CN113354227A - 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，包括反应腔体、位于反应腔体内与反应腔体同轴设置的中心管、设于中心管与反应腔体形成的环形空间内的污泥分配管和氧化剂分配管、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、公用口、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配管连接，氧化剂分配管管壁上开设氧化剂分配孔，污泥入口伸入反应腔体内部与污泥分配管连接，污泥分配管管壁上开设污泥分配孔，公用口伸入反应腔体内部与中心管无泄漏连接，中心管管壁上开喷水孔。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

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中心管、设于中心管与反应腔体形成的环形空间内的污泥分配管和氧化剂分配管、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、公用口、气体出口和渣浆出口，氧化剂入口位于反应腔体中下部，污泥入口位于反应腔体中上部，气体出口和公用口均位于反应腔体顶部，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配管连接，氧化剂分配管管壁上开设氧化剂分配孔，污泥入口伸入反应腔体内部与污泥分配管连接，污泥分配管管壁上开设污泥分配孔，公用口伸入反应腔体内部与中心管无泄漏连接，中心管管壁上开喷水孔。

所述中心管为一圆筒，宜与公用口同轴设置，中心管直径与反应腔体直径之比宜为0.1～0.8，中心管底部可敞口或者用开喷水孔的孔板封挡或者用盲板封闭。中心管主要有两个用途，一是支撑作用，可以用于支撑位于反应腔体下部的氧化剂分配管和位于反应腔体上部的污泥分配管，防止因为输送物料对管系、设备造成的振动。中心管另一个用途是降温、冲洗作用；当温度计测得反应腔体内部温度超过设定值时，可以从公用口经中心管向反应腔体内部通入低温水，实现对反应腔体内部的降温，中心管管壁上的喷水孔可以为圆孔或条缝，圆孔直径为5～30mm，条缝宽度为2～10mm；从便于加工的角度，喷水孔宜为圆孔，喷水孔间隙宜为1～5倍喷水孔直径。

作为进一步的方案，中心管宜穿过位于反应腔体下部的氧化剂分配管并伸至反应腔体底部，位于氧化剂分配管下方的中心管管壁侧面和底部均开喷水孔且开孔率较其上部开孔率大，另外中心管底部可以做成圆锥形。这样的目的是通过中心管底部的喷水孔对沉积在反应腔体底部的无机盐进行冲洗，且下部开孔率大，可以实现冲洗水全部从底部排空，冲洗范围控制在反应腔体底部，不降低反应腔体其余部份的温度和超临界状态。底部喷水孔直径为8～50mm，开孔率为上部开孔率的1.5～5倍。

所述污泥分配管设于反应腔体中上部，可以为环管也可以为螺旋状盘管，污泥分配管下部设有污泥分配孔并朝向反应腔体底部。

污泥分配管为环管时，污泥分配管截面可以为圆形或圆弧形，截面直径为100～700mm，绕反应腔体内壁一周；污泥分配管界面为圆弧形时，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中心管与反应腔体之间的环形空间。

在污泥分配管为环管的情形下，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配管相连，倾斜角度以5～45度为宜。作为进一步的改进，为促进污泥在污泥分配管内的均匀分散，当设置了两个或多个污泥入口时，可在污泥分配管内设置与污泥入口数量相同的污泥挡板，用以将污泥分配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配管内壁一侧相连，另一端与污泥分配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配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中心管与反应腔体之间的环形空间内均匀分散。

污泥分配管为螺旋状盘管时，污泥分配管直径为30～400mm，优选为40～350mm；盘管间隙为1～5倍分配管直径，优选为1.5～3倍分配管直径。作为进一步的改进，为使污泥进入反应腔体内在径向上分布更加均匀，污泥分配管可以设置两个，两个污泥分配管上下布置，间隔一定高差，且下层分配管对应于上层分配管的间隙，且两个污泥分配管上的开孔间隔一定角度。相应地污泥入口可以设置为两个，同样上下布置，存在一定高差，分别与相应的污泥分配管相连。

通过污泥分配管和污泥分配孔，将从外部进入反应腔体的污泥均匀地分散到反应腔体的圆形截面上。污泥分配孔朝向反应腔体底部，即氧化剂入口方向，使氧化剂与污泥形成逆流接触、反应。所述污泥分配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5～80mm，条缝宽度为5～50mm。所述污泥分配孔每圈数量宜为4～20个。作为进一步的改进，为降低污泥可能产生的集中反应，可以将污泥分配孔分散布置。当污泥分配孔为条缝时，条缝以长度方向顺着污泥分配管的圆周方向间隔交错排布；当污泥分配孔为圆孔时，圆孔顺着污泥分配管的圆周方向间隔交错排布。

