一種間接換熱型超臨界水氧化系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種間接換熱型超臨界水氧化系統，主要包括超臨界水氧化反應主流程和中間介質回路。控制方法包括兩流程升壓升溫控制、降溫降壓控制、正常運行控制。本實用新型著眼于間接換熱型超臨界水氧化系統工程化實踐的自動化控制策略，系統升溫過程采用循環加熱的思想，有效降低了加熱設備投資；避免了兩流程間工作壓力的不匹配，確保了系統升溫或者降溫階段預熱器/換熱器內外管中超臨界壓力流體間換熱的有效性；反應溫度的有效控制及關鍵設備超溫保護，保證了工藝效果與系統安全。
【專利說明】
一種間接換熱型超臨界水氧化系統
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于超臨界水處理有機廢物領域，特別涉及一種間接換熱型超臨界水氧化系統。
【【背景技術】】
[0002]超臨界水(Supercritical Water，簡稱SCW)是指溫度和壓力均高于其臨界點(Tc=374.15°C，Pc = 22.12MPa)的特殊狀態的水。超臨界水氧化技術是利用超臨界水的低粘度、低介電常數、高擴散性等特殊性質，使完全溶解在其中的有機物與氧化劑發生快速、徹底的均相反應，有機物中的碳元素轉化成二氧化碳，氯、硫、磷等元素轉化成相應的無機鹽，氮元素絕大多數轉化成氮氣，實現有機廢物的高效無害化處理。此外，無機鹽類在SCW中的溶解度極低，容易被分離出來，處理后的液體為潔凈的水;當有機廢水中有機物質量濃度超過2%時，可以依靠反應放熱維持系統熱量平衡，無需外界補充熱量;設備體積小、安全性好、符合封閉性要求。超臨界水氧化技術在處理難降解、有毒有害有機物方面表現出了極大的技術優勢。該技術在美國國家關鍵技術所列的六大領域之一“能源與環境”中被定義為最有前途的廢水處理技術。
[0003]超臨界水氧化反應為高溫高壓反應，因而待處理物料的預熱、反應出水的降溫是超臨界水氧化工藝中必不可少的環節。對于傳統超臨界水氧化工藝，通常借助換熱器，待處理物料作為冷卻介質對超臨界水氧化反應出水進行降溫，同時實現待處理物料的預熱升溫。預熱升溫后的待處理物料接著進入反應器，實現超臨界水氧化系統的連續運行。由于320?410°C范圍的臨界點附近為高密度水區，水的介電常數和無機鹽的溶解度都很大，該溫度段為腐蝕敏感區，為傳統超臨界水氧化工藝中，設備腐蝕最嚴重的工藝段，而該工藝段恰恰對應于上述換熱器的冷、熱流體側，對該換熱器的持久可靠運行構成了潛在威脅。
[0004]此外，各類有機廢液及污泥等待處理物料中往往含有大量的強腐蝕性組分如氯根等，當待處理物料內有機污染物中還含有鹵素、硫或者磷等雜原子，在超臨界水氧化反應過程還會產生相應的無機酸。此外，為了保證有機污染物的氧化降解效果，氧化劑的供給往往是過量的，有時氧化系數(氧化劑的供給量與有機廢物氧化對氧化劑的消耗量的比值)甚至可尚達3以上，超臨界水氧化反應出水中往往含有$父尚含量的殘留氧化劑。因此，超臨界水氧化反應出水的腐蝕性常常更強于待處理物料。對于上述換熱器，其冷卻介質為待處理物料，熱流體為超臨界水氧化反應出水。若采用耐壓能力強的套管式換熱器時，則內管的內外壁面、外管的內壁面皆面臨著嚴重的腐蝕威脅。換熱設備的內外管皆須采用高端耐蝕合金，其制造成本較高。此外相對于內管流程，外管流程的局部堵塞可能性較大，當外管流程中流體為無機鹽或者不溶性固體含量較高的超臨界水流體時，極易導致外管流程的堵塞事故。
