一種易放大的超臨界水氧化處理裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種易放大的超臨界水氧化處理裝置，通過將富氧膜組件與超臨界水氧化系統耦合，有效地解決了采用空氣作為氧化劑時因壓縮大量氮氣而導致運行成本過高及大型高壓空壓機難以采購的問題；同時選擇具有經濟性規格的超臨界水反應器進行并聯，巧妙實現超臨界水反應器的放大和確保了系統的安全穩定；系統熱量逐級充分回收利用，末端采用空冷技術確保溫度降低；系統出水采用反滲透膜組件產生純水，部分用于產蒸汽，富余部分用于外供生活或生產，實現了水資源的充分回收利用。巧妙實現了整體裝置的放大，增強了超臨界水氧化處理裝置的規模化效應，提升了該技術的整體經濟性，有助于推動該技術的大規模應用。
【專利說明】
一種易放大的超臨界水氧化處理裝置
技術領域
[0001]本發明屬廢有機物處理技術，涉及一種利用超臨界水作為反應介質對高濃度有機廢水進行無害化處理的裝置，具體是一種易放大的超臨界水氧化處理裝置。
【背景技術】
[0002]超臨界水氧化技術(Supercritical Water Oxidat1n，簡稱SCW0)已被公認為是非常高效和有前途的廢有機物去除技術，美國國家關鍵技術六大領域之一“能源與環境”指出，二十一世紀最有前途的有機廢物處理技術之一是超臨界水氧化技術。該技術利用有機物和氧化劑在超臨界水中特殊的溶解和傳質特性，有機物在氧化劑足量的環境中進行均相，迅速、徹底地反應，從而實現機物的徹底降解，最終為H2OXO2和無機鹽。該技術主要應用于高毒性、高濃度、難生化降解的有機廢水的處理，具有無二次污染，能實現自熱，能量回收及反應迅速等突出優勢，有光明的發展前景。
[0003]超臨界水氧化裝置采用空氣作為氧化劑較為安全、經濟和便捷，但是采用空氣作為氧化劑由于需要壓縮大量的氮氣，會造成的巨大能耗，一方面導致運行費用的增高，另一方面同時具有大吸氣量和高壓壓縮能力的壓縮機難以采購;再者，目前建成的超臨界水氧化裝置很少報道有超過300t/d，而通常廢水量很大，廢水處理量大需要大容積的反應器，而超臨界水氧化的高溫高壓反應器難以制造大尺寸。以上三點均增加了投資成本、大規模制造難度及增加了運行成本，影響超臨界水氧化技術的規模化效應，嚴重制約了超臨界水氧化技術大規模應用。
[0004]鑒于SCWO實際應用過程中面臨難以放大，規模效應差的問題，重點需要解決反應器的放大和空氣壓縮機的問題，放大后的系統能形成規模效應，進而有效降低SCWO的運行成本和投資成本，大規模地推廣應用。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是克服SCWO系統難以放大，規模效應差的缺點，設計時面臨高投資和高運行成本的問題，提供一種易放大的超臨界水氧化處理裝置，可以廣泛應用于有機廢水的高效、低成本無害化處理。
[0006]本發明解決上述技術問題的技術方案如下:
[0007]—種易放大的超臨界水氧化處理裝置由空氣進口管1、富氮空氣出口管2、富氧膜組件3、富氧空氣出口管4、高壓氣體壓縮機5、第一預熱器6、高壓廢水栗7、加熱器8、第二預熱器9、第一混合器10、第二混合器11、第一超臨界水反應器12、第二超臨界水反應器13、第三超臨界水反應器14、凈水栗15、回熱器16、外供蒸汽出口管17、凈水管路18、降壓閥19、空冷器20、氣液分離器21、反滲透膜組件22、回用凈水出口管23、無害濃鹽水外排出口管24、第一電動截止閥25、第二電動截止閥26組成。
