CN114835236A - 一种预热、催化、脱盐一体化超临界水反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种预热、催化、脱盐一体化超临界水反应器，属于能源化工及污水处理等技术领域。包括反应器顶盖、反应器基体及反应器底盖。一方面通过保护壁的设置，可以实现掺混水的预热及壁面温度的降低；反应器内多级对撞射流混合以及多回程混合反应空腔的设置，实现了充分混合、有效延长反应时间和利于有机物彻底降解，催化床层和机械除盐装置能够提高复杂有机物的转化率、降低反应所需的温度同时防止壁面的盐沉积；另一方面，掺混预热器和物料预热器的设置能够有效利用反应后流体的热量，为掺混水和物料多级预热。整个反应器功能齐全，处理效率高，不形成二次污染，能够实现能量梯级利用和低品位热能的高效利用。

Description

一种预热、催化、脱盐一体化超临界水反应器
技术领域
本发明属于污水处理设备技术领域，具体涉及一种处理废水的超临界水反应器，具体涉及一种预热、催化、脱盐一体化超临界水反应器。
背景技术
随着工业迅速发展，废水的种类和数量迅猛增加，对水体的污染也日趋广泛和严重，威胁人类的健康和安全。超高浓度有机废液具有有机物浓度高、成分复杂和具有强酸强碱性的特点。如果超高浓度废液在水体、土壤等自然环境中不断累积、储存，不仅会污染环境，而且最后进入人体将会极大危害身体健康。目前超高浓度有机废液的处理方法主要有焚烧法、吸附法、超声波降解法、微生物法等，但其不可避免的出现去除率低、效果差、设备投资大、处理成本高等缺点，而微生物法多停留在实验室阶段，尚无工程实际应用。
超临界水氧化(Supercritical Water Oxidation，SCWO)技术是一种可实现对多种有机废物进行深度氧化处理的技术。超临界水氧化是通过氧化作用将有机物完全氧化为清洁的H2O、CO2和N2等物质，S、P等转化为最高价盐类稳定化，重金属氧化稳定固相存在于灰分中。超临界水氧化技术效率高、处理彻底，反应为均相反应、反应速率快、适用范围广，其在处理各种废水和剩余污泥方面已取得了较大的成功。
但当前超临界水氧化工艺的系统反应器多为管式反应器或者简单釜式反应器，存在一些技术问题尚未解决：
(1)需要额外供给大量热量，不能进行余热回收，能量利用率低，提高了超临界水氧化的工业化成本。
(2)超临界水、物料和氧气的混合不充分和不均匀，导致温度场和浓度场的梯度，管式反应器或者简单釜式反应器极短的停留时间会导致反应不充分和不完全，从而使得超临界水氧化反应进行不充分，废液和废水处理效率低。
(3)反应过程中会出现无机盐结晶现象，无机盐晶体会沉积在管道或者反应器上，有可能会引起反应器或管路的堵塞，严重时直接导致超压报警或者停机，严重影响反应器和系统的安全和稳定性。
因此亟需一种具有多种功能的超临界水氧化反应器，能够同时实现热量利用、延长停留时间、提高处理效率并降低反应温度以及防止盐沉积问题。
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预热、催化、脱盐一体化超临界水反应器，能够同时解决热量利用低、反应不完全、处理效率低以及无机盐沉积堵塞的问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开的一种预热、催化、脱盐一体化超临界水反应器，包括反应器基体，在反应器基体顶部设有反应器端盖，底部设有反应器底盖；
在反应器端盖内壁面紧贴设置端盖保护壁，且在反应器端盖上设置有分别用于向反应器基体内部腔室输送热掺混水、氧气、物料和冷却水的送料装置，在反应器端盖中轴位置还设有搅拌装置和悬吊于搅拌装置上的机械除盐装置；
在反应器基体内部由内到外同轴套设有混合空腔、反应空腔和换热空腔，反应空腔和换热空腔之间通过过渡通道连通，在混合空腔的内壁面和换热空腔的内壁面均紧贴设置保护壁，在换热空腔内由上至下分布有掺混水预热器、催化床层和物料预热器；