[0005]傳統超臨界水氧化工藝中待處理物料與反應出水直接換熱設備的投資高、腐蝕/堵塞風險大，間接換熱型超臨界水氧化工藝有效克服了該問題。該工藝主要包括中間介質回路和超臨界水氧化反應主流程，通過設置回熱器、預熱器，借助中間介質循環，實現間接地將超臨界水氧化反應出水的熱量傳遞給后續待處理物料。此時，預熱器、回熱器的內管側走腐蝕性流體(預熱器內管為待處理物料、回熱器內管為超臨界水氧化反應出水)，外管側為干凈的除鹽水，因此預熱器與回熱器僅其內管需采用高端耐蝕合金，外管采用較為廉價的碳鋼或者低合金鋼即可，從而大大降低了超臨界水氧化工藝中預熱-冷卻設備的投資成本。此外，外管側為干凈的除鹽水，避免了外管側走臟流體(待處理物料或者反應出水)時的堵塞風險。
[0006]為保證工藝可操作性及其運行經濟性，采用超臨界水作為中介導熱介質是比較優質的選擇。此時，系統正常運行過程中反應主流程與中間介質回路的壓力皆為超臨界壓力。對于超臨界水體系，由于其臨界點附近存在大比熱區存在，合理匹配換熱器內外管中超臨界壓力流體的焓溫變化特性，是保證有效換熱的前提。兩流程間操作壓力、溫度的匹配對系統啟動與停機的安全可靠性、系統運行效果起決定性作用。因此，制定合理的系統控制策略是保證間接換熱型超臨界水氧化工藝順利開展工程實踐的必要前提。
【【實用新型內容】】
[0007]本實用新型的目的是針對【背景技術】中間接換熱型超臨界水氧化系統工藝參數高，且兩流程間溫度壓力匹配要求高的問題，提供一種間接換熱型超臨界水氧化系統。
[0008]為達到上述目的，本實用新型采用以下技術方案予以實現:
[0009]—種間接換熱型超臨界水氧化系統，包括超臨界水氧化反應主流程、中間介質回路以及除鹽水補充系統;超臨界水氧化反應主流程包括物料緩沖罐，物料緩沖罐通過物料栗連接到預熱器的內管，預熱器的內管出口通過減溫器連接到反應器的內管，反應器的內管出口與回熱器的內管相連通，回熱器的內管出口通過與三相分離器的入口相連通；
[0010]中間介質回路包括緩沖罐和管道增壓栗，緩沖罐的出口與管道增壓栗相連，管道增壓栗的出口與回熱器的外管相連通，回熱器的外管出口連接加熱器，加熱器的出口與預熱器的外管相連通，預熱器的外管出口連接到緩沖罐的入口上。
[0011]本實用新型進一步的改進在于:
[0012]所述回熱器的內管出口通過降壓器與三相分離器相連。
[0013]所述反應器的內管入口通過氧氣控制閥連接氧氣管路。
[0014]所述物料緩沖罐的出口處的管道上設置有物料緩沖罐出口控制閥。
[0015]所述緩沖罐上設置有用于調節中間介質回路壓力的背壓閥。
[0016]所述除鹽水補充系統包括除鹽水箱，除鹽水箱的出口分為兩路，一路連接至物料栗入口前的管路上，另一路連接到高壓變頻栗的入口 ；高壓變頻栗的出口分為三路，第一路與緩沖罐的入口相連通，第二路與減溫器的入口相連通，第三路與除鹽水箱的入口相連通。
[0017]所述除鹽水箱出口至物料栗入口前的管路上設置有除鹽水管路控制閥；高壓變頻栗通過補水控制閥與緩沖罐相連，通過減溫水控制閥與減溫器相連，通過回流背壓閥與除鹽水箱相連。
[0018]—種間接換熱型超臨界水氧化系統的控制方法，包括以下步驟:
[0019]I)系統啟動前:所有控制閥處于關閉狀態、背壓閥處于全開狀態；
