一種超臨界水氧化有機物的射流燃燒裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種超臨界水氧化有機物的射流燃燒裝置，包括同軸套裝在一起的內筒和外筒；在反應器內筒的頂部與其同軸安裝有一個延伸到其內部的同軸射流燃燒器，所述的同軸射流燃燒器為三層同軸套管結構，位于最內層的是一個輔助熱源進入通道，中間層為氧化劑進入環(huán)形通道，最外層為廢液進入環(huán)形通道；且在所述的反應器內形成工藝水夾套區(qū)、超臨界水氧化區(qū)、可溶解無機鹽的亞臨界水區(qū)。
【專利說明】
一種超臨界水氧化有機物的射流燃燒裝置
技術領域
[0001]本實用新型屬于環(huán)境保護及化工領域，涉及利用超臨界水氧化實現(xiàn)有機廢物無害化處理的反應器，特別涉及了一種超臨界水氧化有機物的射流燃燒裝置?！颈尘凹夹g】
[0002]超臨界水氧化(Supercritical Water Oxidat1n，簡稱SCW0)技術是以超臨界水為介質進行有機物氧化的過程。水在達到臨界點即溫度374°C，壓力22.05MPa以上時，便達到超臨界狀態(tài)，處在超臨界狀態(tài)的水有著與常態(tài)水不同的物理、化學性質。超臨界水具有類似液體的密度、溶解能力和良好的流動性，同時又具有類似氣體的擴散系數(shù)和低黏度。在超臨界水中氣液兩相的相界面消失，形成均一相體系，反應速度大大加快。有機物及氧氣等氣體在超臨界水中完全混溶，在短時間內，便可以使有機物發(fā)生氧化反應，幾乎完全轉變?yōu)?N2、H20和C02等對環(huán)境無害的物質。常溫常壓下溶于水的無機鹽在超臨界水中溶解度極小， 因此雜原子如磷、硫等轉變?yōu)榱姿猁}和硫酸鹽等無機鹽后沉淀析出。
[0003]雖然超臨界水氧化技術已經(jīng)取得了很大的進展，但目前仍存在一些問題，如有機廢物的預熱結焦、反應器的腐蝕和堵塞，這些問題在一定程度上阻礙了超臨界水氧化技術的工業(yè)化進程。
[0004]有機廢物進入超臨界水氧化反應器之前，需要被預熱到一定溫度(300?450°C)， 以確保氧化反應能夠順利進行。因此物料在預熱過程中，會發(fā)生初步的熱解及氧化。對于一些含有黏度大、易熱分解的有機廢物，物料在經(jīng)過換熱器或電加熱器等加熱元件時，有機物極易發(fā)生熱解，生成焦炭及焦油等。物料在預熱階段熱解結焦，必然大大降低換熱器及電加熱器的換熱效率。此外，實際廢液中一般會含有無機鹽，無機鹽也會在預熱段發(fā)生鹽沉積現(xiàn)象。因此在物料流速較低或管徑較小的情況下，極易造成管路的堵塞，導致系統(tǒng)運行中斷。 這個問題也是超臨界水氧化技術普遍存在的問題。因此，需要尋求一種新型的物料預熱方式，以解決物料在預熱段出現(xiàn)的堵塞問題。
[0005]腐蝕問題是SCW0技術一直未能根本解決的主要問題。在SCW0環(huán)境中，高濃度溶解氧、高溫高壓條件、反應中產(chǎn)生的活性自由基以及某些種類的無機離子等都對反應器有加速腐蝕的作用。尤其是有機物中含有鹵素、硫或磷，在超臨界水氧化過程中會產(chǎn)生酸，更容易造成反應器的腐蝕。國內外相關研究機構對耐蝕合金的實驗表明，不銹鋼、鎳基合金、鈦等高級耐蝕材料在SCW0系統(tǒng)中均要遭受不同程度的腐蝕。