所述氧化剂分配管位于反应腔体中下部，可以为环管或螺旋状盘管。

氧化剂分配管为环管时，绕反应腔体内壁一周，氧化剂分配孔设于管壁上部并朝向反应腔体顶部。

氧化剂分配管为螺旋状盘管时，分配管直径为20～350mm，优选为50～250mm；盘管间隙为1～5倍分配管直径，优选为1.5～4倍分配管直径，氧化剂分配孔设于氧化剂分配管管壁上部并朝向反应腔体顶部。

通过氧化剂分配管和氧化剂分配孔，将从外部进入反应腔体的氧化剂均匀地分散到反应腔体的圆形截面上。氧化剂分配孔朝向反应腔体顶部，即污泥入口，使氧化剂与污泥形成逆流接触、反应。所述氧化剂分配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3～50mm，条缝宽度为3～20mm。所述氧化剂分配孔每圈数量宜为4～20个。

作为进一步的方案，为促进氧化剂在反应腔体轴线方向上更均匀的分配，氧化剂分配管上开圆形氧化剂分配孔，在氧化剂分配孔上连接与反应腔体轴线平行的氧化剂分散管，氧化剂分散管仍可通过中心管支撑、固定。氧化剂分散管为圆形直管，顶端封闭，管壁上开氧化剂分散孔，使氧化剂在反应腔体轴线方向上也能均匀分散。氧化剂分散孔宜为圆孔，直径宜为5～40mm。

所述氧化剂可以为氧气、液氧、空气、过氧化氢等；

作为进一步的改进，反应腔体上可设置温度计，用以监测反应腔体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腔体内部温升过快升高，当反应腔体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、降低反应腔体内部的反应温度，同时降低腔体内的结焦倾向。通过公用口向反应腔体内部通入低温水，通过与公用口相连的中心管上的喷水孔将低温水均匀地分配到反应腔体内，实现反应器腔体不超温，防止设备超温损坏，保护设备。

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，夹套层上设有夹套水入口和夹套水出口，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)通过公用口向反应腔体内引入超临界水，当反应腔体中达到超临界状态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，污泥经污泥分配管进入反应腔体内部后，在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配管和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，在反应腔体内自上而下输送，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，向反应腔体内引入冷却水，冷却水从公用口进入中心管，从中心管上的喷水孔进入反应腔体，对反应后的污泥进行降温，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)污泥分配管和氧化剂分配管的设置方式使得污泥和氧化剂分散的更均匀，且能实现逆流接触反应，不出现局部高温热点和氧浓度过大的情况，使反应更均匀，提高了设备安全性；

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；

5)中心管的支撑作用可防止因为输送物料对管系、设备造成的振动；中心管的降温作用可实现对反应腔体内部的降温，防止反应超温；中心管的冲洗可对沉积在反应腔体底部的无机盐进行冲洗，防止管路堵塞，并使得冲洗水全部从底部排空，冲洗范围控制在反应腔体底部，不降低反应腔体其余部份的温度和超临界状态。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是污泥分配管为环管时的一种结构示意图；

图3是污泥分配管为螺旋状盘管时的一种结构示意图；

图4是氧化剂分配管为环管时的一种结构示意图；

图5是氧化剂分配管为螺旋状盘管时的一种结构示意图。

图中：1-污泥入口，2-夹套层，3-反应腔体，4-夹套水出口，5-公用口，6-气体出口，7-中心管，8-污泥分配管，9-喷水孔，10-氧化剂分散管，11-氧化剂分散孔，12-温度计，13-氧化剂入口，14-氧化剂分配管，15-夹套水入口，16-渣浆出口，17-污泥分配孔，18-污泥挡板，19-氧化剂分配孔。

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3、位于反应腔体3内与反应腔体3同轴设置的中心管7、设于中心管7与反应腔体3形成的环形空间内的污泥分配管8和氧化剂分配管14、设于反应腔体3上连通反应器内部与外部的氧化剂入口13、污泥入口1、公用口5、气体出口6和渣浆出口16，氧化剂入口13位于反应腔体下部，污泥入口1位于反应腔体上部，气体出口6和公用口5均位于反应腔体3顶部，渣浆出口16位于反应腔体3底部，氧化剂入口13伸入反应腔体3内部与氧化剂分配管14连接，氧化剂分配管14管壁上开设氧化剂分配孔，污泥入口1伸入反应腔体3内部与污泥分配管8连接，污泥分配管8管壁上开设污泥分配孔，公用口5伸入反应腔体3内部与中心管7无泄漏连接，中心管7管壁上开喷水孔9。反应腔体3上设有温度计12。

