CN114702159B - 一种催化剂循环型超临界水氧化器及超临界水氧化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种催化剂循环型超临界水氧化器及超临界水氧化系统，其中，反应器包括：由同轴设置且相连接的顶盖、上部直筒段、下部圆形封头组成的承压外壳体；配合设置的燃料注入管和空气注入管，设置在上部直筒段的底部；废液注入管，设置在下部圆形封头的中上部；内置式旋风分离器，同轴设置在上部直筒段；圆锥挡板，同轴设置在上部直筒段的中部，且圆锥挡板套设在内置式旋风分离器的外部；冷却水注入管，设置在下部圆形封头的中下部；排污管，设置在下部圆形封头的底部中心位置。通过本发明的技术方案，强化了非水溶性异相纳米催化剂与反应物的传热传质，实现了有机废液的高效降解，催化剂在反应器内外循环实现了催化剂的高效利用。

Description

一种催化剂循环型超临界水氧化器及超临界水氧化系统

技术领域

本发明涉及有机废水处理技术领域，具体涉及一种催化剂循环型超临界水氧化器及超临界水氧化系统。

背景技术

高浓度、有毒、难降解有机废水的处理是国内外公认的技术难题。传统的有机废水处理技术(如物化处理技术、生物处理技术、湿式氧化、焚烧等)存在成本高、降解率低、易衍生二次污染等问题。超临界水氧化(Supercritical Water Oxidation，SCWO)作为一种新型的处理有机废水的技术，是有效解决这一难题的方法之一。超临界水氧化是在超过水的临界点(PC＝22.1MPa，TC＝374℃)的高温高压条件下，以空气或其他氧化剂，将有机物进行“燃烧”氧化的方法。水的极性是温度和压力的函数，超临界水是一种非极性溶剂。在超临界水的环境下，有机物和气体可完全互溶，气液两相的相界面消失，形成均一相体系，反应速度大大加快。在小于1分钟甚至几秒钟的停留时间内，99.9％以上的有机物迅速燃烧氧化成CO₂、H₂O和其他无毒无害的终端产物。反应温度一般在400℃～650℃，避免了SO₂、NO_x、二恶英等二次污染物的产生。

某些难降解有机废液需要较高的反应温度、停留时间及过氧量来保证降解效率，严重影响了超临界水氧化工艺的经济性。催化超临界水氧化可降低反应温度、过氧量系数、缩短停留时间，一般通过添加非水溶性异相纳米催化剂催化超临界水氧化，该工艺存在以下技术缺陷：

(1)添加非水溶性异相纳米催化剂的有机废液易在管路及预热装置中沉积及结焦，不但严重影响了换热效率，而且容易引发堵塞。

(2)纳米催化剂在超临界水氧化反应体系中为异相物质，其与反应物间的传热传质强化是反应高效开展的关键。相关技术中，纳米催化剂的利用率低，催化效率低，一直制约着催化超临界水氧化工艺的发展。

发明内容

有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种催化剂循环型超临界水氧化器及超临界水氧化系统，在反应器内通过旋流火焰以及火焰区的控制实现对高含固有机废液的预热，不但预热效率高，而且在添加了非水溶性异相纳米催化剂的情况下也不易沉积、结焦，换热效率高，不易堵塞；通过控制高含固废液在反应器内悬浮旋流流动，强化非水溶性异相纳米催化剂与反应物的传热传质，实现有机废液的高效降解；控制催化剂在反应器内外循环实现催化剂的高效利用。

为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：

一种催化剂循环型超临界水氧化反应器，包括：承压外壳体，所述承压外壳体包括同轴设置且相连接的顶盖、上部直筒段、下部圆形封头；配合设置的燃料注入管和空气注入管，设置在所述上部直筒段的底部，所述燃料注入管和所述空气注入管均匀间隔布置在同一水平圆周上，且两两平行偏离所述承压外壳体的中心轴距离r相向输入，并在相应的输入水平圆截面形成一个半径为r的虚拟圆；废液注入管，设置在所述下部圆形封头的中上部，所述废液注入管的注入方向倾斜向上，所述废液注入管的注入方向与反应器中心线的夹角介于废液注入方向和虚拟圆相切时的角度α以及废液注入方向指向虚拟圆中心的角度β之间；内置式旋风分离器，同轴设置在所述上部直筒段，所述内置式旋风分离器包括配合连接设置的分离器顶盖、分离器上部直筒段、分离器中部圆锥段和分离器下部排出管；圆锥挡板，同轴设置在所述上部直筒段的中部，且所述圆锥挡板套设在所述内置式旋风分离器的外部；冷却水注入管，设置在所述下部圆形封头的中下部，所述冷却水注入管的出口朝下；排污管，设置在所述下部圆形封头的底部中心位置。

