有機廢水超臨界水熱燃燒反應器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種有機廢水超臨界水熱燃燒反應器，包括筒體、與該筒體上端部密封連接的頂蓋，筒體與頂蓋之間的密閉空間為反應室，其特征在于，所述筒體內壁設置有隔熱內襯，隔熱內襯上再設置耐蝕內襯，頂蓋上設置有與筒體內反應室連通的一個燃料進口、多個高溫水進口、多個氧氣進口、多個有機廢水進口、一個壓力表和安全閥接口，并設置有若干測溫套管伸進反應室不同高度位置，其中，燃料進口在頂蓋中心，其余布置在頂蓋不同直徑的圓周上；筒體底部設置有與反應室下部連通的一個濃鹽水出口和一個冷卻水進口，筒體偏下部側壁上設置有與反應室連通的一個反應流體出口，筒體外壁設置有保溫外殼。
【專利說明】有機廢水超臨界水熱燃燒反應器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及廢水無害化處理技術，特別涉及一種有機廢水超臨界水熱用的燃燒反
應裝置。
【背景技術】
[0002]超臨界水是指溫度和壓力均高于其臨界點(T=374.15°C，P=22.12MPa)的特殊狀態(tài)下的水。通常條件下水是極性溶劑，能夠溶解大多數無機鹽類物質，但對氣體和大多數有機物則微溶或不溶。超臨界水兼具液體水和氣體水的性質，但與液態(tài)水相比，它只有少量的氫鍵存在，介電常數近似于極性有機溶劑，具有高的擴散系數和低的粘度，傳遞性能特別好。在足夠高的壓力下，超臨界水能按任意比與有機物、氧氣互溶，使非均相反應變?yōu)榫喾磻?，大大減小了傳質、傳熱阻力。而無機物特別是鹽類在超臨界水中溶解度極低(通常小于100mg/L)，容易被分離出來。超臨界水因具有可連續(xù)變化的密度、低靜電介質常數、低黏度的特性使其成為一種理想的反應介質。
[0003]超臨界水熱燃燒技術是利用超臨界水對有機物和氧化劑都是良好溶劑的特殊性質，水熱火焰作為內熱源的前提下，有機物在富氧環(huán)境中進行均相反應，迅速、徹底地將有機物轉化成無害的h20、CO2等無機小分子化合物，氮轉化成氮氣，其它雜環(huán)原子轉化成相應的無機鹽。超臨界水熱燃燒技術的優(yōu)勢在于反應速度極快，在幾秒內就可實現99.99%的有機物去除率，可以大大減小反應器體積；反應完全、徹底，最終產物為H20、C02等小分子化合物，無二次污染；技術本身符合全封閉的要求；進料不需要預熱到較高的溫度，甚至可以不進行預熱，有助于解決進料預熱過程中出現的腐蝕和鹽沉積引起的堵塞問題。
[0004]超臨界水熱燃燒技術特別適用于高毒性、高濃度、難生化降解有機廢水的高效、低成本無害化處理，這類有機廢水通常產生于農藥、化工、軍工等特殊行業(yè)和領域，利用傳統(tǒng)的物化、生化方法難以處理達標排放，而利用焚燒法會產生大量的二次污染物，且處理費用特別高。超臨界水熱燃燒技術中反應器的設計開發(fā)是關鍵問題之一，目前超臨界水熱燃燒反應器的開發(fā)還需要克服幾方面的問題。首先，要通過合適的噴口設計在反應器中形成穩(wěn)定的水熱火焰，并且要求有機廢水和氧化劑在水熱火焰內熱源的作用下要能夠充分傳熱傳質進行迅速、徹底的反應，這樣才能夠高效徹底地處理有機物，同時顯著減小反應器的體積。鑒于水熱火焰溫度超過1000°c，現有的材料難以承受如此高的溫度，因此需要降低反應器承壓壁的溫度。其次，高溫高壓的反應條件及高濃度溶解氧的反應環(huán)境會加劇反應器腐蝕。