[0020]2)系統啟動:
[0021]2-1)物料栗向超臨界水氧化反應主流程內充注除鹽水，逐步調節降壓器，直至反應器處壓力升高至目標壓力值Al，此時主流程升壓完成；
[0022]2-2)設置回流背壓閥目標壓力值為A2，采用高壓變頻栗向緩沖罐除鹽水，然后啟動管道增壓栗使中間介質回路內的介質循環起來，逐步調小背壓閥開度直至緩沖罐內的壓力升高至目標壓力值A2，此時中間介質回路升壓完成；
[0023]2-3)啟動加熱器對中間介質加熱，調節加熱器功率以保證反應器的入口具有恒定的溫升速率，待反應器的入口達到目標溫度值BI后，物料栗進口流體切換成來自物料緩沖罐的待處理物料，同時開啟氧氣控制閥向反應器供應氧氣，至此系統啟動過程完畢；
[0024]3)正常運行:
[0025]a)若緩沖罐內壓力升高，增大背壓閥開度以泄壓;若緩沖罐內壓力降低，則開啟控制閥向緩沖罐補水；
[0026]b)通過調節降壓器及物料栗流量維持反應器，使壓力處于25±lMPa;
[0027]c)若反應器出口溫度低于B2，則增加熱器功率;若反應器出口溫度高于B3，則降低加熱器功率;反應器上壁面溫度最大值達到B4時，關閉加熱器，若反應器上壁面溫度最大值繼續升高至B5，則開啟減溫水控制閥；
[0028]4)系統停機:
[0029]4-1)關閉氧氣管路控制閥，停止氧氣供應;物料栗進口流體切換為除鹽水;調節加熱器功率，保證反應器出口具有恒定的降溫速率，降溫過程中控制降壓器和背壓閥，分別確保反應器出口處、緩沖罐內壓力仍維持在目標壓力值A;
[0030]4-2)待反應器出口溫度降至目標溫度值B6時，關閉物料栗、管道增壓栗和高壓變頻栗，控制降壓器和背壓閥，使兩回路逐級降壓至常壓；
[0031]上述目標溫度值大小關系如下:B6〈B1〈B2〈B3〈B4〈B5。
[0032]與現有技術相比，本實用新型具有以下有益效果:
[0033]1、系統啟動時先升壓后升溫:首先進行兩流程的充水升壓，實現二者間工作壓力的匹配，以保證后續升溫階段預熱器/換熱器內外管中超臨界壓力流體間換熱的有效性;通過調節中間介質回路背壓閥和反應主流程降壓器，以維持二流程的工作壓力，以確保升溫過程的順利進行。
[0034]2、系統啟動升溫循環加熱:通過中介介質多次循環在加熱器處吸熱，提高自身溫度的同時，將部分熱量傳遞給反應主流程，最終實現整個系統的升溫。此時，加熱器無需將流過的中間介質一次性加熱到目標溫度值，因此加熱器的設計功率較低，其投資較小。
[0035]3、系統停機時先降溫后降壓:通過調節中間介質回路背壓閥和反應主流程降壓器，以維持二流程的工作壓力，以確保降溫階段預熱器/換熱器內外管中超臨界壓力流體間換熱的有效性；當系統降溫至近常溫后，再調節中間介質回路背壓閥和反應主流程降壓器，分別進行兩流程的逐級緩慢降壓。
[0036]4、系統正常運行時，調節加熱器功率，確保反應器內工作溫度處于正常范圍；反應器上設置有停止加熱器、噴水降溫兩級超溫保護措施，以保證反應器安全。流程上設置有壓力聯鎖控制手段，維持兩流程工作壓力的正常，以確保中間介質導熱效果的良好。
【【附圖說明】】
[0037]圖1是本實用新型系統的整體結構示意圖。
[0038]其中，1-物料緩沖罐;2-物料栗;3-預熱器;4-減溫器;5-反應器;6_回熱器;7_降壓器;8-三相分離器;9-除鹽水箱；10-管道增壓栗；11-加熱器；12-緩沖罐；13-背壓閥；14-高壓變頻栗；15-回流背壓閥;V1-物料緩沖罐出口控制閥;V2-除鹽水管路控制閥;V3-補水控制閥;V4-減溫水控制閥;V5-氧氣控制閥。
