專利名稱：廢棄有機(jī)廢液無污染排放和資源利用的超臨界水處理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于有機(jī)物處理領(lǐng)域，涉及一種廢棄有機(jī)廢液的水處理系統(tǒng)，特別涉及利用超臨界水作為反應(yīng)介質(zhì)對(duì)廢棄有機(jī)物進(jìn)行無害化處理和制取富氫氣體的超臨界水處理系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
超臨界狀態(tài)的水相當(dāng)于非極性溶劑，能與空氣、氧氣和有機(jī)物以任意比例混溶，從而形成均一相。氣液相界面消失了，也就消除了相間的傳質(zhì)阻力，溶于其中的物質(zhì)的反應(yīng)速度不再受傳質(zhì)的影響。同時(shí)，高的反應(yīng)溫度(約400～650℃)也使反應(yīng)速度加快。
超臨界水氧化技術(shù)(Supercritical Water Oxidation，簡稱SCWO)是一種近年來受到高度關(guān)注的有機(jī)污染物和污水的極具優(yōu)勢的技術(shù)。它在處理有機(jī)污染物時(shí)有著獨(dú)到之處。該技術(shù)是利用水在超臨界狀態(tài)下所具有的特殊性質(zhì)(弱的氫鍵作用，介電常數(shù)近似于極性有機(jī)溶劑，高的擴(kuò)散系數(shù)，低粘度等)，使有機(jī)污染物和氧化劑在超臨界水中迅速發(fā)生氧化反應(yīng)來徹底分解有機(jī)物。
超臨界水氧化對(duì)于處理那些有毒、難降解的有機(jī)廢物具有獨(dú)特的效果，近年來，各國都投入了大量的人力物力對(duì)該技術(shù)進(jìn)行研究。SCWO反應(yīng)完全、徹底，最終產(chǎn)物為水、N2、CO2和無機(jī)小分子化合物，且符合全封閉的要求，產(chǎn)物清潔，不需要作進(jìn)一步的處理。另外，由于無機(jī)鹽在超臨界水中的溶解度特別低，因此可以很容易地從中分離出來，處理后的廢水可完全回收利用。
SCWO過程是一個(gè)放熱反應(yīng)，當(dāng)有機(jī)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1～2％時(shí)就能實(shí)現(xiàn)自熱。對(duì)于有機(jī)物含量較高的有機(jī)廢棄物來說，除一部分熱量用于加熱自身反應(yīng)物料至反應(yīng)溫度以維持反應(yīng)的進(jìn)行外(即自熱)，剩余部分的熱量可通過換熱器產(chǎn)生熱能，從而實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化利用。
從另一方面看，各種有機(jī)廢棄物是以油脂、蛋白質(zhì)、纖維素和糖類等碳水化合物為主，成分與濕生物質(zhì)相似。讓它們?cè)诔R界水中發(fā)生氣化反應(yīng)將產(chǎn)生氫氣、甲烷、乙烯、氮?dú)?、氨氣和油類等物質(zhì)，CO2的排放量將會(huì)減少。有文獻(xiàn)進(jìn)行了污泥超臨界水氣化(600℃、34.5MPa)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果污泥在超臨界水熱分解工藝中產(chǎn)生的氣體組分及體積含量為H246％，CH439％，CO210％，N24％，CO1％，生成氣的熱值為2337.9KJ/mol，其能量有效利用率達(dá)64.8％(已扣除了加熱自身至水熱分解溫度所需的熱量)。
