有機廢液及污泥的間接換熱型超臨界水氧化系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種有機廢液及污泥的間接換熱型超臨界水氧化系統(tǒng)，通過設(shè)置回熱器、預熱器，借助中間介質(zhì)循環(huán)，實現(xiàn)間接地將超臨界水氧化反應出水的熱量傳遞給后續(xù)待處理物料。相對于反應出水直接對待處理物料進行預熱的換熱設(shè)備，該工藝中的預熱器/回熱器僅其內(nèi)管需采用高端耐蝕合金、外管采用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(shè)備的投資成本。此外，預熱器/回熱器外管側(cè)為干凈的除鹽水，避免了換熱器外管側(cè)走臟流體的堵塞風險。此外，工藝末端設(shè)置的三相分離子系統(tǒng)可實現(xiàn)超臨界水氧化反應出水中液、固、氣三相的自動連續(xù)在線分離。該工藝可廣泛應用于各類有機廢液及污泥的超臨界水氧化處理領(lǐng)域。
【專利說明】
有機廢液及污泥的間接換熱型超臨界水氧化系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于超臨界水處理有機廢物領(lǐng)域，具體涉及一種有機廢液及污泥的間接換熱型超臨界水氧化系統(tǒng)。
【【背景技術(shù)】】
[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(tài)的水。超臨界水氧化(Supercritical WaterOxidat1n，SCW0)是利用超臨界水獨特的理化性質(zhì)來實現(xiàn)有毒有害有機污染物的高效氧化降解。與普通的液態(tài)水相比，超臨界水的各種理化性質(zhì)發(fā)生了顯著的變化:密度、黏度、離子積均明顯下降，擴散系數(shù)較高;水分子間的氫鍵減弱;介電常數(shù)變得極小，25MPa下由室溫下的80左右下降至溫度大于或者等于400°C時的小于2，該值大致相當于標準狀態(tài)下一般有機溶劑的介電常數(shù)。因此，在超臨界水體系中，氧氣、空氣、過氧化氫、水及絕大多數(shù)有機物可以任意比例互溶，氣液相界面消失，超臨界水氧化體系成為均相反應體系，消除了相間的傳質(zhì)傳熱阻力，從而加快了反應速度，可在幾秒至幾分鐘內(nèi)將有機物徹底氧化降解為C02、H20、N2及其他一些有機小分子化合物，對大多數(shù)有機廢物的去除率高達99.9%。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(zhì)量濃度超過2%時，可以依靠反應放熱維持系統(tǒng)熱量平衡，無需外界補充熱量;設(shè)備體積小、安全性好、符合封閉性要求。超臨界水氧化技術(shù)在處理難降解、有毒有害有機物方面表現(xiàn)出了極大的技術(shù)優(yōu)勢。
[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(huán)節(jié)。對于傳統(tǒng)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(zhì)對超臨界水氧化反應出水進行降溫，同時實現(xiàn)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(xiàn)超臨界水氧化系統(tǒng)的連續(xù)運行。由于320?410°C范圍的臨界點附近高密度水區(qū)，水的介電常數(shù)和無機鹽的溶解度都很大，該溫度段為腐蝕敏感區(qū)，為傳統(tǒng)超臨界水氧化工藝中，設(shè)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(cè)，對該換熱器的持久可靠運行構(gòu)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(nèi)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(chǎn)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(shù)(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(zhì)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(nèi)管的內(nèi)外壁面、外管的內(nèi)壁面皆面臨著嚴重的腐蝕威脅。換熱設(shè)備的內(nèi)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(nèi)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]因此，針對各類有機廢液及污泥超臨界水氧化工藝的開發(fā)，需要降低預熱-冷卻階段設(shè)備投資及其運行風險，以確保超臨界水氧化裝置的低投資和持久運行可靠性。