反應器腐蝕不僅降低反應器壽命，引起反應器安全問題，而且腐蝕產物也會影響處理效果。因此，需要有效解決超臨界水熱燃燒反應器的腐蝕問題。再次，在有機廢水超臨界水熱燃燒氧化處理過程中，由于超臨界條件下無機鹽的溶解度極低，進料中本身含有的和反應過程中產生的無機鹽會析出，有些鹽的粘度較大，會沉積到反應器內表面上，進而引起反應器或其出口輸運管路的堵塞，造成整套反應裝置非正常停機，嚴重影響裝置運行的可靠性和經濟性，制約了有機廢水超臨界水熱燃燒技術的發(fā)展。目前，還沒有一種超臨界水熱燃燒反應器結構被證明是非常理想地解決了上述問題，因此一些新型反應器結構還在不斷地開發(fā)之中。

【發(fā)明內容】

[0005]針對【背景技術】中所述有機廢水超臨界水熱燃燒反應器存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的是提供一種防腐蝕、防鹽沉積、運行安全、設備成本低的有機廢水超臨界水熱燃燒反應器。
[0006]一種有機廢水超臨界水熱燃燒反應器，包括筒體、與該筒體上端部密封連接的頂蓋，筒體與頂蓋之間的密閉空間為反應室，其特征在于，所述筒體內壁設置有隔熱內襯，隔熱內襯上再設置耐蝕內襯，頂蓋上設置有與筒體內反應室連通的一個燃料進口、多個高溫水進口、多個氧氣進口、多個有機廢水進口、一個壓力表和安全閥接口，并設置有若干測溫套管伸進反應室不同高度位置，其中，燃料進口在頂蓋中心，其余布置在頂蓋不同直徑的圓周上；筒體底部設置有與反應室下部連通的一個濃鹽水出口和一個冷卻水進口，筒體偏下部側壁上設置有與反應室連通的一個反應流體出口，筒體外壁設置有保溫外殼。
[0007]上述方案中，所述頂蓋上靠近燃料進口同一圓周上均布的四個高溫水進口 ；高溫水進口外圍同一圓周上均布的四個第一類氧氣進口 ；第一類氧氣進口外圍同一圓周上均布的四個有機廢水進口 ；有機廢水進口外圍同一圓周上均布的四個第二類氧氣進口 ；再在該圓周上布置分別伸入反應室上、中、下位置的三個熱電偶接口。
[0008]所述燃料進口、高溫水進口和第一類氧氣進口均位于頂蓋下表面的一個凹槽中。所述高溫水進口和有機廢水進口均通過套管貫穿頂蓋。所述冷卻水進口上方設置一用于控制冷卻水流動的擋板。
[0009]燃料進口在反應器頂蓋下部進入反應器成八字分成兩路，每一路均與筒體中軸形成15°夾角。所述第一類氧氣進口在頂蓋下部進入反應器的位置分成兩路，一路垂直向下，一路與筒體中軸形成向內的15°夾角。所述有機廢水進口與筒體中軸形成向內的15°夾角；第二類氧氣進口與筒體中軸形成向內的15°夾角。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點是，通過特殊的噴射口設計(數量、分布和噴射角)，實現穩(wěn)定的水熱火焰，實現有機廢水中有機物的高效無害化去除。承壓的反應器筒體上最內層表面設置耐蝕內襯，進而降低反應器的腐蝕速率。耐蝕內襯與反應器筒體之間進一步設置耐壓的隔熱內襯，降低超臨界水熱燃燒反應器內高溫流體對承壓反應器筒體的加熱，從而降低反應器筒體的工作溫度，保護其運行安全，同時降低設備成本。此外，利用無機鹽在超臨界水熱燃燒反應中析出的特性，通過流動慣性和重力的作用將反應器中析出的無機鹽固體顆粒沉降到反應器底部，利用亞臨界水環(huán)境將無機鹽重新溶解然后帶出反應器。脫鹽后的反應流體從反應器底部靠上位置處的出口流出，進而有效克服了鹽沉淀造成的反應器或其出口管路的堵塞問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0012]圖1是本發(fā)明反應器的結構示意圖。
