CN111237783A - 一种具有残渣自分离功能的超临界水热燃烧装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种具有残渣自分离功能的超临界水热燃烧装置，装置主体内的上部中央布置有水热火焰发生器，侧面设置有高温稳燃体，高温稳燃体外侧壁为双螺旋结构，与装置主体内壁配合构成进料双螺旋通道，装置主体上部设置有与进料双螺旋通道入口相连的高压助剂输配通道和进料内通道，高温稳燃体内侧壁设置旋流发生装置，装置主体的下部设置有燃烬渣浆汇聚锥，燃烬渣浆汇聚锥下部有超临界热流体引导锥，汇聚锥侧面上部设有燃烬渣浆出口，导锥底部设有超临界热流体出口。本发明还提供了相应的燃烧方法，实现了固相或含固燃料的快速着火、高效清洁燃烧以及燃尽后渣流有效分离。

Description

一种具有残渣自分离功能的超临界水热燃烧装置及方法

技术领域

本发明属于先进燃烧及节能环保技术领域，特别涉及一种具有残渣自分离功能的超临界水热燃烧装置及方法。

背景技术

超临界水是指温度和压力均高于其临界点(Tc＝374.15℃，Pc＝22.12MPa)的特殊状态的水。超临界水氧化技术是利用超临界水的低粘度、低介电常数、高扩散性等特殊性质，使完全溶解在其中的有机物与氧化剂发生快速、彻底的均相反应，有机物中的碳元素转化成二氧化碳，氯、硫、磷等元素转化成相应的无机盐，氮元素绝大多数转化成氮气，实现有机废物的高效无害化处理。超临界水氧化是一种绿色、高效、彻底的有机废物无害化处理处置技术，被誉为21世纪最有潜力的有机废物处理技术。超临界水燃烧技术是一种新型的国际前沿燃烧技术，可以被看作产生“水热火焰”的剧烈超临界水氧化技术，又被称作“水火相容”的燃烧技术。水热火焰区1000℃以上的局部高温能够实现化石燃料及污染物中有机质的快速氧化降解，同时释放丰富热量。

当前，盐沉积、腐蚀问题一定程度上制约了超临界水氧化技术低成本可靠的工业化实施，其中高压300～410℃高温区是超临界水氧化工艺***中材料腐蚀敏感区、无机盐快速析出区，服役于该工况区的装备面临着较为严峻的腐蚀与盐沉积引发堵塞风险。若利用超临界水热火焰与较低温度物料(<300℃)混合实现后者的快速升温，或者直接实现较低物料的快速超临界水热火焰着火、燃烧，由此即可避开300～410℃温度区装备腐蚀与盐沉积堵塞高发区。此外，在能源领域，常规燃煤发电***和燃煤工业锅炉在原理上是在以空气为氧化剂的气态环境下“一把火烧煤”，所产生的飞灰、硫氧化物、氮氧化碳等工业污染物已经造成巨大的环境污染。煤等化石燃料的超临界水热燃烧是一种前景十分广阔的技术。煤的超临界水热燃烧是一种不需要污染物末端控制就能实现煤的高效、清洁利用的新型燃烧技术。与煤的常规燃烧技术相比，煤的超临界水热燃烧技术不需脱硫、脱硝、除尘等末端装置即可实现污染物NO_x、SO_x、粉尘的源头控制，可以很容易的实现CO₂的低成本捕集，具有极其优越的环保性能。但是煤炭、污泥等固体燃料水热燃烧仍然会生成固相燃烬渣浆，若处置不当，会堵塞后续装置，影响整体的正常运行。因此，可以实现燃料快速着火、燃尽后渣流有效分离的水热燃烧装置是实现煤炭、污泥等固相或含固燃料的高效清洁燃烧的关键。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有残渣自分离功能的超临界水热燃烧装置及方法，实现了煤炭、污泥等固相或含固燃料的快速着火、高效清洁燃烧以及燃尽后渣流有效分离，进而实现化石燃料、城市/工业污泥等的化学能向热能高效、无污染转化。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种具有残渣自分离功能的超临界水热燃烧装置，包括装置主体2，其特征在于，装置主体2内的上部中央布置有水热火焰发生器5，上部侧面设置有高温稳燃体10，高温稳燃体10外侧壁为双螺旋结构，与装置主体2内壁配合构成进料双螺旋通道12，装置主体2上部设置有与进料双螺旋通道12入口相连的高压助剂输配通道6以及与进料双螺旋通道12出口相连的进料内通道15，高温稳燃体10内侧壁设置旋流发生装置11，旋流发生装置11位于高温稳燃体10的下部，装置主体2的下部设置有燃烬渣浆汇聚锥3，燃烬渣浆汇聚锥3与其下部的超临界热流体引导锥4相连，燃烬渣浆汇聚锥3侧面上部设有若干燃烬渣浆出口D，超临界热流体引导锥4底部设有超临界热流体出口C。

