CN114797725B - 一种内加热式超临界水氧化反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内加热式超临界水氧化反应器，主体外壳内部空间分为加热空间和取热空间两类同轴环形空间，各空间维持不同温度：有机废物和氧化剂在加热空间内被加热装置加热至超临界温度，引发超临界水氧化反应，通过调温水调控反应温度，保证降解有机废物高效降解；反应产物与调温水取热空间内中取热装置和壁面冷却组件换热，降温至亚临界温度，溶解反应过程中析出无机盐。反应器使用内部加热装置，有效避免了无机盐在常规加热管道等狭小空间中析出，解决了管道堵塞问题。

Description

一种内加热式超临界水氧化反应器

技术领域

本发明属于有机危废处理技术领域，具体涉及一种内加热式超临界水氧化反应器。

背景技术

近代以来，社会经济发展飞速发展，各领域产生的有机废物数量也随之激增，处理难度也大幅上升。大多数有机废物采用如焚烧这类常规方法，不仅有机物无法彻底降解，还会产生大量污染物，造成二次污染。如何处理含有机废物成为社会可持续发展的关键问题。

超临界水氧化技术利用超临界水(T≥374.15℃且p≥22.12MPa)的特殊性质，溶解有机废物和氧化剂，在均相的环境中发生氧化反应。由于超临界水环境消除了传质传热阻力，有机废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。

当前引发超临界水氧化的方法为在反应器外将有机废物和氧化剂预热至超临界温度，随后注入反应器内部，发生超临界水氧化反应。因此，当有机废物在反应器外部的加热管道等狭小空间内升温至超临界温度时，有机废物中的无机盐会大量析出，从而引发管道堵塞问题，导致系统无法正常运行。同时，常规反应器运行时，反应器内各处温度均在临界点以上，无机盐可能在反应器内部壁面沉积，从而诱发材料腐蚀问题。总之，传统加热方式和运行方式严重影响了装置运行的安全性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种内加热式超临界水氧化反应器，采用内部加热装置和机械除垢装置，避免了加热过程中无机盐在管道内部等狭小空间内析出，保证了加热装置加热效率较高；采用调温水、壁面冷却组件和取热器，保护反应器内温度不超温，使流体内无机盐溶解于流体中，随之排出反应器。

本发明采用以下技术方案：

一种内加热式超临界水氧化反应器，包括反应器主体外壳，反应器主体外壳内部由内至外依次包括加热空间和取热空间，加热空间内设置有机械除垢装置；反应器主体外壳的顶部设置有顶部端盖，顶部端盖上开有反应产物出口，反应器主体外壳的底部设置有排污口，有机废物和氧化剂在加热空间内发生超临界水氧化反应后经取热空间后从反应产物出口流出。

具体的，顶部端盖和反应器主体外壳的内侧均设置有壁面冷却组件。

进一步的，壁面冷却组件上开有壁面冷却组件进口，壁面冷却组件上开有壁面冷却组件出口。

更进一步的，壁面冷却组件用冷却剂或取热介质包括有机废物、水、熔盐、导热油、液态金属及氮气或空气。

具体的，反应器主体外壳内部设置有加热装置，加热装置设置在加热空间和取热空间之间，加热装置的一侧与机械除垢装置接触设置。

进一步的，加热装置的加热面积占加热装置总面积的比例为小于等于1.0的任一数值。

更进一步的，加热装置为螺旋盘管膜式壁结构或U型管膜式壁结构。

具体的，取热空间内设置有取热器，取热器的一端设置有取热器进口，取热器的另一端设置有取热器出口。

具体的，取热空间内设置有调温水引入管，调温水引入管的一端伸出至顶部端盖与的外侧，另一端与加热空间连接。

具体的，机械除垢装置的一端贯穿顶部端盖设置在反应器主体外壳的外部，伸出端的顶部端盖处设置有有机废物入口和氧化剂入口。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种内加热式超临界水氧化反应器，在反应器的加热空间内将有机废物和氧化剂加热至超临界温度，引发超临界水氧化反应，实现有机废物的彻底处理，避免无机盐在外部管道等狭小空间中析出，机械除垢装置在线清除加热产生的污垢，与多种加热装置结构共同保证较高的加热效率。

