CN101830554A - 一种提高超临界水氧化***氧气利用率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高超临界水氧化***氧气利用率的方法。过量的氧气和经预热的有机废液从蒸发壁反应器上部注入混合并进行超临界水氧化反应，蒸发水从蒸发壁反应器侧面注入，从而在反应器内形成上部为超临界温度反应区而下部为亚临界温度溶盐区。反应剩余的氧气从超临界温度区向下流动到亚临界温度溶盐区的过程中，一部分氧气析出并循环到反应器上部的超临界温度区而形成氧气内循环利用；反应后的流体经过冷凝和减压进入高压气液分离器，被亚临界水溶解并携带流出反应器的氧气，通过高压气液分离器分离后重新注入反应器而形成外循环利用。本发明通过提高氧气的利用率而显著降低过氧量系数，提高超临界水氧化***运行的经济性。

Description

一种提高超临界水氧化***氧气利用率的方法
一、技术领域
本发明属于有机废物处理领域，特别涉及一种提高超临界水氧化***氧气利用率的方法。
二、背景技术
超临界水氧化(Supercritical Water Oxidation)技术是一种新型的处理有机废物及回收能量和纯CO2的技术。该技术是在超过水的临界点(T＝374℃，P＝22.1MPa)的高温高压条件下，以氧气或其他氧化剂，将有机物进行“燃烧”氧化的方法。超临界水具有类似液体的密度、溶解能力和良好的流动性，是一种非极性溶剂，同时又具有类似气体的扩散系数和低黏度。在超临界水中，气液两相的界面消失，有机物和O2在超临界水中完全互溶，形成均一相体系，反应速度大大加快。在小于1分钟甚至几秒的反应停留时间内，99.99％以上的有机物迅速燃烧氧化成CO2、H2O和无机盐等无毒无害的终端产物，同时氧化反应过程中会释放出大量的热能。
超临界水氧化技术的高温、高压、高氧浓度等特殊反应条件及无机盐在超临界水中几乎不溶的特性，使得反应器的腐蚀及堵塞问题阻碍了该技术发展及推广应用。采用蒸发壁反应器能有效缓解反应器内的腐蚀和盐沉积问题。蒸发壁反应器一般由承压外壳和多孔内壳组成，蒸发水从反应器侧面注入，通过多孔内壳渗入到反应器内并在多孔内壁形成一层亚临界水膜，水膜能阻止无机酸与壁面的接触并能溶解在超临界温度反应区析出的无机盐，从而解决了反应器内的腐蚀和盐沉积问题。
应用于超临界水氧化反应的氧化剂一般有空气、氧气、双氧水、臭氧等，其中以氧气作为氧化剂的经济性最好。在利用蒸发壁反应器的超临界水氧化***中，氧气消耗所需费用占总耗资的70％以上，且随着过氧量系数的增加，***运行成本也显著的增加。但是为了保证有机物的完全降解，过氧量系数一般在1.5-3之间，反应后的流体含有大量未利用的氧气。因此，过高的过氧量系数是造成超临界水氧化***运行成本较高的原因。
在目前国内外的超临界水氧化***中，提高氧气利用率的方法还未见报道。如US4822497“湿式氧化工艺中固体分离的方法”，其在釜式反应器中建立上部超临界温度反应区和下部亚临界温度溶盐区，在上部超临界温度反应区析出的无机盐沉淀在下部亚临界温度区被溶解排出，反应后的超临界流体逆流返回到反应器上部排出，但该专利没有提出如何在反应器内实现氧气的循环利用。涉及蒸发壁反应器的专利中只侧重解决反应器内的腐蚀和盐沉积问题，但都未提出如何在蒸发壁反应器内外实现氧气的循环利用，如US5387398“带有壁面边界层流动控制导管的超临界水氧化反应器”和US5571423“超临界水氧化的装置和工艺”等。此外，由于超临界水氧化***都在过氧量系数下运行，反应后的流体必然携带高浓度的氧气，因此，回收反应后的剩余氧气是提高***运行的经济性必然选择。
三、发明内容
一种提高超临界水氧化***氧气利用率的方法，本发明针对超临界水氧化***运行中氧气成本高而利用率低的问题，提出通过在蒸发壁反应器内外实现氧气的双循环利用，来提高超临界水氧化***氧气利用率，进而提高***运行的经济性。本发明通过以下方式实现：
