CN110836377A - 一种超临界氧化反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超临界氧化反应器，涉及废物处理技术领域。具体包括燃烧环和收集室，燃烧环的外壁分别开设若干进料口和回流入口，进料口上连接进料管道，回流入口上连接回流管道；燃烧环的内侧上部均匀开设若干回流出口，使燃烧环通过回流出口与收集室连通，收集室的出料口通过回流管道分别与燃烧环的回流入口连通；燃烧环的底部开设排渣口。本发明的超临界氧化反应器能够解决无机盐堵塞、腐蚀问题，且反应稳定。

Description

一种超临界氧化反应器

技术领域

本发明涉及废物处理技术领域，尤其是涉及一种超临界氧化反应器。

背景技术

随着我国工业的发展，高浓度难降解有机废水和污泥的种类和数量越来越多，对生态环境和人类健康的威胁也日益严峻。传统难降解有机废水和污泥处理技术，如物理法、化学法、预处理+生化法等，往往存在过程繁琐、成本高、效率低、耗时长和二次污染等问题。

超临界水氧化技术，即在高温、高压条件下，以超临界水作为化学反应介质，快速且彻底地氧化有机物。其为高浓度难降解有机废水和污泥的处理提供了新思路。然而，超临界水氧化技术自开发以来，最大的难点问题在于结垢堵塞和腐蚀问题。结垢和堵塞是因为无机物在超临界状态下溶解度较小，容易沉积造成堵塞；腐蚀问题是在高温高压和含氧条件下容易使反应器发生腐蚀。

因此，通过改变反应器的结构和运行方式，从而减少堵塞和腐蚀，是亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种超临界氧化反应器，该反应器能够有效解决现有超临界氧化反应器的无机盐堵塞和腐蚀的技术问题。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种超临界氧化反应器，包括燃烧环和收集室，所述燃烧环的外壁分别开设若干进料口和回流入口，所述进料口上连接进料管道，所述回流入口上连接回流管道；所述燃烧环的内侧上部均匀开设若干回流出口，使燃烧环通过所述回流出口与所述收集室连通，所述收集室的出料口通过所述回流管道分别与燃烧环的回流入口连通；所述燃烧环的底部开设排渣口。

进一步地，所述进料口和回流入口分别间隔交错设置，且所述进料管道和回流管道均沿所述燃烧环的切线方向设置。

进一步地，还包括环状的进料主管道，所述进料主管道上设置主进料口和若干出料口，所述出料口分别与所述进料管道的进料端连接。

进一步地，通过所述进料管道进入燃烧环内的有机废物和通过所述回流管道回流至燃烧环内的未反应物质及反应剩余物质在所述燃烧环内沿同一旋转方向作圆周运动。

进一步地，所述收集室的顶部设置投料口，底部呈漏斗状。

进一步地，还包括回流泵，所述回流泵设置在所述回流管道上。

进一步地，所述回流管道包括相互连通的环状主回流管和多个支回流管，所述收集室的出料口与主回流管的入口端连接，多个支回流管的出口端分别与所述回流入口连接，使从所述收集室流出的物质从主回流管流入支回流管中，再回流至燃烧环内。

进一步地，所述燃烧环的进料口上设置喷嘴，所述喷嘴包括过流断面直径逐渐缩小的入口段、缩小段和出口段，且所述出口段的长度为出口段过流断面直径的3-5倍，流速为10-30m/s；所述缩小段的缩小角度为30-90°；所述入口段的长度大于入口段过流断面直径。

进一步地，所述燃烧环内的过流断面为矩形，且矩形的高度与宽度比例为1-2.5:1。

进一步地，所述回流泵的工作流量Q＝V_r*S_f，其中，V_r取10-30m/s，S_f为燃烧环内过流断面面积。

本发明的超临界氧化反应器能够解决无机盐堵塞、腐蚀的问题，且反应稳定。有机废物从燃烧环的切线方向分多点进入燃烧环，实现多点同步反应，有效反应空间相比单点反应更大。回流泵驱动未反应物质及反应剩余物质在燃烧环内的循环流动，利用圆周运动和离心力，第一，将超临界氧化反应火焰限制在燃烧环内，使被腐蚀区域主要限制在燃烧环内，解决腐蚀问题；第二，使从外界进入的和反应产生的盐等惰性物质通过离心力限制在燃烧环内便于排出，解决盐的结垢、堵塞问题；第三，未反应物质从多个点回流进入，使反应更充分，稳定。

本发明的有益效果在于：

(1)克服超临界氧化反应器的无机盐堵塞和腐蚀问题。通过离心力将无机盐和反应火焰约束在燃烧环内，将无机盐及时排出。

(2)使超临界反应的更加完全、稳定。通过回流，使未反应物质不断回流至燃烧环继续反应。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的原理图示意图；