[0013]圖2是圖1的A向視圖。
[0014]圖3是圖1的B-B向視圖。[0015]圖4是圖1的I部放大圖。
[0016]圖1?圖4中:1、螺母；2、螺栓；3、墊片；4、反應器頂蓋；5、石墨密封墊；6、耐蝕內襯；7、反應器保溫外殼；8、測溫套管；9、擋板；10、銘牌；11、保溫材料；12、反應器筒體；13、隔熱內襯；14、測溫套管；15、壓力表和安全閥引管；16、套管；17、測溫套管；18、凹槽。NI:燃料進口 ；N2a?N2d:高溫水進口 ；N3a?d:第一類氧氣進口 ；N4a?d:有機廢水進口 ；N5a?d:第二類氧氣進口 ；N6a?c:熱電偶接口 ；N7:壓力表和安全閥接口 ；N8:濃鹽水出口 ；N9:冷卻水進口 ；N10:反應流體出口。
【具體實施方式】
[0017]參照圖1?圖4，有機廢水超臨界水熱燃燒反應器，包括用于承壓的反應器筒體12和反應器頂蓋4，用于密封反應器頂蓋4和反應器筒體12的螺母1、螺栓2、墊片3和石墨密封墊5，用于降低反應器筒體12溫度的隔熱內襯13，用于防止反應器筒體12腐蝕的耐蝕內襯6，用于溫度測量的測溫套管8 (伸至反應室下部)、14 (伸至反應室中部)和17 (伸至反應室上部)，用于反應器保溫的保溫材料11，用于安裝壓力表和安全閥的引管15，用于控制冷卻水流動的擋板9，反應器保溫外殼7，反應器銘牌10，反應器頂蓋4上中心位置處的燃料進口 NI，反應器頂蓋4上靠近燃料進口同一圓周上均布的4個高溫水進口 N2a?C，高溫水進口外圍同一圓周上均布的四個第一類氧氣進口 N3a?d,第一類氧氣進口 N3a?d外圍同一圓周上均布的四個有機廢水進口 N4a?d,有機廢水進口 Ma?d外圍同一圓周上均布的四個第二類氧氣進口 N5a?d，再在該圓周上布置的三個熱電偶接口 N6a?C，反應器頂蓋4上布置的一個壓力表和安全閥接口 N7，反應器底部布置的一個濃鹽水出口 N8，濃鹽水出口 N8旁邊布置的一個冷卻水進口 N9，其上方設置一個擋板9，可控制冷卻水流動朝向反應器軸心流動。反應器底部靠上位置側壁處布置的一個反應流體出口 N10。
[0018]參照圖1、圖2和圖4，在反應器頂蓋4中心設置一個燃料進口，然后在反應器頂蓋4下部進入反應器的位置分成兩路，與反應器豎直方向的中軸線形成15°的夾角噴入反應器，可以加入燃料包括甲醇、乙醇、異丙醇等。燃料進口 NI外圍同一圓周方向上均布的高溫水進口 N2a?d，在反應器頂蓋4下部進入反應器的位置朝燃料方向與反應器豎直方向的中軸線形成15°的夾角，噴入高溫水與燃料進行射流碰撞，充分混合預熱燃料，達到燃料的起燃溫度，高溫水進口外圍同一圓周方向上均布四個第一類氧氣進口 N3a?d，這些氧氣進口 N3a?d在反應器頂蓋4下部進入反應器的位置均分成兩路，一路垂直向下，一路與反應器中軸線成15°的夾角，被混合預熱后的高溫燃料與噴入的第一類氧氣碰撞后會燃燒產生穩(wěn)定的水熱火焰。燃料進口 N1、高溫水進口 N2a?d和第一類氧氣進口 N3a?d均位于反應器頂蓋下表面的一個凹槽18中，所形成的水熱火焰位于該凹槽的下部，受外部的干擾較小。第一類氧氣(使用純氧，氧氣濃度高于99%)作用主要是用于維持水熱火焰的需求，同時具有一定的富余。