利用輔助燃料補給熱量的超臨界水氧化反應器的制作方法

專利名稱：利用輔助燃料補給熱量的超臨界水氧化反應器的制作方法
技術領域：
利用輔助燃料補給熱量的超臨界水氧化反應器所屬領域本實用新型屬于環境保護及化工領域，特別涉及利用超臨界水作為反應介質對高濃度難生化降解的有機廢水/垃圾滲濾液等廢有機液體進行無害化處理過程的一種超臨界水處理反應器。
背景技術：
超臨界水是指溫度和壓力均高于其臨界點(T = 374. 2°C，P = 22. IMPa)的特殊狀態的水。超臨界水兼具液態和氣態水的性質，介電常數近似于非極性有機溶劑，具有高的擴散系數和低的粘度。在此狀態下，有機物、氧氣能按最大比例與超臨界水互溶，從而使非均相反應變為均相反應，大大減小了傳質、傳熱的阻力。而無機鹽類在超臨界水中的溶解度極低，容易將其分離出來。因此超臨界水這種可連續變化的密度、低靜電介質常數、低粘滯度的特性使其成為一種具有高擴散能力、高溶解性的理想反應介質。可以利用其溫度與壓力的變化來控制反應環境、協調反應速率與化學平衡、調節催化劑的選擇性等。超臨界水氧化技術(Supercritical Water Oxidation，簡稱SCW0)是利用水在超臨界狀態下所具有的特殊性質，使有機物和氧化劑在超臨界水中迅速發生氧化反應來徹底分解有機物，將其完全轉化成無害的C02、H2和H2O等小分子化合物。SCWO技術對于處理那些難消毀的有毒有害物質(如染料廢物、制藥廢物、潤滑劑廢物、含PCBs的絕緣油、放射性混合廢物、多氯聯苯、易揮發性酸等)、高濃度難降解的有機廢物(污泥、造紙廠料漿等)、軍用毒害物質(化學武器，火箭推進劑，炸藥等)具有獨特的效果。雖然超臨界水處理技術已經取得了很大進步，關于應用超臨界水技術的試驗裝置和商業裝置，目前國內外已有相關報道，但是仍有待解決反應器中鹽沉積引起的堵塞問題、 高腐蝕速率問題、以及運行經濟性等問題，具體表現在1)材料腐蝕問題。由于超臨界水反應裝置處于高溫、高壓條件下，尤其是有機物中含有鹵素、硫或磷等，在超臨界水中分解后會產生酸，引起設備的強烈腐蝕；即使具有較好耐蝕性的鎳基材料，在超臨界水中，特別是在亞臨界水中，仍容易遭受嚴重的腐蝕。2)鹽沉積問題。常溫下水對大多數鹽來說是一種優良溶劑，溶解度較大。相反，大部分鹽在低密度的超臨界水中溶解度極小。當亞臨界溶液被迅速加熱到超臨界溫度時，由于鹽的溶解度大幅度降低，有大量沉淀析出，沉積的鹽會引起反應器進出口管路堵塞，這不僅影響了反應器的正常運行，還會帶來潛在的設備隱患。3)經濟性問題。雖然SCWO過程是一個放熱反應，當有機物的質量分數達到2 3%時就能實現自熱，但在設備啟動過程中依然需要外部熱源對其進行補熱。目前國外的超臨界水氧化設備的加熱方式絕大部分采用電加熱形式，這不僅造成設備投資費用巨大，而且對此項技術的大規模工業化應用造成了巨大障礙。
發明內容本實用新型的目的是提供一種利用輔助燃料作為補給反應熱量的方法以解決超臨界水氧化過程能量補給的問題的新結構超臨界水氧化反應器，進而提高裝置運行過程的經濟性。除此之外，要求該反應器方便拆裝，容易裝載和更換催化劑，易于檢修和維護，能夠安全可靠運行，具有多功能性。為達到以上目的，本實用新型是采取如下技術方案予以實現的一種利用輔助燃料補給熱量的超臨界水氧化反應器，包括釜體及其中的催化劑箱，其特征在于，釜體上端固聯有端蓋，端蓋與催化劑箱箱頂上方之間的空間為高溫燃燒區，催化劑箱下方為鹽分離區；釜體底部中心設有固體鹽排出口，固體鹽排出口上方為亞臨界溶鹽區；釜體底部設有產物出口、與亞臨界溶鹽區連通的冷卻水入口和液體鹽排出口 ； 端蓋上設置冷空氣入口和物料入口通過軸向孔道與高溫燃燒區連通；端蓋上設有輔助燃料補給結構與端蓋內的高溫燃燒區聯通；催化劑箱固定在一個中心管的垂直段周圍，中心管的傾斜段與釜體底部的產物出口連通；靠近釜體內壁設置有筒狀多孔蒸發壁。