[0006]無機鹽的沉積以及所帶來的堵塞問題是SCW0技術發(fā)展的另一瓶頸。由于超臨界條件下無機物的溶解度很小，氧化過程中產(chǎn)生鹽的沉淀會引起反應器或管路的堵塞，使熱傳遞效率急劇下降，甚至會發(fā)生事故?！緦嵱眯滦蛢热荨?br>[0007]本實用新型從優(yōu)化反應器結構出發(fā)，提供一種超臨界水氧化有機物的射流燃燒方式，設計一種內預熱式超臨界水氧化水膜反應器，將有機廢物的預熱從反應器外轉移到反應器內，實現(xiàn)有機廢物以常溫注入反應器，以解決有機廢物在預熱段的問題，同時解決傳統(tǒng)超臨界水氧化技術所存在的反應器易腐蝕、易堵塞的問題。
[0008]本實用新型的目的是通過以下方式實現(xiàn)的:
[0009]一種超臨界水氧化有機物的射流燃燒裝置，包括同軸套裝在一起的內筒和外筒； 在反應器內筒的頂部與其同軸安裝有一個延伸到其內部的同軸射流燃燒器，所述的同軸射流燃燒器為三層同軸套管結構，位于最內層的是一個輔助熱源進入通道，中間層為氧化劑進入環(huán)形通道，最外層為廢液進入環(huán)形通道;所述的反應器內筒和反應器外筒形成的環(huán)形通道沿著軸線方向從上到下分成了多個工藝水夾套區(qū)；在所述的反應器內形成工藝水夾套區(qū)、超臨界水氧化區(qū)、可溶解無機鹽的亞臨界水區(qū)。
[0010]進一步的，所述的多個工藝水夾套區(qū)是通過在反應器內筒和反應器外筒形成的環(huán)形通道內設置多層隔離環(huán)形成的。[〇〇11] 進一步的，所述的反應器內筒壁為多孔壁結構，工藝水通過多孔壁在反應器內壁形成一層亞臨界溫度的保護水膜。
[0012]進一步的，在所述的內筒內設有一根超臨界水氧化產(chǎn)物出口管，其直接深入內筒底部且延伸到內筒外。
[0013]進一步的，在靠近反應器中心線位置設有一根承壓的多點測溫封套，測溫封套內通過多根耐高溫熱電偶或光纖測溫裝置連接多個溫度傳感器，測溫裝置與反應器外的數(shù)據(jù)分析和控制系統(tǒng)相連接，可以監(jiān)測反應器內溫度場分布，出口管路以及測溫封套直接焊于下法蘭蓋上。
[0014]進一步的，在所述的內筒和外筒的頂部和底部各設一個法蘭盤，外筒與法蘭盤之間通過連接件連接。反應器內筒的密封、夾套區(qū)隔離環(huán)的密封主要依靠法蘭螺栓的緊固力以及墊圈的密封。
[0015]進一步的，所述的中心通道內為輔助熱源，中間環(huán)形通道為氧化劑，在輔助熱源出口氧化劑與輔助熱源開始接觸混合，因此輔助熱源出口下方為輔助熱源和氧化劑的混合室。外層環(huán)形通道為常溫的有機廢液，有機廢液出口在反應器內部頂端(即上法蘭盤的下端面)下方至少200_以下，輔助熱源燃燒后的高溫產(chǎn)物通過中心射流返混來對常溫有機廢液進行預熱。
[0016]進一步的，利用所述的射流燃燒裝置對高濃度的有機度廢液的處理方法:
[0017]輔助熱源采用純水，將純水預熱到設定的溫度;常溫的氧化劑和有機廢物分別進入反應器，直接對有機廢物進行預熱，有機廢液和氧化劑在反應器上部進行超臨界水氧化降解反應；
[0018]同時，不同溫度的工藝水進入多個工藝水夾套區(qū)且通過多孔壁進入反應器內筒的內部，在反應器內筒的內壁上形成一層亞臨界保護水膜;亞臨界態(tài)的工藝水不斷沖刷著內筒壁，一方面溶解了反應過程中生成的無機鹽;另一方面阻止腐蝕性物質與壁面的接觸；
