CN113321393A - 一种处理含油污泥的超临界水氧化反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种处理含油污泥的超临界水氧化反应器，包括立式圆柱形反应腔体、位于反应腔体内与反应腔体同轴设置的氧化剂分散管、设于反应腔体上连通反应器内部与外部的氧化剂入口、污泥入口、气体出口和渣浆出口，氧化剂入口伸入反应腔体内部与氧化剂分散管无泄漏连接，氧化剂分散管管壁上开设氧化剂分散孔，氧化剂分散管与反应腔体之间的环形空间内设有环绕氧化剂分散管的污泥分散管，污泥分散管呈环形，设于反应腔体中上部，污泥分散管下部设有污泥分散孔，污泥入口与污泥分散管相连。本发明克服了含油污泥氧化反应中易结焦、难以连续操作的技术问题，实现了含油污泥在超临界水环境中的长周期连续无害化处理。

Description

一种处理含油污泥的超临界水氧化反应器

技术领域

本发明属于环保技术领域，具体涉及一种处理含油污泥的超临界水氧化反应器。

背景技术

油田和炼油厂的污水处理系统以及原油生产储运系统会产生大量含油污泥，随着环保法规的日趋严格和全社会环保意识的不断提高，含油污泥的处理越来越受到关注。含油污泥的传统处理方法包括填埋、堆肥、焚烧等，但污泥的填埋需要占用大量场地和花费大量的运费，且污染环境和地下水；堆肥法处理时间较长，且对污泥含水率有较严格要求，另外含油污泥中还可能含有重金属等有毒有害物质；焚烧法同样对污泥中含水率有较严格要求且焚烧过程中会产生SO₂、NO_X等其它二次污染物。此类传统的污泥处理方式会产生二次污染且成本较高，无害化率低。

针对传统含油污泥的处理方式不足，又出现了许多新兴的含油污泥处理方法，主要有制油、熔化、制陶瓷、制造活性炭、和超临界水处理等。其中，超临界水氧化技术是利用了超临界水的诸多优势，将超临界水作为含油污泥中的有机物与氧气发生氧化反应的媒介，进行有机污染物的快速、高效去除，具有反应速度快、反应效率高、放热反应充分实现自热，可实现污泥的减量化、无害化和资源化等优点。目前，超临界水氧化技术已经在世界范围内广泛应用于军工、化工、航天、舰船及环保等领域，用于处理各领域产生的高浓度难降解有机物，将有机物转化为无害的二氧化碳、氮气以及水等物质，具有较好的发展前景。

中国专利CN 212293437 U公开了一种含油固体洗油系统，采用超临界水对含油污泥进行浸泡、溶解、提取含油固体中的油形成油的超临界水溶液后降温后进行油水分离，可以最大程度回收油，并且没有二次污染，但无法连续操作，系统需要频繁升压升温，处理含油污泥效率较低。中国专利CN 109851187 B公开了一种以导热油为换热介质的污泥超临界水氧化系统及污泥处理方法，通过导热油换热器将超临界水氧化反应释放的热量以导热油作为换热介质，将高压、强腐蚀性热源的热量转换成了常压、无腐蚀性热源，但其中反应器的结构形式需要进一步开发明确，以实现污泥在超临界水环境中的氧化处理。

发明内容

为了解决现有技术存在的处理含油污泥效率低、难以实现连续操作的缺点，本发明提供一种处理含油污泥的超临界水氧化反应器及其操作方法，克服了含油污泥氧化反应中易结焦、难以连续操作的技术问题，实现了含油污泥在超临界水环境中的长周期连续无害化处理。

本发明提供的处理含油污泥的超临界水氧化反应器包括立式圆柱形反应腔体、位于反应腔体内与反应腔体同轴设置的氧化剂分散管、设于反应腔体上连通反应器内部与外部的氧化剂入口、污泥入口、气体出口和渣浆出口，污泥入口位于反应腔体中上部，气体出口位于反应腔体顶部，渣浆出口位于反应腔体底部，氧化剂入口伸入反应腔体内部与氧化剂分散管无泄漏连接，氧化剂分散管管壁上开设氧化剂分散孔，氧化剂分散管与反应腔体之间的环形空间内设有环绕氧化剂分散管的污泥分散管，污泥分散管呈环形，设于反应腔体中上部，污泥分散管下部设有污泥分散孔，污泥入口与污泥分散管相连。

