CN113757652B - 一种强迫点火型超临界水热燃烧装置 - Google Patents

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Abstract

一种强迫点火型超临界水热燃烧装置，包括主体外壳和顶部端盖，主体外壳内安装分割块，将内部分为上方的主燃空间和下方的掺混空间，顶部端盖上设有一级燃料进口、氧化剂进口和二级燃料进口，顶部端盖内设置有高温点火棒筒套，高温点火棒筒套内有高温点火棒，一级燃料进口连通高温点火棒筒套；顶部端盖底端安装燃烧筒套，高温点火棒伸入至燃烧筒套内，燃烧筒套顶端连通高温点火棒筒套和氧化剂进口，底端连通主燃空间，在燃烧筒套内形成稳燃空间；二级燃料进口和二级氧化剂进口连通主燃空间，本发明实现了物料冷态分级进射，小流量燃料强迫点火，大流量燃料吸热自燃着火，装置壁面冷却恒温，可实现超临界水热燃烧产生多元热流体或者处理有机废弃物。

Description

一种强迫点火型超临界水热燃烧装置
技术领域
本发明属于超临界水热燃烧技术领域，特别涉及一种强迫点火型超临界水热燃烧装置。
背景技术
清洁高效地处理有机废弃物是人类社会可持续发展面临的重大挑战。处理有机废弃物的传统方法包括填埋和焚烧等方法，然而填埋不仅会占用大量的土地资源，还会产生渗滤液污染地下水，甚至产生沼气引起爆炸；直接焚烧有机废弃物则会产生二噁英和SO2等有害气体，对自然环境和人体健康造成极大的危害。超临界水氧化技术利用超临界水(T≥374.15℃且p≥22.12MPa)同时溶解有机废弃物和氧化剂，在均相的环境中氧化有机废弃物。由于超临界水环境消除了传质传热阻力，有机废弃物可在几秒至几分钟内完全降解，碳元素转化为CO2，氮元素转化为N2、N2O等物质，S、Cl等卤族元素转化为相应的无机盐，因此超临界水氧化技术被视为一种清洁高效的有机废弃物处理技术。
随着超临界水氧化技术的发展，腐蚀和盐沉积堵塞问题日益显著。超临界水热燃烧是指一定浓度的有机物与氧化剂在超临界水中发生剧烈氧化反应，产生水热火焰的新型燃烧技术。水热火焰作为内部热源，允许进料在室温下进进反应器，避免了进料在预热器和反应器进口处因被预热到超临界状态导致无机盐析出沉积堵塞，减小了管道和反应器的腐蚀。因为有水热火焰的存在，超临界水热燃烧的反应温度(＞700℃)要高于超临界水氧化的反应温度(400-600℃)，从而反应可以在毫秒内完成，有机物降解率达到99.9％。超临界水热燃烧技术作为绿色清洁高效的有机废弃物处理技术和能源开采技术，具有广阔的市场前景，对其进行研究具有重大意义。
然而，目前大多数超临界水热燃烧反应器均采用热自燃点火方式，点火过程中，燃料和氧化剂在进入反应器前需被加热到较高温度，增大了燃料在反应器入口处析出无机盐，堵塞反应器，点火失败的可能性。如何稳定地产生水热火焰并维持火焰存在，是超临界水热燃烧技术的核心问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种强迫点火型超临界水热燃烧装置，以稳定安全地产生超临界水热火焰，使有机物和氧化剂能够高效稳定地进行水热燃烧反应。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种强迫点火型超临界水热燃烧装置，包括主体外壳，主体外壳顶端安装顶部端盖，其中：
所述主体外壳内安装分割块，将主体外壳内部分为上方的主燃空间和下方的掺混空间，分割块上设有过孔，掺混空间上部设有掺混水进口，掺混空间底端设置燃烧产物喷嘴；