[0019]溶解有無機鹽的工藝水和反應產(chǎn)物從反應器底部的出口管排出。
[0020]進一步的，利用所述的射流燃燒裝置對低濃度的有機度廢液的處理方法:
[0021]輔助熱源采用有機物，將輔助燃料預熱到設定溫度，常溫的氧化劑和有機廢物分別進入反應器;輔助熱源和氧化劑燃燒后的高溫產(chǎn)物通過中心射流返混來對常溫有機廢物進行預熱，有機廢液在反應器上部進行超臨界水氧化降解反應；
[0022]同時，不同溫度的工藝水進入多個工藝水夾套區(qū)且通過多孔壁進入反應器內筒的內部，在反應器內筒的內壁上形成一層亞臨界保護水膜;亞臨界態(tài)的工藝水不斷沖刷著內筒壁，一方面溶解了反應過程中生成的無機鹽;另一方面阻止腐蝕性物質與壁面的接觸；
[0023]溶解有無機鹽的工藝水和反應產(chǎn)物從反應器底部的出口管排出。
[0024]進一步的，上述方法中:采用多點測溫系統(tǒng)實現(xiàn)反應器內溫度場的實時測量。
[0025]進一步的，上述方法中:所述的工藝水夾套分區(qū)內的工藝水流量和溫度根據(jù)反應需要以及反應器保護的需要進行調節(jié)。[〇〇26]本實用新型的有益效果如下:
[0027]本實用新型采用了一個同軸射流燃燒器以實現(xiàn)超臨界水氧化有機物的射流燃燒。 超臨界水氧化有機物的射流燃燒方式是一種新的燃燒方式，輔助燃料(甲醇、乙醇等)預熱到反應溫度和常溫的氧化劑分別從反應器中心通道和中間環(huán)形通道注入反應器，并快速進行氧化反應從而產(chǎn)生高溫熱液火焰。熱液火焰(700?1200°C)將從外層環(huán)形通道注入的低溫(甚至不需預熱)有機廢液預熱到超臨界水氧化反應溫度，有機廢液在反應器中上部進行超臨界水氧化降解反應。相比于一般地超臨界水氧化而言，熱液火焰擁有更高的溫度，更快的反應速率，進而需要的反應停留時間及反應器容積可大大縮小。因此該種反應器通過輔助熱源的射流卷吸來實現(xiàn)有機廢液的預熱和著火，實現(xiàn)有機廢液不經(jīng)預熱直接常溫進入反應器，有效解決了有機廢液在預熱段的結焦、堵塞問題。
[0028]有機廢液、輔助熱源和氧化劑以同軸套管結構分別進入反應器，在反應器中心線位置設置套管結構可以減少外筒蓋的開口數(shù)量，降低了反應器結構設計和制作的難度、提高了裝置的安全性。此外，為使反應物混合均勻、反應徹底、反應物分布均勻，可以根據(jù)實際情況在中心套管底部增設噴嘴裝置。[〇〇29]同軸射流燃燒器出口在反應器內部頂端(即上法蘭盤的下端面)下方至少200mm以下，使熱液火焰遠離上端蓋壁面，保證其在設計最高承受溫度之內。
[0030]工藝水夾套內充滿了與反應器內筒內部壓力相當?shù)源笥诜磻鲀葔毫Φ膩喤R界狀態(tài)22.5?25Mpa、20?350°C的除氧除鹽工藝水。于是，外筒壁腐蝕發(fā)生的機率很小，夕卜筒壁材質的選擇只要滿足高壓和中溫的要求即可。同時內筒壁所承受的壓力很小，水膜層的保護使內筒壁面避免了腐蝕的發(fā)生，擴大了材質的選擇空間。與傳統(tǒng)的超臨水氧化反應器的筒壁須同時滿足高壓(多23MPa)、高溫(多550°C)和耐腐蝕等要求相比，上述反應器的設計和制作最大程度降低了內、外筒壁材質選擇的難度，選用一般的不銹鋼鋼管則可完全滿足要求，易于實現(xiàn)工業(yè)化放大。[〇〇31]將工藝水夾套區(qū)用隔離環(huán)分為多個區(qū)(三層及以上)，通過分區(qū)調節(jié)供水，可以分別控制不同區(qū)域的供水量和水溫，滿足不同區(qū)域反應的需要以及對反應器保護的需要。