进一步的，通过壁面冷却组件对取热空间内流体温度进行调节，保护反应器主体壁面不超温，使流体内无机盐溶解于流体中并随之排出反应器。

进一步的，壁面冷却组件进口(N5)和壁面冷却组件出口(N6)将冷却介质引入壁面冷却组件(8)，冷却介质在壁面冷却组件(8)内的流动方向与取热空间(A2)内热流体流动方向相反，换热效果更强。

进一步的，壁面冷却组件的结构多样，包括但不限于冷却夹套、膜式壁等；冷却介质包括但不限于有机废物、水、熔盐、导热油、液态金属及氮气、空气等，适用不同工况的冷却、取热，有效避免反应器壁面超温，同时合理利用反应器内热量。

进一步的，反应器主体外壳内部设置加热装置，有效避免无机盐在常规加热管道等狭小空间中析出，解决管道堵塞问题，机械除垢装置与加热部分接触，以机械方式清除加热部分的结垢，掉落的污垢通过排污口排出反应器。

进一步的，加热装置中不同比例的加热面积可准确为不同有机物提供引发超临界水氧化反应所需能量，避免因输入能量不足导致反应中断或输入能量无端浪费，同时，有机物在非加热部分氧化放热，可避免加热部分温度过高，烧毁加热装置。

进一步的，加热装置包括但不限于螺旋盘管膜式壁结构、U型管模式壁结构等结构设计，可在有限空间内增大有机物与加热部分接触面积，使有机物与加热部分传热效果更佳。

进一步的，通过取热器对取热空间内流体温度进行调节，保护反应器主体壁面不超温，使流体内无机盐溶解于流体中并随之排出反应器。

进一步的，取热空间内设置调温水引入管，通过调温水对加热空间内流体温度进行调控，使氧化反应进行的同时内部加热装置表面不超温

进一步的，冷态的有机废物和氧化剂分别通过有机废物入口、氧化剂入口流入加热空间，被加热至反应温度，发生超临界水氧化反应。

综上所述，本发明避免了加热过程中无机盐在管道内部等狭小空间内析出，保证了加热装置的加热效率。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2为本发明采用螺旋盘管膜式壁结构加热装置的示意图；

图3为本发明采用U型管模式壁结构加热装置的示意图；

图4为U型管模式壁结构加热装置详细图。

其中：1.顶部端盖；2.反应器主体外壳；3.加热装置；4.机械除垢装置；5.排污口；6.反应产物出口；7.调温水引入管；8.壁面冷却组件；9.取热器；N1.有机废物进口；N2.氧化剂进口；N3.取热器进口；N4.取热器出口；N5.壁面冷却组件进口；N6.壁面冷却组件出口；A1.加热空间；A2.取热空间。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种内加热式超临界水氧化反应器，主体外壳内部空间分为加热空间和取热空间两类同轴环形空间，各空间维持不同温度：有机废物和氧化剂在加热空间内被加热装置加热至超临界温度，引发超临界水氧化反应，通过调温水调控反应温度，保证降解有机废物高效降解；反应产物与调温水取热空间内中取热装置和壁面冷却组件换热，降温至亚临界温度，溶解反应过程中析出无机盐。反应器使用内部加热装置，有效避免了无机盐在常规加热管道等狭小空间中析出，解决了管道堵塞问题。

请参阅图1，本发明一种内加热式超临界水氧化反应器，包括顶部端盖1、反应器主体外壳2、加热装置3、机械除垢装置4、调温水引入管7、壁面冷却组件8和取热器9。

反应器主体外壳2的顶部配有顶部端盖1，机械除垢装置4的一端贯穿顶部端盖1设置在反应器主体外壳2内部，另一端伸出至反应器主体外壳2的外部；反应器主体外壳2和顶部端盖1上均设有壁面冷却组件8，壁面冷却组件8上开有壁面冷却组件进口N5和壁面冷却组件出口N6；反应器主体外壳2的底部开有排污口5。

