CN101690935A - 废有机物超临界水处理反应***的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及废有机物超临界水处理领域，特别涉及利用超临界水作为反应介质对高浓度难生化降解的有机废水/城市污泥等废有机物进行无害化处理和资源化利用，公开了一种废有机物超临界水处理反应***的控制方法，能够方便调整反应器的内部温度和压力以满足反应条件，调整反应器的承压壁壁温，保证废有机物超临界水处理***安全可靠地稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及废有机物超临界水处理领域，特别涉及利用超临界水作为反应介质对高浓度难生化降解的有机废水/城市污泥等废有机物进行无害化处理和资源化利用，具体为一种废有机物超临界水处理反应***的控制方法。
背景技术
超临界水(Supercritical Water，简称SCW)是指温度和压力均高于其临界点(T＝374.15℃，P＝22.12MPa)的特殊状态的水。超临界水兼具液态和气态水的性质，该状态下只有少量的氢键存在，介电常数近似于有机溶剂，具有高的扩散系数和低的粘度。在足够高的压力下，有机物、氧气能按任意比例与SCW互溶，从而使非均相反应变为均相反应，大大减小了传质、传热的阻力。无机物特别是盐类在SCW中的溶解度极低，容易将其分离出来。超临界水处理技术是利用超临界水对有机物和氧化剂都是良好溶剂的特殊性质，在提供不同数量氧化剂的前提下有机物在超临界水环境中进行均相反应，迅速、完全、彻底地将有机物结构深度破坏，转化成无害的CO2、H2(不加或加入少量氧化剂的情况下)和H2O等无害的小分子化合物。
高温高压的操作条件对超临界水处理反应***的控制提出了严格的要求，虽然已经出现了不少废有机物超临界水处理反应***，但是这些反应***结构比较简单，且尚未见到对复杂的超临界水处理反应***控制方法的报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种废有机物超临界水处理反应***的控制方法，能够保证废有机物超临界水处理***安全可靠地稳定运行。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
一种废有机物超临界水处理反应***的控制方法，所述废有机物超临界水处理反应***包括：
反应单元，包含依次垂直布置的混合器、内置蒸发壁的逆流罐式的反应器、脱盐除渣装置、贮盐池，所述混合器的物料出口端连通反应器的物料入口端，反应器底部的排盐出口端与脱盐除渣装置的入口端连通，脱盐除渣装置的底部出口端与贮盐池的入口端连通；所述反应器内设置有冷却盘管；所述脱盐除渣装置内设置有加热盘管；
供氧单元，包含供氧通路，向混合器氧气入口端提供氧气；供氧通路上设置有氧气控制阀；
供料单元，包含物料通路，向混合器的物料入口端提供物料；所述物料通路上设置有物料控制阀和用于物料加热的第一电加热器；
蒸发壁水供应单元，包含蒸发壁水主通路，第二电加热器，主通路蒸发壁水经第二电加热器后分为两条支路；一条支路向反应器顶部提供蒸发壁水，并设置有顶部蒸发壁水控制阀，另一条支路向反应器中部提供蒸发壁水，并设置有中部蒸发壁水控制阀；
冷却水供应单元，包含冷却水通道，向所述冷却盘管提供冷却水，冷却水通道上设置有冷却水控制阀；
液体收集单元，收集来自反应器顶部出口的溢流液体；
所述反应器的顶部出口设置有溢流控制阀，通过溢流控制阀后液体分为两条支路，一条支路依次通过收集液控制阀和背压阀后流入液体收集单元，另一条支路通入所述加热盘管，加热盘管出口设置有加热流体控制阀；
其特征在于，该控制方法包括以下步骤：首先，检测反应器的顶部流体压力和温度，然后根据顶部流体压力和温度进行以下控制：
