CN114772776B - 一种旋流悬浮型超临界水氧化反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种旋流悬浮型超临界水氧化反应器包括：同轴配合设置的承压外壳体和多孔内壳体，承压外壳体包括：顶盖、上部圆柱段和下部锥形段；第一空气注入管，设置在上部圆柱段的中部；燃料注入管和第二空气注入管，设置在下部锥形段的顶部，燃料注入管和第二空气注入管均匀间隔布置在同一水平圆周上，且两两平行偏离承压外壳体的中心轴距离r相向输入；有机废液输入管，设置在下部锥形段的上部，有机废液输入管的输入方向倾斜向上且指向承压外壳体的中心轴。通过本发明的技术方案，实现了对有机废液的高效快速预热，保障了有机废液的高效降解，同时具有较好的抗腐蚀、抗盐沉积性能，能够实现反应产物的气固分离，大大提高整体能量回收效率。
Description
技术领域
本发明涉及超临界水氧化设备技术领域，具体涉及一种旋流悬浮型超临界水氧化反应器。
背景技术
高浓度、有毒、难降解有机废水的处理是国内外公认的技术难题。传统的有机废水处理技术(如物化处理技术、生物处理技术、湿式氧化、焚烧等)存在成本高、降解率低、易衍生二次污染等问题。超临界水氧化(Supercritical Water Oxidation，SCWO)作为一种新型的处理有机废水的技术，是有效解决这一难题的方法之一。超临界水氧化是在超过水的临界点(PC＝22.1MPa，TC＝374℃)的高温高压条件下，以空气或其他氧化剂，将有机物进行“燃烧”氧化的方法。水的极性是温度和压力的函数，超临界水是一种非极性溶剂。在超临界水的环境下，有机物和气体可完全互溶，气液两相的相界面消失，形成均一相体系，反应速度大大加快。在小于1分钟甚至几秒钟的停留时间内，99.9％以上的有机物迅速燃烧氧化成CO2、H2O和其他无毒无害的终端产物。反应温度一般在400℃–650℃，避免了SO2、NOx、二恶英等二次污染物的产生。
虽然均相的超临界水氧化反应可快速降解有机物，但是高含固、高含盐、或高含固且高含盐的有机废液，由于固相颗粒的存在及反应过程析出的无机盐，加大了过程的传热传质，进而阻碍了反应进程，需要强化反应过程以达到有机物彻底降解。
现有技术中，在采用超临界水氧化技术处理高含固、高含盐、或高含固且高含盐的有机废液时，存在以下技术缺陷：(1)热回收过程中，换热装置的换热效率较低；(2)有机废液中固体灰渣和析出无机盐容易沉积堵塞，影响***的安全运行；(3)高浓度颗粒的有机废液在预热段容易结垢和堵塞，通过辅助燃料快进行超临界水氧化反应形成热液火焰，通过火焰释放的热量可实现产物废料的快速预热，但火焰和废料的充分及高效混合将影响物料的充分预热和后续的降解反应；(4)有机废液中的固相颗粒或析出的无机盐容易堆积，显著增加传热传质阻力，造成超临界水氧化反应效率不高，常规解决方法借助机械的手段在反应器内搅拌或者通过超长的反应停留时间，然而，在超临界水氧化反应条件下搅拌装置难以安装和密封，超长的反应停留时间容易造成反应器尺寸和投资过大。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种旋流悬浮型超临界水氧化反应器，处理含高含固、高含盐、或高含固且高含盐的有机废液，实现对有机废液的高效快速预热，保障有机废液的高效降解，同时具有较好的抗腐蚀、抗盐沉积性能，能够实现反应产物的气固分离，大大提高整体能量回收效率。
为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：
一种旋流悬浮型超临界水氧化反应器，包括：同轴配合设置的承压外壳体和多孔内壳体，所述承压外壳体包括：同轴设置且相连接的顶盖、上部圆柱段和下部锥形段；第一空气注入管，设置在所述上部圆柱段的中部；燃料注入管和第二空气注入管，设置在所述下部锥形段的顶部，所述燃料注入管和所述第二空气注入管均匀间隔布置在同一水平圆周上，且两两平行偏离所述承压外壳体的中心轴距离r相向输入，并在相应的输入水平圆截面形成一个半径为r的虚拟圆；有机废液输入管，设置在所述下部锥形段的上部，所述有机废液输入管的输入方向倾斜向上且指向所述承压外壳体的中心轴，所述有机废液输入管的输入方向与所述承压外壳体的中心轴之间的夹角介于有机废液输入方向和虚拟圆相切时的角度α以及有机废液输入方向指向虚拟圆中心的角度β之间。
