技术领域
[0001] 本
发明属于化工机械技术领域,尤其涉及
超临界水氧化系统处理有机废液。
背景技术
[0002]
超临界水氧化技术具有可处理的
有机废物类型多、分解效率高、无二次污染、反应迅速、高效节能等优点,在难降解有机
废物处理领域具有很广阔的应用前景。
[0003]
现有技术中,超临界水氧化系统包括物料送入结构、反应器、降压结构、气液分离器和控制系统,物料送入结构包括
氧化剂送入管路、有机废料送入管路、辅助
燃料送入管路和
软化水送入管路,各管路与反应器上的对应
接口连接。反应器是密闭的双层容器,外层是壳体,内层是多孔
内衬管,反应器的出口通过压
力调节
阀与气液分离器连接。现有技术的超临界水氧化系统,通常是在有机废料、辅助燃料和软化水进入反应器之前,将其中的一种或二种加热至设定
温度后再进入反应器,在反应器内,有机废物与氧化剂发生反应并放热,使反应器内达到超
临界状态,使有机废物降解。反应的产物经反应器排出口排出,反应的产物经过降压处理后进入气液分离器分离。降压结构是压力调节阀,压力调节阀连接在反应器与气液分离器之间的管路上,压力调节阀在降压的同时,也调节反应器内的反应压力。氧化剂一般为纯氧或双氧水,纯氧包括液氧和高纯度氧气。现有技术的不足在于:
[0004] 1、以液氧作为氧化剂时,系统需增加空分、
气化等设备,投资成本高,且一旦泄露,易发生操作人员氧中毒,还作为助燃剂具有形成爆炸环境的危险。以高纯度氧气作为氧化剂时,氧气罐的数量多、体积大,投资成本高,且纯氧环境会加快设备的
腐蚀速率。以双氧水作为氧化剂时,运行成本高。
[0005] 2、辅助燃料或有机废液在反应器外加热到设定温度后再进入反应器内,辅助燃料或有机废液在加热过程中,易发生有机物降解,生成
焦炭、焦油,部分盐分也会因温度升高而结晶析出,生成的焦炭、焦油和盐分会产生沉积
结垢的现象,降低加热器的换热系数。长期运行后,换热器出口难以达到预热温度,造成系统开机困难或无法正常运行。
[0006] 3、多孔内衬管表面水通量受水柱静压差的影响较大,通常内衬管上端水通量小,容易干壁,影响设备寿命。增大内衬管的水通量可以缓解干壁现象,但难以保证有效的超临界反应温度,造成系统处理效果差。
[0007] 4、用压力调节阀节流降压,易发生因盐分沉积在阀
门密封面上,使反应器难以密封,压力无法维持;降压过程中水处于
过热状态,大量的水发生
汽化,对管道和阀门造成气蚀,影响降压系统的使用寿命。
发明内容
[0008] 本发明的目的是提供一种超临界水氧化系统,克服现有技术的不足。
[0009] 本发明的技术方案是:一种超临界水氧化系统,包括氧化剂源、有机废液源、辅助燃料源、软化水源、氧化剂进料调节装置、有机废液进料调节装置、辅助燃料进料调节装置、进料软化水调节装置、间壁水进料调节装置、反应器、降压装置、气液分离器和
控制器,反应器由外筒体和多孔体内衬管组成,反应器顶部设有氧化剂进口和物料进口,反应器上部或侧面设有间壁软化水进口,反应器底部设有反应器排出口;氧化剂源、有机废液源、辅助燃料源和软化水源分别通过管路与氧化剂进料调节装置、有机废液进料调节装置、辅助燃料进料调节装置和进料软化水调节装置的进口相连,氧化剂进料调节装置、有机废液进料调节装置、辅助燃料进料调节装置和进料软化水调节装置的出口与反应器物料进口相连,软化水源还通过间壁水进料调节装置与反应器间壁软化水进口相连,反应器上设有检测反应器内温度和压力的反应器温度检测装置和反应器压力检测装装置;降压装置通过管路分别与反应器排出口和气液分离器进口相连,控制器分别与有机废液进料调节装置、辅助燃料进料调节装置、进料软化水调节装置、间壁水进料调节装置、反应器温度检测装置、反应器压力检测装置、有机废液流量检测装置、辅助燃料流量检测装置、进料软化水流量检测装置、间壁水流量检测装置电连接;其特征在于,所述氧化剂源是空气;所述氧化剂进料调节装置包括空气