所述顶部端盖上设有一级燃料进口、氧化剂进口和二级燃料进口，顶部端盖内设置有高温点火棒筒套，高温点火棒筒套内有高温点火棒，其中一级燃料进口连通高温点火棒筒套的内部；
所述顶部端盖底端安装燃烧筒套，高温点火棒高温端伸入至燃烧筒套内，燃烧筒套顶端连通高温点火棒筒套和氧化剂进口，底端连通主燃空间，在燃烧筒套内形成稳燃空间A1；
所述二级燃料进口直接连通主燃空间。
在本发明的一个实施例中，所述分割块底部为倒锥形，形成收口结构，在中心设出口喷嘴，锥面上设置多个倾斜的出口小孔，所述燃烧产物喷嘴的入口端截面小于掺混空间的截面，燃烧产物喷嘴出口端设有出口小孔和喷嘴，由此实现两重控压。
在本发明的一个实施例中，所述分割块的外壁设置有掺混螺旋通道，所述掺混水进口与掺混螺旋通道连通。
在本发明的一个实施例中，所述主燃空间对应的主体外壳内安装有主体外壳水冷壁，主体外壳水冷壁的外壁与主体外壳内壁之间有冷却水螺旋通道，螺旋水冷通道的主体外壳水冷壁进口位于顶部端盖上，主体外壳水冷壁出口位于主体外壳的下方。
在本发明的一个实施例中，所述高温点火棒筒套外壁周向设置有氧化剂螺旋通道，氧化剂进口通过氧化剂螺旋通道连通稳燃空间A1。
在本发明的一个实施例中，所述高温点火棒筒套的底端安装一级燃料喷嘴，一级燃料沿高温点火棒和高温点火棒筒套之间形成的环形空间，进入一级燃料喷嘴，并喷入稳燃空间A1。
在本发明的一个实施例中，所述一级燃料喷嘴为可更换的喷嘴，与高温点火棒同轴安装，形成环形间隙，周向设有倾斜小孔，一级燃料同时倾斜和垂直射进稳燃空间A1，与氧化剂混合。
在本发明的一个实施例中，所述燃烧筒套内安装旋流壁，旋流壁的外壁与燃烧筒套内壁之间有旋流壁冷却水通道，旋流壁冷却水通道的旋流壁冷却水进口位于顶部端盖上，旋流壁冷却水通道的旋流壁冷却水出口朝向主燃空间A2，使升温后的冷却水呈螺旋状喷进主燃空间A2，与二次燃料混合传热。
在本发明的一个实施例中，所述高温点火棒、高温点火棒筒套、一级燃料喷嘴、旋流壁以及燃烧筒套同轴安装，贯穿顶部端盖。
在本发明的一个实施例中，所述一级燃料进口的流量远小于二级燃料进口的流量，氧化剂进口的流量远小于二级氧化剂进口的流量，所述高温点火棒仅位于稳燃空间A1内的长度处于高温，使一级燃料与氧化剂在稳燃空间A1中强迫点燃，所述稳燃空间A1插进主燃空间A2上部，使得稳燃空间A1的高温燃烧产物和未燃烧的高温氧化剂快速射入主燃空间A2，与大流量冷态二级燃料湍流混合，引起强烈传热，使其快速升温至自燃温度，实现大流量物料冷态热自燃点火，产生稳定的水热火焰。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、冷物料稳定点火和维持火焰：燃料分级送进装置，小流量一级燃料从一级燃料喷嘴倾斜和垂直流进稳燃空间A1，被高温点火棒高温前端迅速点燃，使稳燃空间A1内保持高温，确保了水热火焰的稳定燃烧，实现了冷物料进射条件下小流量燃料的强迫点火和稳燃。
2、二级燃料热自燃着火：稳燃空间A1插进主燃空间A2一定长度，高温燃烧产物和未燃烧的高温氧化剂快速射入主燃空间A2，与大流量冷态二级燃料和二级氧化剂湍流混合，引起强烈传热，使其快速升温至自燃温度，实现了大流量物料冷态热自燃点火，产生稳定的水热火焰。
3、装置壁面冷却效果好：低温水流过旋流壁、主体外壳水冷壁和分割块，吸收燃烧产生的热量，避免了装置壁面过温，保证了装置安全可靠，此外，流过旋流壁和分割块的低温水被加热后与二级燃料或燃烧产物混合，起到回收能量，节约能源的作用。