优选地，所述虚拟圆的半径r为所述燃料注入管和所述第二空气注入管连接位置处相应的所述承压外壳体水平截面半径的1/3-2/3。
优选地，所述燃料注入管与所述第二空气注入管的设置数量相同，分别设置2根或者3根或者4根；沿着所述下部锥形段的上部圆周同一水平面均匀设置2-4根所述有机废液输入管。
优选地，所述多孔内壳体包括：同轴设置且相连接的无孔顶盖、多孔直筒段和支撑环，所述支撑环与所述承压外壳体的上部圆柱段的底面相连接；沿着所述上部圆柱段的中部圆周同一水平面均匀设置2-4根所述第一空气注入管，空气经第一空气注入管先进入所述承压外壳体与所述多孔内壳体之间形成的环隙，之后渗入所述多孔直筒段的内壁面形成保护膜。
优选地，旋流悬浮型超临界水氧化反应器还包括：内置式旋风分离器，嵌入所述多孔内壳体的内部，所述内置式旋风分离器与所述多孔内壳体同轴设置。
优选地，所述内置式旋风分离器包括：配合设置的分离器顶盖、分离器出气管、分离器切向进料管、分离器圆柱段、分离器锥形段和分离器灰渣排出管，所述分离器顶盖、所述分离器圆柱段、所述分离器锥形段以及所述分离器灰渣排出管从上到下依次连接，所述分离器灰渣排出管延伸至所述下部锥形段；所述分离器切向进料管设置在所述分离器圆柱段的上部侧面；所述分离器出气管的一端设置在所述分离器圆柱段内，另一端穿过所述分离器顶盖、所述多孔内壳体的无孔顶盖以及所述承压外壳体的顶盖伸出。
优选地，所述分离器出气管的底端同轴设置丝网过滤器。
优选地，所述分离器灰渣排出管的底部设置锁气器。
优选地，旋流悬浮型超临界水氧化反应器还包括：灰渣排出管，设置在所述承压外壳体的下部锥形段的底部中心位置处。
优选地，旋流悬浮型超临界水氧化反应器还包括：冷却水注入管，设置在所述承压外壳体的下部锥形段的中下部，所述冷却水注入管在所述下部锥形段内部的出口朝下。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提出的旋流悬浮型超临界水氧化反应器以空气作为保护流体，反应区通过空气膜保护，实现了反应器的抗腐蚀和抗盐沉积保护，同时，空气中的氧气强化了有机废液反应过程中的传热介质，实现了有机废液的高效降解。
(2)本发明提出的旋流悬浮型超临界水氧化反应器设计燃料和氧气四角切圆注入，可形成旋转圆形火焰区，有机废液注入到火焰区，火焰对常温有机废液包裹，实现了内预热，确保了有机废液的充分预热，而且，预热效率高，能够有效避免有机废液直接预热而出现的结焦、换热效率低、堵塞等问题。
(3)本发明提出的旋流悬浮型超临界水氧化反应器中燃料和空气形成旋转气流，在旋转气流的作用下，低密度的反应物及颗粒(固体或析出无机盐)在相应的虚拟圆柱上悬浮并盘旋向上，大尺寸颗粒会落入火焰区进一步破碎及反应，而上升过程形成的较大尺寸颗粒在靠近多孔内壁的过程中被上部注入的空气二次破碎，并与空气中的氧气进一步混合、反应，通过强化传热传质、较大的过氧量及较长的停留时间，能够实现含颗粒/含盐有机废液的充分氧化降解，大大提高了有机废液的氧化降解效果。
(4)本发明提出的旋流悬浮型超临界水氧化反应器中嵌入内置式旋风分离器，如此设计，旋风分离器内外压力相差非常小，采用常压环境的结构即可以实现反应产物的高效气固分离，形成高品质的超临界流体，有利于提高了整体的能量回收效率。
(5)本发明提出的旋流悬浮型超临界水氧化反应器能够对反应后的固体进行三级分离，首先是悬浮过程的重力分离去除大颗粒；其次是内置式旋风分离器高效去除中低颗粒；最后通过旋风分离器出口的丝网过滤器去除微细颗粒，实现反应后高温流体的颗粒去除，大大提高了后续能量回收的品位和质量。
(6)本发明提出的旋流悬浮型超临界水氧化反应器底部采用冷却水快速冷却形成亚临界溶解池，且内置式旋风分离器底部排渣出口直接通入溶解池，实现可溶性盐的溶解和灰渣冷却，有效避免了反应器的结垢和堵塞，而且便于后续灰渣和无机盐的固液分离，提高后续设备换热效率和稳定性。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1示出了根据本发明的实施例的一种旋流悬浮型超临界水氧化反应器的结构示意图；