所述氧化剂入口可以位于反应腔体顶部，也可以位于反应腔体底部。

所述氧化剂分散管为一圆筒，其远离氧化剂入口的一端可以封闭，也可以不封闭。处于封闭状态时，可以保证所有的氧化剂都从氧化剂分散孔喷出，有利于充分进行氧化反应。

所述氧化剂分散孔可以为条缝或圆孔、或二者的结合，或为长圆孔。圆孔直径为2～30mm，条缝宽度为2～10mm。氧化剂分散管直径与反应腔体直径之比宜为0.1～0.8。氧化剂分散管使氧化剂从氧化剂入口进入后均匀分散地进入反应腔体中与污泥进行反应。

所述污泥入口可以设置为两个或多个，均匀布置，视污泥流动性、处理量、反应腔体直径来设置；为加强污泥的均匀分配，污泥入口宜斜向下切向与污泥分散管相连，倾斜角度以5～45度为宜。

所述污泥分散管的截面可以为圆形，截面直径为100～700mm，绕反应腔体内壁一周；当然，污泥分散管的截面也可以为圆弧形，圆弧敞口朝上，采取圆弧形的好处是可使混合于污泥中的气相直接从反应腔体顶部的气体出口离开反应腔体，另外在污泥处理量增大时，也可以从圆弧的敞口溢出直接进入氧化剂分散管与反应腔体之间的环形空间。

污泥分散管下部管壁上开设一排或两排或多排污泥分散孔，所述污泥分散孔为条缝或圆孔，用以将进料污泥均匀的分散到氧化剂分散管与反应腔体之间的环形空间内。当污泥分散孔为条缝时，缝宽宜为3～30mm，当污泥分散孔为圆孔时，圆孔直径宜为5～50mm。

作为进一步的方案，为降低污泥可能产生的集中反应，可以将污泥分散孔分散布置。当污泥分散孔为条缝时，条缝以长度方向顺着污泥分散管的圆周方向间隔交错排布；当污泥分散孔为圆孔时，圆孔顺着污泥分散管的圆周方向间隔交错排布。

作为更进一步的方案，为促进污泥在污泥分散管内的均匀分散，当设置了两个或多个污泥入口时，可在污泥分散管内设置与污泥入口数量相同的污泥挡板，用以将污泥分散管分隔为与污泥挡板数量相同的分割区域。污泥挡板一端与污泥分散管内壁一侧相连，另一端与污泥分散管内壁另一侧保留一间隙，间隙宽度一般为5～30mm，各个污泥入口进入的污泥优先在其对应的分隔区域内进行分散，当出现较大的污泥汇聚后，才通过污泥挡板与污泥分散管内壁间的间隙通过，从相邻的分割区域内进行分散，最大限度的保障了污泥在氧化剂分散管与反应腔体之间的环形空间内均匀分散。

作为进一步的方案，由于污泥氧化反应是放热反应，污泥温度过快升高会导致结焦、堵塞等现象，可通过氧化剂分散管上的开孔位置和数量来控制给氧量，采用分散反应的方法来避免污泥的过快反应。具体方案为：氧化剂分散孔为间隔均匀布置；若氧化剂分散孔为圆孔，相邻孔间距宜为1.5～4倍氧化剂分散孔直径，且相邻两层氧化剂分散孔交错排布；若氧化剂分散孔为条缝或长圆孔，单个氧化剂分散孔长度不宜超过氧化剂分散管周长的5％，优选为1～5％，且相邻氧化剂分散孔的间隔至少为氧化剂分散孔长度的30％，优选为30～200％。

所述氧化剂可以为氧气、液氧、空气、过氧化氢等；

作为进一步的方案，反应腔体上可设置温度计，用以监测反应器内部的反应温度和反应腔体的金属壁温以便及时对反应进行有效控制，温度计可以为膨胀式，热电阻，热电偶等形式。

为应对大处理量时大量放热导致反应器内部温升过快升高，当反应器内部的反应温度超过某一设定温度时，可将冷却水喷到反应腔体中，以吸收热量、降低反应器内部的反应温度，同时降低腔体内的结焦倾向。为此，可在污泥分散管下方的反应腔体内侧设置环形冷却水腔，环形冷却水腔上设置冷却水入口，环形冷却水腔朝向反应腔体轴线一侧开设喷水孔，将冷却水喷到氧化剂分散管与反应腔体之间的环形空间，对环形空间中的氧化反应进行降温，使污泥不会过快反应产生结焦。冷却水冷却污泥后在重力的作用下自上向下运动，随液固渣浆一起从底部渣浆出口排出反应腔体。环形冷却水腔的喷水孔可以为条缝或圆孔、或二者的结合，或者为长圆孔。若为圆孔，则圆孔直径为1～20mm；若为条缝，条缝宽度为1～10mm。