第一類氧氣進口 N3a?d外圍同一圓周方向上均布四個有機廢水進口N4a?d，通過這四個進口 Ma?d噴入有機廢水，在反應器頂蓋4下部進入反應器的位置與反應器的豎直方向的中軸線成15°的夾角，這些有機廢水被噴射到水熱火焰周圍，被高溫水熱火焰迅速加熱到超臨界狀態(tài)。在有機廢水進口 N4a?d的外圍同一圓周方向上均勻布置四個第二類氧氣進口 N5a?d,從這些進口 N5a?d噴入第二類氧氣(可以是純氧亦或是空氣)，這類氧氣的功能主要作為有機廢水超臨界水氧化反應所需的氧氣，具有一定的過量系數。第二類氧氣在反應器頂蓋4下部進入反應器的位置的噴射方向與反應器豎直方向的中軸線具有15°的夾角，目的是為了能夠與被加熱后的有機廢水進行碰撞混合反應，被加熱到超臨界狀態(tài)的有機廢水與火焰周圍富余的第一類氧氣及有機廢水外圍同一圓周方向上的第二類氧氣混合，發(fā)生均相氧化反應，在幾秒內可以實現有機廢水中有機物的高效無害化去除。第二類氧氣進口 N5a?d設置在最外圍，其進入反應器的位置靠近反應器內壁，這有利于避免腐蝕性的有機廢水接觸反應器內壁，有利于降低高溫水熱火焰導致的反應器筒體溫升。為了降低上述高溫水和常溫有機廢水對反應器頂蓋產生熱應力的不利影響，高溫水水管和有機廢水水管均貫穿整個反應器頂蓋4，通過套管16進行密封。上述燃料進口溫度是380°C (燃料為異丙醇)，高溫水的進口溫度是600°C，第一類氧氣和第二類氧氣的進口溫度為20°C，有機廢水的進口溫度為300°C。
[0019]上述反應器中設置的耐蝕內襯6可以選用耐腐蝕性能好的材料，例如哈氏合金C276、Inconel625等，可以有效地克服反應器腐蝕問題。在耐蝕內襯6和承壓的反應器筒體12之間設置有隔熱內襯13，這種隔熱內襯(由ZS-1型耐高溫隔熱保溫涂料制成)要求能夠承壓，可以通過防止高溫反應流體對反應器筒體12的加熱，可以降低承壓的反應器筒體12的工作溫度，反應器筒體12可以選用普通耐腐蝕材料如奧氏體不銹鋼304、316等，從而有效降低反應器的造價。在反應器底部濃鹽水出口 NS附近設置冷卻水進口 N9，通過泵入20°C的低溫冷卻水在反應器底部形成亞臨界區(qū)，超臨界水熱燃燒反應條件下析出的無機鹽，依靠慣性和重力作用落入亞臨界會重新溶解，形成300°C濃鹽水通過反應器底部濃鹽水出口 NS流出反應器。通過在反應器底部靠上位置處設置反應流體出口 N10，通過反應器濃鹽水出口 NS和反應流體出口 NlO管路上的流量控制，實現脫鹽后主反應流體從反應器的反應流體出口 NlO流出。從而有效避免有機廢水超臨界水熱燃燒反應環(huán)境中無機鹽沉積導致反應器及其出口管路堵塞的問題。此外，在有機廢水超臨界水熱燃燒反應器內部設置了三個不同位置的測溫套管8、14和17，通過熱電偶來監(jiān)控反應器不同位置處的溫度，實現反應器的溫度控制。在反應器頂蓋4上設置了壓力表和安全閥接口 N7，用以安裝壓力表和安全閥，實現反應器的壓力監(jiān)控和安全保護。