优选地，所述虚拟圆的半径r为所述燃料注入管和所述空气注入管连接位置处相应的所述承压外壳体水平截面半径的1/3-2/3。

优选地，所述燃料注入管与所述空气注入管的设置数量相同，分别设置2根或者3根或者4根；沿着所述下部圆形封头的中上部圆周同一水平面均匀设置不少于2根的所述废液注入管，所有废液注入管以相同角度倾斜向上注入。

优选地，所述圆锥挡板与所述分离器中部圆锥段的倾斜角度相同。

优选地，所述分离器顶盖中心设置分离器上排出管，所述分离器上排出管的顶端从所述承压外壳体的顶盖穿出，所述分离器上排出管的底部同轴设置丝网过滤器；所述分离器上部直筒段的上部边缘处设置切向进口；所述分离器下部排出管的中下部设置锁气器且其底部出口深入所述下部圆形封头内部。

一种催化剂循环型超临界水氧化系统，包括上述任一项的催化剂循环型超临界水氧化反应器；燃料增压泵，所述燃料增压泵的进料口与燃料罐相连接，所述燃料增压泵的出料口经第一换热器、电加热器连接至反应器的燃料注入管；空气压缩机，经第二换热器连接至反应器的空气注入管；物料增压泵，所述物料增压泵的进料口与废液罐相连接，添加纳米催化剂的废液在废液罐中搅拌均质化，所述物料增压泵的出料口连接至反应器的废液注入管；引射器，连接在所述物料增压泵的出料口与所述废液注入管之间；冷却水增压泵，所述冷却水增压泵的进料口与冷却水储罐相连接，所述冷却水增压泵的出料口与反应器的冷却水注入管相连接。

优选地，催化剂循环型超临界水氧化系统还包括：膜分离器，所述膜分离器的进料口与反应器的排污管相连接；第一水力分离器和第二水力分离器，分别与所述膜分离器的两个出料口相连接，所述膜分离器截留的大颗粒催化剂进入所述第一水力分离器，所述膜分离器中富含细微粒的催化剂浓盐水进入第二水力分离器中；纳米颗粒再生器，连接在所述第一水力分离器的高温颗粒出料口；所述第二水力分离器经单向阀连接至所述引射器。

优选地，所述物料增压泵的出料口压力比所述冷却水增压泵、所述燃料增压泵、所述空气压缩机的出料口压力大0.5MPa～2MPa。

优选地，催化剂循环型超临界水氧化系统还包括：能量回收装置，与反应器的分离器上排出口相连接，所述能量回收装置包括透平发电装置、换热器、蒸汽发生装置中的一种或几种；第一气液分离器，所述能量回收装置经第一背压阀与所述第一气液分离器相连接。

优选地，所述第一水力分离器和所述第二水力分离器的高温蒸汽出口经管路分别与所述第一换热器、所述第二换热器相连接；第三换热器，与所述第一换热器、所述第二换热器相连接，所述第一换热器和所述第二换热器冷却后的流体经所述第三换热器继续冷却；第二气液分离器，所述第三换热器经第二背压阀与所述第二气液分离器相连接，经所述第三换热器冷却后的流体进入所述第二气液分离器中，分离排放。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提出的催化剂循环型超临界水氧化反应器中设计燃料和氧气四角切圆注入，燃料和空气中的氧气可快速进行超临界水氧化反应，从而形成热液火焰，由于燃料和空气的输入位置和角度，可形成以虚拟圆为范围的旋转圆形热液火焰区，常温有机废液倾斜向上注入到火焰区，有利于有机废液中的颗粒等反应物落入虚拟圆上方与反应器中心轴形成的虚拟圆柱，保证了燃料和空气形成的热液火焰对常温有机废液的包裹，从而确保了对有机废液的充分预热，不但预热效率高，而且在添加了非水溶性异相纳米催化剂的情况下也不易沉积、结焦，大大提高了换热效率，避免了堵塞等现象的发生。