优选地，所述装置主体2被高效冷却套1包裹，所述高效冷却套1为夹套结构或单层/多层螺旋通道结构，冷却剂为水、空气、导热油、有机浆液或氧化剂。

优选地，所述水热火焰发生器5为多级圆台结构，其上端第一级台面与装置主体2内壁之间匹配形成连通反应器内部的氧化剂环形空间13，第二级台面与装置主体2内壁之间匹配形成连通反应器内部的助剂环形空间14，高压物料筒体8自上而下贯穿水热火焰发生器5的中央连通至装置主体2内部，高压氧化剂筒体9自上而下贯穿水热火焰发生器5或者装置主体2连通至氧化剂环形空间13，助剂环形空间14通过所述进料内通道15与进料双螺旋通道12连通，使各物料在高温稳燃体10内均匀混合并产生稳定火焰，保证有机浆液充分燃烬。

优选地，所述高压物料筒体8和高压氧化剂筒体9同轴设置并在顶部通过密封连接结构7连接，所述高压物料筒体8入口A与高压氧化剂筒体9入口B处压力皆不低于23MPa。

优选地，所述氧化剂环形空间13通过贯穿水热火焰发生器5的氧化剂环形外扩通道16至装置主体2内部，助剂环形空间14通过贯穿水热火焰发生器5的助剂环形外扩通道17至装置主体2内部

优选地，所述高压物料筒体8底部设置有喷嘴结构18，其包括但不限于扇形喷嘴、实心锥喷嘴、空心锥喷嘴、方形喷嘴，根据进料流量及种类的不同，高压物料筒体8能够作为助剂进料通道，高压助剂输配通道6能够物料进料通道。

优选地，所述高温稳燃体10为收缩-外扩结构，以利于燃烧后的物料加速进入旋流发生装置11，高温稳燃体10和旋流发生装置11保证燃烬渣浆以及超临界流体做旋转向下运动，以利于在燃烬渣浆在燃烬渣浆汇聚锥3处与超临界热流体分离。

优选地，所述燃烬渣浆汇聚锥3为微孔结构，采用圆台型轮廓，其周向分布大量微孔，其顶部开有单个大孔或者顶部布满中型孔，所述燃烬渣浆出口D接设有流量调控阀19的引管，燃烬渣浆出口D的数量为1个、2个或3个。

本发明还提供了基于所述具有残渣自分离功能的超临界水热燃烧装置的超临界水热燃烧方法，装置启动时，首先将处理达标的超临界水从高压物料筒体8的入口A注入，经喷嘴结构18喷射入装置主体2中，此时高压助剂输配通道6、高压氧化剂筒体9处于关闭状态；

待超临界水充满整个装置主体2后，高压物料筒体8的入口A处流体切换成有机浆液，同时开启高压助剂输配通道6、高压氧化剂筒体9，注入同处于一定温度压力的氧化剂和助剂，在水热火焰发生器5引发热自燃着火，在高温稳燃体10内实现稳定燃烧；

向高效冷却套1通入冷却剂，控制装置主体2壁温在500℃以下；

装置稳定运行时，各物料在水热火焰发生器5产生火焰并在高温稳燃体10内均匀混合、稳定燃烧，燃烧后的物料加速进入旋流发生装置11，喷出的火舌相互缠绕，以螺旋柱状向下运动，同时带动周围流体做相同旋转，燃烬渣浆经惯性持续沉积于燃烬渣浆汇聚锥3的凹陷处；

进行排除燃烬渣浆操作时，通过流量调控阀19控制燃烬渣浆流量，防止出流过快影响超临界热流体出口C的生成物出流稳定性，整个过程中保持冷却剂持续对装置主体2进行冷却。

优选地，所述氧化剂包括但不限于液氧、氧气或空气，所述有机浆液包括但不限于煤浆、城市污泥、油泥或石化残渣。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.水热燃烧发生器位于水热燃烧装置上部中央，其底部分别设置有氧化剂环形外扩通道及助剂环形外扩通道，使各物料在高温稳燃体内可以均匀混合并产生稳定火焰，保证了有机浆液充分燃烧；收缩-外扩结构的高温稳燃体使燃烧后的物料加速进入旋流发生装置，有利于启旋效果的增强。旋转的超临界水热火球可以使得固相颗粒在装置内旋转，使其流程延长，利于燃烬。在装置下部燃烬后含固超临界流体中固相颗粒在旋转离心力作用下，向燃烬渣浆汇聚锥的底部聚集；此外，微孔型燃烬渣浆汇聚锥对固相颗粒具有过滤作用，从而实现燃尽后渣浆与超临界热流体的高效自分离。