超臨界水部分氧化技術(shù)是指反應(yīng)中氧化劑的量小于反應(yīng)物中有機(jī)物完全氧化時(shí)所需的氧化劑的量。通過控制加入的氧化劑的量來控制氧化反應(yīng)和水解反應(yīng)。氧化劑的加入使得原來在氣化中難以分解的苯類物質(zhì)可以分解，提高氣化率，同時(shí)，氧化劑也可以使焦油的產(chǎn)生得到抑制，減少反應(yīng)器的堵塞現(xiàn)象。經(jīng)過試驗(yàn)研究，由于氧化劑的加入，液相產(chǎn)物的COD也大為降低，同時(shí)達(dá)到了資源化利用和無害化處理的要求。
超臨界水氧化和超臨界水氣化試驗(yàn)裝置，目前國內(nèi)已有相關(guān)報(bào)道，但還存在著不少缺點(diǎn)目前的超臨界水氧化或氣化系統(tǒng)，從物料和水的加熱方式看，要么是物料與反應(yīng)介質(zhì)先混合后一起預(yù)熱，要么只預(yù)熱反應(yīng)介質(zhì)，而物料不預(yù)熱。前一種情況，如果預(yù)熱溫度達(dá)到超臨界溫度，則物料在預(yù)熱管內(nèi)就開始發(fā)生熱解，裂解反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生焦油、焦炭，堵塞管路，并且對(duì)最終的產(chǎn)物有很大的影響；如果預(yù)熱溫度低，則在進(jìn)入反應(yīng)器后，還需要繼續(xù)加溫達(dá)到超臨界溫度，勢必會(huì)使反應(yīng)器結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。后一種情況，由于物料不預(yù)熱，在進(jìn)入反應(yīng)器之前混合后，導(dǎo)致整個(gè)流體的溫度下降很多，使反應(yīng)器需要設(shè)計(jì)更多的加熱部分。
此外，目前還沒有一種系統(tǒng)可以同時(shí)完成超臨界水氧化、超臨界水氣化和超臨界水部分氧化這三個(gè)功能。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有的超臨界水處理系統(tǒng)存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種廢棄有機(jī)廢液無污染排放和資源利用的超臨界水處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用超臨界水作為介質(zhì)，能夠在對(duì)有機(jī)廢液進(jìn)行處理的同時(shí)，達(dá)到無污染排放和能量的資源化利用。
為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案一種廢棄有機(jī)廢液無污染排放和資源利用的超臨界水處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括氧化劑、臨界水和物料三路分開的預(yù)熱器，其特征在于，所述的三路分開的預(yù)熱器為氣體預(yù)熱器、液體預(yù)熱器和物料預(yù)熱器，其中氣體預(yù)熱器的進(jìn)口端通過管路與換熱器相連通，該換熱器通過第一閥門和空氣壓縮機(jī)相連，氣體預(yù)熱器的出口端與液體預(yù)熱器連通；液體預(yù)熱器的進(jìn)口端通過管路與換熱器相連通，該換熱器通過第七閥門連接有高壓物料泵，高壓物料泵通過第八閥門連接有水箱；物料預(yù)熱器的進(jìn)口端通過管路與換熱器相連通，該換熱器通過第二閥門連接有高壓柱塞泵，該高壓柱塞泵還通過第七閥門連接有物料罐；氣體預(yù)熱器和液體預(yù)熱器的出口端通過第三閥門與反應(yīng)器連通，物料預(yù)熱器的出口端通過第四閥門與反應(yīng)器連通，該反應(yīng)器與換熱器相連通；該換熱器與氣液分離器相連；氣液分離器的兩端還有第六閥門和第五閥門。
本發(fā)明的系統(tǒng)采用氣體氧化劑、液體氧化劑(或反應(yīng)介質(zhì))各支路分開的預(yù)熱方式既可以實(shí)現(xiàn)物料的快速預(yù)熱，又可以有效防止焦油、焦炭，堵塞管路，使得對(duì)有機(jī)污染物的處理既可以達(dá)到無害化，又可以實(shí)現(xiàn)資源化利用的目的。