图2示出了根据本发明的实施例的一种旋流悬浮型超临界水氧化反应器中燃料和空气注入示意图；
图3示出了根据本发明的实施例的一种旋流悬浮型超临界水氧化反应器中有机废液注入示意图，
其中，图1至图3中附图标记与部件之间的对应关系为：
102承压外壳体，1022顶盖，1024上部圆柱段，1026下部锥形段，104多孔内壳体，1042无孔顶盖，1044多孔直筒段，1046支撑环，106第一空气注入管，108燃料注入管，110第二空气注入管，112有机废液输入管，114内置式旋风分离器，1142分离器顶盖，1144分离器出气管，1146分离器切向进料管，1148分离器圆柱段，1150分离器锥形段，1152分离器灰渣排出管，1154丝网过滤器，1156锁气器，116灰渣排出管，118冷却水注入管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，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做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。
如图1至图3所示，根据本发明的实施例的一种旋流悬浮型超临界水氧化反应器包括同轴配合设置的承压外壳体102和多孔内壳体104，呈双壳结构。承压外壳体102包括：同轴设置且相连接的顶盖1022、上部圆柱段1024和下部锥形段1026。在上部圆柱段1024的中部设置第一空气注入管106，从侧面注入空气，在多孔内壳体104的内壁面形成保护膜，通过冲刷、溶解、稀释等方式对多孔内壳体104进行保护。在下部锥形段1026的顶部设置燃料注入管108和第二空气注入管110，且两两平行偏离承压外壳体102的中心轴距离r相向输入，并在相应的输入水平圆截面形成一个半径为r的虚拟圆，如图2所示，这样已预热的燃料和空气中的氧气可快速进行超临界水氧化反应，从而形成热液火焰，且由于燃料和空气的输入位置和角度，可形成以虚拟圆上方为范围的旋转热液火焰区。在下部锥形段1026的上部设置有机废液输入管112，有机废液输入管112的输入方向倾斜向上且指向承压外壳体102的中心轴，有机废液输入管112的输入方向与承压外壳体102的中心轴之间的夹角介于有机废液输入方向和虚拟圆相切时的角度α以及有机废液输入方向指向虚拟圆中心的角度β之间，如图3所示，从而保证有机废液注入在虚拟圆的正上方，常温有机废液中的颗粒等反应物落入虚拟圆上方与反应器中心轴形成的虚拟圆柱，燃料和空气形成的热液火焰包裹有机废液，从而有利于快速实现废液的预热，而且，预热效率高，能够有效避免有机废液直接预热而出现的结焦、换热效率低、堵塞等问题。同时，在燃料和空气形成的旋转气流作用下，低密度的反应物在相应的虚拟圆柱上悬浮并盘旋向上，此过程中，废液中的大尺寸颗粒会落入火焰区进一步破碎及反应，不能反应破碎的颗粒掉入底部的灰渣冷却区。而后上升过程形成的较大尺寸颗粒在离心力的作用下回靠近多孔内壳体104的多孔内壁，被径向输入的空气二次破碎，与上部注入空气中的氧气进一步混合、反应，通过强化传热传质、较大的过氧量及较长的停留时间，实现含颗粒/含盐有机废液的充分氧化降解，大大提高了有机废液的氧化降解效果。
进一步地，如图2所示，虚拟圆的半径r为燃料注入管108和第二空气注入管110连接位置处相应的承压外壳体102水平截面半径的1/3-2/3。
进一步地，如图2所示，燃料注入管108与第二空气注入管110的设置数量相同，分别设置2根；如图1所示，沿着下部锥形段1026的上部圆周同一水平面均匀设置2-4根有机废液输入管112。
从而，进一步保障了形成以虚拟圆上方为范围的旋转热液火焰区，进一步保证了有机废液注入在虚拟圆的正上方，常温有机废液中的颗粒等反应物落入虚拟圆上方与反应器中心轴形成的虚拟圆柱，燃料和空气形成的热液火焰包裹有机废液，从而进一步保障了有机废液的预热效果。
另外，燃料注入管108与第二空气注入管110还可以分别设置3根或者4根。