图1中的中心管7穿过位于反应腔体下部的氧化剂分配管14并伸至反应腔体底部，中心管底部加工成圆锥形并用开喷水孔的孔板封挡，位于氧化剂分配管14下方的中心管管壁侧面和底部的开孔率较其上部开孔率大。反应腔体3外侧设置夹套层2，夹套层2为空心腔体，包覆住整个反应腔体3，夹套层2上设有夹套水入口15和夹套水出口4。氧化剂分配管14的氧化剂分配孔上连接与反应腔体3轴线平行的氧化剂分散管10，氧化剂分散管10为圆形直管，顶端封闭，管壁上开氧化剂分散孔11。

图2是本发明的污泥分配管的一种结构示意图，图中的污泥分配管8为环管，截面为圆形，均匀布置了四个污泥入口1，污泥入口1斜向下切向与污泥分配管相连，倾斜角度为5～45度。同时在污泥分配管内设置了与污泥入口1数量相同的污泥挡板18，污泥挡板18一端与污泥分配管内壁一侧相连，另一端与污泥分配管内壁另一侧保留一间隙，污泥分配孔17为条缝。污泥分配管8的中心处为中心管7。

图3是本发明的污泥分配管的另一种结构示意图，图中的污泥分配管8为螺旋状盘管，图中给出了两个螺旋状盘管，两个螺旋状盘管上下布置，间隔一定高差，图中颜色浅的螺旋状盘管位于上层，颜色深的螺旋状盘管位于下层，下层螺旋状盘管对应于上层螺旋状盘管的间隙，且两个螺旋状盘管上的污泥分配孔17间隔一定角度。相应地污泥入口1设置为两个，同样上下布置，存在一定高差，分别与相应的污泥分配管相连。污泥分配管8的中心处为中心管7。

图4是本发明的氧化剂分配管的一种结构示意图，图中的氧化剂分配管14为环管，氧化剂分配孔19设于管壁上部并朝向反应腔体顶部，氧化剂入口13沿切向方向与氧化剂分配管14连接。氧化剂分配管14的中心处为中心管7。

图5是本发明的氧化剂分配管的另一种结构示意图，图中的氧化剂分配管14为螺旋状盘管，氧化剂分配孔19设于管壁上部并朝向反应腔体顶部，氧化剂入口13与氧化剂分配管14连接。氧化剂分配管14的中心处为中心管7。

图1所示的处理含油污泥的超临界水氧化反应器的操作步骤为：

1)通过公用口5向反应腔体3内引入超临界水，当反应腔体3中达到超临界状态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，污泥经污泥分配管8进入反应腔体3内部后，在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13向反应腔体3内引入氧化剂，氧化剂入口13通过反应腔体3内部的氧化剂分配管14和氧化剂分散管10为氧化反应分散提供氧化剂，污泥在超临界水的环境中发生氧化反应，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3，反应液相、固相残渣在惯性的作用下，在反应腔体3内自上而下输送，从反应腔体底部的渣浆出口16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，向反应腔体内引入冷却水，冷却水从公用口5进入中心管7，从中心管7上的喷水孔9进入反应腔体3，对反应后的污泥进行降温，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，夹套水从夹套水入口15引入，从夹套水出口4引出。夹套水对反应腔体3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。

Claims (8)

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中心管、设于中心管与反应腔体形成的环形空间内的污泥分配管和氧化剂分配管、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、公用口、气体出口和渣浆出口，氧化剂入口位于反应腔体中下部，污泥入口位于反应腔体中上部，气体出口和公用口均位于反应腔体顶部，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配管连接，氧化剂分配管管壁上开设氧化剂分配孔，污泥入口伸入反应腔体内部与污泥分配管连接，污泥分配管管壁上开设污泥分配孔，公用口伸入反应腔体内部与中心管无泄漏连接，中心管管壁上开喷水孔。

2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于：所述中心管底部用开喷水孔的孔板封挡。

3.根据权利要求2所述的反应器，其特征在于：所述中心管穿过位于反应腔体下部的氧化剂分配管并伸至反应腔体底部，位于氧化剂分配管下方的中心管管壁侧面和底部的开孔率较其上部开孔率大。

4.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于：所述氧化剂分配管为环管或螺旋状盘管，氧化剂分配孔设于氧化剂分配管管壁上部并朝向反应腔体顶部。

5.根据权利要求4所述的反应器，其特征在于：所述氧化剂分配孔上连接与反应腔体轴线平行的氧化剂分散管，氧化剂分散管为圆形直管，顶端封闭，管壁上开氧化剂分散孔。

6.根据权利要求1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，夹套层上设有夹套水入口和夹套水出口。

7.根据权利要求1所述的反应器，其特征在：所述污泥分配管为环管或螺旋状盘管，污泥分配孔设于污泥分配管下部并朝向反应腔体底部。

8.根据权利要求1～7任一所述的反应器，其特征在于：所述中心管直径与反应腔体直径之比为0.1～0.8，喷水孔为圆孔或条缝。

Images