作为更进一步的方案，为保证降温效果又使温度降低不至于过快过低，喷水孔的开孔数量宜与氧化剂分散孔的开孔数量相对应，喷水孔对着氧化剂分散孔下方位置，一般对着氧化剂分散孔下方30～50％的位置处，喷水孔逐一对每个氧化剂分散孔后发生氧化反应的污泥进行降温，有足够的时间对反应热进行吸收，降低反应后的温度，又不至于产生局部的低温降低反应速度，采用这种精准冷却控制温升的方法控制反应器内的温升，可使反应器内部不发生结焦。

作为另一种防止反应腔体金属超温、或者是降低反应腔体设计温度的可选方案，可在反应腔体外侧设置夹套层，夹套层为空心腔体，包覆住整个反应腔体，夹套层上设有夹套层入口和夹套层出口，夹套层中通入水等冷却介质，降低反应腔体的金属壁温以降低反应腔体的选材等级和壁厚，提高系统的经济性。由于金属材料高温时强度往往较低，这样即使反应是在高温高压下进行，也避免了使用较大壁厚金属材料来承压。

本发明还提供了一种处理含油污泥的超临界水氧化反应器的操作方法，包括如下步骤：

1)通过污泥入口或氧化剂入口向反应腔体内引入超临界水，保持反应腔体上其它开口处于关闭状态，当反应腔体中充满超临界水后切断超临界水供应；

2)通过污泥入口向反应腔体内引入待处理污泥，污泥经污泥分散管进入反应腔体内部后，在氧化剂分散管与反应腔体之间的环形空间内受重力的作用自上而下输送；

3)进行步骤2)的同时，通过氧化剂入口向反应腔体内引入氧化剂，氧化剂入口通过反应腔体内部的氧化剂分散管为氧化反应分散提供氧化剂，污泥在超临界水的环境中、在氧化剂分散管与反应腔体之间的环形空间内发生氧化反应，污泥中的有机物被完全氧化成二氧化碳、水、氮气以及盐类等无毒的小分子化合物，进行无害化处理；

4)反应气相产物和其它气相从反应腔体顶部的气体出口离开反应腔体，反应液相、固相残渣在惯性的作用下，在氧化剂分散管与反应腔体之间的环形空间内自上而下输送，从反应腔体底部的渣浆出口离开反应腔体。

作为对操作方法的改进，所述操作方法还可以包括如下两个步骤中的至少一个步骤：

反应腔体内部反应温度控制步骤：当反应腔体内部反应温度达到预警值时，向环形冷却水腔引入冷却水，冷却水从环形冷却水腔上的喷水孔进入反应腔体，对反应的污泥进行降温，同时增加污泥的流动性；

反应腔体的金属壁温控制步骤：当反应腔体的金属壁温达到预警值时，向夹套层内部引入夹套水，夹套水对反应腔体外壁进行冷却，降低反应腔体金属壁温，从而可以保证反应腔体内部在较高的温度下进行氧化反应的同时反应腔体可在较低设计温度下工作，提高设备的经济性。

本发明具有以下有益效果：

1)含油污泥在超临界水环境中发生快速氧化反应，反应后有机物被完全氧化成二氧化碳、水、氮气以及盐类等无毒的小分子化合物，不形成二次污染，环保性好。

2)通过控制氧化剂的量和向污泥喷洒冷却水，提高了污泥的流动性、控制了反应的温升，不易于结焦和堵塞设备，便于实现设备的长周期高效运行。

3)氧化过程为放热反应，(当有机物含量超过2％时)可以形成自热而不需额外供给热量。

4)采用夹套层降低了反应腔体的选材等级，从而可以保证反应腔体内部在较高的温度下进行氧化反应的同时反应腔体可在较低设计温度下工作，具有较好的经济性和安全性。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是图1中污泥分散管的一种截面结构示意图；

