蚀问题。结构简单，处理工序简单易操作。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一实施例的超临界水氧化反应器的剖面结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明一实施例的超临界水氧化反应器，包括封闭的反应容器10、设置在反应容器10内的螺旋盘管20。

其中，反应容器10内设有中心反应通道101、环形腔室102和连通腔室103。环形腔室102位于中心反应通道101的外围，连通腔室103位于反应容器10的内底部，也位于中心反应通道101的下方；中心反应通道101通过连通腔室103与环形腔室102相连通。

反应容器10的顶部设有相间隔的进料口110和出料口120。进料口110与环形腔室102相连通，用于接入含固体有机物的待处理液。出料口120与中心反应通道101相连通，用于待处理液在反应容器10内处理后形成的产物(包括产物水和/或气体)排出。反应容器10的侧壁设有进水口130和氧气进口140。进水口130与环形腔室102相连通，用于接入超临界水；超临界水进入环形腔室102后，可并充满环形腔室102、连通腔室103以及中心反应通道101。氧气进口140连通中心反应通道101，用于接入氧气等氧化剂并将氧气等氧化剂送入中心反应通道101内。

螺旋盘管20位于环形腔室102内。螺旋盘管20的上端口21连通进料口110，螺旋盘管20的下端口22连通中心反应通道101。含固体有机物的待处理液从进料口110进入螺旋盘管20，沿着螺旋盘管20流动并与环形腔室102内的超临界水换热发生超临界水气化反应(SCWG)，再进入中心反应通道101内与氧气和超临界水混合并发生氧化反应(超临界水氧化反应)，反应后的产物从出料口120排出。

在纵向上，氧气进口140位于螺旋盘管20的下端口22的下方，这样进入中心反应通道101内的待处理液能够与进入的氧气充分混合。氧气进口140用于将作为氧化剂的氧气输入中心反应通道101，可以理解地，氧化剂不限于氧气。

此外，反应容器10的底部设有用于通入冷却水的冷却水进口150以及用于排出无机盐及其他固态物质的排盐口160。冷却水进口150和排盐口160均与连通腔室103相连通。中心反应通道101内经反应后生成的无机盐等物质可沉降到反应容器10内底部，并可溶解于冷却水中。溶解后的无机盐及冷却水从排盐口160排出反应容器10。

优选地，反应容器10的底部呈外凸的弧状，使得反应容器10的内底面为弧形凹面，这样沉降下来的无机盐等物质可以积累在弧形凹面的最低处。排盐口160位于反应容器10的底部的最低点位置处，对应在弧形凹面的最低处。冷却水进口150在纵向上高于排盐口160，这样进入的冷却水可以填充到排盐口160的上方以溶解无机盐，溶解后及部分未充分溶解的物质或其他固态物质等可以顺利从排盐口160排出。

具体地，反应容器10可包括上下两端开放的筒体11、上端盖12以及下端盖13。上端盖12设置在筒体11的上端口处将其封闭，下端盖13设置在筒体11的下端口处将其封闭。进料口110和出料口120均设置在上端盖12上，进水口130和氧气进口140设置在筒体11的侧壁上，冷却水进口150和排盐口160设置在下端盖13上。

本实施例中，上端盖12可通过螺栓等件以可拆卸的方式连接并封闭在筒体11的上端口，这样利于螺旋盘管20等件的安装及维护、更换等。下端盖13可以通过焊接等方式固定在筒体11的下端口，与其连接成一体。

进一步地，本发明的超临界水氧化反应器还包括设置在反应容器10内的内筒30。内筒30的顶部连接反应容器10的内顶部(上端盖12)，内筒30的底部朝向并间隔反应容器10的内底部(下端盖13)。

内筒30的内部通道形成中心反应通道101，环形腔室102形成在内筒30和反应容器10的内壁之间。螺旋盘管20环绕在内筒30的外周，其下端口22穿进或连接在内筒30上，从而进料口110、螺旋盘管20和中心反应通道101依次连通。在反应容器10内，内筒30的长度沿着筒体11的长度延伸，并与下端盖13间隔相对，使得内筒30的底部与反应容器10的内底部形成有间隔，且该间隔形成连通腔室103。

螺旋盘管20和内筒30可根据反应介质侵蚀性成分的浓度选择合适的材料制成。

根据需要，本发明的超临界水氧化反应器还可包括用于分离固相和气相的旋流分离器40。旋流分离器40设置在中心反应通道101内并连通出料口120，用于将通过出料口120前的产物中的未降解完全或由氧气流夹带的微米级颗粒物分离出来，使其再在中心反应通道101中氧化或沉淀至反应容器10内底部。