图2本发明的一个实施例的轴测图；

图3本发明的一个实施例的局部剖开的轴测图；

图4本发明的一个实施例的俯视图；

图5本发明的一个实施例的主视图；

图6本发明的一个实施例的局部剖开的主视图；

图7本发明的一个实施例的燃烧环的局部剖开的轴测图；

图8本发明的一个实施例的喷嘴的纵断面示意图；

图中，1.燃烧环、1a.排渣口、1b进料口、1c回流入口、1d回流出口、2.收集室、2a.投料口、3.回流管道、4.回流泵、5.主进料口、5a.进料主管道、10.喷嘴、10a.出口段、10b.缩小段、10c.入口段。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据图1-8所示，说明本发明的一种超临界氧化反应器，包括燃烧环1和收集室2，所述燃烧环1的外壁分别开设若干进料口1b和回流入口1c，所述进料口1b上连接进料管道，所述回流入口1c上连接回流管道3；所述燃烧环1的内侧上部均匀开设若干回流出口1d，使燃烧环1通过所述回流出口1d与所述收集室2连通，所述收集室2的出料口通过所述回流管道3分别与燃烧环1的回流入口1c连通；所述燃烧环1的底部开设排渣口1a。

在一种优选的实施方式中，所述进料口1b和回流入口1c分别间隔交错设置，且所述进料管道和回流管道3均沿所述燃烧环1的过流截面中心的切线方向设置。使通过所述进料管道进入燃烧环1内的有机废物和通过所述回流管道3回流至燃烧环1内的未反应物质及反应剩余物质在所述燃烧环1内沿同一旋转方向作圆周运动，通过高速圆周运动和离心力，将超临界反应火焰约束在燃烧环1内，也将盐分和其他惰性固体重物质约束在燃烧环1内，反应产生的废气和废渣从排渣口1a排出。其余较轻物质从燃烧环1的内侧上部的回流出口流回收集室2。

上述回流出口1d的位置可使密度相对较轻的反应剩余物质(如H₂O、CO₂、N₂等)或未反应物质流至收集室2，而又使密度较重的盐(如硫酸盐、磷酸盐等)及残渣(灰分)等固态物质不会流至收集室2。在其中一个优选的实施例中，回流出口1d的数量为12个，均布在燃烧环1的圆周上。

本发明的反应过程包括：经过预热的待反应的有机废物从燃烧环的切线方向分多点进入燃烧环1，在超临界水的环境下进行反应。燃烧环1内侧上部与收集室2连通，用于流出反应剩余物质或未反应物质。收集室2收集的未反应物质及反应剩余物质通过回流管道3流至燃烧环1，使反应充分进行。通过高速圆周运动和离心力，将超临界反应火焰约束在燃烧环内，也将超临界氧化过程中的盐分约束在燃烧环内并可通过排渣口1a排出。上述排渣口1a，用于排出盐、反应后的残渣等惰性固体物质和废气。

在一种优选的结构设置中，还包括环状的进料主管道5a，所述进料主管道上设置主进料口5和若干出料口，所述出料口分别与所述进料管道的进料端连接。

在一种优选的结构设置中，所述回流管道包括相互连通的环状主回流管和多个支回流管，所述收集室的出料口与主回流管的入口端连接，多个支回流管的出口端分别与所述回流入口连接，使从所述收集室流出的物质从主回流管流入支回流管中，再回流至燃烧环内。

优选的，所述收集室2的顶部设置投料口2a，用于通入反应所需氧化剂(如氧气、过氧化氢等)，用于超临界水氧化反应。底部呈漏斗状，且出料口设置于最底部。优化地，收集室2的水平截面为圆形，斗状底部的直径与深度之比为2:1-1.7。

还包括回流泵4，所述回流泵4设置在所述回流管道3上，用于抽取收集室2内未反应物质及反应剩余物质回流至燃烧环1。

在一种优选的实施方式中，所述燃烧环1的进料口上设置喷嘴10，所述喷嘴10包括过流断面直径逐渐缩小的入口段10c、缩小段10b和出口段10a，且所述出口段的长度为出口段过流断面直径的3-5倍，流速为10-30m/s；所述缩小段的缩小角度为30-90°；所述入口段的长度大于入口段过流断面直径。

在有机物进料口1b处，通过喷嘴10喷入经过预热的待反应的有机废物(如有机污泥、高浓度有机废水等)。在回流入口处，通过回流管道回流未反应物质及反应剩余物质(包含反应所需的氧化剂)。

进一步地，所述燃烧环1内的过流断面为矩形，且矩形的高度与宽度比例为1-2.5:1。在进一步优选的实施方式中，燃烧环内过流断面矩形高与矩形宽的比例为2:1。

为利于盐等惰性固体颗粒的分离，所述回流泵的工作流量Q＝V_r*S_f，其中，V_r取10-30m/s，S_f为燃烧环内过流断面面积。

具体地，将待反应有机废物进入喷嘴的流量记为Q_in，待反应有机废物的最大粒径为φ_in。记出口段10a的过流断面直径为φ₁，长度为L₁；入口段10c的过流断面直径为φ₂，长度为L₂。缩小段10b的缩小角度为α。