由于各支路分開預(yù)熱方式互不影響，進(jìn)入反應(yīng)器后才混合，所以，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多功能。當(dāng)只開啟氧化劑和物料支路的時(shí)候，可以實(shí)現(xiàn)超臨界水氧化處理有機(jī)廢棄物的功能。開啟液體氧化劑支路和物料支路的時(shí)候，可以實(shí)現(xiàn)超臨界水氣化制取富氫燃料的功能。當(dāng)三個(gè)回路同時(shí)開啟的時(shí)候，則可以實(shí)現(xiàn)超臨界水氣化-氧化的功能。氧化劑的加入，可使物料發(fā)生部分氧化，從而變成無害的無機(jī)物，同時(shí)由于超臨界水的大量存在，作為反應(yīng)介質(zhì)，可以使氧化的中間產(chǎn)物發(fā)生氣化反應(yīng)，從而得到富氫的氣體，作為一種能源。
本發(fā)明的系統(tǒng)可以在造紙廠、印染廠、屠宰場等大量產(chǎn)生有機(jī)廢棄物的工廠，或者居民小區(qū)集中水處理站使用。經(jīng)本系統(tǒng)處理后，廢棄有機(jī)物的排放可以達(dá)到國家的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)可燃?xì)怏w可以作為工廠的一種熱源，從而節(jié)約燃料開支。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其中的標(biāo)號(hào)分別表示1、氣體預(yù)熱器，2、液體預(yù)熱器，3、物料預(yù)熱器，4、第一閥門，5、第二閥門，6、第三閥門，7、第四閥門，8、反應(yīng)器，9、換熱器，10、氣液分離器，11、第五閥門，12、第六閥門，13、空氣壓縮機(jī)，14、物料罐，15、第七閥門，16、高壓物料泵，17、水箱，18、第八閥門，19、高壓柱塞泵，20、第九閥門，21、余熱利用回路。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
具體實(shí)施例方式
參見圖1，本發(fā)明的廢棄有機(jī)廢液無污染排放和資源利用的超臨界水處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)氧化劑、臨界水和物料三路分開的預(yù)熱器，分別為氣體預(yù)熱器1、液體預(yù)熱器2和物料預(yù)熱器3，其中氣體預(yù)熱器1的進(jìn)口端通過管路與換熱器9相連通，該換熱器9通過第一閥門4和空氣壓縮機(jī)13相連，氣體預(yù)熱器(1)的出口端與液體預(yù)熱器2連通；液體預(yù)熱器2的進(jìn)口端通過管路與換熱器9相連通，該換熱器9通過第九閥門20連接有高壓柱塞泵19，高壓柱塞泵19通過第八閥門18連接有水箱17；物料預(yù)熱器3的進(jìn)口端通過管路與換熱器9相連通，該換熱器9通過第二閥門5連接有高壓物料泵16，該高壓柱塞泵16還通過第七閥門15連接有物料罐14；氣體預(yù)熱器1和液體預(yù)熱器2的出口端通過第三閥門6與反應(yīng)器8連通，物料預(yù)熱器3的出口端通過第四閥門7與反應(yīng)器8連通，該反應(yīng)器8與換熱器9相連通；換熱器9與氣液分離器10相連；氣液分離器10的兩端還有第六閥門12和第五閥門11。
換熱器9的內(nèi)部上方還設(shè)置有余熱利用回路21。