图3是污泥分散孔为圆孔时的一种排布图；

图4是污泥分散孔为条缝时的一种排布图；

图5是氧化剂分散管的展开结构示意图；

图6是环形冷却水腔的展开结构示意图；

图7是图5中的氧化剂分散孔和图6中的喷水孔相对位置的展开结构示意图。

图中：1-污泥入口，2-夹套层，3-反应腔体，4-夹套层出口，5-氧化剂入口，6-气体出口，7-冷却水入口，8-环形冷却水腔，9-氧化剂分散管，10-温度计，11-夹套层入口，12-渣浆出口，13-氧化剂分散孔，14-污泥分散管，15-污泥分散孔，16-污泥挡板，17-喷水孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1是本发明的一种结构示意图，如图所示，本发明的超临界水氧化反应器主要包括反应腔体3、位于反应腔体3内与反应腔体3同轴设置的氧化剂分散管9、设于反应腔体3上连通反应器内部与外部的氧化剂入口5、污泥入口1、气体出口6和渣浆出口12，污泥入口1位于反应腔体3中上部，气体出口6位于反应腔体3顶部，渣浆出口12位于反应腔体3底部，氧化剂入口5伸入反应腔体3内部与氧化剂分散管9无泄漏连接，氧化剂分散管9管壁上开设氧化剂分散孔13，氧化剂分散孔13为圆孔；氧化剂分散管9与反应腔体3之间的环形空间内设有环绕氧化剂分散管9的污泥分散管14，污泥分散管14呈环形，设于反应腔体3中上部，污泥分散管14下部设有污泥分散孔15(见图2)，污泥入口1与污泥分散管14相连。氧化剂入口5位于反应腔体3顶部，氧化剂分散管9远离氧化剂入口5的一端封闭。

图2中污泥分散管的截面为圆弧形，其下部设有污泥分散孔15，当然污泥分散管的截面也可以为圆形。

图3和图4中的污泥入口1设置为4个，均匀布置，图3中污泥分散孔15为圆孔，图4中污泥分散孔15为条缝，圆孔和条缝在污泥分散管14上均间隔交错布置。

图4中污泥分散管14内设置有与污泥入口1数量相同的污泥挡板16，将污泥分散管14分隔为四个分割区域。污泥挡板16一端与污泥分散管14内壁一侧相连，另一端与污泥分散管14内壁另一侧保留一间隙。

在反应腔体3中下部设有温度计10，用以监测反应腔体内部的反应温度。当然还可以在反应腔体上设置监测反应腔体3金属壁温的温度计。

在污泥分散管14下方的反应腔体内侧设置环形冷却水腔8，环形冷却水腔8上设置冷却水入口7，环形冷却水腔8朝向反应腔体轴线一侧开设喷水孔17(见图6)，喷水孔17为圆孔；喷水孔17的开孔数量与氧化剂分散孔13的开孔数量相对应，喷水孔17对着氧化剂分散孔13下方位置，一般对着氧化剂分散孔下方30～50％的位置处，喷水孔17的形状与氧化剂分散孔13的形状相同，均为圆孔(见图5～7)。

在反应腔体3外侧设有夹套层2，夹套层2为空心腔体，包覆住整个反应腔体3，夹套层2上设有夹套层入口11和夹套层出口4。

如图1所示，本发明的操作方法可分为如下几个步骤：

1)首先通过污泥入口1或氧化剂入口5向反应腔体3内引入超临界水，保持反应腔体3上其它开口处于关闭状态，当反应腔体3中充满超临界水后切断超临界水供应；

2)通过污泥入口1向反应腔体3内引入待处理污泥，污泥经污泥分散管14进入反应腔体3内部后，在氧化剂分散管9与反应腔体3之间的环形空间内受重力的作用自上而下输送；

3)进行步骤2)的同时，通过氧化剂入口5向反应腔体3内引入氧化剂，氧化剂入口5通过反应腔体3内部的氧化剂分散管9为氧化反应分散提供氧化剂，污泥在超临界水的环境中、在氧化剂分散管9与反应腔体3之间的环形空间内发生氧化反应，污泥中的有机物被完全氧化成二氧化碳、水、氮气以及盐类等无毒的小分子化合物，进行无害化处理；