[0006]城市污泥和各類工業(yè)污泥產(chǎn)量巨大，其為超臨界水氧化工藝的重點處理對象之一，因此超臨界水氧化系統(tǒng)的待處理物料中往往含有一定量的不溶性固體，因此避免不溶性固體在超臨界水氧化裝置內(nèi)的沉積堵塞、實現(xiàn)超臨界水氧化反應出水的連續(xù)在線三相(液相、氣相產(chǎn)物、不溶性固體)分離，對于提高超臨界水氧化工藝的市場競爭力同樣具有重要意義。
【【實用新型內(nèi)容】】
[0007]本實用新型的目的是針對【背景技術(shù)】中待處理物料與反應出水直接換熱設(shè)備的投資高、腐蝕/堵塞風險大的問題，以及避免裝置中不溶性固體沉積堵塞與實現(xiàn)反應出水連續(xù)穩(wěn)定三相分離的緊迫性，提供一種有機廢液及污泥的間接換熱型超臨界水氧化系統(tǒng)。
[0008]為達到上述目的，本實用新型采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn):
[0009]—種有機廢液及污泥的間接換熱型超臨界水氧化系統(tǒng)，包括超臨界水氧化反應物系統(tǒng)、物料預處理系統(tǒng)、氧氣供應系統(tǒng)以及中間介質(zhì)導熱系統(tǒng);反應物料由物料預處理系統(tǒng)進入超臨界水氧化反應物系統(tǒng)，中間介質(zhì)導熱系統(tǒng)進行熱交換;超臨界水氧化反應物系統(tǒng)包括反應器以及設(shè)置于末端的三相分離子系統(tǒng)，反應完的物料經(jīng)三相分離子系統(tǒng)外排;氧氣供應系統(tǒng)用于向反應器中提供氧氣。
[0010]本實用新型進一步的改進在于:
[0011 ]所述物料預處理系統(tǒng)包括物料緩沖罐，物料緩沖罐的出口與超臨界水氧化反應物系統(tǒng)的入口相連通;物料緩沖罐的入口分別連接不溶物過濾器和儲藥箱;不溶物過濾器的入口連接物料輸入管道，出口與物料緩沖罐之間的管路上設(shè)置研磨栗;儲藥箱與物料緩沖罐之間的管路上設(shè)置加藥栗。
[0012]所述氧氣供應系統(tǒng)包括液氧罐，液氧罐的出口依次連接液氧栗、液氧氣化器、氧氣緩沖罐以及氧氣調(diào)壓器，氧氣調(diào)壓器的出口與反應器的入口相連通。
[0013]所述超臨界水氧化反應物系統(tǒng)包括物料栗，物料栗的入口與物料預處理系統(tǒng)的出口相連通，物料栗的出口連接預熱器內(nèi)管，預熱器的內(nèi)管出口與反應器的入口相連通，反應器的出口連接回熱器內(nèi)管，回熱器的內(nèi)管出口通過降壓器與三相分離子系統(tǒng)的入口相連通，三相分離子系統(tǒng)的出口與系統(tǒng)出水外排管道相連通。
[0014]所述中間介質(zhì)導熱系統(tǒng)包括管道增壓栗，管道增壓栗的入口與預熱器的外管出口相連，出口與回熱器的外管入口相連；回熱器的外管出口通過加熱器與預熱器的外管入口相連通。
[0015]所述管道增壓栗與預熱器之間的管道上還設(shè)置有調(diào)壓器。
[0016]還包括除鹽水箱，除鹽水箱的出口分為兩路，一路連接至預熱器與管道增壓栗之間的管道上，另一路連接至物料栗的入口處。
[0017]所述降壓器出口依次連接氣液分離器和在線微過濾器，在線微過濾器的出口與系統(tǒng)出水外排管道相連通。
[0018]所述降壓器出口依次連接在線微過濾器和氣液分離器，氣液分離器的出口與系統(tǒng)出水外排管道相連通；
[0019]所述降壓器的出口連接三相分離器，三相分離器的液體出口與系統(tǒng)出水外排管道相連通。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下有益效果:
[0021]本實用新型通過設(shè)置中間介質(zhì)導熱系統(tǒng)，實現(xiàn)間接地將超臨界水氧化反應出水的熱量傳遞給后續(xù)待處理物料。相對于反應出水直接對待處理物料進行預熱的換熱設(shè)備，本實用新型預熱器和回熱器僅其內(nèi)管需采用高端耐蝕合金、外管采用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(shè)備的投資成本。