在反应器底盖壳侧设有反应后流体出口，底部设有盐产物出口，在反应器底盖外壁还设有冷却水结构。
优选地，所述混合空腔的数量为一个，反应空腔和换热空腔的数量为一个或多个，反应空腔和换热空腔可以通过增加套筒来增加空腔的个数。
进一步优选地，混合空腔为类圆柱形空腔，反应空腔和换热空腔为圆柱形空腔。
更进一步优选地，反应器基体内部由内到外同轴套设有一回程混合空腔、二回程反应空腔和三回程换热空腔；具体是由圆底套筒分隔而成的一回程混合空腔、二回程反应空腔和三回程换热空腔；
进一步优选地，在三回程换热空腔上部紧挨掺混水预热器设置均布板；
进一步优选地，在一回程混合空腔的内壁面紧贴设置一回程保护壁，在三回程换热空腔的内壁面紧贴设置侧面保护壁，侧面保护壁出口和侧面保护壁入口与侧面保护壁构成U型通路。
更进一步优选地，所述反应器端盖顶部设有阶梯状凸台，在阶梯状凸台上由上至下依次开设有加热掺混水入口、氧气一入口、热物料一入口和热物料二入口，上述入口分别对应通向混合腔的掺混水入口螺旋通道、氧气一螺旋通道、热物料一螺旋通道和热物料二通道；
阶梯状凸台上最底层凸台上开设有氧气二入口和一回程保护壁入口，在反应器端盖两侧还设有预热掺混水出口、端盖冷却水入口、物料入口、一回程保护壁出口、端盖冷却水出口、预热掺混水入口和物料出口。
更进一步优选地，所述端盖冷却水入口、端盖保护壁和端盖冷却水出口构成通路；预热掺混水入口、掺混水预热器和预热掺混水出口构成通路；物料入口、物料预热器和物料出口构成通路。
更进一步优选地，所述加热掺混水入口、氧气一入口和侧面保护壁入口为水平入口；氧气二入口为垂直入口。
优选地，所述冷却水结构包括嵌套设置在反应器底盖外侧的冷却套，冷却套上开设冷却水入口和冷却水出口，冷却套与冷却水入口和冷却水出口构成冷却水通路。
优选地，端盖保护壁以及混合空腔的内壁面和换热空腔的内壁面均紧贴设置的保护壁不限于膜式壁、水冷壁或换热盘管等可以实现壁面温度保护的换热元件。掺混水预热器和物料预热器不限于采用螺旋管式、蛇形管式或带整体翅片的换热器，层数和高度根据换热能力计算调整。
优选地，在三回程换热空腔底部侧壁还设有过滤装置，降温到常温后液相产物通过过滤装置后由反应后流体出口流出，含盐的固相产物从盐产物出口流出。
优选地，所述悬吊于搅拌装置上的机械除盐装置有两个，一个设置在混合空腔中，一个设置在换热空腔中；机械除盐装置采用搅拌刮刷或刮刀等结构。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开的预热、催化、脱盐一体化超临界水反应器，一方面，超临界水反应器能够实现罐体的自热，通过罐体侧面保护壁、顶盖内侧保护壁及一回程保护壁的设置，可以实现掺混水的预热及端盖和反应器基体壁面的设计温度的降低；此外，反应器内多级对撞射流混合以及多回程混合反应空腔的设置，实现了充分混合、有效延长反应时间和利于有机物彻底降解，同时催化床层和机械除盐装置的设置能够提高复杂有机物的转化率、降低反应所需的温度同时防止壁面的盐沉积；另一方面，掺混水预热器和物料预热器的设置，能够有效利用反应后流体的大量热量，为掺混水和物料多级预热。整个反应器功能齐全，集预热、催化和脱盐于一体，处理效率高，处理彻底，不形成二次污染，实现能量梯级利用和低品位热能的高效利用，具有良好的经济性和技术性，有利于加快超临界水氧化工业化和商业化的进程。
进一步地，反应器基体内部由内到外同轴套设有一回程混合空腔、二回程反应空腔和三回程换热空腔，能够有效延长反应时间和利于有机物彻底降解。
进一步地，械除盐装置的设置能够对反应过程中产生的盐进行刮除，从而防止壁面的盐沉积，析出的盐通过盐产物出口排出，可以实现二次利用。
更进一步地，机械除盐装置包括设置在混合空腔中的脱盐装置一和设置在换热空腔中的脱盐装置二，脱盐装置一的设置能够有效防止在混合空腔的壁面的盐沉积，同时其搅拌作用实现了混合空腔温度场和浓度场的均匀和稳定。脱盐装置二的设置有效防止了换热空腔中的过滤装置和换热空腔的锥底壁面的盐沉积。