4、装置内设多个控压结构：分割块底部为收口结构，燃烧产物从一个小直径的出口喷嘴和多个倾斜的出口小孔喷进掺混空间A3；掺混空间A3中掺混后的燃烧产物从较小直径的燃烧产物喷嘴喷出。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
其中：A1-稳燃空间、A2-主燃空间、A3-掺混空间、1-顶部端盖、2-高温点火棒筒套、3-高温点火棒、4-二级燃料进口、5-旋流壁冷却水进口、6-主体外壳水冷壁进口、7-一级燃料喷嘴、8-旋流壁、9-燃烧筒套、10-主体外壳、11-主体外壳水冷壁、12-温度传感器、13-主体外壳水冷壁出口、14-分割块、15-掺混水进口、16-压力传感器、17-燃烧产物喷嘴、18-一级燃料进口、19-氧化剂进口。
图2为超临界水热燃烧实验装置的局部(上部)放大图。
图3为超临界水热燃烧实验装置的局部(下部)放大图。
图4为超临界水热燃烧实验装置的俯视图
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1、图2和图3所示，本发明为一种强迫点火型超临界水热燃烧装置，包括主体外壳10，主体外壳10顶端安装顶部端盖1。
在一个实施例中，主体外壳10呈柱状，但本领域技术人员可以理解，其形状不限于圆柱状，也可为其它便于工业实现的形状。
在一个实施例中，顶部端盖1通过螺栓组安装于主体外壳10，并可在接触面上设置耐高温的密封圈。
本发明在主体外壳10内部安装分割块14，分割块14将主体外壳10内部分为上方的主燃空间A2和下方的掺混空间A3。其中分割块14上应设有过孔，以连通主燃空间A2和掺混空间A3，掺混空间A3上部设有掺混水进口15，掺混水与主燃空间A2的燃烧产物在掺混空间A3掺混，掺混空间A3底端设置燃烧产物喷嘴17，燃烧产物喷嘴17也即整个燃烧装置的最终产物出口。
在一个实施例中，分割块14底部为倒锥形，从而形成收口结构，在其中心设出口喷嘴，并在锥面上设置多个倾斜的出口小孔，构成第一级的控压结构。
在一个实施例中，燃烧产物喷嘴17的入口端截面小于掺混空间A3的截面，燃烧产物喷嘴17出口端设有出口小孔和喷嘴，构成第二级的控压结构。
在一个实施例中，分割块14的外壁设置有掺混螺旋通道，掺混水进口15与掺混螺旋通道连通，掺混螺旋通道的出口朝向掺混空间A3，将掺混水以螺旋形式喷至掺混空间A3。
在一个实施例中，主体外壳10内安装有主体外壳水冷壁11，主体外壳水冷壁11仅包绕主燃空间A2，主体外壳水冷壁11的外壁与主体外壳10内壁之间有冷却水螺旋通道，螺旋水冷通道的主体外壳水冷壁进口6在上，主体外壳水冷壁出口13在下。可行地，将主体外壳水冷壁进口6设于顶部端盖1上，主体外壳水冷壁出口13设于主体外壳10下部。
本发明在顶部端盖1上设有一级燃料进口18、氧化剂进口19和二级燃料进口4，并在顶部端盖1内设置有高温点火棒筒套2，高温点火棒筒套2内有高温点火棒3，其中一级燃料进口18连通高温点火棒筒套2的内部，二级燃料进口4和二级氧化剂进口7直接连通主燃空间A2
在一个实施例中，高温点火棒筒套2外壁周向设置有氧化剂螺旋通道，氧化剂进口19通过氧化剂螺旋通道连通稳燃空间A1。
本发明在顶部端盖1底端安装燃烧筒套9，高温点火棒3高温端伸入至燃烧筒套9内，燃烧筒套9顶端连通高温点火棒筒套2和氧化剂进口19，底端连通主燃空间A2，在燃烧筒套9内形成稳燃空间A1。
在一个实施例中，高温点火棒筒套2的底端安装一级燃料喷嘴7，一级燃料沿高温点火棒3和高温点火棒筒套2之间形成的环形空间，进入一级燃料喷嘴7，并喷入稳燃空间A1。