(1)反应器顶部流体温度在设定温度时的压力控制
当顶部流体压力高于设定压力时，增大背压阀的开度；当低于设定压力时，减小背压阀的开度；当超过反应器的最大工作压力时，先通过增大背压阀的开度来降低反应器的顶部流体压力；若不能将其降低到正常工作压力范围内，则停止物料通路上的第一电加热器，以及停止氧气和物料的供应；
(2)反应器顶部流体压力在设定压力时的温度控制
当反应器顶部流体温度高于设定温度时，降低第一电加热器的加热功率，如果其功率降低到零仍不能满足温度控制要求，则开启冷却水控制阀进行调节；当反应器顶部流体温度低于设定温度时，先通过减小冷却水控制阀的开度来提高顶部流体温度，如果冷却水的流量降低到零仍不能满足温度控制要求时，则启动第一电加热器进行调节；当超过反应器的最高工作温度时，停止第一电加热器，调节冷却水控制阀进行降温；
(3)反应器顶部流体的温度和压力耦合控制
当反应器顶部流体的压力超过设定压力，且顶部流体的温度超过设定温度时，增大背压阀的开度，同时降低第一电加热器的加热功率，如果仍不能满足控制要求，则开启冷却水控制阀，其开度由小到大进行调节；
当反应器顶部流体的压力超过设定压力，而顶部流体的温度低于设定温度时，则增大背压阀开度，同时减小冷却水控制阀的开度，如果冷却水控制阀开度调节到零，顶部流体的温度仍低于设定温度，则开启第一电加热器进行调节；
当反应器顶部流体的压力低于设定压力，而顶部流体的温度高于设定温度时，则减小背压阀的开度，同时降低第一电加热器的加热功率，如果第一电加热器的加热功率降低到零，仍不满足控制要求，则开启冷却水控制阀进行调节；
当反应器顶部流体的压力低于设定压力，而顶部流体的温度低于设定温度时，则减小背压阀的开度，同时减小冷却水控制阀的开度，若冷却水控制阀的开度降低到零仍不满足控制要求，则开启第一电加热器进行调节。
对上述技术方案进行进一步改进和优化。同时，分别检测反应器承压壁的顶盖壁温和筒体壁温，根据顶盖壁温和筒体壁温进行反应器承压壁的温度控制：当顶盖壁温和筒体壁温均高于或均低于对应的设定温度时，先通过控制第二电加热器的功率进行整体调节，再通过对应的顶部或中部蒸发壁水控制阀进行单独调节；当顶盖壁温和筒体壁温的其中一个高于或低于对应的设定温度时，先通过对应的顶部或中部蒸发壁水控制阀进行单独调节，再通过控制第二电加热器的功率进行整体调节。
本发明通过背压阀、第一电加热器和冷却水控制阀调节反应器内部流体的压力。通过调节第一电加热器的加热功率以及进入反应器冷却盘管中冷却水的流量来调节反应器顶部流体的反应温度，维持设定的反应温度条件。通过组合调节背压阀的开度、第一电加热器的加热功率和冷却水控制阀的开度来实现反应器顶部所需的反应条件(温度和压力)。同时，通过第二电加热器的整体调节，以及顶部或中部蒸发壁水控制阀的单独调节，控制蒸发壁水在合适的温度范围内，确保了反应器的承压壁维持在设定温度范围内，不发生超温现象。本发明控制方法能够同时对超临界水处理反应器的压力、反应温度、承压壁的温度进行控制，在实现反应器安全可靠运行的情况下，提高反应***的自动化水平。
附图说明
图1为废有机物超临界水处理反应***的简化示意图；
图2为带有脱盐除渣装置的废有机物超临界水处理反应***的简化示意图；
其中：1为第一电加热器，2为混合器，3为反应器，31为承压壁，32为蒸发壁，4为冷却盘管，5为第二电加热器，6为高压计量泵，7为蒸发壁水水箱，8为背压阀，9为高压冷却水泵，10为冷却水箱，11为脱盐除渣装置，12为加热盘管，100为物料控制阀，101为氧气控制阀，102为顶部蒸发壁水控制阀，103为中部蒸发壁水控制阀，104为冷却水控制阀，105为溢流控制阀，106为收集液控制阀，107为加热流体控制阀，TIC(1-4)为温度传感器，PIC(1)为压力传感器。
具体实施方式