本发明的超临界水氧化反应器工作时，主要用于处理固体有机物，特别对于难降解的固体有机物。参考图1，本发明的超临界水氧化反应器的工作方法，可包括以下步骤：

S1、将超临界水输送至反应容器10内并填充反应容器10内的环形腔室102、连通腔室103和中心反应通道101，往中心反应通道101内打入氧气。

其中，超临界水从进水口130进入到环形腔室102内，并通过连通腔室102进入中心反应通道101内，直至注满环形腔室102、连通腔室103和中心反应通道101。氧气从氧气进口140接入到中心反应通道101内。

S2、将含固体有机物的待处理液从反应容器10上的进料口110送入螺旋盘管20内，待处理液沿着螺旋盘管20流动并与环形腔室102内的超临界水换热发生超临界水气化反应，待处理液中的固体有机物降解转变为液态和气态中间产物。

其中，先将待处理的固体有机物(固体有机废弃物)与水(或部分氧化剂)进行混合形成待处理液，以常温状态通过进料口110送入螺旋盘管20内。待处理液通过螺旋盘管20管壁与环形腔室102中的超临界水进行换热，实现待处理液升温达到管内流体的超临界状态。

待处理液在螺旋盘管20内发生超临界水气化反应(SCWG)，对固体有机物进行降解。螺旋盘管20内离心力作用加强了湍流程度，强化了传热并避免盐沉积。

为提高待处理液的升温速率和减少结焦、加速反应速率，也可在进入进料口110前在其中添加少量氧化剂，使螺旋盘管20内发生超临界水部分氧化反应(SWPO)。螺旋盘管20内流态近似平推流，反应物(固体有机物)可实现均一的反应停留时间，通过设置合适长度的螺旋盘管20，可实现反应物的降解，固态转变为液态和气态中间产物。

S3、含中间产物的待处理液通过螺旋盘管20的下端口22进入中心反应通道101，在中心反应通道101内与氧气和超临界水混合并发生氧化反应，反应生成的无机盐通过重力作用沉降至反应容器10的内底部。

其中，液态和气态中间产物在中心反应通道101中与氧气和超临界水充分混合，形成均相，可实现剧烈的氧化反应，实现完全氧化。无机盐等物质通过重力作用沉降到反应容器10底部。

该步骤S3还包括：通过反应容器10底部的冷却水进口150往反应容器10内底部的连通腔室103输送冷却水，冷却水在连通腔室103中形成局部次临界区域，无机盐溶解于局部次临界区域并通过排盐口160排出反应容器10。排出的方式可以是连续或间歇。

结合步骤S2和S3可知，反应容器10的侧壁作为反应器的承压边界，待处理液先以在螺旋盘管20内流动并与环形腔室102的超临界水换热而实现降解反应，然后进入内筒30的中心反应通道101内发生氧化反应(超临界水氧化反应)，这样氧化反应通过内筒30的侧壁与承压边界隔开，实现了反应分区、腐蚀分区，避免承压边界接触侵蚀性组分，确保高温高压下反应器的结构完整性。

螺旋盘管20由于设置在环形腔室102内，使避免承压边界腐蚀发生而预留的容积变成了有效反应容积，螺旋盘管20仅承受管内外的压差，承压较小，提高了反应器的安全性。

另外，中心反应通道101内发生氧化放热反应为高温区，环形腔室101中的螺旋盘管20内发生还原吸热反应为低温区，实现了热量分区，高温区向低温区传递热量，加速螺旋盘管20内反应物的降解，合理利用了反应器内的热量并降低了承压边界的温度，提高了高温高压反应器的结构完整性。

S4、反应后的产物从反应容器10顶部的出料口120排出。

进一步地，本发明的工作方法中，在步骤S4中，产物中未降解完全或由氧气流夹带的微米级颗粒物在中心反应通道101顶部，经旋流分离器40分离后再在中心反应通道101中氧化或沉淀至反应容器10内底部。

综上，本发明的超临界水氧化反应器中，通过反应容器10内中心反应通道101、环形腔室102和螺旋盘管20的设置，在反应容器10内形成两个反应区，分别实现固体有机物的降解和氧化，避免或减少承压边界的腐蚀问题，提高安全性。

本发明的超临界水氧化反应器，适用于难降解固体有机物的处理，固体有机物可以先通过粉碎后与水混合形成高固含量(约30％)的混合液，满足流动要求即可加入到反应器内进行处理，可实现连续和高含固处理。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种超临界水氧化反应器，其特征在于，包括密闭的反应容器（10）、设置在所述反应容器（10）内的螺旋盘管（20）；

所述反应容器（10）内设有中心反应通道（101）、位于所述中心反应通道（101）外围的环形腔室（102）以及位于所述反应容器（10）内底部的连通腔室（103），所述中心反应通道（101）通过所述连通腔室（103）与所述环形腔室（102）相连通；