[0008]1.各部件的結構如下:
[0009]所述富氧膜組件3設有空氣進口、富氮空氣出口、富氧空氣出口。所述第一預熱器6為管式換熱器，設有管側進口、管側出口和殼側進口、殼側出口。所述加熱器8為管式換熱器設有殼側高壓廢水進口和殼側高壓廢水出口。所述第二預熱器9為管式換熱器，設有管側進口、管側出口和殼側進口、殼側出口。所述第一混合器10設有富氧空氣進口、高壓熱廢水進口和氣水混合物出口。所述第二混合器11設有第一反應器反應物進口、第二反應器反應物進口、第三反應器反應物進口和反應物出口。所述第一超臨界水反應器12、第二超臨界水反應器13、第三超臨界水反應器14分別設有氣水混合物進口和反應物出口。所述回熱器16為管式換熱器，設有管側進口、管側出口和殼側進口、殼側出口；所述氣液分離器21頂部設有二氧化碳和氮氣排氣口、上中部設有降壓冷卻后反應物進口和底部液體出口。所述反滲透膜組件22設有液體進口、凈水出口、回用凈水出口和無害濃鹽水出口。
[0010]2.各部件的連接方式如下:
[0011 ]空氣進口管I與富氧膜組件3的空氣入口連接，富氧膜組件3的富氧空氣出口與富氧空氣出口管4的一端連接，富氧空氣出口管4的另一端與高壓氣體壓縮機5的進口連接，富氧膜組件3的富氮空氣從富氮空氣出口管2排出，高壓氣體壓縮機5的出口與第一預熱器6的管側進口連接。
[0012]廢水進入高壓廢水栗7，高壓廢水栗7出口通過第二電動截止閥26與第二預熱器9的管側進口連接或通過第一電動截止閥25與加熱器8的殼側高壓廢水進口連接，加熱器8的殼側高壓廢水出口與第二預熱器9的管側進口連接。
[0013]第一預熱器6的管側出口與第一混合器10的富氧空氣進口連接，第二預熱器9的管側出口與第一混合器10的高壓廢熱水進口連接，第一混合器10的氣水混合物出口分別與第一超臨界水反應器12、第二超臨界水反應器13和第三超臨界水反應器14的氣水混合物進口連接，第一超臨界水反應器12、第二超臨界水反應器13和第三超臨界水反應器14的反應物的出口分別與第二混合器11的第一超臨界水反應器反應物進口、第二超臨界水反應器反應物進口、第三超臨界水反應器反應物進口連接。
[0014]第二混合器11的反應物出口與一預熱器6的殼側進口連接，一預熱器6的殼側出口與第二預熱器9的殼側進口連接，第二預熱器9的殼側出口與回熱器16的管側進口連接，第二預熱器9的管側出口與降壓閥19進口連接，降壓閥19出口與空冷器20進口連接;空冷器20出口與氣液分離器21上中部降壓冷卻后反應物進口連接。
[0015]氣液分離器21底部液體出口與反滲透膜組件22的液體進口連接，反滲透膜組件22的凈水出口通過凈水管路18與凈水栗15進口連接，凈水栗15出口與回熱器16的殼側進口連接，回熱器16的殼側出口與外供蒸汽出口管17連接;反滲透膜組件22的凈水出口與回用凈水出口管23連接，反滲透膜組件22的無害濃鹽水出口與無害濃鹽水外排出口管24連接。
[0016]上述的空氣作為氧化劑在進入氣體壓縮機5前先經過富氧膜組件3處理成富氧空Ho
[0017]上述的超臨界水反應器由第一超臨界水反應器12、第二超臨界水反應器13、第三超臨界水反應器14并聯，其反應器可以是釜式或管式。
[0018]上述的經超臨界水氧化處理裝置處理后的水經反滲透膜組件22處理后產生凈水和蒸汽供外用。