压缩机和
空气预热器,空气压缩机出口与空气预热器进口通过管路相连接,空气压缩机进口与空气源连接,空气预热器出口与反应器氧化剂进口相连,在空气预热器与反应器氧化剂进口连接的管路上设有空气预热器出口温度检测装置,控制器与空气预热器的控制器和空气预热器出口温度检测装置电连接。
[0010] 本发明所述的一种超临界水氧化系统,其特征在于:所述反应器的内衬管的管壁厚度是2~5mm,内衬管管壁上的孔按照平均孔径分为两层以上,逐层呈梯度分布,所述逐层呈梯度分布是沿内衬管径向梯度分布或沿内衬管轴向梯度分布,所述沿内衬管径向梯度分布是管壁上孔的平均孔径沿内衬管径向由内层向外逐层减小;所述沿内衬管轴向梯度分布是管壁上孔的平均孔径沿内衬管轴向由底层向上逐层增大,内层或顶层的平均孔径为5~40μm,外层或底层的平均孔径是0.2~3μm,中层的平均孔径为2~10μm。
[0011] 本发明所述的一种超临界水氧化系统,其特征在于:所述降压装置是微通道式降压装置,微通道式降压装置包括多级连接管路、微通道换热器和微通道降压器,微通道换热器和微通道降压器通过管路连接,微通道换热器进口与反应器出口之间通过多级缩颈管路连接,微通道降压器出口与气液分离器进口之间通过多级扩径管路连接;所述多级缩颈管路为两级以
上管路,其中,与反应器出口相连的一级管路的管径与反应器出口直径相对应,与微通道换热器进口相连的一级管路的管径与微通道换热器进口的直径相对应,之间的各级管路的管径逐级减小,微通道换热器进口的管径是反应器出口管径的1/5~1/100;所述多级扩径管路为两级以上管路,其中,与微通道降压器出口相连的一级管路的管径与微通道降压器出口直径相对应,与气液分离器进口相连的一级管路的管径与气液分离器进口直径相对应,之间的各级管路的管径逐级增大,气液分离器进口的管径是微通道降压器出口的管径的5~100倍。
[0012] 本发明所述的一种超临界水氧化系统,其特征在于:所述有机废液进料调节装置、辅助燃料进料调节装置、进料软化水调节装置和间壁水进料调节装置是变频
泵,或泵和调节阀结合,或泵和泵出口管路上建立的支路调节结合的三种中的任意一种。
[0013] 本发明所述一种超临界水氧化系统,其特征在于:所述反应器上的物料进口为一个,物料进口上连接有物料总进管;所述有机废液进料调节装置、辅助燃料进料调节装置和进料软化水调节装置的出口与反应器相连是有机废液进料调节装置、辅助燃料进料调节装置和进料软化水调节装置的出口与物料总进管相连。
[0014] 本发明所述的一种超临界水氧化系统,其特征在于:所述辅助燃料源是低燃点的
液体燃料。
[0015] 本发明所述的一种超临界水氧化系统,其特征在于:所述控制器是内置控制程序的计算机控制器。
[0016] 本发明所述的一种超临界水氧化系统的启动方法,包括反应器的升温升压,其特征在于:所述反应器的升温升压包括以下步骤:
[0017] 1)开启进料软化水调节装置向反应器内供软化水,然后启动间壁水进料调节装置向反应器的间壁内供软化水,再开启空气压缩机向反应器内供空气,至反应器内压力稳定;
[0018] 2)启动空气预热器预热空气,并设定空气预热器出口温度,预热后的空气与进料软化水在反应器内混合,并使混合物料升温;
[0019] 3)待反应器内温度升高至辅助燃料燃点温度以上时,启动辅助燃料进料调节装置向反应器内供辅助燃料,辅助燃料在反应器内发生氧化反应使反应器内温度上升至设定温度;
[0020] 4)停止空气预热器对空气预热,调节进料软化水的进料量、间壁软化水的进料量和辅助燃料进料量,使各物料进料量达到超临界工况的设定量,不再调节进料软化水和间壁软化水的量,维持反应器内的超临界工况并稳定运行;