(2)本发明提出的催化剂循环型超临界水氧化反应器中通过对燃料注入管、空气注入管以及废液注入管的独特设计，使得高含固有机废液在燃料和空气形成的旋转气流作用下，在相应的虚拟圆柱上悬浮并盘旋向上，强化了催化剂与反应物的传热传质，提高了催化剂的催化效率，实现了有机废液的高效降解。

(3)本发明提出的催化剂循环型超临界水氧化反应器中设计圆锥挡板和内置式旋风分离器，实现了大颗粒直接落入反应区底部溶盐区，小颗粒进入内置式旋风分离器再落入底部溶盐区，，便于催化剂后续的分离循环利用，而中颗粒在反应器内始终循环，大大提高了催化剂的利用率。

(4)本发明提出的催化剂循环型超临界水氧化反应器中设计内置式旋风分离器，旋风分离器内外压力相差非常小，采用常压环境的结构即可以实现反应产物的高效气固分离，可形成高品质的超临界流体，大大提高了系统的能量回收效率。

(5)本发明提出的催化剂循环型超临界水氧化系统，实现了催化剂的内外循环回收利用，在反应器中通过旋流悬浮、圆锥挡板及内置式旋风分离器实现中颗粒催化剂在反应器内的高效循环利用，而在大颗粒和小颗粒的催化剂落入底部溶盐池后，通过设计膜分离器以及水力分离器，实现大颗粒与小颗粒催化剂的分离，小颗粒通过引射器直接补充到废液支路中再重新进入反应器，大颗粒通过再生装置后再利用，进而实现了催化剂的外循环利用，进一步提高了催化剂的利用率。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1示出了根据本发明的实施例的催化剂循环型超临界水氧化反应器的结构示意图；

图2示出了图1催化剂循环型超临界水氧化反应器中燃料和空气注入示意图；

图3示出了图1催化剂循环型超临界水氧化反应器中有机废液注入示意图；

图4示出了根据本发明的实施例的催化剂循环型超临界水氧化系统的结构示意图，

其中，图1至图4中附图标记与部件之间的对应关系为：

102承压外壳体，1022顶盖，1024上部直筒段，1026下部圆形封头，104燃料注入管，106空气注入管，108废液注入管，110内置式旋风分离器，1102分离器顶盖，1104分离器上部直筒段，1106分离器中部圆锥段，1108分离器下部排出管，1110分离器上排出管，1112丝网过滤器，1114切向进口，1116锁气器，112圆锥挡板，114冷却水注入管，116排污管，

202催化剂循环型超临界水氧化反应器，204燃料增压泵，206燃料罐，208第一换热器，210电加热器，212空气压缩机，214第二换热器，216物料增压泵，218废液罐，220引射器，222冷却水增压泵，224冷却水储罐，226膜分离器，228第一水力分离器，230第二水力分离器，232纳米颗粒再生器，234单向阀，236能量回收装置，238第一气液分离器，240第一背压阀，242第三换热器，244第二气液分离器，246第二背压阀。