[0019]上述的經超臨界水氧化處理裝置的加熱器16，可以是電加熱、燃油加熱或燃氣加熱。
[0020]上述的裝置的熱量實現整體逐級回收，且采用空氣冷卻，確保進入氣液分離器21的流體充分降溫冷卻，便于調節。
[0021 ]本發明裝置的主要優點如下:
[0022]1.本發明解決了高壓空氣壓縮機的放大問題，隨著系統的放大，需氧化劑的量也會隨之上升，而采用空氣作為氧化劑具有安全、便捷和經濟的優勢，而當高壓壓縮機需要壓縮大量空氣時，在壓縮氧氣的同時也壓縮了大量的氮氣，大量的電能都消耗在壓縮氮氣上，導致運行成本的增加，而高壓且進氣量大的壓縮機難以采購，且采購成本高。若采用富氧膜組件在空氣進高壓氣體壓縮機前提高空氣中氧氣的濃度，則能減少氣體壓縮機的進氣量，使高壓壓縮機更易采購，且減少了壓縮氮氣的電耗，提高系統運行的經濟性。
[0023]2.本發明解決了反應器的放大問題，隨著系統的放大，同樣反應停留時間需要反應器容積會增大，而超臨界水反應器為高溫高壓設備，如果容積過大，會導致壁厚迅速增加，壁厚的增加會增加加工制造難度和制造成本，另一方面尺寸過大的反應器也會增加系統的危險性。而若采用若干小的反應器并聯即可避免制造過大尺寸的反應器，同時又保證了反應停留時間，在解決了系統的放大關鍵問題的同時提升了系統的安全性。
[0024]3.利用反滲透膜組件處理后出水，產生純水回用，部分供系統產蒸汽，另一部分回用生產或生活，實現水資源內部循環，不消耗外部新鮮水，提高了系統的環保性和經濟性。
[0025]以上優點，在滿足廢水整體處理效果的前提下，實現了系統處理能力的放大，有效降低系統的運行成本。
【附圖說明】
[0026]下面結合附圖及【具體實施方式】對本發明作進一步的詳細說明。
[0027]圖1是本發明一種易放大的超臨界水氧化處理裝置的結構示意圖。
[0028]圖中:空氣進口管1、富氮空氣出口管2、富氧膜組件3、富氧空氣出口管4、高壓氣體壓縮機5、第一預熱器6、高壓廢水栗7、加熱器8、第二預熱器9、第一混合器10、第二混合器U、第一超臨界水反應器12、第二超臨界水反應器13、第三超臨界水反應器14、凈水栗15、回熱器16、外供蒸汽出口管17、凈水管路18、降壓閥19、空冷器20、氣液分離器21、反滲透膜組件22、回用凈水出口 23、無害濃鹽水外排出口 24、第一電動截止閥25、第二電動截止閥26。
【具體實施方式】
[0029 ]下面結合附圖和具體實施對本發明作進一步描述。
[0030]—種易放大的超臨界水氧化處理裝置如圖1所示，一種易放大的超臨界水氧化處理裝置由空氣進口管1、富氮空氣出口管2、富氧膜組件3、富氧空氣出口管4、高壓氣體壓縮機5、第一預熱器6、高壓廢水栗7、加熱器8、第二預熱器9、第一混合器10、第二混合器11、第一超臨界水反應器12、第二超臨界水反應器13、第三超臨界水反應器14、凈水栗15、回熱器
16、外供蒸汽出口管17、凈水管路18、降壓閥19、空冷器20、氣液分離器21、反滲透膜組件22、回用凈水出口管23、無害濃鹽水外排出口管24、第一電動截止閥25、第二電動截止閥26組成。
[0031]1.各部件的結構如下:
[0032]所述富氧膜組件3設有空氣進口、富氮空氣出口、富氧空氣出口。所述第一預熱器6為管式換熱器，設有管側進口、管側出口和殼側進口、殼側出口。所述加熱器8為管式換熱器設有殼側高壓廢水進口和殼側高壓廢水出口。所述第二預熱器9為管式換熱器，設有管側進口、管側出口和殼側進口、殼側出口。所述第一混合器10設有富氧空氣進口、高壓熱廢水進口和氣水混合物出口。所述第二混合器11設有第一反應器反應物進口、第二反應器反應物進口、第三反應器反應物進口和反應物出口。所述第一超臨界水反應器12、第二超臨界水反應器13、第三超臨界水反應器14分別設有氣水混合物進口和反應物出口。所述回熱器16為管式換熱器，設有管側進口、管側出口和殼側進口、殼側出口；所述氣液分離器21頂部設有二氧化碳和氮氣排氣口、上中部設有降壓冷卻后反應物進口和底部液體出口。所述反滲透膜組件22設有液體進口、凈水出口、回用凈水出口和無害濃鹽水出口。
[0033]2.各部件的連接方式如下:
[0034]空氣進口管I與富氧膜組件3的空氣入口連接，富氧膜組件3的富氧空氣出口與富氧空氣出口管4的一端連接，富氧空氣出口管4的另一端與高壓氣體壓縮機5的進口連接，富氧膜組件3的富氮空氣從富氮空氣出口管2排出，高壓氣體壓縮機5的出口與第一預熱器6的管側進口連接。
[0035]廢水進入高壓廢水栗7，高壓廢水栗7出口通過第二電動截止閥26與第二預熱器9的管側進口連接或通過第一電動截止閥25與加熱器8的殼側高壓廢水進口連接，加熱器8的殼側高壓廢水出口與第二預熱器9的管側進口連接。
[0036]第一預熱器6的管側出口與第一混合器10的富氧空氣進口連接，第二預熱器9的管側出口與第一混合器10的高壓廢熱水進口連接，第一混合器10的氣水混合物出口分別與第一超臨界水反應器12、第二超臨界水反應器13和第三超臨界水反應器14的氣水混合物進口連接，第一超臨界水反應器12、第二超臨界水反應器13和第三超臨界水反應器14的反應物的出口分別與第二混合器11的第一超臨界水反應器反應物進口、第二超臨界水反應器反應物進口、第三超臨界水反應器反應物進口連接。
[0037]第二混合器11的反應物出口與一預熱器6的殼側進口連接，一預熱器6的殼側出口與第二預熱器9的殼側進口連接，第二預熱器9的殼側出口與回熱器16的管側進口連接，第二預熱器9的管側出口與降壓閥19進口連接，降壓閥19出口與空冷器20進口連接;空冷器20出口與氣液分離器21上中部降壓冷卻后反應物進口連接。
[0038]氣液分離器21底部液體出口與反滲透膜組件22的液體進口連接，反滲透膜組件22的凈水出口通過凈水管路18與凈水栗15進口連接，凈水栗15出口與回熱器16的殼側進口連接，回熱器16的殼側出口與外供蒸汽出口管17連接;反滲透膜組件22的凈水出口與回用凈水出口管23連接，反滲透膜組件22的無害濃鹽水出口與無害濃鹽水外排出口管24連接。
[0039]上述的空氣作為氧化劑在進入氣體壓縮機5前先經過富氧膜組件3處理成富氧空Ho
[0040]上述的超臨界水反應器由第一超臨界水反應器12、第二超臨界水反應器13、第三超臨界水反應器14并聯，其反應器可以是釜式或管式。
[0041 ] 上述的經超臨界水氧化處理裝置處理后的水經反滲透膜組件22處理后產生凈水和蒸汽供外用。
[0042]上述的經超臨界水氧化處理裝置的加熱器16，可以是電加熱、燃油加熱或燃氣加熱。
[0043]上述的裝置的熱量實現整體逐級回收，且采用空氣冷卻，確保進入氣液分離器21的流體充分降溫冷卻，便于調節。
[0044]本發明具體實施:
[0045]1.空氣經富氧膜組件3處理后，分為富氧空氣和富氮空氣，富氧空氣濃度達到35%以上，富氮空氣外排，富氧空氣由高壓氣體壓縮機5增壓至26MPa進入第一預熱器6，經預熱達到300°C?350°C后進入第一混合器10;