反应器主体外壳2的内部空间由内到外被分割为加热空间A1和取热空间A2。

机械除垢装置4的外侧设置有加热装置3，加热装置3包围机械除垢装置4形成加热空间A1，加热空间A1分别连接有机废物入口N1、氧化剂入口N2和调温水引入管7，有机废物入口N1和氧化剂入口N2设置在顶部端盖1处，位于机械除垢装置4的伸出端处，调温水引入管7位于取热空间A2内，调温水引入管7的一端贯穿顶部端盖1与机械除垢装置4连接。

加热装置3的结构设计多样，包括但不限于螺旋盘管膜式壁结构、U型管模式壁结构等结构设计；所用加热源多样，包括但不限于电能、化学能、烟气余热等形式。

加热装置3外侧的取热空间A2内设置有取热器9，调温水引入管7设置在加热装置3和取热器9之间，取热空间A2与加热空间A1均和反应器主体外壳2顶部设置的反应产物出口6接通。

取热器9的一端设置有取热器进口N3，取热器9的另一端设置有取热器出口N4。

有机废物和氧化剂分别通过有机废物入口N1和氧化剂入口N2接通加热空间A1，被反应器主体外壳2内部设置的加热装置3加热至超临界温度，引发超临界水氧化反应；调温水通过位于取热空间A2内的调温水引入管7接通加热空间A1，调节流体温度，维持超临界水氧化反应进行的同时防止加热装置3超温；反应产物与调温水通过取热空间A2与加热空间A1接通处流入取热空间A2，与取热器9和壁面冷却组件8内取热介质和冷却剂换热，最终反应产物与调温水通过反应产物出口6流出反应器。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

请参阅图2，在本发明的一个实施例中，加热装置3采用螺旋盘管膜式壁结构。

请参阅图3，在本发明的一个实施例中，加热装置3采用U型管模式壁结构。

请参阅图4，在本发明的一个实施例中，加热装置3所用热源可为电能，除此之外，还可以使用化学能、烟气余热等形式热源。

在本发明的一个实施例中，加热装置3中的加热面积占加热装置总面积比例为0.5，此外，根据实际工况，加热面积所占比例为小于等于1.0的任一数值。

在本发明的一个实施例中，机械除垢装置4与加热部分接触，以机械方式清除加热部分的结垢，掉落的污垢通过排污口5排出反应器。

在本发明的一个实施例中，取热介质通过取热器进口N3和取热器出口N4接通取热器9，控制取热空间A2内流体温度，使其处于亚临界状态，溶解流体中析出的无机盐。

在本发明的一个实施例中，壁面冷却组件8采用膜式壁结构，位于反应器主体外壳2和顶部端盖1内部，冷却剂通过壁面冷却组件进口N5和壁面冷却组件出口N6接通壁面冷却组件8，降低反应器壁面温度，防止超温。

在本发明的一个实施例中，取热介质和冷却剂选择有机废物，有机废物通过壁面冷却组件进口N5流入壁面冷却组件8，再由壁面冷却组件出口N6流经取热器进口N3，接通取热器9，最后通过取热器出口N4接通有机废物入口N1，从而进入加热空间A1。

根据上述结构描述，本发明反应器在运行过程时，冷态的有机废物、氧化剂分别通过有机废物入口N1、氧化剂入口N2流入加热空间A1，被加热装置3加热至反应温度，发生超临界水氧化反应，调温水通过温水引入管7接通加热空间A1，调控空间内温度。反应产物与调温水流入取热空间A2，与取热器9和壁面冷却组件8内取热介质和冷却剂换热，最终反应产物与调温水通过反应产物出口6流出反应器，最终通过反应产物出口6流出反应器。

反应器运行过程中，有机废物中的无机盐可能在加热装置3加热部分表面析出并结垢，机械除垢装置4与加热装置3接触，以机械方式清除加热部分的结垢，掉落的污垢通过排污口5排除反应器。