进一步地，在三回程换热空腔上部紧挨掺混水预热器设置均布板，均布板的设置避免了换热过程中流体温度场和浓度场不均匀的问题。
附图说明
图1为一种新型的预热、催化、脱盐一体化超临界水反应器的结构示意图；
其中：N1为加热掺混水入口；N2为氧气一入口；N3为热物料一入口；N4为热物料二入口；N5为氧气二入口；N6为一回程保护壁入口；N7为预热掺混水出口；N8为端盖冷却水入口；N9为物料入口；N10为一回程保护壁出口；N11为端盖冷却水出口；N12为预热掺混水入口；N13为物料出口；N14为侧面保护壁出口；N15为侧面保护壁入口；N16为反应后流体出口；N17为冷却水出口；N18为盐产物出口；N19为冷却水入口。
1为搅拌电机；2为掺混水入口螺旋通道；3为氧气一螺旋通道；4为热物料一螺旋通道；5为热物料二通道；6为反应器端盖；7为端盖保护壁；8为脱盐装置一；9为催化床层；10为侧面保护壁；11为反应器基体；12为过滤装置；13为冷却套；14为脱盐装置二；15为过渡通道；16为均布板；17为一回程混合空腔；18为掺混水预热器；19为一回程保护壁；20为物料预热器；21为二回程反应空腔；22为三回程换热空腔；23为反应器底盖。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明的一种预热、催化、脱盐一体化超临界水反应器，包括反应器端盖6、反应器基体11及反应器底盖23，其中：
在反应器端盖6内壁面紧贴设置端盖保护壁7，且在反应器端盖6上设置有分别用于向反应器基体11内部腔室输送热掺混水、氧气、物料和冷却水的送料装置，在反应器端盖6中轴位置还设有搅拌装置和悬吊于搅拌装置上的脱盐装置；
在反应器基体11内部由内到外同轴套设有混合空腔、反应空腔和换热空腔，反应空腔和换热空腔之间通过过渡通道15连通，在混合空腔的内壁面和换热空腔的内壁面均紧贴设置保护壁，在换热空腔内由上至下分布有掺混水预热器18、催化床层9和物料预热器20；
在反应器底盖23壳侧设有反应后流体出口N16，底部设有盐产物出口，在反应器底盖23外壁还设有冷却水结构。
优选地，混合空腔的数量为一个，反应空腔和换热空腔的数量为一个或多个，混合空腔为类圆柱形空腔，反应空腔和换热空腔为圆柱形空腔。
具体地，在本发明的一个应用实施例中，反应器基体11由圆底套筒分割为一回程混合空腔17、二回程反应空腔21和三回程换热空腔22顺次连通的三个腔体，在一回程混合空腔17的内壁面紧贴设置一回程保护壁19，在三回程换热空腔22的内壁面紧贴设置侧面保护壁10，侧面保护壁出口N14和侧面保护壁入口N15与侧面保护壁10构成U型通路。
优选地，在反应器端盖6上设置的送料装置，具体通过设置各种送料口与开设送料通道来实现，具体地，在反应器端盖6顶部分布有阶梯状凸台，由上到下依次分布着加热掺混水入口N1、氧气一入口N2、热物料一入口N3和热物料二入口N4，其分别与掺混水入口螺旋通道2、氧气一螺旋通道3、热物料一螺旋通道4、热物料二通道5及其对应的环形空腔和喷射通道连接。最底层凸台一侧设置有氧气二入口N5和一回程保护壁入口N6。预热掺混水出口N7、端盖冷却水入口N8、物料入口N9、一回程保护壁出口N10、端盖冷却水出口N11、预热掺混水入口N12和物料出口N13分布在端盖的两侧。
优选地，加热掺混水入口N1、氧气一入口N2、侧面保护壁入口N15为水平入口；氧气二入口N5为垂直入口。
优选地，在反应器端盖6中轴位置还设有搅拌装置和悬吊于搅拌装置上的脱盐装置，搅拌装置采用电动搅拌设备，即在阶梯状凸台的顶部设置搅拌电机1，搅拌电机1下方伸入反应器基体11内部的搅拌轴上设置有脱盐装置，脱盐装置包括两个，分别是设置在一回程混合空腔17中的脱盐装置一8，和设置在三回程换热空腔22中的脱盐装置二14，脱盐装置一8和脱盐装置二14均悬吊于阶梯状凸台中轴线处。
进一步优选地，脱盐装置一8和脱盐装置二14可以但不限于搅拌刮刷、刮刀等机械除盐装置。