进一步地，如图1所示，多孔内壳体104包括：同轴设置且相连接的无孔顶盖1042、多孔直筒段1044和支撑环1046。支撑环1046与承压外壳体102的上部圆柱段1024的底面相连接。沿着上部圆柱段1024的中部圆周同一水平面均匀设置2-4根第一空气注入管106，空气经第一空气注入管106先进入承压外壳体102与多孔内壳体104之间形成的环隙，之后渗入多孔直筒段1044的内壁面形成保护膜，通过冲刷、溶解、稀释等方式对多孔内壳体104进行保护。以空气作为保护流体，反应区通过空气膜保护，实现了反应器的抗腐蚀和抗盐沉积保护，同时，空气中的氧气强化了有机废液反应过程中的传热介质，实现了有机废液的高效降解。
进一步地，如图1所示，旋流悬浮型超临界水氧化反应器还包括：嵌入在多孔内壳体104内部的内置式旋风分离器114，内置式旋风分离器114与多孔内壳体104同轴设置。旋风分离器内外压力相差非常小，采用常压环境的结构即可以实现反应产物的高效气固分离，形成高品质的超临界流体，有利于提高了整体的能量回收效率。
进一步地，如图1所示，内置式旋风分离器114包括：配合设置的分离器顶盖1142、分离器出气管1144、分离器切向进料管1146、分离器圆柱段1148、分离器锥形段1150和分离器灰渣排出管1152，分离器顶盖1142、分离器圆柱段1148、分离器锥形段1150以及分离器灰渣排出管1152从上到下依次连接，分离器灰渣排出管1152延伸至下部锥形段1026；分离器切向进料管1146设置在分离器圆柱段1148的上部侧面；分离器出气管1144的一端设置在分离器圆柱段1148内，另一端穿过分离器顶盖1142、多孔内壳体104的无孔顶盖1042以及承压外壳体102的顶盖1022伸出。超临界水氧化反应后形成高温高压的流体(水、二氧化碳、氮气、氧气等)和颗粒(灰渣和析出的无机盐)，大量的反应产物经分离器切向进料管1146进入内置式旋风分离器114内部，由于反应产物的高温高压特性及内置式旋风分离器114较小的入口，反应产物在旋风分离器内形成高速气流，在重力、惯性力、离心力等作用下完成高效的气固分离，净化后的高温高压流体从分离器出气管1144排出。
进一步地，如图1所示，分离器出气管1144的底端同轴设置丝网过滤器1154，从而能够进一步去除气体中的微细颗粒，净化后的反应流体可直接进入透平做工，大大提升了反应产物的能量品位并便于后续的能量回收。
进一步地，如图1所示，分离器灰渣排出管1152的底部设置锁气器1156。灰渣颗粒沿着分离器锥形段1150、分离器灰渣排出管1152掉入承压外壳体102的下部锥形段1026内，分离器灰渣排出管1152的底部设置锁气器1156保障了灰渣单向向下排出，一定程度上避免影响内置式旋风分离器114的流场结构，进一步保障气固分离效果。
进一步地，如图1所示，在承压外壳体102的下部锥形段1026的底部中心位置处设置灰渣排出管116，便于灰渣的排出和收集。
进一步地，如图1所示，承压外壳体102的下部锥形段1026的中下部设置冷却水注入管118，冷却水注入管118在下部锥形段1026内部的出口朝下。通过冷却水的注入在下部锥形段1026形成一亚临界温度的灰渣冷却区，冷却水注入管118在下部锥形段1026内部，减少了对上部反应区的影响。有机废液反应过程的大颗粒及内置式旋风分离器114分离的细颗粒落入灰渣冷却区，无机盐可溶解，灰渣可冷却排出反应器，避免堵塞且利于后续分离。
本发明提出的一种旋流悬浮型超临界水氧化反应器的工作过程如下：
一种旋流悬浮型超临界水氧化反应器包含物料预热注入区、悬浮反应区、气固旋风分离区、气膜保护区、灰渣冷却区。通过燃料注入管108注入燃气，通过第一空气注入管106以及第二空气注入管110分别注入空气。已预热的燃料和空气中的氧气可快速进行超临界水氧化反应，从而形成热液火焰，且由于燃料和空气的输入位置和角度，可形成以虚拟圆上方为范围的旋转热液火焰区。通过有机废液输入管112输入有机废液，有机废液注入在虚拟圆的正上方，常温有机废液中的颗粒等反应物落入虚拟圆上方与反应器中心轴形成的虚拟圆柱，燃料和空气形成的热液火焰包裹有机废液，对有机废液进行预热。
在燃料和空气形成的旋转气流作用下，低密度的反应物在相应的虚拟圆柱上悬浮并盘旋向上，进行悬浮反应，有机废液中的大尺寸颗粒会落入火焰区进一步破碎及反应，不能反应破碎的颗粒掉入底部的灰渣冷却区。