物料、超臨界水、氧化劑(空氣或氧氣)三路分開預(yù)熱，可以設(shè)定各自的最終預(yù)熱溫度。超臨界水和氧化劑在各自的預(yù)熱器出口混合后，進(jìn)入反應(yīng)器8，而與物料混合，發(fā)生反應(yīng)。以前的超臨界水氧化或氣化裝置，要么物料與反應(yīng)介質(zhì)先混合后一起預(yù)熱，要么只預(yù)熱反應(yīng)介質(zhì)，而物料不預(yù)熱。前一種情況，如果預(yù)熱溫度達(dá)到超臨界溫度，則物料在預(yù)熱管內(nèi)就開始發(fā)生熱解，裂解反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生焦油、焦炭，堵塞管路，并且對(duì)最終的產(chǎn)物有很大的影響；如果預(yù)熱溫度低，則在進(jìn)入反應(yīng)器后，還需要繼續(xù)加溫達(dá)到超臨界溫度，勢必會(huì)使反應(yīng)器更復(fù)雜。后一種情況，由于物料不預(yù)熱，在進(jìn)入反應(yīng)器之前混合后，導(dǎo)致整個(gè)流體的溫度下降很多，使反應(yīng)器需要設(shè)計(jì)更多的加熱部分。采用分離式的預(yù)熱系統(tǒng)。對(duì)物料可以加溫至350℃。通過研究，在這個(gè)溫度以下，有機(jī)物不會(huì)發(fā)生熱解，裂解的反應(yīng)，而堵塞管道。氧化劑和水的預(yù)熱，則可以設(shè)定為700℃。在反應(yīng)器8內(nèi)與物料混合后，則可以達(dá)到600℃的反應(yīng)要求溫度。因此，反應(yīng)器6可以只需要極小的加熱功率或者甚至不需加熱。從而使反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，制造和使用變得極為簡單。
超臨界水氣化和氧化反應(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng)，在此過程中，發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，放出大量的熱，對(duì)此部分能量加以回收利用，用來對(duì)物料和水進(jìn)行預(yù)熱，可以起到很好的效果，同時(shí)大大節(jié)省了整個(gè)系統(tǒng)的能量輸入。
由于各支路分開預(yù)熱，互不影響，進(jìn)入反應(yīng)器8后才混合，所以，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多功能。當(dāng)只開啟氧化劑和物料支路的時(shí)候，可以實(shí)現(xiàn)超臨界水氧化處理有機(jī)廢棄物的功能。開啟水支路和物料支路的時(shí)候，可以實(shí)現(xiàn)超臨界水氣化制取富氫燃料的功能。當(dāng)三個(gè)回路同時(shí)開啟的時(shí)候，則可以實(shí)現(xiàn)超臨界水氣化-氧化的功能。氧化劑的加入，可使物料發(fā)生部分氧化，從而變成無害的無機(jī)物，同時(shí)由于超臨界水的大量存在，作為反應(yīng)介質(zhì)，可以使氧化的中間產(chǎn)物發(fā)生氣化反應(yīng)，從而得到富氫的氣體，作為一種能源。
以下是發(fā)明人給出的實(shí)施例1、超臨界水氧化處理有機(jī)廢棄物a.使用空氣作為氧化劑空氣壓縮機(jī)13輸送壓縮空氣通過第一閥門1后，先經(jīng)過換熱器9，然后至氣體預(yù)熱器1；與水箱17中的液體經(jīng)第八閥門18和高壓柱塞泵19輸送，先經(jīng)過換熱器9，然后經(jīng)過液體預(yù)熱器2得到的超臨界水混合后，經(jīng)第三閥門6進(jìn)入反應(yīng)器8。而物料罐14中的物料(有機(jī)廢棄物)經(jīng)第七閥門15和高壓物料泵16輸送經(jīng)第二閥門5后，先經(jīng)過換熱器9，然后至物料預(yù)熱器3中，在物料預(yù)熱器3中預(yù)熱后，通過第四閥門7進(jìn)入反應(yīng)器8。兩股流體混合后在反應(yīng)管8中發(fā)生超臨界水氧化反應(yīng)。反應(yīng)后的產(chǎn)物經(jīng)換熱器9冷卻后，進(jìn)入上下有第六閥門12和第五閥門11的氣液分離器10。換熱器9的內(nèi)部上方的余熱利用回路21可以用于收集熱量繼續(xù)利用。