4)反应气相产物和其它气相从反应腔体3顶部的气体出口6离开反应腔体，反应液相、固相残渣在惯性的作用下，在氧化剂分散管9与反应腔体3之间的环形空间内自上而下输送，从反应腔体3底部的渣浆出口12离开反应腔体；

5)当反应腔体3内部反应温度达到预警值时，通过冷却水入口7向环形冷却水腔8引入冷却水，冷却水从环形冷却水腔8上的喷水孔17(见图6)进入反应腔体3，对反应的污泥进行降温，同时增加污泥的流动性；

6)当反应腔体3的金属壁温达到预警值时，向夹套层2内部引入夹套水，夹套水由夹套层入口11进入，经夹套层出口4排出。夹套水对反应腔体3外壁进行冷却，降低反应腔体3金属壁温，从而可以保证反应腔体内部在较高的温度下进行氧化反应的同时反应腔体可在较低设计温度下工作，提高设备的经济性。

Claims (18)

1.一种处理含油污泥的超临界水氧化反应器，其特征在于：包括立式圆柱形反应腔体、位于反应腔体内与反应腔体同轴设置的氧化剂分散管、设于反应腔体上连通反应器内部与外部的氧化剂入口、污泥入口、气体出口和渣浆出口，污泥入口位于反应腔体中上部，气体出口位于反应腔体顶部，渣浆出口位于反应腔体底部，氧化剂入口伸入反应腔体内部与氧化剂分散管无泄漏连接，氧化剂分散管管壁上开设氧化剂分散孔，氧化剂分散管与反应腔体之间的环形空间内设有环绕氧化剂分散管的污泥分散管，污泥分散管呈环形，设于反应腔体中上部，污泥分散管下部设有污泥分散孔，污泥入口与污泥分散管相连。

2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于：所述氧化剂入口位于反应腔体顶部或者位于反应腔体底部。

3.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于：所述氧化剂分散管为一圆筒，其远离氧化剂入口的一端封闭。

4.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于：所述氧化剂分散管直径与反应腔体直径之比为0.1～0.8。

5.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于：所述污泥入口设置为两个或多个，均匀布置。

6.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于：所述污泥入口斜向下切向与污泥分散管相连。

7.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于：所述污泥分散管的截面为圆弧形，圆弧敞口朝上。

8.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于：所述污泥分散孔为条缝，条缝以长度方向顺着污泥分散管的圆周方向间隔交错排布。

9.根据权利要求5所述的反应器，其特征在于：所述污泥分散管内设置有与污泥入口数量相同的污泥挡板，将污泥分散管分隔为与污泥挡板数量相同的分割区域，污泥挡板一端与污泥分散管内壁一侧相连，另一端与污泥分散管内壁另一侧保留一间隙。

10.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于：所述氧化剂分散孔为圆孔，间隔均匀布置，相邻孔间距为1.5～4倍氧化剂分散孔直径。

11.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于：所述氧化剂分散孔为条缝，间隔均匀布置，单个氧化剂分散孔长度为氧化剂分散管周长的1～5％，且相邻氧化剂分散孔的间隔为氧化剂分散孔长度的30～200％。

12.根据权利要求1～11任一所述的反应器，其特征在于：所述污泥分散管下方的反应腔体内侧设置环形冷却水腔，环形冷却水腔上设置冷却水入口，环形冷却水腔朝向反应腔体轴线一侧开设喷水孔。

13.根据权利要求1～11任一所述的反应器，其特征在于：所述反应腔体外侧设置夹套层，夹套层为空心腔体，包覆住整个反应腔体，夹套层上设有夹套层入口和夹套层出口。

14.根据权利要求12所述的反应器，其特征在于：所述喷水孔的开孔数量与氧化剂分散孔的开孔数量相对应，喷水孔对着氧化剂分散孔下方位置。

15.根据权利要求14所述的反应器，其特征在于：所述喷水孔对着氧化剂分散孔下方30～50％的位置处。

16.根据权利要求12所述的反应器，其特征在于：所述反应腔体外侧设置夹套层，夹套层为空心腔体，包覆住整个反应腔体，夹套层上设有夹套层入口和夹套层出口。

17.根据权利要求16所述的反应器，其特征在于：所述喷水孔的开孔数量与氧化剂分散孔的开孔数量相对应，喷水孔对着氧化剂分散孔下方位置。

18.根据权利要求17所述的反应器，其特征在于：所述喷水孔对着氧化剂分散孔下方30～50％的位置处。

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