【【具體實施方式】】
[0039]下面結合附圖對本實用新型做進一步詳細描述:
[0040]參見圖1，本實用新型間接換熱型超臨界水氧化系統主要包括超臨界水氧化反應主流程、中介介質流程及其他輔助管道，超臨界水氧化反應主流程包括物料緩沖罐I連接物料栗2，且二者間設置有物料緩沖罐出口控制閥VI，物料栗2連接預熱器3內管，預熱器3內管出口接至減溫器4入口 I，減溫器4出口接至反應器5入口 I，反應器5出口接至回熱器6內管，回熱器6內管出口接至降壓器7，降壓器7出口接至三相分離器8。中間介質導熱流程包括緩沖罐12出口接至管道增壓栗10，管道增壓栗10出口接至回熱器6外管，回熱器6外管出口接至加熱器11，加熱器11出口接至預熱器3外管，預熱器3外管出口接至緩沖罐12入口 I，且緩沖罐12頂部設置有背壓閥13。其他輔助管路包括除鹽水箱9出口第一支路經除鹽水管路控制閥V2接至物料栗2與物料緩沖罐出口控制閥Vl間管路;除鹽水箱9出口第二支路接至高壓變頻栗14，高壓變頻栗14出口設置三個支路:其一經回流背壓閥15返回除鹽水箱9，其二經減溫水控制閥V4接至減溫器4入口 2，其三經補水控制閥V3接至緩沖罐12入口 2 ；氧氣管路經氧氣控制閥V5接至反應器5入口 2。
[0041 ]系統啟動初期，確保物料緩沖罐出口控制閥Vl、除鹽水管路控制閥V2、補水控制閥V3、減溫水控制閥V4皆處于關閉狀態，背壓閥13、回流背壓閥15、降壓器7皆處于全開狀態。
[0042]系統啟動時，首先打開補水控制閥V3，設置回流背壓閥15目標壓力值為A2，啟動高壓變頻栗14向緩沖罐12充注來自除鹽水箱9的除鹽水;待緩沖罐12內有一定液位后，啟動管道增壓栗10使中間介質回路內介質循環起來;逐步調小背壓閥13開度直至緩沖罐內壓力升高至目標壓力值A2，此時中間介質回路升壓完成。同時，打開除鹽水管路控制閥V2，啟動物料栗2，采用來自除鹽水箱16的除鹽水進行反應主流程的充水;逐步調節降壓器7，直至反應器處壓力升高至目標壓力值Al，此時主流程升壓完成。待兩流程皆升壓完成后，啟動加熱器11對中間介質加熱，在中間介質的循環流動導熱下，系統溫度逐步升高。升溫過程中，調節加熱器11功率以保證反應器5入口具有適宜的溫升速率，待反應器入口達到目標溫度值BI后，開啟物料緩沖罐出口控制閥Vl，關閉除鹽水管路控制閥V2，物料栗2進口流體由除鹽水切換成待處理物料。同時，開啟氧氣控制閥17向反應器5供應氧氣，此時啟動過程完畢。關閉緩沖罐12入口 2管路上補水控制閥V3。
[0043]系統正常運行過程中調節手段如下:a、若緩沖罐12內壓力升高，增大背壓閥13開度以泄壓;若緩沖罐12內壓力降低，則開啟補水控制閥V3向緩沖罐12補水。b、調節降壓器7及物料栗2流量維持反應器5后壓力處于正常范圍。C、若反應器5出口溫度低于B2，則增加熱器11功率;若反應器5出口溫度高于B3，則降低加熱器11功率;反應器上壁面溫度最大值達到B4時，關閉加熱器11，若反應器上壁面溫度最大值繼續升高至B5，則開啟減溫水控制閥V4，以保證反應器安全。