b.使用雙氧水作為氧化劑從水箱17中取一定比例濃度的雙氧水，經(jīng)第八閥門18由高壓柱塞泵19輸送，首先經(jīng)過第九閥門20進(jìn)入換熱器9，然后從換熱器9再經(jīng)過液體預(yù)熱器2，最后進(jìn)入反應(yīng)器8中；而物料罐14中的物料(有機(jī)廢棄物)經(jīng)第七閥門15由高壓物料泵16輸送經(jīng)第二閥門5后，先經(jīng)過換熱器9，然后至物料預(yù)熱器3中，在物料預(yù)熱器3中預(yù)熱后，通過第四閥門7進(jìn)入反應(yīng)器8。兩股流體混合后在反應(yīng)管8中發(fā)生超臨界水氧化反應(yīng)。反應(yīng)后的產(chǎn)物經(jīng)換熱器9冷卻后，進(jìn)入上下有第六閥門12和第五閥門11的氣液分離器10。換熱器9的內(nèi)部上方的余熱利用回路21可以用于收集熱量繼續(xù)利用。
2、超臨界水氣化有機(jī)廢棄物制取富氫氣體從水箱17中的純凈水經(jīng)第八閥門18由高壓柱塞泵19輸送，首先經(jīng)過第九閥門20進(jìn)入換熱器9，然后從換熱器9再經(jīng)過液體預(yù)熱器2，最后進(jìn)入反應(yīng)器8。而物料罐14中的物料(有機(jī)廢棄物)經(jīng)第七閥門15和高壓物料泵16輸送，先經(jīng)過換熱器9，然后在物料預(yù)熱器3中預(yù)熱后，從另一側(cè)進(jìn)入反應(yīng)器8。兩股流體混合后在反應(yīng)管8中發(fā)生超臨界水氣化反應(yīng)。反應(yīng)后的產(chǎn)物經(jīng)換熱器9冷卻后，進(jìn)入上下有第六閥門12和第五閥門11的氣液分離器10，打開氣液分離器10上的第六閥門12，可以得到富氫氣體。換熱器9的內(nèi)部上方的余熱利用回路21可以用于收集熱量繼續(xù)利用。
3、超臨界水部分氧化處理有機(jī)廢棄物a.使用空氣作為氧化劑空氣壓縮機(jī)13輸送壓縮空氣通過第一閥門4后，先經(jīng)過換熱器9，然后至氣體預(yù)熱器1，與從水箱17中的液體經(jīng)第八閥門18和高壓柱塞泵19輸送，先經(jīng)過換熱器9，然后再經(jīng)過液體預(yù)熱器2的超臨界水混合后，進(jìn)入反應(yīng)器8。而物料罐14中的物料(有機(jī)廢棄物)經(jīng)第七閥門15和高壓物料泵16輸送，先經(jīng)過換熱器9，然后在物料預(yù)熱器3中預(yù)熱后，從另一側(cè)進(jìn)入反應(yīng)器8。兩股流體混合后在反應(yīng)管8中發(fā)生超臨界水部分氧化反應(yīng)。產(chǎn)物經(jīng)換熱器9冷卻，進(jìn)入氣液分離器10。換熱器9的內(nèi)部上方的余熱利用回路21可以用于收集熱量繼續(xù)利用。
b.使用雙氧水作為氧化劑
從水箱17中取一定比例濃度的雙氧水，經(jīng)第八閥門18，由高壓柱塞泵19輸送，通過第九閥門20先經(jīng)過換熱器9，然后經(jīng)過液體預(yù)熱器2進(jìn)入反應(yīng)器8。而物料罐14中的物料(有機(jī)廢棄物)經(jīng)第七閥門15和高壓物料泵16輸送，先經(jīng)過換熱器9，然后在物料預(yù)熱器3中預(yù)熱后，進(jìn)入反應(yīng)器8。兩股流體混合后在反應(yīng)管8中發(fā)生部分氧化反應(yīng)。反應(yīng)后的產(chǎn)物經(jīng)換熱器9冷卻后，進(jìn)入上下有第六閥門12和第五閥門11的氣液分離器10。換熱器9的內(nèi)部上方的余熱利用回路21可以用于收集熱量繼續(xù)利用。