在一个实施例中，一级燃料喷嘴7为可更换的喷嘴，与高温点火棒3同轴安装，形成环形间隙，周向设有倾斜一定角度的小孔，角度包括但不限于30°、45°、60°以及90°，且与高温点火棒3形成同轴间隙，一级燃料同时倾斜和垂直射进稳燃空间A1，与氧化剂充分混合。
在一个实施例中，燃烧筒套9内安装旋流壁8，旋流壁8的外壁与燃烧筒套9内壁之间有旋流壁冷却水通道，旋流壁冷却水通道的旋流壁冷却水进口5位于顶部端盖1上，旋流壁冷却水通道的旋流壁冷却水出口朝向主燃空间A2，使升温后的冷却水呈螺旋状喷进主燃空间A2，与二次燃料和二次氧化剂混合传热。
在一个实施例中，高温点火棒3、高温点火棒筒套2、一级燃料喷嘴7、旋流壁8以及燃烧筒套9同轴安装，贯穿顶部端盖1。并且，顶部端盖1、燃烧筒套9、旋流壁8、主体外壳10、主体外壳水冷壁11、分割块14、燃烧产物喷嘴17可依次连接装配组成整体燃烧装置。
在一个实施例中，一级燃料进口18的流量远小于二级燃料进口4的流量，小流量一级燃料和氧化剂在稳燃空间A1中充分混合，接触到置于稳燃空间A1中高温点火棒的高温前端，被稳定点燃。稳燃空间A1插进主燃空间A2上部一定长度，稳燃空间A1的高温燃烧产物和未燃烧的高温氧化剂快速射入主燃空间A2，与大流量冷态二级燃料和二级氧化剂湍流混合，引起强烈传热，使其快速升温至自燃温度，实现大流量物料冷态热自燃点火，产生稳定的水热火焰。
在一个实施例中，主体外壳10上设有温度传感器12和压力传感器16。
由于本发明装置中设有旋流壁冷却水、主体外壳冷却水和掺混水，旋流壁冷却水和主体外壳冷却水吸收燃烧产生的热量，避免壁面超温，掺混水调节燃烧产物最终温度，保证产生符合参数要求的燃烧产物。
由于本发明装置内设控压结构，即分割块14底部的收口结构和燃烧产物喷嘴17的结构，燃烧产物从一个小直径的出口喷嘴和多个倾斜的出口小孔喷进掺混空间A3，掺混空间A3中掺混后的燃烧产物从较小直径的燃烧产物喷嘴17喷出保证燃烧产物的压力在设计范围内。
根据上述结构描述，本发明的启动方式：首先启动高温点火棒3，点燃冷态从一级燃料进口18进入的小流量和一级燃料和从氧化剂进口19进入的氧化剂。旋流壁冷却水流进旋流壁8，吸收稳燃空间A1内水热火焰的热量，呈螺旋状喷进主燃空间A2，与二次燃料强烈混合和传热。大流量冷态二级燃料与高温燃烧产物和未燃烧的高温氧化剂湍流混合，强烈传热，快速升温至自燃温度，导致大流量物料冷态热自燃点火，产生了稳定的水热火焰。冷却水从主体外壳水冷壁进口6流进，吸收主燃空间A2内燃烧产物热量，避免装置壁面超温，保证运行安全可靠。主燃空间A2内燃烧产物由分割块14上的倾斜小孔和小直径喷嘴喷进掺混空间，与由掺混水进口15进入分割块14上螺旋空间被加热的掺混水混合，最终得到目标参数的燃烧产物，从燃烧产物喷嘴17喷出。装置运行全程的温度和压力由各节点温度传感器13和压力传感器17监控，温度传感器13和压力传感器17与系统中各关键设备连锁，发生超温超压时连锁工作，自动停机。
综上所述，本发明提供了一种强迫点火型超临界水热燃烧装置，达到了物料冷态进射，稳定产生水热火焰的效果，且运行安全可靠，最大程度地利用了水热燃烧产生的热量，为超临界水热燃烧处理有机废弃物，热采稠油提供了高效节能安全的装备。

Claims (9)

1.一种强迫点火型超临界水热燃烧装置，包括主体外壳(10)，主体外壳(10)顶端安装顶部端盖(1)；
所述主体外壳(10)内安装分割块(14)，将主体外壳(10)内部分为上方的主燃空间A2和下方的掺混空间A3，分割块(14)上设有过孔，掺混空间A3上部设有掺混水进口(15)，掺混空间A3底端设置燃烧产物喷嘴(17)；