一种提高超临界水氧化***氧气利用率的方法，该***包括氧气罐、废水储罐、纯水储罐、氧气增压泵、废液增压泵、蒸发水增压泵、废水加热器、上支路蒸发水加热器、氧气混合器、蒸发壁反应器、氧气循环泵、换热器、减压阀、高压气液分离器、背压阀和常压气液分离器，该方法的步骤如下：
(1)有机废液升压至23-30MPa，并预热到350-450℃，与相同压力条件下的氧气从蒸发壁反应器上部注入混合，进行超临界水氧化反应，超临界水氧化反应温度为400-650℃，停留时间为5-60s。
(2)蒸发水加压至23-30MPa，分两支路从反应器侧面注入，上支路蒸发水温度为250-370℃，下支路蒸发水保持常温，在反应器内形成上部为超临界温度反应区和下部为亚临界温度溶盐区，反应剩余的氧气从超临界温度区向下流动到亚临界温度溶盐区的过程中，一部分氧气析出并循环到反应器上部而而被重新利用。
(3)反应后的流体经换热器降温和减压阀降压后进入高压气液分离器，氧气从高压气液分离器上部排出并通过氧气循环泵升压后重新注入反应器而而被重新利用，水和二氧化碳的混合物则从高压气液分离器下部流出。
(4)水和二氧化碳的混合物进入常压气液分离器，二氧化碳和水分别从常压气液分离器的上部出口和下部出口流出，并回收高浓度的二氧化碳。
上述的一种提高超临界水氧化***氧气利用率的方法，有机废液的浓度在3-20wt％；氧气的质量流量为有机废液中有机物完全氧化理论需氧量的1-3倍；蒸发水的质量流量为有机废液和氧气质量流量总和的1-4倍；上支路蒸发水和下支路蒸发水的质量流量比为0.3-1.5。
上述的一种提高超临界水氧化***氧气利用率的方法，高压气液分离器内的压力为2-20MPa，温度在20-150℃。
上述的一种提高超临界水氧化***氧气利用率的方法，氧气和经过预热的有机废水从蒸发壁反应器上部注入混合并进行超临界水氧化反应，反应释放出大量的热能，从而在反应器上部形成超临界温度反应区。与此同时，从蒸发壁反应器侧面注入亚临界温度的蒸发水。蒸发水通过多孔壁渗入到反应器内，并在多孔内壁形成一层保护性的水膜，水膜能避免反应器的腐蚀和盐沉积问题。蒸发水对反应器中心的超临界温度流体进行冷却，因此反应器下部形成亚临界温度溶盐区。
同时，上支路蒸发水和下支路常温蒸发水存在200-350℃的温差，因此反应器上部的超临界温度区会迅速过渡到亚临界温度溶盐区。在反应器内的超临界温度反应区的流体与亚临界温度溶盐区的流体存在较大的密度差；同时在反应器内的亚临界温度溶盐区，水和氧气也存在较大密度差。因此，反应剩余的氧气从超临界温度区向下流动到亚临界温度溶盐区的过程中，一部分氧气析出并循环到反应器上部的超临界温度区而形成氧气内循环利用，另一部分氧气则溶解在亚临界水中而流出反应器。而反应生成的CO2与亚临界水密度差相差较小，且在亚临界水中的溶解度比O2高近10倍，因此CO2被亚临界水溶解而携带流出反应器。
从反应器流出的流体主要成分为H2O、CO2和O2。由于CO2在高压气液分离器内的高压液态水中的溶解度比O2高近10倍，因此在高压气液分离器中，氧气富集在气相中而CO2则溶解在高压液态水中。
本发明提出通过在蒸发壁反应器内外实现氧气的双循环利用，来提高超临界水氧化***氧气利用率的方法，其能有效降低超临界水氧化***中的过氧量系数，提高***运行的经济性，因此具有广阔的应用前景。
四、附图说明
图1、本发明流程示意图。
图2、蒸发壁反应器结构图。
图1中：1为氧气罐、2为废水储罐、3为纯水储罐、4为氧气增压泵、5为废液增压泵、6为蒸发水增压泵、7为废水加热器、8为上支路蒸发水加热器、9为氧气混合器、10为蒸发壁反应器、11为氧气循环泵、12为换热器、13为减压阀、14为高压气液分离器、15为背压阀、16为常压气液分离器。