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至图3所示，根据本发明的实施例的一种催化剂循环型超临界水氧化反应器202，包括承压外壳体102，承压外壳体102包括同轴设置且相连接的顶盖1022、上部直筒段1024、下部圆形封头1026。设计有物料预热注入区、悬浮反应区、气固旋风分离区、熔盐冷却区。在上部直筒段1024的底部配合设置燃料注入管104和空气注入管106，燃料注入管104和空气注入管106均匀间隔布置在同一水平圆周上，且两两平行偏离承压外壳体102的中心轴距离r相向输入，并在相应的输入水平圆截面形成一个半径为r的虚拟圆，如图2所示，这样已预热的燃料和空气中的氧气可快速进行超临界水氧化反应，从而形成热液火焰，且由于燃料和空气的输入位置和角度，燃料和空气形成以虚拟圆为范围的旋转热液火焰区。在下部圆形封头1026的中上部设置废液注入管108，废液注入管108的注入方向倾斜向上，废液注入管108的注入方向与反应器中心线的夹角介于废液注入方向和虚拟圆相切时的角度α以及废液注入方向指向虚拟圆中心的角度β之间，如图3所示，从而保证物料注入在虚拟圆的正上方，常温有机废液中的颗粒等反应物落入虚拟圆上方与反应器中心轴形成的虚拟圆柱，有利于燃料和空气形成的热液火焰可包裹有机废液，快速实现废液的预热。同时，在燃料和空气形成的旋转气流作用下，低密度的反应物在相应的虚拟圆柱上悬浮并盘旋向上，此过程中，有机废液中的纳米催化剂颗粒会落入火焰区催化有机废液降解，反应过程中催化剂之间及催化剂与少量形成的无机盐可能发生碰撞、破碎、团聚等现象，该过程形成的大颗粒掉入底部的冷却区，其他细颗粒悬浮旋转上升，并进一步催化废液降解反应。在上部直筒段1024同轴设置内置式旋风分离器110，内置式旋风分离器110包括配合连接设置的分离器顶盖1102、分离器上部直筒段11041024、分离器中部圆锥段1106和分离器下部排出管1108，内置式旋风分离器110内外压力相差非常小，采用常压环境的结构即可以实现反应产物的高效气固分离，形成高品质的超临界流体，有利于提高整体的能量回收效率。在上部直筒段1024的中部同轴设置圆锥挡板112，圆锥挡板112套设在内置式旋风分离器110的外部，旋风上升过程的纳米催化剂经圆锥挡板112的折流作用而循环进入反应区，过细的颗粒随反应产物继续向上流动进入旋风分离器，经分离产生的细颗粒催化剂落入反应区底部溶盐区，便于催化剂后续的分离循环利用。在下部圆形封头1026的中下部设置冷却水注入管114，冷却水注入管114的出口朝下，通过冷却水的注入在下部圆形封头1026内部形成一亚临界温度的熔盐冷却区。在下部圆形封头1026的底部中心位置设置排污管116，有利于将富含催化剂颗粒的溶盐水排出，实现催化剂的外循环重复利用。

进一步地，如图2所示，虚拟圆的半径r为燃料注入管104和空气注入管106连接位置处相应的承压外壳体102水平截面半径的1/3-2/3。

进一步地，如图2所示，燃料注入管104与空气注入管106的设置数量相同，分别设置2根；如图1所示，沿着下部圆形封头1026的中上部圆周同一水平面均匀设置不少于2根的废液注入管108，所有废液注入管108以相同角度倾斜向上注入。

从而，进一步保障了形成以虚拟圆上方为范围的旋转热液火焰区，进一步保证了有机废液注入在虚拟圆的正上方，常温有机废液中的颗粒等反应物落入虚拟圆上方与反应器中心轴形成的虚拟圆柱，燃料和空气形成的热液火焰包裹有机废液，从而进一步保障了有机废液的预热效果。

另外，燃料注入管104与空气注入管106还可以分别设置3根或者4根。

进一步地，如图1所示，圆锥挡板112与分离器中部圆锥段1106的倾斜角度相同。

从而，进一步保障了旋风上升过程中的纳米催化剂经圆锥挡板112折流进入反应区，过细的颗粒向上流动进入内置式旋风分离器110中进行高效气固分离。

进一步地，如图1所示，分离器顶盖1102中心设置分离器上排出管1110，分离器上排出管1110的顶端从承压外壳体102的顶盖1022穿出，分离器上排出管1110的底部同轴设置丝网过滤器1112；分离器上部直筒段11041024的上部边缘处设置切向进口1114；分离器下部排出管1108的中下部设置锁气器1116且其底部出口深入下部圆形封头1026内部。

从而，超临界水氧化反应后形成的高温高压流体和细颗粒经分离器的切向进口1114进入内置式旋风分离器110内部，反应产物在旋风分离器内形成高速气流，在重力、惯性力、离心力等作用下完成高效的气固分离，分离产生的气体产物经丝网过滤器1112过滤后从分离器上排出管1110排出，形成高品质超临界流体，能够大大提高系统的能量回收效率。分离器下部排出管1108深入下部圆形封头1026内部的亚临界溶盐池，分离产生的细微粒催化剂等落入亚临界溶盐池，实现可溶性盐的溶解，便于催化剂颗粒的分离以及能量回收。