2.超临界水热燃烧后燃料中硫元素、大部分氮元素以硫酸盐、硝酸/亚硝酸盐的形式进入燃烬渣浆，分离出来的超临界液相流体主要成分为超临界水、二氧化碳与氮气及少量富余氧气，从而实现了污染物NO_x、SO_x、粉尘的源头控制，可以很容易的实现CO₂的低成本捕集，具有极其优越的环保性能。

附图说明

图1是本发明***结构示意图。

其中：1.高效冷却套；2.装置主体；3.燃烬渣浆汇聚锥；4.超临界热流体引导锥；5.水热火焰发生器；6.高压助剂输配通道；7.密封连接结构；8.高压物料筒体；9.高压氧化剂筒体；10.高温稳燃体；11.旋流发生装置；12.进料双螺旋通道；13.氧化剂环形空间；14.助剂环形空间；15.进料内通道；16.氧化剂环形外扩通道；17.助剂环形外扩通道；18.喷嘴结构；19.流量调控阀；A.高压物料筒体入口；B.高压氧化剂筒体入口；C.超临界热流体出口；D.燃烬渣浆出口；E.冷却水入口；F.冷却水出口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，本发明一种具有残渣自分离功能的超临界水热燃烧装置，是一种水火相容的旋流式超临界水热燃烧装置，其包括装置主体2，装置主体2被高效冷却套1包裹，高效冷却套1为夹套结构或单层/多层螺旋通道结构，冷却剂可为水、空气、导热油、有机浆液或氧化剂等，冷却套1内的冷却水由顶部的冷却水入口E进入，经冷却水出口F流出。

其中：

装置主体2内的上部中央布置有水热火焰发生器5，本实施例中，水热火焰发生器5为多级圆台结构，其上端第一级台面与装置主体2内壁之间匹配形成氧化剂环形空间13，第二级台面与装置主体2内壁之间匹配形成助剂环形空间14。氧化剂环形空间13通过贯穿水热火焰发生器5的氧化剂环形外扩通道16至装置主体2内部，助剂环形空间14通过贯穿水热火焰发生器5的助剂环形外扩通道17至装置主体2内部。高压物料筒体8自上而下贯穿水热火焰发生器5的中央连通至装置主体2内部，高压氧化剂筒体9自上而下贯穿水热火焰发生器5或者装置主体2连通至氧化剂环形空间13，高压物料筒体8和高压氧化剂筒体9同轴设置并在顶部通过密封连接结构7连接，高压物料筒体8入口A与高压氧化剂筒体9入口B处压力皆不低于23MPa，高压物料筒体8底部设置有喷嘴结构18，其包括但不限于扇形喷嘴、实心锥喷嘴、空心锥喷嘴、方形喷嘴。助剂环形空间14通过进料内通道15与进料双螺旋通道12连通。

装置主体2内上部侧面设置有高温稳燃体10，高温稳燃体10外侧壁为双螺旋结构，与装置主体2内壁配合构成进料双螺旋通道12，装置主体2上部还设置有与进料双螺旋通道12入口相连的高压助剂输配通道6和进料内通道15，高温稳燃体10内侧壁设置旋流发生装置11，旋流发生装置11位于进料双螺旋通道12的下方且入口与进料双螺旋通道12的出口连通，物料经高压助剂输配通道6进入进料双螺旋通道12后，经进料内通道15流出进入到助剂环形空间14，进而进入反应器内部。

装置主体2内下部设置有燃烬渣浆汇聚锥3，燃烬渣浆汇聚锥3与其下部的超临界热流体引导锥4相连，燃烬渣浆汇聚锥3侧面上部设有若干燃烬渣浆出口D，超临界热流体引导锥4底部设有超临界热流体出口C。

上述水热火焰发生器5的结构设置，可使各物料在高温稳燃体10内均匀混合并产生稳定火焰，保证有机浆液充分燃烬，而根据进料流量及种类的不同，高压物料筒体8也可以作为助剂进料通道，高压助剂输配通道6则可以作为物料进料通道。