所述冷却水结构包括嵌套设置在反应器底盖23外侧的冷却套13，冷却套13上开设冷却水入口N19和冷却水出口N17，冷却套13与冷却水入口N19和冷却水出口N17构成冷却水通路。
优选地，端盖冷却水入口N8、端盖保护壁7和端盖冷却水出口N11构成通路，预热掺混水入口N12、掺混水预热器18和预热掺混水出口N7构成通路，物料入口N9、物料预热器20、物料出口N13构成通路。
优选地，端盖保护壁7、侧面保护壁10和一回程保护壁19的形式不限于膜式壁、水冷壁、换热盘管等可以实现壁面温度保护的换热元件。
优选地，均布板16位于三回程换热空腔22的上部，紧挨掺混水预热器18。
优选地，掺混水预热器18和物料预热器20不限于盘管式、螺旋管式、蛇形管式或带整体翅片的换热器，其层数和高度由换热能力计算决定。
根据该结构，本发明可实现高浓有机废液处理效率高、能量梯级利用和低品位热能的高效利用的效果，其工作过程为：
一股常温高压下的掺混水从反应器端盖6的端盖冷却水入口N8进入反应器端盖6内侧的端盖保护壁7，与反应器端盖6进行换热，温度升高后完成第一级预热。第一级预热完成后的掺混水从端盖冷却水出口N11中流出，通过外接的管道依次经过一回程保护壁入口N6进入一回程保护壁19，通过与一回程混合空腔17的壁面进行换热，温度迅速升高，完成掺混水的二级预热后从一回程保护壁出口N10流出；二级预热后的掺混水经过一回程膜式壁出口N10旁边的预热掺混水入口N12进入掺混水预热器18，与三回程换热空腔22中的高温反应后流体进行快速高效换热，温度进一步升高，实现掺混水的三级预热。此时如果三级预热后温度达到设定温度，则不需要外加热源即可实现掺混水的加热，具体通过换热计算确定；如果未达到设定温度，则可适当添加少数外加热源(比如添加单独的电加热、电磁感应加热或者燃气炉加热，达到设定温度)实现掺混水的加热。达到设定温度的掺混水通过预热掺混水出口N7流出。
一股常温高压下的高浓有机废液物料从物料入口N9通过进入物料预热器20，与三回程换热空腔22中的反应后高温流体进行换热，温度迅速升高，实现物料的有效预热。
完成三级预热后达到设定温度的掺混水通过加热掺混水入口N1进入环形的掺混水入口螺旋通道2并流入其对应空腔中；完成预热的高浓有机废液物料被分离为两路，分别从热物料一入口N3、热物料二入口N4进入热物料一螺旋通道4和热物料二通道5，并流入相应的空腔。热物料、掺混水和氧气通过环形空腔的通道实现了多角度和多方位快速高效混合并流入一回程混合空腔17中，脱盐装置一8的设置防止了在一回程混合空腔17中壁面的盐沉积，同时其搅拌作用实现了一回程混合空腔17温度场和浓度场的均匀和稳定。
混合后的流体进入二回程反应空腔21，通过氧化作用将高浓有机废液中的有机物完全氧化为清洁的H2O、CO2和N2等物质，S、P等转化为最高价盐类稳定化，重金属氧化稳定固相存在于灰分中，在此过程中催化床层的设置提高了复杂有机物的转化率并降低了反应所需的温度。
反应后流体通过过渡通道15进入三回程换热空腔22，均布板16的设置避免了换热过程中流体温度场和浓度场不均匀的问题。高温反应后流体与掺混水预热器18中的低温掺混水和物料预热器20中的低温物料进行换热，实现了高温热量的利用，温度大幅度降低后再通过与反应器底盖23锥面的冷却套13中的冷却水进行换热，降温到常温后液相产物通过过滤装置12从反应后流体出口N16流出，而含盐的固相产物从盐产物出口N18流出后被收集后用于二次利用。脱盐装置二14的设置防止了过滤装置12和锥底壁面的盐沉积。
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 (10)

1.一种预热、催化、脱盐一体化超临界水反应器，其特征在于，包括反应器基体(11)，在反应器基体(11)顶部设有反应器端盖(6)，底部设有反应器底盖(23)；
在反应器端盖(6)内壁面紧贴设置端盖保护壁(7)，且在反应器端盖(6)上设置有分别用于向反应器基体(11)内部腔室输送热掺混水、氧气、物料和冷却水的送料装置，在反应器端盖(6)中轴位置还设有搅拌装置和悬吊于搅拌装置上的机械除盐装置；