[0021] 5)启动有机废液进料调节装置向反应器内供有机废液,并依据有机废液热值,适时调节有机废液进料量、辅助燃料进料量和进料软化水进料量,使反应器内保持超临界工况,直至有机废液进料达到系统正常运行状态,启动完成。
[0022] 本发明所述的一种超临界水氧化系统的启动方法,其特征在于:所述依据有机废液热值,进行适时调节包括有机废液热值低于系统自热要求时调节和有机废液热值高于系统自热要求时调节,所述在有机废液热值低于系统自热要求时调节是:进料软化水进料量调节至关闭,调节辅助燃料进料量和有机废液进料量,维持反应器内超临界工况;所述在有机废液热值高于系统自热要求时调节是:辅助燃料进料量调节至关闭,调节有机废液进料量和进料软化水进料量,维持反应器内超临界工况。
[0023] 本发明所述的一种超临界水氧化系统的启动方法,其特征在于:所述设定的空气预热器出口温度为300℃-600℃;步骤3)所述的反应器内设定温度为400℃-700℃,所述反应器内超临界工况包括温度和压力,超临界工况温度为400℃-700℃,超临界工况压力为230~250bar。
[0024] 本发明的原理是:有机废液、辅助燃料、软化水分别经过有机废液进料泵、辅助燃料进料泵和进料软化水泵升压后汇合到一根总管进入反应器,启动时,空气经空气压缩机升压和空气预热器预热后进入反应器,在反应器内形成超临界水氧化环境,正常运行时,空气经空气压缩机升压不预热冷态进入反应器,使空气中的氧与有机废液反应。通过调节辅助燃料、进料软化水、有机废液和间壁软化水的流量来维持反应器内的温度和压力,当有机废液氧化反应热值低于超临界水氧化环境所要求的热量时,调节辅助燃料量来维持反应温度,反之则调节有机废液量来维持反应温度。间壁软化水进入反应器器壁与内衬管之间的空隙,间壁软化水通过内衬管的管壁上的孔渗透到内衬管的内壁,在内衬管的内壁上形成水膜或气膜,用于减缓设备腐蚀、避免盐分沉积。
[0025] 氧与有机废液反应后的产物,在反应器底部减弱成亚临界状态,在排出口经管道进入降压装置内,被减温、减压后物料进入气液分离器内,液相通过气液分离器的底部排出,而气相经过除雾器除去小液滴后通过顶部排出。
[0026] 本发明的有益效果为:
[0027] 1、采用空气作为超临界水氧化反应的氧化剂,既可降低投资成本,又可避免了因纯氧泄露造成操作人员氧中毒,而且空气原料成本为零,极大地降低了运行成本。
[0028] 2、有机废液以常温状态进入反应器反应,避免了有机废液被加热过程中有机物高温结焦、盐分结垢造成换热器
传热效率低、系统启动困难等缺点。
[0029] 3、反应器内衬管采用梯度设计多孔复合的形式,内衬管能够提供合适通量,既可以减小静压差的影响,使得布液更加均匀,避免干壁,又可以降低系统能耗。
[0030] 4、降压装置采用的微通道结构形式,
流体在降压装置内,降温降压,避免降压过程中液态水过热而产生的汽化,使降压过程更加平稳、能够避免阀门密封失效,保证系统平稳运行。
[0031] 5、本发明提供的超临界水氧化装置具安全可靠、可连续稳定运行、运行成本低、易于操作的特点,特别适用于工业化装置连续稳定生产要求。
附图说明
[0032] 图1是超临界水氧化系统的结构示意图。
[0033] 图2是超临界水氧化系统的反应器结构示意图。
[0034] 图3是孔径径向梯度分布的内衬管结构示意图。
[0035] 图4是图3的俯视图。
[0036] 图5是孔径轴向梯度分布的内衬管结构示意图。
[0037] 图6是降压装置结构示意图。
[0038] 图中,1、有机废液源,2、辅助燃料源,3、软化水源,4、有机废液进料调节装置,5、辅助燃料进料调节装置,6、进料软化水调节装置,7、间壁水进料调节装置,8、空气压缩机,9、反应器,901、高温