上升过程形成的较大尺寸颗粒在离心力的作用下回靠近多孔直筒段1044的内壁，气膜保护区径向输入的空气会对较大尺寸颗粒进行二次破碎，而且空气中的氧气会与其进一步混合反应。
超临界水氧化反应后形成高温高压的流体(水、二氧化碳、氮气、氧气等)和颗粒(灰渣和析出的无机盐)，大量的反应产物经分离器切向进料管1146进入内置式旋风分离器114内部，由于反应产物的高温高压特性及内置式旋风分离器114较小的入口，反应产物在旋风分离器内形成高速气流，在重力、惯性力、离心力等作用下完成高效的气固分离，净化后的高温高压流体从分离器出气管1144排出。
有机废液反应过程的大颗粒及内置式旋风分离器114分离的细颗粒落入灰渣冷却区，从灰渣排出管116排出。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种旋流悬浮型超临界水氧化反应器，其特征在于，包括：
同轴配合设置的承压外壳体和多孔内壳体，所述承压外壳体包括：同轴设置且相连接的顶盖、上部圆柱段和下部锥形段；
第一空气注入管，设置在所述上部圆柱段的中部；
燃料注入管和第二空气注入管，设置在所述下部锥形段的顶部，所述燃料注入管和所述第二空气注入管均匀间隔布置在同一水平圆周上，且两两平行偏离所述承压外壳体的中心轴距离r相向输入，并在相应的输入水平圆截面形成一个半径为r的虚拟圆；
有机废液输入管，设置在所述下部锥形段的上部，所述有机废液输入管的输入方向倾斜向上且指向所述承压外壳体的中心轴，所述有机废液输入管的输入方向与所述承压外壳体的中心轴之间的夹角介于有机废液输入方向和虚拟圆相切时的角度α以及有机废液输入方向指向虚拟圆中心的角度β之间。
2.根据权利要求1所述的旋流悬浮型超临界水氧化反应器，其特征在于，其特征在于，
所述虚拟圆的半径r为所述燃料注入管和所述第二空气注入管连接位置处相应的所述承压外壳体水平截面半径的1/3-2/3。
3.根据权利要求1所述的旋流悬浮型超临界水氧化反应器，其特征在于，
所述燃料注入管与所述第二空气注入管的设置数量相同，分别设置2根或者3根或者4根；
沿着所述下部锥形段的上部圆周同一水平面均匀设置2-4根所述有机废液输入管。
4.根据权利要求1所述的旋流悬浮型超临界水氧化反应器，其特征在于，
所述多孔内壳体包括：同轴设置且相连接的无孔顶盖、多孔直筒段和支撑环，所述支撑环与所述承压外壳体的上部圆柱段的底面相连接；
沿着所述上部圆柱段的中部圆周同一水平面均匀设置2-4根所述第一空气注入管，空气经第一空气注入管先进入所述承压外壳体与所述多孔内壳体之间形成的环隙，之后渗入所述多孔直筒段的内壁面形成保护膜。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的旋流悬浮型超临界水氧化反应器，其特征在于，还包括：
内置式旋风分离器，嵌入所述多孔内壳体的内部，所述内置式旋风分离器与所述多孔内壳体同轴设置。
6.根据权利要求5所述的旋流悬浮型超临界水氧化反应器，其特征在于，
所述内置式旋风分离器包括：配合设置的分离器顶盖、分离器出气管、分离器切向进料管、分离器圆柱段、分离器锥形段和分离器灰渣排出管，
所述分离器顶盖、所述分离器圆柱段、所述分离器锥形段以及所述分离器灰渣排出管从上到下依次连接，所述分离器灰渣排出管延伸至所述下部锥形段；
所述分离器切向进料管设置在所述分离器圆柱段的上部侧面；
所述分离器出气管的一端设置在所述分离器圆柱段内，另一端穿过所述分离器顶盖、所述多孔内壳体的无孔顶盖以及所述承压外壳体的顶盖伸出。
7.根据权利要求6所述的旋流悬浮型超临界水氧化反应器，其特征在于，
所述分离器出气管的底端同轴设置丝网过滤器。
8.根据权利要求7所述的旋流悬浮型超临界水氧化反应器，其特征在于，
所述分离器灰渣排出管的底部设置锁气器。
9.根据权利要求8所述的旋流悬浮型超临界水氧化反应器，其特征在于，还包括：
灰渣排出管，设置在所述承压外壳体的下部锥形段的底部中心位置处。
10.根据权利要求9所述的旋流悬浮型超临界水氧化反应器，其特征在于，还包括：
冷却水注入管，设置在所述承压外壳体的下部锥形段的中下部，所述冷却水注入管在所述下部锥形段内部的出口朝下。
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