本实施例中，高温稳燃体10为收缩-外扩结构，以利于燃烧后的物料加速进入旋流发生装置11，高温稳燃体10和旋流发生装置11保证燃烬渣浆以及超临界流体做旋转向下运动，以利于在燃烬渣浆在燃烬渣浆汇聚锥3处与超临界热流体分离。

本实施例中，燃烬渣浆汇聚锥3为微孔结构，采用圆台型轮廓，其周向分布大量微孔，其顶部开有单个大孔或者顶部布满中型孔，燃烬渣浆出口D接设有流量调控阀19的引管，燃烬渣浆出口D的数量为可为1个、2个或3个或更多个。

根据以上结构，本发明超临界水热燃烧过程如下：

装置启动时，首先将处理达标的超临界水(以400℃，23MPa为例)从高压物料筒体入口A注入，经水热火焰发生器5中的喷嘴结构18喷射入装置主体2中，此时高压助剂输配通道6、高压氧化剂筒体9处于关闭状态。待超临界水充满整个装置主体2后，高压物料筒体入口A入口流体切换成有机浆液(以煤浆为例)，同时开启高压助剂输配通道6、高压氧化剂筒体9，注入同处于一定温度压力(例如550℃，25MPa)的氧化剂(以氧气为例)和助剂(以甲醇为例)，煤浆、氧气以及甲醇在水热火焰发生器5引发热自燃着火，在高温稳燃体10内实现稳定燃烧。着火后，从冷却水入口E通入常温冷却剂(此处冷却剂以纯水为例)，启动高效冷却套1，控制装置主体1壁温在500℃以下，冷却后的出水经冷却水出口F流出。

装置稳定运行时，各物料在水热火焰发生器5产生火焰并在高温稳燃体10内均匀混合、稳定燃烧，得益于高温稳燃体10出口的收缩、外扩结构，燃烧后的物料加速进入旋流发生装置11，喷出的火舌相互缠绕，以螺旋柱状向下运动，同时带动周围流体做相同旋转。因此，火焰柱持续存在，燃烬渣浆经惯性持续沉积于燃烬渣浆在燃烬渣浆汇聚锥3的凹陷处。煤浆、氧化剂以及冷却水均按照既定流量源源不断的通入到该装置。

装置高压物料筒体8和高压助剂输配通道6中输运流体可相互交换，对于较难发生着火的物料，通过预先在高压物料筒体8中通入助剂甲醇，其与来自高压氧化剂筒体9的氧气在高温稳燃体10内实现热自燃着火并稳定燃烧，之后再高压助剂输配通道6中通入较难发生着火的物料，再经进料双螺旋通道12预热之后进入水热火焰发生器5中，进而实现了物料的稳定燃烧。

装置进行排除燃烬渣浆操作时，通过流量调控阀19控制燃烬渣浆流量，防止出流过快影响超临界热流体出口C的生成物出流稳定性。整个过程中保持冷却水持续对装置主体2进行冷却。

本发明中，氧化剂包括但不限于液氧、氧气或空气，有机浆液包括但不限于煤浆、城市污泥、油泥或石化残渣。

综上，本发明将该一种具有残渣自分离功能的超临界水热燃烧装置及方法用于煤炭、污泥等固相或含固燃料的燃烧，能够实现污染物NO_x、SO_x、粉尘的源头控制，可以很容易的实现CO₂的低成本捕集，具有极其优越的环保性能。

Claims (10)

1.一种具有残渣自分离功能的超临界水热燃烧装置，包括装置主体(2)，其特征在于，装置主体(2)内的上部中央布置有水热火焰发生器(5)，上部侧面设置有高温稳燃体(10)，高温稳燃体(10)外侧壁为双螺旋结构，与装置主体(2)内壁配合构成进料双螺旋通道(12)，装置主体(2)上部设置有与进料双螺旋通道(12)入口相连的高压助剂输配通道(6)以及与进料双螺旋通道(12)出口相连进料内通道(15)，高温稳燃体(10)内侧壁设置旋流发生装置(11)，装置主体(2)的下部设置有燃烬渣浆汇聚锥(3)，燃烬渣浆汇聚锥(3)与其下部的超临界热流体引导锥(4)相连，燃烬渣浆汇聚锥(3)侧面上部设有若干燃烬渣浆出口D，超临界热流体引导锥(4)底部设有超临界热流体出口C。

2.根据权利要求1所述具有残渣自分离功能的超临界水热燃烧装置，其特征在于，所述装置主体(2)被高效冷却套(1)包裹，所述高效冷却套(1)为夹套结构或单层/多层螺旋通道结构，冷却剂为水、空气、导热油、有机浆液或氧化剂。