C.以城市污泥為物料的超臨界水氣化反應(yīng)采用本發(fā)明的系統(tǒng)對(duì)城市污泥進(jìn)行超臨界水氣化制氫處理，其試驗(yàn)表明污泥的有機(jī)物去除率可達(dá)90％以上；在550℃、反應(yīng)時(shí)間為10Min時(shí)，污泥氣化后所得的氫氣體積百分比為23.5％，反應(yīng)后剩余收集液的COD小于200mg·L-1。
d.以印刷油墨廢水為物料的超臨界水氧化反應(yīng)采用本發(fā)明的系統(tǒng)對(duì)印刷油墨廢水進(jìn)行超臨界水無害化處理，其試驗(yàn)表明印刷油墨廢水的有機(jī)物去除率可達(dá)96％以上；在600℃、反應(yīng)時(shí)間為5Min時(shí)，反應(yīng)后剩余收集液的COD小于95.7mg·L-1。
權(quán)利要求
1.一種廢棄有機(jī)廢液無污染排放和資源利用的超臨界水處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括氧化劑、臨界水和物料三路分開的預(yù)熱器，其特征在于，所述的三路分開的預(yù)熱器為氣體預(yù)熱器(1)、液體預(yù)熱器(2)和物料預(yù)熱器(3)，其中氣體預(yù)熱器(1)的進(jìn)口端通過管路與換熱器(9)相連通，該換熱器(9)通過第一閥門(4)和空氣壓縮機(jī)(13)相連，氣體預(yù)熱器(1)的出口端與液體預(yù)熱器(2)連通；液體預(yù)熱器(2)的進(jìn)口端通過管路與換熱器(9)相連通，該換熱器(9)通過第九閥門(20)連接有高壓柱塞泵(19)，高壓柱塞泵(19)通過第八閥門(18)連接有水箱(17)；物料預(yù)熱器(3)的進(jìn)口端通過管路與換熱器(9)相連通，該換熱器(9)通過第二閥門(5)連接有高壓物料泵(16)，該高壓物料泵(16)還通過第七閥門(15)連接有物料罐(14)；氣體預(yù)熱器(1)和液體預(yù)熱器(2)的出口端通過第三閥門(6)與反應(yīng)器(8)連通，物料預(yù)熱器(3)的出口端通過第四閥門(7)與反應(yīng)器(8)連通，該反應(yīng)器(8)與換熱器(9)相連通；該換熱器(9)與氣液分離器(10)相連；氣液分離器(10)的兩端還有第六閥門(12)和第五閥門(11)。
2.如權(quán)利要求1所述的廢棄有機(jī)廢液無污染排放和資源利用的超臨界水處理系統(tǒng)，其特征在于，所述的換熱器(9)的內(nèi)部上方還有余熱利用回路(21)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種廢棄有機(jī)廢液無污染排放和資源利用的超臨界水處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括氧化劑、臨界水和物料三路分開氣體預(yù)熱器、液體預(yù)熱器和物料預(yù)熱器，分別為氣體氧化劑、液體氧化劑(或反應(yīng)介質(zhì))和物料進(jìn)行預(yù)熱，可以很好地抑制焦油、焦炭的產(chǎn)生，以防止堵塞管路，同時(shí)使反應(yīng)器的設(shè)計(jì)簡化。這種系統(tǒng)氧化和氣化可同時(shí)進(jìn)行，與單一的污染物處理系統(tǒng)相比，具有更好的處理效果，同時(shí)還能對(duì)有機(jī)廢棄物中的能量進(jìn)行回收利用。本發(fā)明的系統(tǒng)制備簡單、有效、易行。
文檔編號(hào)C02F1/04GK1868915SQ20061004292
公開日2006年11月29日 申請(qǐng)日期2006年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月5日
發(fā)明者王樹眾, 張欽明, 王亮, 徐東海, 盧玲玲 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)