螺栓,902、压环,903、密封垫,904、上端盖,905、反应器外筒体,906、内衬管,907、下端盖,908、内层,909、径向中层,910、外层,911、底层,912、轴向中层,913、顶层,10、降压装置,10-1、微通道换热器,10-2、微通道降压器,11、气液分离器,12、空气预热器,
13、氧化剂源,14、反应器气体排出口,15、反应器液体排出口,16、反应器温度检测装置,17、反应器压力检测装置,18、空气预热器出口温度检测装置,19、有机废液流量检测装置,20、辅助燃料流量检测装置,21、进料软化水流量检测装置,22、间壁水流量检测装置,23、控制器。
具体实施方式
[0039] 以下结合附图及
实施例,对本发明作进一步说明。
[0040] 超临界水氧化系统,包括氧化剂源13、有机废液源1、辅助燃料源2、软化水源3、氧化剂进料调节装置、有机废液进料调节装置4、辅助燃料进料调节装置5、进料软化水调节装置6、间壁水进料调节装置7、反应器9、降压装置10、气液分离器11和控制器23,反应器9由外筒体和多孔体内衬管组成,反应器9顶部设有氧化剂进口和物料进口,反应器9上的物料进口为一个,物料进口上连接有物料总进管,反应器上部或侧面设有间壁软化水进口,反应器底部设有反应器排出口;氧化剂源13、有机废液源1、辅助燃料源2和软化水源3分别通过管路与氧化剂进料调节装置、有机废液进料调节装置4、辅助燃料进料调节装置5和进料软化水调节装置6的进口相连,氧化剂进料调节装置、有机废液进料调节装置4、辅助燃料进料调节装置5和进料软化水调节装置6的出口与反应器9物料进口的物料总进管相连,软化水源3还通过间壁水进料调节装置7与反应器9间壁软化水进口相连,有机废液进料调节装置4、辅助燃料进料调节装置5、进料软化水调节装置6和间壁水进料调节装置7是变频泵,或泵和调节阀结合,或泵和泵出口管路上建立的支路调节结合的三种中的任意一种,反应器9上设有检测反应器内温度和压力的反应器温度检测装置16和反应器压力检测装装置17;降压装置10通过管路分别与反应器排出口和气液分离器11进口相连,控制器23分别与有机废液进料调节装置4、辅助燃料进料调节装置5、进料软化水调节装置6、间壁水进料调节装置7、反应器温度检测装置16、反应器压力检测装置17、有机废液流量检测装置19、辅助燃料流量检测装置20、进料软化水流量检测装置21、间壁水流量检测装置22电连接;氧化剂源13是空气;
氧化剂进料调节装置包括空气压缩机8和空气预热器12,空气压缩机8出口与空气预热器12进口通过管路相连接,空气压缩机8进口与空气源连接,空气预热器12出口与反应器9氧化剂进口相连,在空气预热器12与反应器氧化剂进口连接的管路上设有空气预热器出口温度检测装置18,控制器23与空气预热器12的控制器和空气预热器出口温度检测装置18电连接。辅助燃料源2是低燃点的液体燃料。控制器是内置控制程序的计算机控制器。
[0041] 反应器9的内衬管906的管壁厚度是2~5mm,内衬管906管壁上的孔按照平均孔径分为两层以上,逐层呈梯度分布,所述逐层呈梯度分布是沿内衬管径向梯度分布或沿内衬管轴向梯度分布,所述沿内衬管径向梯度分布是管壁上孔的平均孔径沿内衬管径向由内层908向外逐层减小;所述沿内衬管轴向梯度分布是管壁上孔的平均孔径沿内衬管轴向由底层911向上逐层增大,内层908或顶层913的平均孔径为5~40μm,外层910或底层911的平均孔径是0.2~3μm,中层909、912的平均孔径为2~10μm。