本发明提出的催化剂循环型超临界水氧化反应器202的工作过程如下：

在物料预热注入区，经燃料注入管104和空气注入管106将燃料和空气注入，燃料和空气中的氧气可快速进行超临界水氧化反应，从而形成热液火焰，且由于燃料和空气的输入位置和角度，可形成以虚拟圆为范围的热液火焰区。将废液注入管108倾斜向上注入有机废液，有机废液中含有搅拌均质化的纳米催化剂，有机废液中的颗粒等反应物落入虚拟圆上方与反应器中心轴形成的虚拟圆柱，燃料和空气形成的热液火焰可包裹有机废液，快速实现有机废液的预热；

在悬浮反应区，在燃料和空气形成的旋转气流作用下，低密度的反应物在相应的虚拟圆柱上悬浮并盘旋向上，有机废液在旋转气流及催化剂作用下悬浮向上运动并快速降解，有机废液中的纳米催化剂颗粒会落入火焰区催化废液降解，反应过程中催化剂之间及催化剂与少量形成的无机盐可能发生碰撞、破碎、团聚等现象，形成的大颗粒掉入底部的熔盐冷却区，其他细颗粒悬浮旋转上升，并进一步催化废液降解反应。

旋风上升过程的纳米催化剂经圆锥挡板112的折流作用而循环进入反应区，过细的颗粒随反应产物继续向上流动从切向进口1114进入内置式旋风分离器110。

在气固旋风分离区，气体产物经内置式旋风分离器110的分离作用及丝网过滤器1112净化从上排出管排出，分离产生的细颗粒催化剂打开锁气器1116经分离器下部排出管1108进入下部圆形封头1026内部的熔盐冷却区。

在熔盐冷却区，通过冷却水的注入在下部圆形封头1026内部形成一亚临界温度的熔盐冷却区，进行可溶性盐的溶解，从而便于后续催化剂颗粒的分离以及能量回收。

如图4所示，根据本发明的实施例的一种催化剂循环型超临界水氧化反应系统，设计有燃料支路、空气支路、废液支路、冷却水支路、催化剂回收及再生支路，净化产物能量回收支路、溶盐余热回收支路。包括：催化剂循环型超临界水氧化反应器202；燃料增压泵204的进料口与燃料罐206相连接，燃料增压泵204的出料口经第一换热器208、电加热器210连接至反应器的燃料注入管104，这样燃料罐206中的辅助燃料经燃料增压泵204增压至23MPa以上，依次经第一换热器208、电加热器210加热至380℃～450℃，从燃料注入管104注入。空气压缩机212经第二换热器214连接至反应器的空气注入管106，空气经空气压缩机212增压至23MPa以上，经第二换热器214预热，从反应器的空气注入管106注入反应器中，辅助燃料和空气在反应器内迅速反应，形成旋转热液火焰，热液火焰集中在虚拟圆正上方，高温低密度产物旋转向上。物料增压泵216的进料口与废液罐218相连接，物料增压泵216的出料口经引射器220连接至反应器的废液注入管108，从而，添加纳米催化剂的废液在废液罐218中搅拌均质化，经物料增压泵216增压至23MPa以上，流经引射器220后，从废液注入管108输入，纳米催化剂包含MnO₂，Fe₃O₄，TiO₂，Al₂O₃，CeO₂，CuO，ZnO，V₂O₅等非水溶性的碱性或过渡金属氧化物。废液注入到虚拟圆上方的热液火焰区，实现废液的快速预热，在催化剂的作用下和氧气发生超临界水氧化反应。从空气注入管106注入的空气流量可满足燃料和有机废液中有机物完全降解所需氧气量的两倍以上。与此同时，有机废液中的纳米颗粒、无机盐颗粒在高温反应产物、空气中的氮气等低密度气流作用下，悬浮流化于反应器的上部直筒段1024中，进而实现对有机废液中难降解物质的催化作用，加速有机废液的彻底氧化。悬浮过程中，催化剂及无机盐颗粒会发生碰撞、破碎、团聚、分离等现象，进而形成不同尺寸的颗粒。大颗粒催化剂在重力作用下会落入反应器的下部圆形封头1026。中小颗粒催化剂和产物向上流动过过程中，遇到圆锥挡板112，由于惯性作用，中尺寸的颗粒会逆流向下，一方面实现中尺寸颗粒的循环及悬浮，另一方面携带小尺寸颗粒的气流继续向上，从内置式旋风分离器110的切向进口1114进入，由于流道急剧缩小，流速显著加快，在离心力的作用下实现气固的高效分离，分离后的气流经过丝网过滤器1112进一步实现净化，而分离的小尺寸颗粒流入分离器下部排出管1108，在重力作用下中打开锁气器1116，排入反应器的下部圆形封头1026底部。冷却水增压泵222的进料口与冷却水储罐224相连接，冷却水增压泵222的出料口与反应器的冷却水注入管114相连接，冷却水储罐224中的冷却水经冷却水增压泵222增压至23MPa以上，从反应器的冷却水注入管114注入，反应器的下部圆形封头1026形成一个亚临界温度的溶盐冷却区，对经圆锥挡板112分离返回的大颗粒催化剂和无机盐、经内置式旋风分离器110分离返回的细颗粒催化剂和无机盐进行溶解或冷却。