上述方案中，所述輔助燃料補給結構包括端蓋中心設置的燃料芯管，軸向伸進端蓋于高溫燃燒區上方；燃料芯管外周與端蓋之間有環隙，端蓋側面開有熱空氣入口通過水平孔道與環隙聯通；燃料芯管伸進端蓋部分管壁外側設有螺旋翅片。在端蓋下面可設置端蓋冷卻環槽，包括用于空氣冷卻的內環槽和用于物料冷卻的外環槽，內環槽底面有兩圈孔，內圈孔向下斜向燃料芯管方向，外圈孔向下斜向多孔蒸發壁方向；外環槽底面有一圈孔向下斜向燃料芯管方向。所述的燃料芯管下端出口為盲孔結構，燃料流出盲孔時通過管壁四周斜下方向的 4個開孔向四周形成射流。所述催化劑箱為筒體，該筒體底部入口和筒體頂部出口均為多孔圓板，其頂部多孔圓板上設可拆卸的球形箱蓋。與現有的超臨界水氧化反應器相比，本實用新型的優點在于1、本實用新型針對燃料燃燒后可能產生的高溫，設置多流通管道的反應器端蓋。 冷態氧化劑和物料都能對反應器端蓋起到冷卻作用。進一步的，在反應器端蓋下方設置冷卻環槽，可將高溫燃燒區和端蓋下平面有效隔離開。并在冷卻環槽下面布置有不同方向的導流孔，使燃料、氧化劑以及物料從不同角度在燃燒區實現充分的射流對撞，促進燃料的高效混合和燃燒，不僅能有效的補給反應所需的熱量，而且燃燒時放出的高溫能夠有效地對氨氮等難降解物質進行徹底分解。2、本實用新型端蓋周側開有熱空氣入口通過水平方向孔道與燃料芯管外側和端蓋之間的環隙連通，作為高溫氧化劑輸送管路。芯管下部設有螺旋翅片，底部出口為盲孔結構，使燃料斜向下部四周進行噴射，擴大燃燒面積，高效實現與氧化劑流體的射流對撞。3、在反應器底部設置冷卻水入口，通過調節冷卻水流量大小，可精確控制排鹽區溫度。同時當反應器底部脫鹽管道發生堵塞，可以通過調節冷卻水流量以提高底部鹽的溶解性；當發生反應器超溫、超壓事故時，可以通入冷卻水快速降低反應器內部溫度和壓力， 確保設備的安全運行。4、在反應器內部設置催化劑箱及球形箱蓋并由焊接的形式固定在中心管上，催化劑箱入口和出口均為多孔板。反應器端蓋和內設置催化劑箱的釜體結合后形成的密封空間，形成多折流式結構，能夠克服管式反應器尺寸長的缺點，有效利用反應釜體內容積，增加反應時間。[0021]本實用新型公開的燃料補給熱量的超臨界水氧化反應器，可以廣泛應用于高濃度、難生化降解的有機廢水/垃圾滲濾液等廢有機液體的無害化處理和資源化利用過程。

圖1為本實用新型利用輔助燃料補給熱量的超臨界水處理反應器的結構示意圖。其中1、緊固螺栓；2、催化劑箱；3、釜體；4、多孔蒸發壁；5、液體鹽排出口；6、固體鹽排出口 ；7、產物出口 ；8、冷卻水入口 ；9、蒸發壁水入口 ；10、端蓋冷卻環槽；11、熱空氣入口 ； 12、燃料芯管；13、冷空氣入口 ；14、物料入口 ；15、端蓋；16、高溫燃燒區；17、亞臨界溶鹽區； 18、脫鹽區測溫套管；19、蒸發壁環腔測溫套管；20、反應器端蓋測溫套管；21、鹽分離區； 22、中心管。
具體實施方式