[0044]系統受到停機指令后，開啟除鹽水管路控制閥V2，關閉物料緩沖罐出口控制閥Vl，物料栗2進口流體由待處理物料切換成除鹽水;關閉氧氣管路氧氣控制閥V5，停止氧氣供應;調節加熱器11功率，保證反應器5出口具有適宜的降溫速率，降溫過程中調節降壓器7和背壓閥13，分別確保反應器5出口處、緩沖罐12內壓力仍維持在目標壓力值A1、A2。待反應器出口溫度降至目標溫度值B6時，停止物料栗5、管道增壓栗13和高壓變頻栗14，控制降壓器7和背壓閥13，使兩回路逐級緩慢降壓至常壓。
[0045]以上內容僅為說明本實用新型的技術思想，不能以此限定本實用新型的保護范圍，凡是按照本實用新型提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本實用新型權利要求書的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種間接換熱型超臨界水氧化系統，其特征在于，包括超臨界水氧化反應主流程、中間介質回路以及除鹽水補充系統;超臨界水氧化反應主流程包括物料緩沖罐(I)，物料緩沖罐(I)通過物料栗(2)連接到預熱器(3)的內管，預熱器(3)的內管出口通過減溫器(4)連接到反應器(5)的內管，反應器(5)的內管出口與回熱器(6)的內管相連通，回熱器(6)的內管出口通過與三相分離器(8)的入口相連通； 中間介質回路包括緩沖罐(12)和管道增壓栗(10)，緩沖罐(12)的出口與管道增壓栗(10)相連，管道增壓栗(10)的出口與回熱器(6)的外管相連通，回熱器(6)的外管出口連接加熱器(11)，加熱器(11)的出口與預熱器(3)的外管相連通，預熱器(3)的外管出口連接到緩沖罐(12)的入口上。2.根據權利要求1所述的間接換熱型超臨界水氧化系統，其特征在于，所述回熱器(6)的內管出口通過降壓器(7)與三相分離器(8)相連。3.根據權利要求1所述的間接換熱型超臨界水氧化系統，其特征在于，所述反應器(5)的內管入口通過氧氣控制閥(V5)連接氧氣管路。4.根據權利要求1所述的間接換熱型超臨界水氧化系統，其特征在于，所述物料緩沖罐(I)的出口處的管道上設置有物料緩沖罐出口控制閥(Vl)。5.根據權利要求1所述的間接換熱型超臨界水氧化系統，其特征在于，所述緩沖罐(12)上設置有用于調節中間介質回路壓力的背壓閥(13)。6.根據權利要求1-5任意一項所述的間接換熱型超臨界水氧化系統，其特征在于，所述除鹽水補充系統包括除鹽水箱(9)，除鹽水箱(9)的出口分為兩路，一路連接至物料栗入口前的管路上，另一路連接到高壓變頻栗(14)的入口；高壓變頻栗(14)的出口分為三路，第一路與緩沖罐(12)的入口相連通，第二路與減溫器(4)的入口相連通，第三路與除鹽水箱(9)的入口相連通。7.根據權利要求6所述的間接換熱型超臨界水氧化系統，其特征在于，所述除鹽水箱(9)出口至物料栗入口前的管路上設置有除鹽水管路控制閥(V2);高壓變頻栗(14)通過補水控制閥(V3)與緩沖罐(12)相連，通過減溫水控制閥(V4)與減溫器(4)相連，通過回流背壓閥(15)與除鹽水箱(9)相連。
【文檔編號】C02F101/30GK205419889SQ201620181844
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月10日
【發明人】王樹眾, 李艷輝, 楊健喬, 唐興穎, 張潔, 王玉珍, 張拓
【申請人】西安交通大學, 陜西萬豐能源環保科技有限公司