所述顶部端盖(1)上设有一级燃料进口(18)、氧化剂进口(19)和二级燃料进口(4)，顶部端盖(1)内设置有高温点火棒筒套(2)，高温点火棒筒套(2)内有高温点火棒(3)，其中一级燃料进口(18)连通高温点火棒筒套(2)的内部；
所述顶部端盖(1)底端安装燃烧筒套(9)，高温点火棒(3)的高温端伸入至燃烧筒套(9)内，燃烧筒套(9)顶端连通高温点火棒筒套(2)和氧化剂进口(19)，底端连通主燃空间A2，在燃烧筒套(9)内形成稳燃空间A1；
所述二级燃料进口(4)直接连通主燃空间A2；
其特征在于，所述分割块(14)底部为倒锥形，形成收口结构，在中心设出口喷嘴，锥面上设置多个倾斜的出口小孔，所述燃烧产物喷嘴(17)的入口端截面小于掺混空间A3的截面，燃烧产物喷嘴(17)出口端设有出口小孔和喷嘴，由此实现两重控压。
2.根据权利要求1所述强迫点火型超临界水热燃烧装置，其特征在于，所述分割块(14)的外壁设置有掺混螺旋通道，所述掺混水进口(15)与掺混螺旋通道连通。
3.根据权利要求1所述强迫点火型超临界水热燃烧装置，其特征在于，所述主燃空间A2对应的主体外壳(10)内安装有主体外壳水冷壁(11)，主体外壳水冷壁(11)的外壁与主体外壳(10)内壁之间有冷却水螺旋通道，螺旋水冷通道的主体外壳水冷壁进口(6)位于顶部端盖(1)上，主体外壳水冷壁出口(13)位于主体外壳(10)的下方。
4.根据权利要求1所述强迫点火型超临界水热燃烧装置，其特征在于，所述高温点火棒筒套(2)外壁周向设置有氧化剂螺旋通道，氧化剂进口(19)通过氧化剂螺旋通道连通稳燃空间A1。
5.根据权利要求1所述强迫点火型超临界水热燃烧装置，其特征在于，所述高温点火棒筒套(2)的底端安装一级燃料喷嘴(7)，一级燃料沿高温点火棒(3)和高温点火棒筒套(2)之间形成的环形空间，进入一级燃料喷嘴(7)，并喷入稳燃空间A1。
6.根据权利要求5所述强迫点火型超临界水热燃烧装置，其特征在于，所述一级燃料喷嘴(7)为可更换的喷嘴，与高温点火棒(3)同轴安装，形成环形间隙，周向设有倾斜小孔，一级燃料同时倾斜和垂直射进稳燃空间A1，与氧化剂混合。
7.根据权利要求5所述强迫点火型超临界水热燃烧装置，其特征在于，所述燃烧筒套(9)内安装旋流壁(8)，旋流壁(8)的外壁与燃烧筒套(9)内壁之间有旋流壁冷却水通道，旋流壁冷却水通道的旋流壁冷却水进口(5)位于顶部端盖(1)上，旋流壁冷却水通道的旋流壁冷却水出口朝向主燃空间A2，使升温后的冷却水呈螺旋状喷进主燃空间A2，与二次燃料混合传热。
8.根据权利要求7所述强迫点火型超临界水热燃烧装置，其特征在于，所述高温点火棒(3)、高温点火棒筒套(2)、一级燃料喷嘴(7)、旋流壁(8)以及燃烧筒套(9)同轴安装，贯穿顶部端盖(1)。
9.根据权利要求1所述强迫点火型超临界水热燃烧装置，其特征在于，所述一级燃料进口(18)的流量远小于二级燃料进口(4)的流量，所述高温点火棒(3)仅位于稳燃空间A1内的长度处于高温，使一级燃料与氧化剂在稳燃空间A1中强迫点燃，所述稳燃空间A1插进主燃空间A2上部，使得稳燃空间A1的高温燃烧产物和未燃烧的高温氧化剂快速射入主燃空间A2，与大流量冷态二级燃料湍流混合，引起强烈传热，使其快速升温至自燃温度，实现大流量物料冷态热自燃点火，产生稳定的水热火焰。
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