[0032]反應器內筒壁可采用多孔材料，如:多孔陶瓷或燒結金屬等。使經(jīng)過除氧除鹽等特殊處理的無氧、無腐蝕性的亞臨界態(tài)的工藝水在反應器內壁形成一層保護水膜。亞臨界態(tài)的工藝水不斷沖刷著內筒壁，一方面溶解了反應過程中生成的無機鹽，防止結垢，另一方面阻止無機酸等腐蝕性物質與壁面的接觸，防止反應器的腐蝕。溶解有無機鹽的工藝水最后流入反應器內筒底部從而形成了亞臨界水溶鹽區(qū)?！靖綀D說明】
[0033]圖1為本實用新型反應器結構剖面示意圖。[〇〇34]圖2為多點在線測溫封套示意圖。[〇〇35]圖3為同軸燃燒器的放大圖。
[0036]圖中:1為輔助熱源進口管，2為氧氣進口管，3為有機廢液進口管，4為反應器上法蘭端蓋，5為反應器外筒，6為同軸燃燒器，6-1中心管，6-2內層管，6-3外層管，7為上支路工藝水進口管，8和11為隔離環(huán)，9為反應器內筒，10為中支路工藝水進口管，12為下支路工藝水進口管，13反應器下法蘭端蓋，14為產(chǎn)物出□管，15為多點測溫封套?！揪唧w實施方式】
[0037]下面結合各附圖給出本實用新型的一個【具體實施方式】。
[0038]圖1中的超臨界水氧化有機物的射流燃燒裝置，由反應器外筒5、反應器內筒9、上法蘭端蓋4、下法蘭端蓋13、同軸射流燃燒器6、多點測溫封套15組成，反應器外筒5和上、下法蘭端蓋4、13通過螺栓緊固，拆裝方便。同軸射流燃燒器6焊接于上法蘭端蓋4中心線處。 [〇〇39]該同軸射流燃燒器6為三層的同軸套管結構，包括中心管6-1，內層管6-2,外層管 6-3;由中心管6-1形成中心通道，中心通道內為輔助熱源；由中心管6-1和內層管6-2形成中間環(huán)形通道，中間環(huán)形通道為氧氣通道；由內層管6-2和外層管6-3形成外層環(huán)形通道，外層環(huán)形通道為常溫的有機廢液通道。
[0040]輔助熱源進口管1、氧氣進口管2和有機廢液進口管3分別焊接于同軸燃燒器上部。 反應器外筒5為承壓壁，反應器內筒9為多孔壁，內外筒壁之間的環(huán)形區(qū)域即為工藝水夾套區(qū)，在工藝水夾套區(qū)內設置了多層隔離環(huán)8和11將工藝水夾套區(qū)分為三層或三層以上區(qū)域， 不同支路的工藝水分別通過上支路工藝水進口管7、中支路工藝水進口管10、下支路工藝水進口管12進入工藝水夾套區(qū)，經(jīng)過多孔壁在反應器內筒壁面形成一層亞臨界溫度的保護水膜。反應器內筒的密封、夾套區(qū)隔離環(huán)的密封主要依靠法蘭螺栓的緊固力以及墊圈的密封。
[0041]產(chǎn)物出口管14與內筒底部直接相連，在靠近反應器中心線位置設有一根承壓的多點測溫封套15,出口管路14以及測溫封套15直接焊于下法蘭蓋13上。
[0042]圖2中的測溫封套15內裝有多根耐高溫熱電偶或光纖測溫裝置，可以同時監(jiān)測熱液火焰溫度、內筒近壁面不同軸向溫度以及反應器內筒不同徑向的溫度。測溫裝置與反應器外的數(shù)據(jù)分析和控制系統(tǒng)相連接，可以監(jiān)測反應器內溫度場分布，從而進行超臨水氧化水膜反應器內熱液火焰的著火和滅火特性、水膜形成特性等的深入研究。