[0042] 降压装置10是微通道式降压装置,微通道式降压装置包括多级连接管路、微通道换热器10-1和微通道降压器10-2,微通道换热器10-1和微通道降压器10-2通过管路连接,微通道换热器进口与反应器出口之间通过多级缩颈管路连接,微通道降压器10-2出口与气液分离器11进口之间通过多级扩径管路连接;多级缩颈管路为两级以上管路,其中,与反应器出口相连的一级管路的管径与反应器出口直径相对应,与微通道换热器进口相连的一级管路的管径与微通道换热器进口的直径相对应,之间的各级管路的管径逐级减小,微通道换热器进口的管径是反应器出口管径的1/5~1/100;多级扩径管路为两级以上管路,其中,与微通道降压器出口相连的一级管路的管径与微通道降压器出口直径相对应,与气液分离器进口相连的一级管路的管径与气液分离器进口直径相对应,之间的各级管路的管径逐级增大,气液分离器进口的管径是微通道降压器出口的管径的5~100倍。
[0043] 超临界水氧化系统的启动方法,包括反应器9的升温升压,反应器9的升温升压包括以下步骤:
[0044] 1)开启进料软化水调节装置6向反应器9内供软化水,然后启动间壁水进料调节装置7向反应器9的间壁内供软化水,再开启空气压缩机8向反应器9内供空气,至反应器内压力稳定;
[0045] 2)启动空气预热器12,并设定空气预热器出口温度,空气预热器出口温度为300℃-600℃,预热后的空气与进料软化水在反应器内混合,并使混合物料升温;
[0046] 3)待反应器9内温度升高至辅助燃料燃点温度以上时,启动辅助燃料进料调节装置5向反应器9内供辅助燃料,辅助燃料在反应器9内发生氧化反应使反应器内温度上升至设定温度,设定温度为400℃-700℃,;
[0047] 4)停止空气预热器12对空气预热,调节进料软化水的进料量、间壁软化水的进料量和辅助燃料进料量,使各物料进料量达到超临界工况的维持量,不再调节进料软化水和间壁软化水的量,维持反应器内的超临界工况并稳定运行,超临界工况温度为400℃-700℃,超临界工况压力为230~250bar;
[0048] 5)启动有机废液进料调节装置4向反应器9内供有机废液,并依据有机废液热值,适时调节有机废液进料量、辅助燃料进料量和进料软化水进料量,使反应器内保持超临界工况,直至有机废液进料达到系统正常运行维持量,启动完成。适时调节包括有机废液热值低于系统自热要求时调节和有机废液热值高于系统自热要求时调节,所述在有机废液热值低于系统自热要求时调节是:进料软化水进料量调节至关闭,调节辅助燃料进料量和有机废液进料量,维持反应器内超临界工况;所述在有机废液热值高于系统自热要求时调节是:辅助燃料进料量调节至关闭,调节有机废液进料量和进料软化水进料量,维持反应器内超临界工况。
[0049] 系统正常运行由控制系统按设定程序运行。
[0050] 停机时,调节有机废液进料调节装置4,使有机废液进料量缓慢降至零,然后停止辅助燃料进料调节装置5,经过0-10min后,反应器9冷却至常温,停止进料软化水调节装置6、间壁软化水进料调节装置7,关闭空气压缩机8,关闭电源。
[0051] 实施例1
[0052] 有机废液调节装置4、辅助燃料调节装置5、进料软化水调节装置6和间壁水进料调节装置7是泵和调节阀结合形式;反应器9的多孔内衬管906是平均孔径为径向三层梯度分配的内衬管,内衬管长度为2米;降压装置10的多级管段为十级管段,其中,反应器出口与微通道换热器进口之间的是五级变径缩小管路,微通道降压器出口与气液分离器进口之间的是五级变径扩大管路;微通道换热器10-1和微通道降压器10-2是单通道型式微通道换热器和单通道型式微通道降压器。
[0053] 实施例2
[0054] 有机废液调节装置4、辅助燃料调节装置5、进料软化水调节装置6和间壁水进料调节装置7是变频泵形式;反应器9的多孔内衬管906是平均孔径为轴向三层梯度分配的内衬管,内衬管长度为2米;降压装置10的多级管段为十级管段,其中,反应器出口与微通道换热器进口之间的是五级变径缩小管路,微通道降压器出口与气液分离器进口之间的是五级变径扩大管路;微通道换热器10-1和微通道降压器10-2是多通道型式微通道换热器和单通道型式微通道降压器。