下面结合图1对本发明控制方法作进一步的详细说明：
参照图1、图2，废有机物超临界水处理反应***，主要包括：反应单元，供氧单元，供料单元，蒸发壁水供应单元，冷却水供应单元，液体收集单元。
反应单元，包含依次垂直布置的混合器2、内置蒸发壁的逆流罐式的反应器3、脱盐除渣装置11、贮盐池(图中未示出)。混合器2的物料出口端连通反应器3的物料入口端，反应器3底部的排盐出口端与脱盐除渣装置11的入口端连通，脱盐除渣装置11的底部出口端与贮盐池的入口端连通。反应器3内设置有冷却盘管4，用于冷却反应器3内部的流体；脱盐除渣装置11内设置有加热盘管12，用于加热含盐流体以便含盐物质的析出。
反应器3主要由承压壁31、置于承压壁31内的蒸发壁32组成，蒸发壁32内为反应空间，冷却盘管4位于蒸发壁内，反应流体的出口设置在顶部，承压壁31和蒸发壁32形成蒸发壁水的充注空间，用于冷却承压壁31，洁净蒸发壁32。蒸发壁32内设置有用于测量顶部流体的温度传感器TIC(1)和压力传感器PIC(1)。承压壁31需要特别保护的受热部位为顶盖和筒体，因此，蒸发壁水分两路，一路冷却顶盖，由顶部蒸发壁水控制阀102调节，一路冷却筒体，由中部蒸发壁水控制阀103调节；同时，在承压壁31的顶盖和筒体上分别设置有检测顶盖壁温和筒体壁温的温度传感器TIC(2)、TIC(3)。
供氧单元，包含供氧通路，向混合器2的氧气入口端提供氧气；供氧通路上设置有氧气控制阀101。供料单元，包含物料通路，向混合器2的物料入口端提供物料。物料通路上设置有物料控制阀100和用于物料加热的第一电加热器1。
蒸发壁水供应单元，包含蒸发壁水主通路，第二电加热器5，主通路蒸发壁水经第二电加热器5后分为两条支路；一条支路向反应器3顶部(顶盖)提供蒸发壁水，并设置有顶部蒸发壁水控制阀102，另一条支路向反应器中部(筒体)提供蒸发壁水，并设置有中部蒸发壁水控制阀103。主通路的蒸发壁水通过高压计量泵6从蒸发壁水水箱7中抽取。
冷却水供应单元，包含冷却水通道，向所述冷却盘管4提供冷却水，冷却水通道上设置有冷却水控制阀104。高压冷却水泵9从冷却水箱10中抽取冷却水，通过冷却水控制阀104后通入冷却盘管4的一端，冷却盘管4的另一端输出热水或蒸汽。
液体收集单元，收集来自反应器顶部出口的溢流液体，溢流液体为洁净液体可以回收利用。如图2所示，反应器的顶部出口设置有溢流控制阀105，通过溢流控制阀105后液体分为两条支路，一条支路依次通过收集液控制阀106和背压阀8后流入液体收集单元，另一条支路通入加热盘管12，加热盘管12出口设置有加热流体控制阀107，用于控制加热脱盐除渣装置11中的含盐流体。
在运行过程中，启动高压计量泵6，从蒸发壁水水箱7中抽取蒸发壁水，经第二电加热器5预热后，分两路分别从反应器顶部(顶盖)和反应器中部(筒体)进入反应器3，在多孔蒸发壁的内表面处形成一层保护性水膜，避免反应器3的盐沉积和腐蚀问题。保证反应***安全可靠而又稳定运行既要保证反应器3的反应条件(温度和压力)，又要保证承压壁31温度在安全可靠范围内。
参照图1所示的废有机物超临界水处理反应***，本实施例以本发明的控制方法为依据，首先，检测反应器3的顶部流体压力和温度，然后根据顶部流体压力和温度进行以下控制。
(1)反应器顶部流体温度在设定温度时的压力控制
当顶部流体压力高于设定压力时，增大背压阀8的开度；当低于设定压力时，减小背压阀8的开度；当超过反应器3的最大工作压力时，先通过增大背压阀8的开度来降低反应器3的顶部流体压力；若不能将其降低到正常工作压力范围内，则停止物料通路上的第一电加热器1，以及停止氧气和物料的供应。
具体为：反应器3上的压力传感器PIC(1)，用来测量和显示反应器3顶部流体的压力。当反应器3顶部流体压力PI(1)在设定值范围之外时，通过调节背压阀8的开度，使PI(1)稳定在设定压力范围内。