图2中：17为氧气入口、18为废液入口、19为上支路蒸发水入口、20为下支路蒸发水入口、21为多孔管、22为挡水环、23为承压外壳、24为反应器出口。
五、具体实施方式
下面结合附图和发明人给出的一个具体实施例对本发明作进一步的说明。
废液储罐2中浓度为8wt％的有机废液经废液增压泵5升压至25MPa，并经过废液加热器7加热到400℃，从蒸发壁反应器10上部的废液入口18注入。氧气罐1中氧气经氧气增压泵4增压至25MPa，以2倍于有机物完全氧化的需氧量不经预热直接从蒸发壁反应器10上部的氧气入口17注入。在蒸发壁反应器10上部，氧气和有机物混合并进行超临界水氧化反应。纯水储罐3中的蒸发水以有机废液和氧气质量流量总和的3倍的流量经蒸发水增加泵6升压至25.1MPa后，分两支路从蒸发壁反应器10侧面注入。其中，上支路蒸发水经上支路蒸发水加热器8预热至350℃从上支路蒸发水入口19注入，而下支路蒸发水不经预热直接从下支路蒸发水入口20注入，上下两路蒸发水的质量流量比为1∶2。
蒸发水通过承压外壳23和多孔管21之间的环隙内的挡水环22进行分区，分区的蒸发水经多孔管21渗入到反应器内并在多孔管21内壁形成一层亚临界的水膜，对多孔管21起到保护作用。蒸发壁反应器10内形成上部为超临界温度反应区和下部为亚临界温度溶盐区，反应剩余的氧气从超临界温度区向下流动到亚临界温度溶盐区的过程中，一部分氧气析出并循环到蒸发壁反应器10上部的超临界温度区而被重新利用，另一部分氧气则溶解在亚临界水中而流出反应器。
反应后的流体经反应器出口24排出反应器，流体经换热器12降温至50℃，经减压阀13降压至12MPa进入高压气液分离器14。氧气从高压气液分离器14上部出口排出，经氧气循环泵11升压至25MPa后，与原氧气回路在氧气混合器9中混合并重新注入蒸发壁反应器10。高压水和二氧化碳的混合物从高压气液分离器14下部排出，经背压阀15降至常压后进入常压气液分离器16。二氧化碳和水分别从常压气液分离器16的上部出口和下部出口流出，并回收高浓度的二氧化碳气体。本发明的超临界水氧化***稳定运行后，可逐渐降低氧气流量，直至氧气流量接近有机废液中有机物完全氧化的需氧量。

Claims (2)

1.一种提高超临界水氧化***氧气利用率的方法，该***包括氧气罐、废水储罐、纯水储罐、氧气增压泵、废液增压泵、蒸发水增压泵、废水加热器、上支路蒸发水加热器、氧气混合器、蒸发壁反应器、氧气循环泵、换热器、减压阀、高压气液分离器、背压阀和常压气液分离器，其特征在于该方法的步骤如下：
(1)有机废液升压至23-30MPa，并预热到350-450℃，与相同压力条件下的氧气从蒸发壁反应器上部注入混合，进行超临界水氧化反应，超临界水氧化反应温度为400-650℃，停留时间为5-60s；
(2)蒸发水加压至23-30MPa，分两支路从反应器侧面注入，上支路蒸发水温度为250-370℃，下支路蒸发水保持常温，在反应器内形成上部为超临界温度反应区和下部为亚临界温度溶盐区，反应剩余的氧气从超临界温度区向下流动到亚临界温度溶盐区的过程中，一部分氧气析出并循环到反应器上部的超临界温度区而被重新利用；
(3)反应后的流体经换热器降温和减压阀降压后进入高压气液分离器，氧气从高压气液分离器上部流出并通过氧气循环泵升压后重新注入蒸发壁反应器而被重新利用，水和二氧化碳的混合物则从高压气液分离器下部流出；
(4)水和二氧化碳的混合物进入常压气液分离器，二氧化碳和水分别从常压气液分离器的上部出口和下部出口流出，并回收高浓度的二氧化碳。
2.根据权利要求1所述的一种提高超临界水氧化***氧气利用率的方法，其特征在于高压气液分离器内的压力为2-20MPa，温度在20-150℃。
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