如圖1所示，一種利用輔助燃料補給熱量的超臨界水氧化反應器，由端蓋15和釜體3通過緊固螺栓1結合形成密閉反應空間。端蓋15與催化劑箱圓頂上方之間的空間為高溫燃燒區16，催化劑箱下方區域為鹽分離區21，釜體底部中心設有固體鹽排出口 6，其上方區域為亞臨界溶鹽區17。燃料芯管12沿端蓋軸向布置于端蓋中心孔，通過螺紋密封固定于端蓋內，燃料芯管內為燃料(甲醇)輸送管道，其下端伸出端蓋并達到高溫燃燒區16上方。燃料芯管下端出口設計成盲孔結構，燃料流出盲孔時通過管壁四周斜下方向的4個開孔向四周形成射流。以擴大燃燒面積。端蓋周側開有熱空氣入口 11通過水平方向孔道與燃料芯管12外側和端蓋之間的環隙連通，作為高溫氧化劑(熱空氣或氧氣)輸送管路。燃料芯管采用耐腐蝕、耐高溫合金材質，燃料芯管伸進端蓋部分管壁外側設有螺旋翅片(圖中未畫出)，使氧化劑(空氣或氧氣)流體產生旋流以促進其與燃料的高效混合，同時可方便芯管的安裝和定位。端蓋上還設置冷空氣入口 13 (沿端蓋中心孔四周均布四個)、物料入口 14 (沿端蓋中心孔外周均布四個)，通過軸向孔道與高溫燃燒區16連通， 低溫氧化劑(冷空氣或氧氣)通過冷空氣入口 13流入反應器。冷態物料由物料入口 14進入反應器內。冷態物料和低溫氧化劑都能起到端蓋冷卻的作用。端蓋上開有鎧裝熱電偶的端蓋測溫套管20軸向伸進端蓋內，以測量反應區域溫度。為了防止高溫燃燒區16可能放出過高的熱量而造成端蓋超溫的安全隱患，在反應器端蓋15下方設置端蓋冷卻環槽10。環槽焊接在端蓋下方，內環槽為空氣冷卻環槽(相對冷空氣入口通道)，環槽底部有兩圈孔道，內圈孔向下斜向燃料芯管方向，外圈孔斜向多孔蒸發壁方向，前者提供給燃料二次風，保證燃料充分燃燒，后者提供給物料進行完全或部分氧化；外環槽為物料冷卻環槽(相對物料入口通道)，底面有一圈孔向下斜向燃料芯管方向，使低溫物料對火焰區進行有效包裹，降低高溫流體對蒸發壁所造成的影響，也可對端蓋進行有效冷卻。反應器端蓋設置測溫套管20并內置鎧裝熱電偶進行溫度測量。此結構能夠使物料、冷態氧化劑、高溫氧化劑以及燃料流體從不同方向形成射流對撞，進行高效混和并形成高溫區，有利于難氧化物質(例如氨氮等)的去除。靠近釜體3內壁設置有筒狀多孔蒸發壁4，釜體外側設置有蒸發壁入水口 9和測溫套管19連通至多孔蒸發壁與釜體內壁所形成的環腔中。潔凈水預熱后從蒸發壁水入口9進入蒸發壁環腔后，穿過多孔蒸發壁并在內側形成均勻水膜，能夠有效的防止鹽沉積和腐蝕。測溫套管19內置鎧裝熱電偶來測量和監測反應器釜體壁溫、蒸發壁壁溫以及反應器內部反應流體的溫度分布，以實現后續反應條件的調節、溫度的梯度分布和安全控制。催化劑箱2固定在中心管22垂直段周圍，中心管的傾斜段與釜體底部的產物出口 7連通。催化劑箱2為筒體，底部入口和頂部出口均為多孔圓板。其頂部出口多孔圓板上方設置可以方便拆卸的球形箱蓋，采用螺釘固定于催化劑箱筒體上。該球形箱蓋上方可設置有吊環，方便催化劑更換時的機械作業。箱蓋將燃燒區和催化區隔離開，而且使反應流體在燃燒區所放出的熱量能夠有效地對箱蓋內流體進行補熱，以滿足流程工藝要求。釜體3底部設有冷卻水入口 8，可在反應過程中根據工藝條件調節冷卻水量以控制溶鹽區溫度。同時還有兩個作用(i)當反應器底部脫鹽管道發生堵塞，可以通過冷卻水的通入提高底部鹽的溶解性；(ii)當發生反應器超溫、超壓事故時，可以通入冷卻水快速降低反應器內部溫度和壓力，確保設備的安全運行。在亞臨界溶鹽區17附近和鹽分離區21 附近設置脫鹽區測溫套管18并內置鎧裝熱電偶深入到催化劑箱體底部的脫鹽區域，對鹽分離區21及儲鹽區17溫度進行檢測。釜體3底部中心出口為固體鹽排出口 6，根據實際操作情況，間歇式排出不溶解性鹽。溶解性鹽通過液體鹽排出口 5連續式排出反應器。