[0046]2.廢水經過高壓廢水栗7升壓至28MPa?29MPa后進入加熱器8，加熱器的熱源可以選擇電、天燃氣和燃油，且加熱器8僅在系統啟動時開啟，系統啟動后進料預熱采用反應后流體回熱，加熱器8關閉，預熱到400°C?450°C后進入第一混合器10，預熱后的空氣和廢水在第一混合器10混合后進入超臨界水反應器；
[0047]3.廢水和空氣在第一混合器10內混合后進入并聯的超臨界水反應器，單個超臨界水反應器處理量控制在50t/d以內，在超臨界水反應器內完成反應后再進入第二混合器11，混合后再進入第一預熱器6管側、第二預熱器9和回熱器殼側，反應后流體進入回熱器16管側回熱降溫至60 °C?80 °C，而后經過降壓閥19降低至1.2MPa?1.5MPa，降壓后的流體再經空冷器20冷卻降溫，確保進入氣液分離器21的流體溫度不超過60°C，在氣液分離器21分離后的氣體主要成分為二氧化碳和氮氣，由頂部排氣孔外排，液體部分由底部排液出口排液；
[0048]4)經超臨界水氧化處理系統處理后的干凈液體再進入反滲透膜組件22制取凈水，部分凈水由凈水栗15增壓后進入回熱器16產蒸汽外供，另一部分凈水通過回用凈水出口管23可外供生產或生活用水，實現富余熱量的回收和水資源的回用，濃縮產生的無害化濃鹽水從無害化濃鹽水排出管24外排或干化。
[0049]由此，可知本發明創新性地將富氧膜技術及采用反應器并聯手段引入超臨界水氧化處理系統，巧妙解決了困擾超臨界水氧化系統的規模效應差的問題，實現了整體裝置的放大，提升了系統的經濟性；同時利用反滲透技術產生純水，實現出水回收回用;整體系統并完成了熱量的充分回收利用，降低了運行成本。
【主權項】
1.一種易放大的超臨界水氧化處理裝置，其特征在于:由空氣進口管(I)、富氮空氣出口管(2)、富氧膜組件(3)、富氧空氣出口管(4)、高壓氣體壓縮機(5)、第一預熱器(6)、高壓廢水栗(7)、加熱器(8)、第二預熱器(9)、第一混合器(10)、第二混合器(11)、第一超臨界水反應器(12)、第二超臨界水反應器(13)、第三超臨界水反應器(14)、凈水栗(15)、回熱器(16)、外供蒸汽出口管(17)、凈水管路(18)、降壓閥(19)、空冷器(20)、氣液分離器(21)、反滲透膜組件(22)、回用凈水出口管(23)、無害濃鹽水外排出口管(24)、第一電動截止閥(25)、第二電動截止閥(26)組成: 1)各部件的結構如下: 所述富氧膜組件(3)設有空氣進口、富氮空氣出口、富氧空氣出口 ；所述第一預熱器(6)為管式換熱器，設有管側進口、管側出口和殼側進口、殼側出口；所述加熱器(8)為管式換熱器設有殼側高壓廢水進口和殼側高壓廢水出口；所述第二預熱器(9)為管式換熱器，設有管側進口、管側出口和殼側進口、殼側出口；所述第一混合器(10)設有富氧空氣進口、高壓熱廢水進口和氣水混合物出口 ；所述第二混合器(11)設有第一超臨界水反應器反應物進口、第二超臨界水反應器反應物進口、第三超臨界水反應器反應物進口和反應物出口；所述第一超臨界水反應器(12)、第二超臨界水反應器(13)、第三超臨界水反應器(14)分別設有氣水混合物進口和反應物出口；所述回熱器(16)為管式換熱器，設有管側進口、管側出口和殼側進口、殼側出口；所述氣液分離器(21)頂部設有二氧化碳和氮氣排氣口、上中部設有降壓冷卻后反應物進口和底部液體出口 ；所述反滲透膜組件(22)設有液體進口、凈水出口、回用凈水出口和無害濃鹽水出口 ； 2)各部件的連接方式如下: 空氣進口管(I)與富氧膜組件(3)的空氣入口連接，富氧膜組件(3)的富氧空氣出口與富氧空氣出口管(4)的一端連接，富氧空氣出口管(4)的另一端與高壓氣體壓縮機(5)的進口連接，富氧膜組件(3)的富氮空氣從富氮空氣出口管(2)排出，高壓氣體壓縮機(5)的出口與第一預熱器(6)的管側進口連接；廢水進入高壓廢水栗(7)，高壓廢水栗(7)出口通過第二電動截止閥(26)與第二預熱器(9)的管側進口連接或通過第一電動截止閥(25)與加熱器(8)的殼側高壓廢水進口連接，加熱器(8)的殼側高壓廢水出口與第二預熱器(9)的管側進口連接； 第一預熱器(6)的管側出口與第一混合器(10)的富氧空氣進口連接，第二預熱器(9)的管側出口與第一混合器(10)的高壓廢熱水進口連接，第一混合器(10)的氣水混合物出口分別與第一超臨界水反應器(12)、第二超臨界水反應器(13)和第三超臨界水反應器(14)的氣水混合物進口連接，第一超臨界水反應器(12)、第二超臨界水反應器(13)和第三超臨界水反應器(14)的反應物的出口分別與第二混合器(11)的第一超臨界水反應器反應物進口、第二超臨界水反應器反應物進口、第三超臨界水反應器反應物進口連接； 第二混合器(11)的反應物出口與一預熱器(6)的殼側進口連接，一預熱器(6)的殼側出口與第二預熱器(9)的殼側進口連接，第二預熱器(9)的殼側出口與回熱器(16)的管側進口連接，第二預熱器(9)的管側出口與降壓閥(19)進口連接，降壓閥(19)出口與空冷器(20)進口連接;空冷器(20)出口與氣液分離器(21)上中部降壓冷卻后反應物進口連接； 氣液分離器(21)底部液體出口與反滲透膜組件(22)的液體進口連接，反滲透膜組件(22)的凈水出口通過凈水管路(18)與凈水栗(15)進口連接，凈水栗(15)出口與回熱器(16)的殼側進口連接，回熱器(16)的殼側出口與外供蒸汽出口管(I 7)連接;反滲透膜組件(22)的凈水出口與回用凈水出口管(23)連接，反滲透膜組件(22)的無害濃鹽水出口與無害濃鹽水外排出口管(24)連接。2.根據權利要求1所述的易放大的超臨界水氧化處理裝置，其特征在于:所述的空氣作為氧化劑在進入氣體壓縮機(5)前先經過富氧膜組件(3)處理成富氧空氣。3.根據權利要求1所述的易放大的超臨界水氧化處理裝置，其特征在于:所述的超臨界水反應器由第一超臨界水反應器(12)、第二超臨界水反應器(13)、第三超臨界水反應器(14)并聯，其超臨界水反應器可以是釜式或管式。4.如權利要求1所述的易放大的超臨界水氧化處理裝置，其特征在于:所述的經超臨界水氧化處理裝置處理后的水經反滲透膜組件(22)處理后產生凈水和蒸汽供外用。5.如權利要求1所述的易放大的超臨界水氧化處理裝置，其特征在于:所述的經超臨界水氧化處理裝置的加熱器(16)，可以是電加熱、燃油加熱或燃氣加熱。6.如權利要求1所述的易放大的超臨界水氧化處理裝置，其特征在于:所述的裝置的熱量實現整體逐級回收，且采用空氣冷卻，確保進入氣液分離器(21)的流體充分降溫冷卻，便于調節。
【文檔編號】C02F9/04GK106007079SQ201610520199
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月29日
【發明人】唐興穎, 張媛媛, 張博, 王麗偉, 裴繼影, 王英輝, 余克服
【申請人】廣西大學