换言之，当PI(1)高于设定值时，增大背压阀8的开度；当PI(1)低于设定值时，减小背压阀8的开度；最终使PI(1)稳定在设定压力范围内。当PI(1)超过反应器3的最大工作压力时，优先通过增大背压阀8的开度来降低PI(1)，若不能将其降低到正常工作压力范围内，则自动停止物料管路上的电加热器1，关闭氧气和物料管路上氧气控制阀101和物料控制阀100，停止氧气和物料的供应。
(2)反应器顶部流体压力在设定压力时的温度控制
当反应器3顶部流体温度高于设定温度时，降低第一电加热器1的加热功率，如果其功率降低到零仍不能满足温度控制要求，则开启冷却水控制阀104进行调节；当反应器3顶部流体温度低于设定温度时，先通过减小冷却水控制阀104的开度来提高顶部流体温度，如果冷却水的流量降低到零仍不能满足温度控制要求时，则启动第一电加热器1进行调节；当超过反应器3的最高工作温度时，停止第一电加热器1，调节冷却水控制阀104进行降温。
具体为：反应器3顶部流体温度TI(1)的设定值不超过反应器3的最高工作温度。当TI(1)在设定温度范围之外时，自动调节第一电加热器1的加热功率，使TI(1)维持在设定温度范围内。当TI(1)高于设定温度时，降低第一电加热器1的加热功率，如果其功率降低到零仍不能使TI(1)降低到设定温度范围内，则启动高压冷却水泵9，缓慢打开冷却水控制阀104，开度从小到大调节，冷却反应器3顶部流体使TI(1)稳定在设定温度范围内；当TI(1)低于设定温度时，优先通过减小冷却水控制阀104的开度来减少进入反应器3内的冷却盘管4的冷却水流量以提高TI(1)，如果冷却水的流量降低到零，仍不能使TI(1)升高到设定温度范围内，则启动第一电加热器1，通过增加其功率来使TI(1)稳定在设定温度范围内。此外，当反应器3顶部流体温度TI(1)超过反应器3的最高工作温度时，自动停止第一电加热器1，启动高压冷却水泵9，迅速打开冷却水控制阀104，使TI(1)不超过反应器3的最高工作温度。
(3)反应器顶部流体的温度和压力耦合控制
当反应器3顶部流体的压力超过设定压力，且顶部流体的温度超过设定温度时，增大背压阀8的开度，同时降低第一电加热器1的加热功率，如果仍不能满足控制要求，则开启冷却水控制阀104，其开度由小到大进行调节；
当反应器3顶部流体的压力超过设定压力，而顶部流体的温度低于设定温度时，则增大背压阀8开度，同时减小冷却水控制阀104的开度，如果冷却水控制阀开度调节到零，顶部流体的温度仍低于设定温度，则开启第一电加热器1进行调节；
当反应器3顶部流体的压力低于设定压力，而顶部流体的温度高于设定温度时，则减小背压阀8的开度，同时降低第一电加热器1的加热功率，如果第一电加热器的加热功率降低到零，仍不满足控制要求，则开启冷却水控制阀104进行调节；
当反应器3顶部流体的压力低于设定压力，而顶部流体的温度低于设定温度时，则减小背压阀8的开度，同时减小冷却水控制阀104的开度，若冷却水控制阀104的开度降低到零仍不满足控制要求，则开启第一电加热器1进行调节。
具体为：当反应器3顶部流体的压力PI(1)超过设定压力，且顶部流体的温度TI(1)超过设定温度时，自动增大背压阀8的开度的同时，降低第一电加热1的加热功率，如果仍不能满足控制要求则启动高压冷却水泵9，冷却水控制阀104的开度由小到大进行调节，保证反应器3顶部流体的压力和温度在正常设定值范围内。
当反应器3顶部流体的压力PI(1)超过设定压力，而顶部流体的温度TI(1)低于设定值时，则自动增大背压阀8开度的同时，减小冷却水控制阀104的开度，如果冷却水控制阀104的开度到零，TI(1)仍低于设定值，则自动增大第一电加热器1的加热功率，使PI(1)和TI(1)均稳定在设定范围内。