进一步地，如图4所示，催化剂循环型超临界水氧化系统还包括：与反应器排污管116相连接的膜分离器226，富含催化剂的颗粒从排污管116排出，进入膜分离器226，实现大颗粒催化剂的截留，膜分离器226为耐温膜组件。第一水力分离器228和第二水力分离器230，分别与膜分离器226的两个出料口相连接，膜分离器226截留的大颗粒催化剂进入第一水力分离器228，第一水力分离器228分离产生高温蒸汽和高温颗粒，在第一水力分离器228的高温颗粒出料口连接纳米颗粒再生器232，纳米颗粒再生器232可为机械研磨、超声粉碎、蒸汽凝聚、化学沉淀、冷冻干燥等装置，催化剂再生包含物理及化学等方式，如研磨、浸洗、煅烧等。热力再生获得的颗粒可以作为原始纳米颗粒补充进入废液罐218，实现纳米催化剂的回收重复利用。膜分离器226中富含细微粒的催化剂浓盐水进入第二水力分离器230中，在第二水力分离器230中实现固液分离，第二水力分离器230经单向阀234连接至引射器220，从而使得分离的细催化剂通过单向阀234进入引射器220，重新与增压物料混合，实现细颗粒催化剂的外循环，进一步提高了催化剂的循环利用率。

进一步地，物料增压泵216的出料口压力比冷却水增压泵222、燃料增压泵204、空气压缩机212的出料口压力大0.5MPa～2MPa。从而，保障了物料能够与外循环的细颗粒催化剂充分混合之后，注入到反应器中。

进一步地，如图4所示，催化剂循环型超临界水氧化系统还包括：能量回收装置236，与反应器的分离器上排出口相连接，能量回收装置236包括透平发电装置、换热器、蒸汽发生装置中的一种或几种；能量回收装置236经第一背压阀240与第一气液分离器238相连接。从而，使得反应器的分离器上排出口排出的高温高品质超临界流体，进入到能量回收装置236中充分回收能量，大大提高了系统的能量回收效率。后续经第一背压阀240降压，进入第一气液分离器238中，实现分离排放。

进一步地，如图4所示，第一水力分离器228和第二水力分离器230的高温蒸汽出口经管路分别与第一换热器208、第二换热器214相连接，从而，分别实现对空气和辅助燃料的预热，进一步提高了系统的能量利用率，降低了能耗。设置与第一换热器208、第二换热器214相连接的第三换热器242，可以对第一换热器208和第二换热器214冷却后的流体继续冷却并产生热水，进一步提高了系统能量回收率。第三换热器242经第二背压阀246与第二气液分离器244相连接，经第三换热器242冷却后的流体经第二背压阀246降压后进入第二气液分离器244中，实现分离排放。

本发明提出的催化剂循环型超临界水氧化反应系统的工作过程如下：

燃料罐206中的辅助燃料经燃料增压泵204增压至23MPa以上，依次经第一换热器208预热以及电加热器210加热至380℃～450℃，从反应器的燃料注入管104注入；