所述反应容器（10）的顶部设有连通所述环形腔室（102）的进料口（110）、连通所述中心反应通道（101）的出料口（120）；所述反应容器（10）的侧壁设有连通所述环形腔室（102）并用于接入超临界水的进水口（130）、连通所述中心反应通道（101）的氧气进口（140）；

所述螺旋盘管（20）位于所述环形腔室（102）内，所述螺旋盘管（20）的上端口（21）连通所述进料口（110），所述螺旋盘管（20）的下端口（22）连通所述中心反应通道（101）；

含固体有机物的待处理液从所述进料口（110）进入所述螺旋盘管（20），沿着所述螺旋盘管（20）流动并与所述环形腔室（102）内的超临界水换热发生超临界水气化反应，再进入所述中心反应通道（101）内与氧气和超临界水混合并发生氧化反应，反应后的产物从所述出料口（120）排出。

2.根据权利要求1所述的超临界水氧化反应器，其特征在于，所述反应容器（10）的底部设有用于通入冷却水以将沉降到该底部的无机盐进行溶解的冷却水进口（150）、用于排出无机盐的排盐口（160）；所述冷却水进口（150）和排盐口（160）均连通所述连通腔室（103）。

3.根据权利要求2所述的超临界水氧化反应器，其特征在于，所述反应容器（10）的底部呈外凸的弧状；所述排盐口（160）位于所述底部的最低点位置处，所述冷却水进口（150）在纵向上高于所述排盐口（160）。

4.根据权利要求1所述的超临界水氧化反应器，其特征在于，在纵向上，所述氧气进口（140）位于所述螺旋盘管（20）的下端口的下方。

5.根据权利要求1所述的超临界水氧化反应器，其特征在于，所述超临界水氧化反应器还包括设置在所述反应容器（10）内的内筒（30），所述内筒（30）的顶部连接所述反应容器（10）的内顶部，所述内筒（30）的底部朝向并间隔所述反应容器（10）的内底部；

所述内筒（30）的内部通道形成所述中心反应通道（101），所述环形腔室（102）形成在所述内筒（30）和反应容器（10）的内壁之间；所述螺旋盘管（20）环绕在所述内筒（30）的外周，其下端口（22）穿进或连接在所述内筒（30）上；所述内筒（30）的底部与所述反应容器（10）的内底部之间的间隔形成所述连通腔室（103）。

6.根据权利要求1-5任一项所述的超临界水氧化反应器，其特征在于，所述超临界水氧化反应器还包括用于分离固相和气相的旋流分离器（40）；所述旋流分离器（40）设置在所述中心反应通道（101）内并连通所述出料口（120）。

7.一种权利要求1-6任一项所述的超临界水氧化反应器的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将超临界水输送至反应容器（10）内并填充反应容器（10）内的环形腔室（102）、连通腔室（103）和中心反应通道（101），往所述中心反应通道（101）内打入氧气；

S2、将含固体有机物的待处理液从所述反应容器（10）上的进料口（110）送入螺旋盘管（20）内，所述待处理液沿着所述螺旋盘管（20）流动并与所述环形腔室（102）内的超临界水换热发生超临界水气化反应，所述待处理液中的固体有机物降解转变为液态和气态中间产物；

S3、含所述中间产物的待处理液通过所述螺旋盘管（20）的下端口进入所述中心反应通道（101），在所述中心反应通道（101）内与氧气和超临界水混合并发生氧化反应，反应生成的无机盐通过重力作用沉降至所述反应容器（10）的内底部；

S4、反应后的产物从所述反应容器（10）顶部的出料口（120）排出。

8.根据权利要求7所述的超临界水氧化反应器的工作方法，其特征在于，步骤S2中，所述待处理液进入所述进料口（110）前，在其中添加氧化剂，使所述待处理液在所述螺旋盘管（20）内发生超临界水部分氧化反应。

9.根据权利要求7所述的超临界水氧化反应器的工作方法，其特征在于，步骤S4中，产物中未降解完全或由氧气流夹带的微米级颗粒物在所述中心反应通道（101）顶部，经旋流分离器分离后再在所述中心反应通道（101）中氧化或沉淀至所述反应容器（10）内底部。

10.根据权利要求7-9任一项所述的超临界水氧化反应器的工作方法，其特征在于，步骤S3还包括：

通过所述反应容器（10）底部的冷却水进口（150）往所述反应容器（10）内底部的连通腔室（103）输送冷却水，所述冷却水在所述连通腔室（103）中形成局部次临界区域，无机盐溶解于局部次临界区域并通过排盐口（160）排出反应容器（10）。

Images