本實用新型的具體工作過程是，燃料和氧化劑通過高溫預熱后分別通過燃料芯管 12和芯管外側環隙進入反應器內部。當溫度達到燃料起燃點時，燃料和氧化劑迅速燃燒放出大量熱。經過低溫預熱的物料和一部分不經過預熱的氧化劑分別通過物料入口 14和冷空氣入口 13進入反應器端蓋冷卻環槽10中。物料、氧化劑與燃料從不同方向進行射流、對撞，在燃燒區進行高效混合放熱。反應流體經過高溫燃燒區后，從催化劑箱外側和蒸發壁之間的環隙流向反應器下方，固體鹽在重力作用下與反應流體在脫鹽區21進行分離。進行重力除鹽過程后，流體由催化劑箱下端多孔圓板進入催化劑箱后向催化劑床層上部流動，經過催化氧化反應過程后，進入中心管22，由上至下通過產物出口 7流出反應器。分離后的固體鹽進入溶鹽區17，并通過底部的固體鹽排出口 6排出，溶解性鹽通過液體鹽排出口 5排出反應器。
權利要求1.一種利用輔助燃料補給熱量的超臨界水氧化反應器，包括釜體及其中的催化劑箱， 其特征在于，釜體上端固聯有端蓋，端蓋與催化劑箱箱頂上方之間的空間為高溫燃燒區，催化劑箱下方為鹽分離區；釜體底部中心設有固體鹽排出口，固體鹽排出口上方為亞臨界溶鹽區；釜體底部設有產物出口、與亞臨界溶鹽區連通的冷卻水入口和液體鹽排出口 ；端蓋上設置冷空氣入口和物料入口通過軸向孔道與高溫燃燒區連通；端蓋上設有輔助燃料補給結構與端蓋內的高溫燃燒區聯通；催化劑箱固定在一個中心管的垂直段周圍，中心管的傾斜段與釜體底部的產物出口連通；靠近釜體內壁設置有筒狀多孔蒸發壁。
2.如權利要求1所述的利用輔助燃料補給熱量的超臨界水氧化反應器，其特征在于， 所述輔助燃料補給結構包括端蓋中心設置的燃料芯管軸向伸進端蓋于高溫燃燒區上方；燃料芯管外周與端蓋之間有環隙，端蓋側面開有熱空氣入口通過水平孔道與環隙聯通；燃料芯管伸進端蓋部分管壁外側設有螺旋翅片。
3.如權利要求1所述的利用輔助燃料補給熱量的超臨界水氧化反應器，其特征在于， 在端蓋下面設置端蓋冷卻環槽，包括用于空氣冷卻的內環槽和用于物料冷卻的外環槽，內環槽底面有兩圈孔，內圈孔向下斜向燃料芯管方向，外圈孔向下斜向多孔蒸發壁方向；外環槽底面有一圈孔向下斜向燃料芯管方向。
4.如權利要求2所述的利用輔助燃料補給熱量的超臨界水氧化反應器，其特征在于， 所述的燃料芯管下端出口為盲孔結構，燃料流出盲孔時通過管壁四周斜下方向的4個開孔向四周形成射流。
5.如權利要求1所述的利用輔助燃料補給熱量的超臨界水氧化反應器，其特征在于， 所述催化劑箱為筒體，該筒體底部入口和筒體頂部出口均為多孔圓板，其頂部多孔圓板上設可拆卸的球形箱蓋。
專利摘要本實用新型公開了一種利用輔助燃料補給熱量的超臨界水氧化反應器，能夠利用輔助燃料補給反應所需熱量，通過不同方向的射流使物料、燃料以及氧化劑(空氣或氧氣)進行高效混合以提高其氧化效率。該反應器采用蒸發壁和罐式回流結合的結構，不僅可以有效利用反應釜容積，增加反應時間，而且可以防止鹽沉積引起的堵塞問題，有效降低反應器腐蝕問題。通過反應器底部的冷卻水管道可以對反應器底部溫度進行精確調控，確保設備的安全運行。該反應器能夠通過輔助燃料補給有效解決超臨界水反應系統經濟性的問題，易于工業放大，可以廣泛應用于高濃度、難生化降解的有機廢水/垃圾滲濾液等有機液體進行無害化處理過程。
文檔編號C02F1/72GK202131145SQ20112019284
公開日2012年2月1日 申請日期2011年6月9日 優先權日2011年6月9日
發明者公彥猛, 唐興敏, 張潔, 徐東海, 王樹眾, 郭洋 申請人:西安交通大學