空气经空气压缩机212增压至23MPa以上，经第二换热器214预热后从反应器的空气注入管106注入；

辅助燃料和空气在反应器内迅速反应，并形成旋转热液火焰，热液火焰集中在虚拟圆正上方，高温低密度产物旋转向上；

添加纳米催化剂的有机废液在废液罐218内搅拌均质化，经物料增压泵216增压至23MPa以上，流经引射器220后，从反应器的废液注入管108输入，废液注入到虚拟圆上方的热液火焰区，实现废液的快速预热，在催化剂的作用下和氧气发生超临界水氧化反应；

物料中的纳米颗粒、无机盐颗粒在高温反应产物、空气中的氮气等低密度气流作用下，悬浮流化于反应器的上部直筒段1024中，进而实现对废液中难降解物质的催化作用，加速废液的彻底氧化；

悬浮过程中，催化剂及无机盐颗粒会发生碰撞、破碎、团聚、分离等现象，进而形成不同尺寸的颗粒。大颗粒催化剂在重力作用下会落入反应器的下部圆形封头1026。中小颗粒催化剂和产物向上流动过过程中，遇到圆锥挡板112，由于惯性作用，中尺寸的颗粒会逆流向下，一方面实现中尺寸颗粒的循环及悬浮，另一方面携带小尺寸颗粒的气流继续向上，从内置式旋风分离器110的切向进口1114进入，实现气固的高效分离，分离后的气流经过丝网过滤器1112进一步实现净化；而分离的小尺寸颗粒流入分离器下部排出管1108，在重力作用下中打开锁气器1116，排入反应器的下部圆形封头1026底部；

反应器的分离器上排出口排出的高温高品质超临界流体，进入到能量回收装置236中充分回收能量，后续经第一背压阀240降压，进入第一气液分离器238中，实现分离排放；

冷却水储罐224中的冷却水经冷却水增压泵222增压至23MPa以上，从反应器的冷却水注入管114注入，在反应器下部圆形封头1026形成一个亚临界温度的溶盐及冷却区，对经圆锥挡板112分离返回的大颗粒催化剂和无机盐、经内置式旋风分离器110分离返回的细颗粒催化剂和无机盐进行溶解或冷却；

富含催化剂颗粒的溶盐水从排污管116排出，进入膜分离器226中，在膜分离器226中被截留的大颗粒催化剂进入第一水力分离器228中分离产生高温蒸汽和高温颗粒，高温颗粒进入纳米颗粒再生器232，热力再生获得的颗粒可以作为原始纳米颗粒补充进入废液罐218，在膜分离器226中分离出来的富含细微粒的催化剂浓盐水进入第二水力分离器230中，在第二水力分离器230中实现固液分离，分离的细催化剂通过单向阀234进入引射器220，重新与增压物料混合，实现细颗粒催化剂的外循环；

第一水力分离器228和第二水力分离器230出口的高温蒸汽混合后分流进入第一换热器208和第二换热器214，分别对空气和辅助燃料进行预热，冷却后的流体经第三换热器242进一步冷却并产生热水，后续通过第二背压阀246降压，进入第二气液分离器244，实现分离排放。

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 (10)

1.一种催化剂循环型超临界水氧化反应器，其特征在于，包括：承压外壳体，所述承压外壳体包括同轴设置且相连接的顶盖、上部直筒段、下部圆形封头；

配合设置的燃料注入管和空气注入管，设置在所述上部直筒段的底部，所述燃料注入管和所述空气注入管均匀间隔布置在同一水平圆周上，且两两平行偏离所述承压外壳体的中心轴距离r相向输入，并在相应的输入水平圆截面形成一个半径为r的虚拟圆；

废液注入管，设置在所述下部圆形封头的中上部，所述废液注入管的注入方向倾斜向上，所述废液注入管的注入方向与反应器中心线的夹角介于废液注入方向和虚拟圆相切时的角度α以及废液注入方向指向虚拟圆中心的角度β之间；