当反应器3顶部流体的压力PI(1)低于设定压力，而顶部流体的温度TI(1)高于设定值时，则自动减小背压阀8的开度的同时，自动降低第一电加热器1的加热功率，如果第一加热器1的加热功率降低到零，仍不满足控制要求，则启动高压冷却水泵9，自动增大冷却水控制阀104的开度，则使PI(1)和TI(1)均稳定在设定范围内。
当反应器3顶部流体的压力PI(1)低于设定压力，而顶部流体的温度TI(1)低于设定值时，则自动减小背压阀8的开度的同时，自动减小冷却水控制阀104的开度，若冷却水控制阀104的开度降低到零仍不满足要求，则增大第一电加热器1的加热功率，使PI(1)和TI(1)均稳定在设定范围内。
(4)反应器承压壁的温度控制
分别检测反应器承压壁31的顶盖壁温和筒体壁温，根据顶盖壁温和筒体壁温进行反应器承压壁31的温度控制：当顶盖壁温和筒体壁温均高于或均低于对应的设定温度时，先通过控制第二电加热器5的功率进行整体调节，再通过对应的顶部或中部蒸发壁水控制阀102、103进行单独调节；当顶盖壁温和筒体壁温的其中一个高于或低于对应的设定温度时，先通过对应的顶部或中部蒸发壁水控制阀102、103进行单独调节，再通过控制第二电加热器5的功率进行整体调节。
具体为：反应器3的承压壁31的顶盖和筒体上分别设置温度传感器TIC(2)和TIC(3)，用来测量和显示反应器3的承压壁31的顶盖温度TI(2)和筒体温度TI(3)。当TI(2)、TI(3)在设定值范围以外时，顶部或中部蒸发壁水控制阀102、103进行自动平衡调节，其中顶部或中部蒸发壁水控制阀102、103的初始均处于半开状态，具体过程为：当TI(2)在设定值范围外时，通过单独调节顶部蒸发壁水控制阀102的开度使TI(2)稳定在设定值范围内；当TI(3)在设定值范围外时，通过单独调节中部蒸发壁水控制阀103(初始状态是半开)的开度使其稳定在设定值范围内。上述自动平衡调节的目的是使TI(2)和TI(3)控制在设定范围内，自动调节顺序是优先保证TI(3)正常，其次是保证TI(2)正常。若自动平衡调节后，不能使TI(2)、TI(3)均稳定在设定值范围内，出现了以下两种情况：
1)TI(2)、TI(3)中一个或两个低于设定温度，说明蒸发壁水的入口温度低，需要增大蒸发壁水的入口温度，进行调节的方法是：启动第二电加热器5，自动增大其加热功率，使TI(2)、TI(3)靠近设定温度范围内；最终使使TI(2)、TI(3)在设定温度范围内。
2)TI(2)、TI(3)中一个或两个均高于设定温度，说明蒸发壁水的入口温度高，需要减少蒸发壁水的入口温度，进行调节的方法是：自动减少电加热器5的加热功率，使TI(2)、TI(3)靠近设定温度范围内；然后，通过顶部或中部蒸发壁水控制阀102、103进行自动平衡调节，最终使使TI(2)、TI(3)在设定温度范围内。
(5)脱盐除渣装置内的温度控制
参照图2，脱盐除渣装置11内设置温度传感器TIC(4)，用来测量该装置内部的流体温度。反应器3顶部出口的高温流体分成两路，一路进入脱盐除渣装置11中的换热盘管12将该装置内部的流体加热到超临界水温度，由加热流体控制阀107调节其流量；另一路依次通过收集液控制阀106和背压阀8后流入液体收集单元，回收利用。
当脱盐除渣装置11内部的流体温度TI(4)低于某一设定超临界水温度时，增大加热流体控制阀107的开度来增大进入换热盘管12中的反应后热流体的流量，进而提高TI(4)。当TI(4)高于这一设定的超临界水温度值时，减小加热流体控制阀107的开度来减少这一路反应后热流体的流量，进而降低TI(4)，最终保证TI(4)稳定在某一设定的超临界水温度范围内。
Claims (2)
1.一种废有机物超临界水处理反应***的控制方法，所述废有机物超临界水处理反应***包括：