[0022]進一步的，本實用新型不溶物過濾器和研磨栗，可以將超臨界水氧化裝置進口物料中不溶性固體顆粒的粒徑控制到50微米以下，較小的不溶性固體顆粒尺寸，大大減小了其在超臨界水氧化裝置內(nèi)沉積，堵塞設(shè)備的可能性，提高了裝置的運行可靠性。
[0023]進一步的，本實用新型預熱器和回熱器的內(nèi)管側(cè)走腐蝕性流體(預熱器內(nèi)管為待處理物料、回熱器內(nèi)管為超臨界水氧化反應出水)，外管側(cè)為干凈的除鹽水，因此預熱器與回熱器僅其內(nèi)管需采用高端耐蝕合金、外管采用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(shè)備的投資成本。此外，外管側(cè)為干凈的除鹽水，避免了外管側(cè)走臟流體(待處理物料或者反應出水)的堵塞風險。
[0024]進一步的，本實用新型三相分離子系統(tǒng)可實現(xiàn)超臨界水氧化反應出水中液相、不溶性固相微顆粒以及氣相產(chǎn)物等液、固、氣三相的連續(xù)自動在線分離。
【【附圖說明】】
[0025]圖1為本實用新型的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]其中，1-不溶物過濾器;2-研磨栗;3-物料緩沖罐;4-物料栗;5-預熱器;6_除鹽水箱;7-反應器;8-回熱器;9-降壓器；10-氣液分離器；11-在線微過濾器；12-三相分離器；13-管道增壓栗；14-加熱器；15-液氧罐；16-液氧栗；17-液氧氣化器；18-氧氣緩沖罐；19-氧氣調(diào)壓器;20-儲藥箱;21-加藥栗;22-調(diào)壓器;101-開關(guān)閥；102-開關(guān)閥；103-開關(guān)閥。
【【具體實施方式】】
[0027]下面結(jié)合附圖對本實用新型做進一步詳細描述:
[0028]參見圖1，本實用新型包括物料預處理系統(tǒng)、中間介質(zhì)導熱系統(tǒng)、氧氣供應系統(tǒng)、超臨界水氧化反應物系統(tǒng)。其中:
[0029]物料預處理系統(tǒng)包括不溶物過濾器1、研磨栗2、物料緩沖罐3、儲藥箱20以及加藥栗21，研磨栗2可以研磨不溶性固體粒徑至50微米以下。不溶物過濾器I入口連接物料輸入管道，不溶物過濾器I出口連接研磨栗2入口，研磨栗2出口連接物料緩沖罐3入口，儲藥箱20的出口連接加藥栗21，加藥栗21的出口連接物料緩沖罐3入口。
[0030]中間介質(zhì)導熱系統(tǒng)包括預熱器5、管道增壓栗13、回熱器8以及加熱器14，預熱器5外管入口連接加熱器14出口，預熱器5外管出口連接管道增壓栗13，管道增壓栗13出口接至回熱器8外管，回熱器8外管出口連接加熱器14入口。
[0031]氧氣供應系統(tǒng)包括液氧罐15、液氧栗16、液氧氣化器17、氧氣緩沖罐18以及氧氣調(diào)壓器19。液氧罐15連接液氧栗16，液氧栗16接至液氧氣化器17，液氧氣化器17出口連接氧氣緩沖罐18，氧氣緩沖罐18出口連接氧氣調(diào)壓器19，氧氣調(diào)壓器19出口接至反應器7入口。
[0032]超臨界水氧化反應物系統(tǒng)包括物料栗4、預熱器5、反應器7、回熱器8、降壓器9以及三相分離子系統(tǒng)，物料栗4入口連接物料緩沖罐3出口，物料栗4出口接至預熱器5內(nèi)管入口，預熱器5內(nèi)管出口接至反應器7入口，反應器7出口接至回熱器8內(nèi)管，回熱器8內(nèi)管出口連接降壓器9，降壓器9出口接至三相分尚子系統(tǒng)、三相分尚子系統(tǒng)出口接至系統(tǒng)出水外排管道。
[0033]三相分離子系統(tǒng)包括氣液分離器I O、在線微過濾器11或者氣液固三相分離器12，所述氣液分離器10連接降壓器9出口、氣液分離器10出口接至在線微過濾器11、在線微過濾器11出口連接系統(tǒng)出水外排管道;或者在線微過濾器11入口連接降壓器9出口、在線微過濾器11出口連接氣液分離器10入口、氣液分離器10出口連接系統(tǒng)出水外排管道;或者氣液固三相分離器12入口連接降壓器9出口，氣液固三相分離器12出口接至系統(tǒng)出水外排管道。
[0034]本實用新型的原理及過程:
[0035]系統(tǒng)啟動前期，首先由工藝界外向除鹽水箱6補充除鹽水。來自除鹽水箱6的除鹽水一支路，經(jīng)開關(guān)閥103至管道增壓栗13。管道增壓栗位于中間介質(zhì)回路的最低點，在管道增壓栗13的栗送作用下，中間介質(zhì)依次流經(jīng)回熱器8外管、加熱器14、預熱器5外管、調(diào)壓器22，進行中間介質(zhì)回路的充水;充水完成后通過調(diào)小位于中間介質(zhì)回路最高點的調(diào)壓器22的開度，實現(xiàn)中間介質(zhì)回路的升壓，充水升壓完成后關(guān)閉開關(guān)閥103。同時，來自除鹽水箱6的另一支路，經(jīng)開關(guān)閥102至物料栗4。在物料栗4的栗送作用下除鹽水依次流經(jīng)預熱器5內(nèi)管、反應器7、回熱器8內(nèi)管、降壓器9、三相分離子系統(tǒng)，最終進入系統(tǒng)出水外排管道。逐步調(diào)節(jié)降壓器9，使反應器7處壓力逐漸升高至超臨界壓力。啟動加熱器14對中間介質(zhì)進行補熱，管道增壓栗13作為中間介質(zhì)循環(huán)動力，經(jīng)過一定時間的循環(huán)加熱，可使得反應器入口溫度升高至目標值，即完成了系統(tǒng)的升溫。
[0036]系統(tǒng)升壓升溫完成后，物料栗4進口物料由來自除鹽水箱6的除鹽水切換為來自物料緩沖罐3的待處理物料。經(jīng)過不溶物過濾器I的過濾、研磨栗2的研磨處理，物料緩沖罐3中不溶性固體顆粒的粒徑可控制在50微米以下;此外，來自儲藥箱20的藥劑，經(jīng)加藥栗21進入物料緩沖罐3，在物料緩沖罐內(nèi)攪拌器作用下，可實現(xiàn)物料特性的均質(zhì)調(diào)配，滿足超臨界水氧化裝置對系統(tǒng)進料的要求。調(diào)配好的待處理物料經(jīng)物料栗4流入預熱器5內(nèi)管中被預熱器5外管中高溫中間介質(zhì)預熱至目標預熱溫度，繼而進入反應器7;來自液氧罐15的液氧依次流經(jīng)液氧栗16、液氧氣化器17，繼而以氧氣形式進入氧氣緩沖罐18，經(jīng)氧氣調(diào)壓器19調(diào)壓后進入反應器7。在反應器7內(nèi)，達到預熱溫度的待處理物料與氧氣相遇發(fā)生氧化反應，放出一定的熱量。超臨界水氧化反應出水進入回熱器8內(nèi)管將熱量傳遞給回熱器8外管的中間介質(zhì)。在管道增壓栗13的作用下，中間介質(zhì)在中間介質(zhì)回路內(nèi)循環(huán)流動，于回熱器8外管吸收內(nèi)管反應出水的熱量，經(jīng)加熱器14必要時需適當補熱，流入預熱器5外管將熱量傳遞給預熱器5內(nèi)管中物料，實現(xiàn)待處理物料的預熱。來自回熱器8內(nèi)管的已冷卻反應出水經(jīng)降壓器9降至適當壓力后，進入三相分離器子系統(tǒng)，實現(xiàn)反應出水的三相分離。
[0037]三相分離子系統(tǒng)的實施流程可分為三種，見圖1。其一，先分離氣相，再實現(xiàn)液固分離:來自降壓器9的低溫反應出水，首先進入氣液分離器10，氣相產(chǎn)物及殘留氧氣等從其頂部排出，液固混合物由其底部出口進入在線微過濾器11;在線微過濾器11內(nèi)實現(xiàn)液固分離，固相殘渣由其排污口連續(xù)或者間歇排出，液相由其排液口流出，繼而進入系統(tǒng)出水外排管道。其二，先脫出固相殘渣，后實現(xiàn)氣液分離:來自降壓器9的低溫反應出水，首先進入在線微過濾器11，固相殘渣由其底部排污口連續(xù)或者間歇排出；氣液混合物進入氣液分離器10，氣相產(chǎn)物及殘留氧氣等從其頂部排出，液相由其排液口流出，繼而進入系統(tǒng)出水外排管道。其三，同時實現(xiàn)三相分離:來自降壓器9的低溫反應出水進入氣液固三相分離器12，相產(chǎn)物及殘留氧氣等從其頂部排出，固相殘渣由其底部排污口連續(xù)或者間歇排出，液相由其排液口流出，繼而進入系統(tǒng)出水外排管道。
[0038]以上內(nèi)容僅為說明本實用新型的技術(shù)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(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本實用新型權(quán)利要求書的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.有機廢液及污泥的間接換熱型超臨界水氧化系統(tǒng)，其特征在于，包括超臨界水氧化反應物系統(tǒng)、物料預處理系統(tǒng)、氧氣供應系統(tǒng)以及中間介質(zhì)導熱系統(tǒng);反應物料由物料預處理系統(tǒng)進入超臨界水氧化反應物系統(tǒng)，中間介質(zhì)導熱系統(tǒng)進行熱交換;超臨界水氧化反應物系統(tǒng)包括反應器(7)以及設(shè)置于末端的三相分離子系統(tǒng)，反應完的物料經(jīng)三相分離子系統(tǒng)外排;氧氣供應系統(tǒng)用于向反應器(7)中提供氧氣。