在反应器基体(11)内部由内到外同轴套设有混合空腔、反应空腔和换热空腔，反应空腔和换热空腔之间通过过渡通道(15)连通，在混合空腔的内壁面和换热空腔的内壁面均紧贴设置保护壁，在换热空腔内由上至下分布有掺混水预热器(18)、催化床层(9)和物料预热器(20)；
在反应器底盖(23)壳侧设有反应后流体出口(N16)，底部设有盐产物出口(N18)，在反应器底盖(23)外壁还设有冷却水结构。
2.根据权利要求1所述的预热、催化、脱盐一体化超临界水反应器，其特征在于，所述混合空腔的数量为一个，反应空腔和换热空腔的数量为一个或多个，混合空腔为类圆柱形空腔，反应空腔和换热空腔为圆柱形空腔。
3.根据权利要求2所述的预热、催化、脱盐一体化超临界水反应器，其特征在于，反应器基体(11)内部由内到外同轴套设有一回程混合空腔(17)、二回程反应空腔(21)和三回程换热空腔(22)，在三回程换热空腔(22)上部紧挨掺混水预热器(18)设置均布板(16)；
在一回程混合空腔(17)的内壁面紧贴设置一回程保护壁(19)，在三回程换热空腔(22)的内壁面紧贴设置侧面保护壁(10)，侧面保护壁出口(N14)和侧面保护壁入口(N15)与侧面保护壁(10)构成U型通路。
4.根据权利要求3所述的预热、催化、脱盐一体化超临界水反应器，其特征在于，所述反应器端盖(6)顶部设有阶梯状凸台，在阶梯状凸台上由上至下依次开设有加热掺混水入口(N1)、氧气一入口(N2)、热物料一入口(N3)和热物料二入口(N4)，上述入口分别对应通向混合腔的掺混水入口螺旋通道(2)、氧气一螺旋通道(3)、热物料一螺旋通道(4)和热物料二通道(5)；
阶梯状凸台上最底层凸台上开设有氧气二入口(N5)和一回程保护壁入口(N6)，在反应器端盖(6)两侧还设有预热掺混水出口(N7)、端盖冷却水入口(N8)、物料入口(N9)、一回程保护壁出口(N10)、端盖冷却水出口(N11)、预热掺混水入口(N12)和物料出口(N13)。
5.根据权利要求4所述的预热、催化、脱盐一体化超临界水反应器，其特征在于，所述端盖冷却水入口(N8)、端盖保护壁(7)和端盖冷却水出口(N11)构成通路；预热掺混水入口(N12)、掺混水预热器(18)和预热掺混水出口(N7)构成通路；物料入口(N9)、物料预热器(20)和物料出口(N13)构成通路。
6.根据权利要求4所述的预热、催化、脱盐一体化超临界水反应器，其特征在于，所述加热掺混水入口(N1)、氧气一入口(N2)和侧面保护壁入口(N15)为水平入口；氧气二入口(N5)为垂直入口。
7.根据权利要求1所述的预热、催化、脱盐一体化超临界水反应器，其特征在于，所述冷却水结构包括嵌套设置在反应器底盖(23)外侧的冷却套(13)，冷却套(13)上开设冷却水入口(N19)和冷却水出口(N17)，冷却套(13)与冷却水入口(N19)和冷却水出口(N17)构成冷却水通路。
8.根据权利要求1～7中任意一项所述的预热、催化、脱盐一体化超临界水反应器，其特征在于，端盖保护壁(7)以及混合空腔的内壁面和换热空腔的内壁面均紧贴设置的保护壁采用膜式壁、水冷壁或换热盘管；掺混水预热器(18)和物料预热器(20)采用螺旋管式、蛇形管式或带整体翅片的换热器，层数和高度根据换热能力计算调整。
9.根据权利要求1～7中任意一项所述的预热、催化、脱盐一体化超临界水反应器，其特征在于，在三回程换热空腔(22)底部侧壁还设有过滤装置(12)，降温到常温后液相产物通过过滤装置(12)后由反应后流体出口(N16)流出，含盐的固相产物从盐产物出口(N18)流出。
10.根据权利要求1～7中任意一项所述的预热、催化、脱盐一体化超临界水反应器，其特征在于，所述悬吊于搅拌装置上的机械除盐装置有两个，一个设置在混合空腔中，一个设置在换热空腔中；机械除盐装置采用搅拌刮刷或刮刀。
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