反应单元，包含依次垂直布置的混合器、内置蒸发壁的逆流罐式的反应器、脱盐除渣装置、贮盐池，所述混合器的物料出口端连通反应器的物料入口端，反应器底部的排盐出口端与脱盐除渣装置的入口端连通，脱盐除渣装置的底部出口端与贮盐池的入口端连通；所述反应器内设置有冷却盘管；所述脱盐除渣装置内设置有加热盘管；
供氧单元，包含供氧通路，向混合器氧气入口端提供氧气；供氧通路上设置有氧气控制阀；
供料单元，包含物料通路，向混合器的物料入口端提供物料；所述物料通路上设置有物料控制阀和用于物料加热的第一电加热器；
蒸发壁水供应单元，包含蒸发壁水主通路，第二电加热器，主通路蒸发壁水经第二电加热器后分为两条支路；一条支路向反应器顶部提供蒸发壁水，并设置有顶部蒸发壁水控制阀，另一条支路向反应器中部提供蒸发壁水，并设置有中部蒸发壁水控制阀；
冷却水供应单元，包含冷却水通道，向所述冷却盘管提供冷却水，冷却水通道上设置有冷却水控制阀；
液体收集单元，收集来自反应器顶部出口的溢流液体；
所述反应器的顶部出口设置有溢流控制阀，通过溢流控制阀后液体分为两条支路，一条支路依次通过收集液控制阀和背压阀后流入液体收集单元，另一条支路通入所述加热盘管，加热盘管出口设置有加热流体控制阀；
其特征在于，该控制方法包括以下步骤：首先，检测反应器的顶部流体压力和温度，然后根据顶部流体压力和温度进行以下控制：
(1)反应器顶部流体温度在设定温度时的压力控制
当顶部流体压力高于设定压力时，增大背压阀的开度；当低于设定压力时，减小背压阀的开度；当超过反应器的最大工作压力时，先通过增大背压阀的开度来降低反应器的顶部流体压力；若不能将其降低到正常工作压力范围内，则停止物料通路上的第一电加热器，以及停止氧气和物料的供应；
(2)反应器顶部流体压力在设定压力时的温度控制
当反应器顶部流体温度高于设定温度时，降低第一电加热器的加热功率，如果其功率降低到零仍不能满足温度控制要求，则开启冷却水控制阀进行调节；当反应器顶部流体温度低于设定温度时，先通过减小冷却水控制阀的开度来提高顶部流体温度，如果冷却水的流量降低到零仍不能满足温度控制要求时，则启动第一电加热器进行调节；当超过反应器的最高工作温度时，停止第一电加热器，调节冷却水控制阀进行降温；
(3)反应器顶部流体的温度和压力耦合控制
当反应器顶部流体的压力超过设定压力，且顶部流体的温度超过设定温度时，增大背压阀的开度，同时降低第一电加热器的加热功率，如果仍不能满足控制要求，则开启冷却水控制阀，其开度由小到大进行调节；
当反应器顶部流体的压力超过设定压力，而顶部流体的温度低于设定温度时，则增大背压阀开度，同时减小冷却水控制阀的开度，如果冷却水控制阀开度调节到零，顶部流体的温度仍低于设定温度，则开启第一电加热器进行调节；
当反应器顶部流体的压力低于设定压力，而顶部流体的温度高于设定温度时，则减小背压阀的开度，同时降低第一电加热器的加热功率，如果第一电加热器的加热功率降低到零，仍不满足控制要求，则开启冷却水控制阀进行调节；
当反应器顶部流体的压力低于设定压力，而顶部流体的温度低于设定温度时，则减小背压阀的开度，同时减小冷却水控制阀的开度，若冷却水控制阀的开度降低到零仍不满足控制要求，则开启第一电加热器进行调节。
2.根据权利要求1所述的一种废有机物超临界水处理反应***的控制方法，其特征在于：同时，分别检测反应器承压壁的顶盖壁温和筒体壁温，根据顶盖壁温和筒体壁温进行反应器承压壁的温度控制：当顶盖壁温和筒体壁温均高于或均低于对应的设定温度时，先通过控制第二电加热器的功率进行整体调节，再通过对应的顶部或中部蒸发壁水控制阀进行单独调节；当顶盖壁温和筒体壁温的其中一个高于或低于对应的设定温度时，先通过对应的顶部或中部蒸发壁水控制阀进行单独调节，再通过控制第二电加热器的功率进行整体调节。
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