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機廢液及污泥的間接換熱型超臨界水氧化系統(tǒng)，其特征在于，所述物料預處理系統(tǒng)包括物料緩沖罐(3)，物料緩沖罐(3)的出口與超臨界水氧化反應物系統(tǒng)的入口相連通;物料緩沖罐(3)的入口分別連接不溶物過濾器(I)和儲藥箱(20);不溶物過濾器(I)的入口連接物料輸入管道，出口與物料緩沖罐(3)之間的管路上設(shè)置研磨栗(2);儲藥箱(20)與物料緩沖罐(3)之間的管路上設(shè)置加藥栗(21)。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的有機廢液及污泥的間接換熱型超臨界水氧化系統(tǒng)，其特征在于，所述氧氣供應系統(tǒng)包括液氧罐(15)，液氧罐(15)的出口依次連接液氧栗(16)、液氧氣化器(17)、氧氣緩沖罐(18)以及氧氣調(diào)壓器(19)，氧氣調(diào)壓器(19)的出口與反應器(7)的入口相連通。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的有機廢液及污泥的間接換熱型超臨界水氧化系統(tǒng)，其特征在于，所述超臨界水氧化反應物系統(tǒng)包括物料栗(4)，物料栗(4)的入口與物料預處理系統(tǒng)的出口相連通，物料栗(4)的出口連接預熱器(5)內(nèi)管，預熱器(5)的內(nèi)管出口與反應器(7)的入口相連通，反應器(7)的出口連接回熱器(8)內(nèi)管，回熱器(8)的內(nèi)管出口通過降壓器(9)與三相分尚子系統(tǒng)的入口相連通，三相分尚子系統(tǒng)的出口與系統(tǒng)出水外排管道相連通。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的有機廢液及污泥的間接換熱型超臨界水氧化系統(tǒng)，其特征在于，所述中間介質(zhì)導熱系統(tǒng)包括管道增壓栗(13)，管道增壓栗(13)的入口與預熱器(5)的外管出口相連，出口與回熱器(8)的外管入口相連；回熱器(8)的外管出口通過加熱器(14)與預熱器(5)的外管入口相連通。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的有機廢液及污泥的間接換熱型超臨界水氧化系統(tǒng)，其特征在于，所述管道增壓栗(13)與預熱器(5)之間的管道上還設(shè)置有調(diào)壓器(22)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的有機廢液及污泥的間接換熱型超臨界水氧化系統(tǒng)，其特征在于，還包括除鹽水箱(6)，除鹽水箱(6)的出口分為兩路，一路連接至預熱器(5)與管道增壓栗(13)之間的管道上，另一路連接至物料栗(4)的入口處。8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的有機廢液及污泥的間接換熱型超臨界水氧化系統(tǒng)，其特征在于，所述降壓器(9)出口依次連接氣液分離器(10)和在線微過濾器(11)，在線微過濾器(11)的出口與系統(tǒng)出水外排管道相連通。9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的有機廢液及污泥的間接換熱型超臨界水氧化系統(tǒng)，其特征在于，所述降壓器(9)出口依次連接在線微過濾器(11)和氣液分離器(10)，氣液分離器(10)的出口與系統(tǒng)出水外排管道相連通。10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的有機廢液及污泥的間接換熱型超臨界水氧化系統(tǒng)，其特征在于，所述降壓器(9)的出口連接三相分離器(12)，三相分離器(12)的液體出口與系統(tǒng)出水外排管道相連通。
【文檔編號】C02F1/72GK205442756SQ201620184312
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月10日
【發(fā)明人】王樹眾, 李艷輝, 任萌萌, 唐興穎, 張潔, 王玉珍, 楊健喬
【申請人】西安交通大學