反应器运行过程中，取热介质通过和取热器进口N3和取热器出口N4接通取热器9，控制取热空间A2内流体温度，使其处于亚临界状态，溶解流体中析出的无机盐；冷却剂通过壁面冷却组件进口N5和壁面冷却组件出口N6接通壁面冷却组件8，降低反应器壁面温度，防止超温。冷却剂或取热介质包括但不限于有机废物、水、熔盐、导热油、液态金属及氮气、空气等，当所选冷却剂和取热介质均为有机废物时，壁面冷却组件出口N6与取热器进口N3接通，取热器进口N3与有机废物入口N1接通。

综上所述，本发明一种内加热式超临界水氧化反应器，具有以下特点：

1、采用内部加热形式，防止管道堵塞：反应器内部设置加热装置，有机废物和氧化剂在反应器内部大空间被加热至反应温度，抑制了含盐物料在加热管等狭小空间内析出结晶，避免了管道堵塞问题的发生，保证了反应器安全运行。

2、加热装置加热效率高，热源可选用范围广：加热装置结构设计多样，包括但不限于螺旋盘管膜式壁结构、U型管模式壁结构等结构设计，同时设置机械除垢装置，随时清除加热装置表面污垢，保证装置加热效率高；所用加热源多样，包括但不限于电能、化学能、烟气余热等形式。

3、调节各空间温度，保证装置顺利运行：加热装置和调温水用于调控加热空间内温度，使超临界水氧化反应顺利进行，同时防止加热装置超温；壁面冷却组件和取热器与取热空间内流体进行换热，调节取热空间内温度处于亚临界温度，防止装置壁面超温的同时溶解无机盐，防止装置壁面结垢。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种内加热式超临界水氧化反应器，其特征在于，包括反应器主体外壳(2)，反应器主体外壳(2)内部由内至外依次包括加热空间(A1)和取热空间(A2)，加热空间(A1)内设置有机械除垢装置(4)；反应器主体外壳(2)的顶部设置有顶部端盖(1)，顶部端盖(1)和反应器主体外壳(2)的内侧均设置有壁面冷却组件(8)，壁面冷却组件(8)上开有壁面冷却组件进口(N5)，壁面冷却组件(8)上开有壁面冷却组件出口(N6)，顶部端盖(1)上开有反应产物出口(6)，反应器主体外壳(2)的底部设置有排污口(5)，有机废物和氧化剂在加热空间(A1)内发生超临界水氧化反应后经取热空间(A2)后从反应产物出口(6)流出，反应器主体外壳(2)内部设置有加热装置(3)，加热装置(3)设置在加热空间(A1)和取热空间(A2)之间，加热装置(3)的一侧与机械除垢装置(4)接触设置，加热装置(3)的加热面积占加热装置总面积的比例为小于等于1.0的任一数值。

2.根据权利要求1所述的内加热式超临界水氧化反应器，其特征在于，壁面冷却组件(8)用冷却剂或取热介质包括有机废物、水、熔盐、导热油、液态金属及氮气或空气。

3.根据权利要求1所述的内加热式超临界水氧化反应器，其特征在于，加热装置(3)为螺旋盘管膜式壁结构或U型管膜式壁结构。

4.根据权利要求1所述的内加热式超临界水氧化反应器，其特征在于，取热空间(A2)内设置有取热器(9)，取热器(9)的一端设置有取热器进口(N3)，取热器(9)的另一端设置有取热器出口(N4)。

5.根据权利要求1所述的内加热式超临界水氧化反应器，其特征在于，取热空间(A2)内设置有调温水引入管(7)，调温水引入管(7)的一端伸出至顶部端盖(1)与的外侧，另一端与加热空间(A1)连接。

6.根据权利要求1所述的内加热式超临界水氧化反应器，其特征在于，机械除垢装置(4)的一端贯穿顶部端盖(1)设置在反应器主体外壳(2)的外部，伸出端的顶部端盖(1)处设置有有机废物入口(N1)和氧化剂入口(N2)。

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