1)为使喷嘴10出口不易堵塞且具有适宜的出口速度，出口段10a的过流断面直径φ₁满足：

φ₁>φ_in，并且10<4Q_in/(πφ₁ ²)<30(10及30的单位为m/s)。优选地，0.8V_r<4Q_in/(πφ₁ ²)<1.2V_r。

2)为使喷嘴10出口流态稳定，出口段10a的长度L₁满足：

3φ₁<L₁<5φ₁。

3)为使喷嘴10的截面变化过程阻力损失较小，流动较稳定，缩小段10b的缩小角度α满足：

30°<α<90°。

4)为使喷嘴10入口流动有一定的稳定性，入口段10c的长度L₂满足：

L₂>φ₂。

在其中一个优选的实施例中，有机物进料口1b及喷嘴10的数量为2-6组，均布在燃烧环1的圆周上。回流入口1c的数量为2-6个，均布在燃烧环1的圆周上。在一个实施例中，有机物进料口1b的数量与回流入口1c的数量相等，均为3个，交错均布在燃烧环1的圆周上。

本发明的反应过程包括：

1、氧化剂从收集室2的顶部进入，用于超临界水氧化反应；

2、经过预热的待反应有机废物，从有机物主进料口5进入，经进料主管道5a，在多个有机物进料口1b，分别通过喷嘴10进入燃烧环1，在超临界水的环境下进行反应；

3、收集室2收集的未反应物质及反应剩余物质(包括收集室2顶部进入的氧化剂)在回流泵4的驱动下通过回流管道3，在多个回流入口1c，不断回流至燃烧环1；

4、进入燃烧环1的有机废物及氧化剂，以及回流管道3导入的未反应物质及反应剩余物质在燃烧环1内沿同一旋转方向作圆周运动。通过燃烧环1内物质的圆周运动和离心力，将有机物与氧化剂的超临界反应火焰约束在燃烧环1内，也将盐分和其他惰性固体重物质约束在燃烧环1内，并可通过排渣口1a排出。其余较轻物质从燃烧环1的回流出口1d流回收集室2；

5、反应产生的废气和废渣从排渣口1a排出。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种超临界氧化反应器，其特征在于：包括燃烧环和收集室，所述燃烧环的外壁分别开设若干进料口和回流入口，所述进料口上连接进料管道，所述回流入口上连接回流管道；所述燃烧环的内侧上部均匀开设若干回流出口，使燃烧环通过所述回流出口与所述收集室连通，所述收集室的出料口通过所述回流管道分别与燃烧环的回流入口连通；所述燃烧环的底部开设排渣口。

2.根据权利要求1所述的超临界氧化反应器，其特征在于：所述进料口和回流入口分别间隔交错设置，且所述进料管道和回流管道均沿所述燃烧环的切线方向设置。

3.根据权利要求1或2所述的超临界氧化反应器，其特征在于：还包括环状的进料主管道，所述进料主管道上设置主进料口和若干出料口，所述出料口分别与所述进料管道的进料端连接。

4.根据权利要求3所述的超临界氧化反应器，其特征在于：通过所述进料管道进入燃烧环内的有机废物和通过所述回流管道回流至燃烧环内的未反应物质及反应剩余物质在所述燃烧环内沿同一旋转方向作圆周运动。

5.根据权利要求1、2或4所述的超临界氧化反应器，其特征在于：所述收集室的顶部设置投料口，底部呈漏斗状。

6.根据权利要求5所述的超临界氧化反应器，其特征在于：还包括回流泵，所述回流泵设置在所述回流管道上。

7.根据权利要求6所述的超临界氧化反应器，其特征在于：所述回流管道包括相互连通的环状主回流管和多个支回流管，所述收集室的出料口与主回流管的入口端连接，多个支回流管的出口端分别与所述回流入口连接，使从所述收集室流出的物质从主回流管流入支回流管中，再回流至燃烧环内。

8.根据权利要求6或7所述的超临界氧化反应器，其特征在于：所述燃烧环的进料口上设置喷嘴，所述喷嘴包括过流断面直径逐渐缩小的入口段、缩小段和出口段，且所述出口段的长度为出口段过流断面直径的3-5倍，流速为10-30m/s；所述缩小段的缩小角度为30-90°；所述入口段的长度大于入口段过流断面直径。

9.根据权利要求8所述的超临界氧化反应器，其特征在于：所述燃烧环内的过流断面为矩形，且矩形的高度与宽度比例为1-2.5:1。

10.根据权利要求9所述的超临界氧化反应器，其特征在于：所述回流泵的工作流量Q＝V_r*S_f，其中，V_r取10-30m/s，S_f为燃烧环内过流断面面积。

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