内置式旋风分离器，同轴设置在所述上部直筒段，所述内置式旋风分离器包括配合连接设置的分离器顶盖、分离器上部直筒段、分离器中部圆锥段和分离器下部排出管；

圆锥挡板，同轴设置在所述上部直筒段的中部，且所述圆锥挡板套设在所述内置式旋风分离器的外部；

冷却水注入管，设置在所述下部圆形封头的中下部，所述冷却水注入管的出口朝下；

排污管，设置在所述下部圆形封头的底部中心位置。

2.根据权利要求1所述的催化剂循环型超临界水氧化反应器，其特征在于，

所述虚拟圆的半径r为所述燃料注入管和所述空气注入管连接位置处相应的所述承压外壳体水平截面半径的1/3-2/3。

3.根据权利要求1所述的催化剂循环型超临界水氧化反应器，其特征在于，

所述燃料注入管与所述空气注入管的设置数量相同，分别设置2根或者3根或者4根；

沿着所述下部圆形封头的中上部圆周同一水平面均匀设置不少于2根的所述废液注入管，所有废液注入管以相同角度倾斜向上注入。

4.根据权利要求1所述的催化剂循环型超临界水氧化反应器，其特征在于，

所述圆锥挡板与所述分离器中部圆锥段的倾斜角度相同。

5.根据权利要求1所述的催化剂循环型超临界水氧化反应器，其特征在于，

所述分离器顶盖中心设置分离器上排出管，所述分离器上排出管的顶端从所述承压外壳体的顶盖穿出，所述分离器上排出管的底部同轴设置丝网过滤器；

所述分离器上部直筒段的上部边缘处设置切向进口；

所述分离器下部排出管的中下部设置锁气器且其底部出口深入所述下部圆形封头内部。

6.一种催化剂循环型超临界水氧化系统，其特征在于，包括：权利要求1至5中任一项所述的催化剂循环型超临界水氧化反应器；

燃料增压泵，所述燃料增压泵的进料口与燃料罐相连接，所述燃料增压泵的出料口经第一换热器、电加热器连接至反应器的燃料注入管；

空气压缩机，经第二换热器连接至反应器的空气注入管；

物料增压泵，所述物料增压泵的进料口与废液罐相连接，添加纳米催化剂的废液在废液罐中搅拌均质化，所述物料增压泵的出料口连接至反应器的废液注入管；

引射器，连接在所述物料增压泵的出料口与所述废液注入管之间；

冷却水增压泵，所述冷却水增压泵的进料口与冷却水储罐相连接，所述冷却水增压泵的出料口与反应器的冷却水注入管相连接。

7.根据权利要求6所述的催化剂循环型超临界水氧化系统，其特征在于，还包括：

膜分离器，所述膜分离器的进料口与反应器的排污管相连接；

第一水力分离器和第二水力分离器，分别与所述膜分离器的两个出料口相连接，所述膜分离器截留的大颗粒催化剂进入所述第一水力分离器，所述膜分离器中富含细微粒的催化剂浓盐水进入第二水力分离器中；

纳米颗粒再生器，连接在所述第一水力分离器的高温颗粒出料口；

所述第二水力分离器经单向阀连接至所述引射器。

8.根据权利要求7所述的催化剂循环型超临界水氧化系统，其特征在于，

所述物料增压泵的出料口压力比所述冷却水增压泵、所述燃料增压泵、所述空气压缩机的出料口压力大0.5MPa～2MPa。

9.根据权利要求8所述的催化剂循环型超临界水氧化系统，其特征在于，还包括：

能量回收装置，与反应器的分离器上排出口相连接，所述能量回收装置包括透平发电装置、换热器、蒸汽发生装置中的一种或几种；

第一气液分离器，所述能量回收装置经第一背压阀与所述第一气液分离器相连接。

10.根据权利要求9所述的催化剂循环型超临界水氧化系统，其特征在于，

所述第一水力分离器和所述第二水力分离器的高温蒸汽出口经管路分别与所述第一换热器、所述第二换热器相连接；

第三换热器，与所述第一换热器、所述第二换热器相连接，所述第一换热器和所述第二换热器冷却后的流体经所述第三换热器继续冷却；

第二气液分离器，所述第三换热器经第二背压阀与所述第二气液分离器相连接，经所述第三换热器冷却后的流体进入所述第二气液分离器中，分离排放。

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