[0020]本發(fā)明反應器的工作流程如下所述:燃料從燃料進口 NI流入分成兩股進入反應器，與兩股噴入的高溫水撞擊混合后被預熱到起燃溫度，然后與四股第一類氧氣撞擊混合，燃料被點燃，在反應器中形成的水熱火焰，四路均布的有機廢水噴射反應器中水熱火焰的周圍，被迅速加熱到超臨界溫度，與火焰周圍富余的第一類氧氣及有機廢水外圍均布噴入的第二類氧氣發(fā)生超臨界水氧化反應。通過反應器中布置的測溫套管8、14和17，利用熱電偶監(jiān)控反應器中不同位置處的溫度，進而調整各種物料的加入量，從而形成穩(wěn)定的水熱火焰，產生穩(wěn)定的超臨界水氧化反應環(huán)境。超臨界水氧化反應條件下有機物在幾秒內實現高效去除(去除率可大于99.99%)。無機鹽由于在超臨界水中的溶解度極低會析出，析出的無機鹽依靠慣性和重力作用落入反應器底部，通過向反應器底部注入低溫冷卻水，在反應器底部形成亞臨界區(qū)，重新溶解析出的無機鹽顆粒，形成的濃鹽水然后從濃鹽水出口 NS流出反應器。經過脫鹽后反應器后流體通過反應器底部靠上位置處的反應流體出口 NlO流出反應器進入后續(xù)設備，從而有效避免鹽沉積引起的堵塞問題。反應器筒體12與耐蝕內襯6之間設置了隔熱內襯，可以顯著降低反應器筒體12溫度，保證其運行安全，同時降低其投資費用。在反應器筒體12最內層表面設置了耐蝕內襯6，可以保證反應器筒體不遭受腐蝕。通過在反應器上設置壓力表和安全閥，監(jiān)控反應器的工作壓力，保證反應器工作安全。
【權利要求】
1.一種有機廢水超臨界水熱燃燒反應器，包括筒體、與該筒體上端部密封連接的頂蓋，筒體與頂蓋之間的密閉空間為反應室，其特征在于，所述筒體內壁設置有隔熱內襯，隔熱內襯上再設置耐蝕內襯，頂蓋上設置有與筒體內反應室連通的一個燃料進口、多個高溫水進口、多個氧氣進口、多個有機廢水進口、一個壓力表和安全閥接口，并設置有若干測溫套管伸進反應室不同高度位置，其中，燃料進口在頂蓋中心，其余布置在頂蓋不同直徑的圓周上；筒體底部設置有與反應室下部連通的一個濃鹽水出口和一個冷卻水進口，筒體偏下部側壁上設置有與反應室連通的一個反應流體出口，筒體外壁設置有保溫外殼。
2.如權利要求1所述的有機廢水超臨界水熱燃燒反應器，其特征在于，所述頂蓋上靠近燃料進口同一圓周上均布的四個高溫水進口 ；高溫水進口外圍同一圓周上均布的四個第一類氧氣進口 ；第一類氧氣進口外圍同一圓周上均布的四個有機廢水進口 ；有機廢水進口外圍同一圓周上均布的四個第二類氧氣進口 ；再在該圓周上布置分別伸入反應室上、中、下位置的三個熱電偶接口。
3.如權利要求2所述的有機廢水超臨界水熱燃燒反應器，其特征在于，所述燃料進口、高溫水進口和第一類氧氣進口均位于頂蓋下表面的一個凹槽中。
4.如權利要求1所述的有機廢水超臨界水熱燃燒反應器，其特征在于，所述冷卻水進口上方設置一用于控制冷卻水流動的擋板。
5.如權利要求1所述的有機廢水超臨界水熱燃燒反應器，其特征在于，燃料進口在反應器頂蓋下部進入反應器成八字分成兩路，每一路均與筒體中軸形成15°夾角。
6.如權利要求1所述的有機廢水超臨界水熱燃燒反應器，其特征在于，所述第一類氧氣進口在頂蓋下部進入反應器的位置分成兩路，一路垂直向下，一路與筒體中軸形成向內的15°夾角。
7.如權利要求1所述的有機廢水超臨界水熱燃燒反應器，其特征在于，所述有機廢水進口與筒體中軸形成向內的15°夾角；第二類氧氣進口與筒體中軸形成向內的15°夾角。
【文檔編號】F23G7/04GK103512034SQ201310467264
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月30日 優(yōu)先權日:2013年9月30日
【發(fā)明者】徐東海, 王樹眾, 唐興穎, 公彥猛, 郭洋, 周璐 申請人:西安交通大學