3.根据权利要求1所述具有残渣自分离功能的超临界水热燃烧装置，其特征在于，所述水热火焰发生器(5)为多级圆台结构，其上端第一级台面与装置主体(2)内壁之间匹配形成连通反应器内部的氧化剂环形空间(13)，第二级台面与装置主体(2)内壁之间匹配形成连通反应器内部的助剂环形空间(14)，高压物料筒体(8)自上而下贯穿水热火焰发生器(5)的中央连通至装置主体(2)内部，高压氧化剂筒体(9)自上而下贯穿水热火焰发生器(5)或者装置主体(2)连通至氧化剂环形空间(13)，助剂环形空间(14)通过所述进料内通道(15)与进料双螺旋通道(12)连通，使各物料在高温稳燃体(10)内均匀混合并产生稳定火焰，保证有机浆液充分燃烬。

4.根据权利要求3所述具有残渣自分离功能的超临界水热燃烧装置，其特征在于，所述高压物料筒体(8)和高压氧化剂筒体(9)同轴设置并在顶部通过密封连接结构(7)连接，所述高压物料筒体(8)入口A与高压氧化剂筒体(9)入口B处压力皆不低于23MPa。

5.根据权利要求3所述具有残渣自分离功能的超临界水热燃烧装置，其特征在于，所述氧化剂环形空间(13)通过贯穿水热火焰发生器(5)的氧化剂环形外扩通道(16)至装置主体(2)内部，助剂环形空间(14)通过贯穿水热火焰发生器(5)的助剂环形外扩通道(17)至装置主体(2)内部。

6.根据权利要求3所述具有残渣自分离功能的超临界水热燃烧装置，其特征在于，所述高压物料筒体(8)底部设置有喷嘴结构(18)，根据进料流量及种类的不同，高压物料筒体(8)能够作为助剂进料通道，高压助剂输配通道(6)能够物料进料通道。

7.根据权利要求1所述具有残渣自分离功能的超临界水热燃烧装置，其特征在于，所述高温稳燃体(10)为收缩-外扩结构，以利于燃烧后的物料加速进入旋流发生装置(11)，高温稳燃体(10)和旋流发生装置(11)保证燃烬渣浆以及超临界流体做旋转向下运动，以利于在燃烬渣浆在燃烬渣浆汇聚锥(3)处与超临界热流体分离。

8.根据权利要求1所述具有残渣自分离功能的超临界水热燃烧装置，其特征在于，所述燃烬渣浆汇聚锥(3)为微孔结构，采用圆台型轮廓，其周向分布大量微孔，其顶部开有单个大孔或者顶部布满中型孔，所述燃烬渣浆出口D接设有流量调控阀(19)的引管，燃烬渣浆出口D的数量为1个、2个或3个。

9.基于权利要求1所述具有残渣自分离功能的超临界水热燃烧装置的超临界水热燃烧方法，其特征在于，装置启动时，首先将处理达标的超临界水从高压物料筒体(8)的入口A注入，经喷嘴结构(18)喷射入装置主体(2)中，此时高压助剂输配通道(6)、高压氧化剂筒体(9)处于关闭状态；

待超临界水充满整个装置主体(2)后，高压物料筒体(8)的入口A处流体切换成有机浆液，同时开启高压助剂输配通道(6)、高压氧化剂筒体(9)，注入同处于一定温度压力的氧化剂和助剂，在水热火焰发生器(5)引发热自燃着火，在高温稳燃体(10)内实现稳定燃烧；

向高效冷却套(1)通入冷却剂，控制装置主体(2)壁温在500℃以下；

装置稳定运行时，各物料在水热火焰发生器(5)产生火焰并在高温稳燃体(10)内均匀混合、稳定燃烧，燃烧后的物料加速进入旋流发生装置(11)，喷出的火舌相互缠绕，以螺旋柱状向下运动，同时带动周围流体做相同旋转，燃烬渣浆经惯性持续沉积于燃烬渣浆汇聚锥(3)的凹陷处；

进行排除燃烬渣浆操作时，通过流量调控阀(19)控制燃烬渣浆流量，防止出流过快影响超临界热流体出口C的生成物出流稳定性，整个过程中保持冷却剂持续对装置主体(2)进行冷却。

10.根据权利要求9所述超临界水热燃烧方法，其特征在于，所述氧化剂为液氧、氧气或空气，所述有机浆液为煤浆、城市污泥、油泥或石化残渣。

Images