[0043]同軸燃燒器中心輔助熱源的流速是中間環(huán)隙的氧化劑和外層環(huán)隙的廢液流速的至少10倍。由于輔助熱源的射流卷吸作用，氧化劑和廢液會卷入輔助熱源的射流核心。該種反應器通過輔助熱源的射流卷吸來實現(xiàn)有機廢液的預熱和著火，同時將整個超臨界水氧化系統(tǒng)最惡劣的環(huán)境集中在反應器內筒內，并通過水膜對整個反應器進行保護，不僅能有效緩解系統(tǒng)的腐蝕和鹽沉積問題，同時有效解決了物料在預熱段的堵塞問題。該反應器的結構不但滿足了反應的需要，而且保證了安裝拆卸的方便。通過懸吊反應器外筒法蘭端蓋便可一步實現(xiàn)反應器上下蓋和內外筒的分離，便于檢測、維修、更換各內部件以及各部分的清洗。同時，本實用新型涉及的反應器結構設計易于實現(xiàn)工業(yè)化放大。[〇〇44]上述的反應器，反應器內筒內同時存在熱液火焰區(qū)(700?1200°C)、亞臨界水膜區(qū) (<370°C)、超臨界水氧化區(qū)(400?650°C)和無機鹽溶鹽區(qū)(300?370°C)。
[0045]上述的反應器，輔助熱源可以采用多種方式，當用于處理高濃的有機度廢液時，輔助熱源可以為純水，將純水預熱到足夠高的溫度(500?600°C)，才能實現(xiàn)有機廢液達到反應溫度；當用于處理低濃度廢液時，輔助熱源可以采用低分子量、高熱值的有機物(CH40、 C2H60、C3H80等，這類有機物不易熱解結焦)輔助燃料預熱到350?450°C，進行熱液火焰反應并釋放大量的熱量，將未經(jīng)預熱的有機廢液預熱到反應溫度進而對其進行降解。同時因為有水膜對反應器的保護及常溫有機廢液對熱液火焰的冷卻，避免了反應器內的局部高溫。
[0046]上述的反應器，在反應器下法蘭中心線位置焊接了一根承壓的多點(至少6點)測溫封套，測溫封套內通過多根耐高溫熱電偶或光纖測溫裝置連接多個溫度傳感器，測溫裝置與反應器外的數(shù)據(jù)分析和控制系統(tǒng)相連接，用于測試反應器內不同軸向和徑向的溫度變化，其結構示意圖如圖2所示。
[0047]反應器內筒壁可采用多孔材料，如:多孔陶瓷或燒結金屬等。使經(jīng)過除氧除鹽等特殊處理的無氧、無腐蝕性的亞臨界態(tài)的工藝水在反應器內壁形成一層保護水膜。亞臨界態(tài)的工藝水不斷沖刷著內筒壁，一方面溶解了反應過程中生成的無機鹽，防止結垢，另一方面阻止無機酸等腐蝕性物質與壁面的接觸，防止反應器的腐蝕。溶解有無機鹽的工藝水最后流入反應器內筒底部從而形成了亞臨界水溶鹽區(qū)。[〇〇48]工藝水夾套內充滿了與反應器內筒內部壓力相當?shù)源笥诜磻鲀葔毫Φ膩喤R界狀態(tài)22.5?25Mpa、20?350°C的除氧除鹽工藝水。于是，外筒壁腐蝕發(fā)生的機率很小，夕卜筒壁材質的選擇只要滿足高壓和中溫的要求即可。同時內筒壁所承受的壓力很小，水膜層的保護使內筒壁面避免了腐蝕的發(fā)生，擴大了材質的選擇空間。與傳統(tǒng)的超臨水氧化反應器的筒壁須同時滿足高壓(多23MPa)、高溫(多550°C)和耐腐蝕等要求相比，上述反應器的設計和制作最大程度降低了內、外筒壁材質選擇的難度，選用一般的不銹鋼鋼管則可完全滿足要求，易于實現(xiàn)工業(yè)化放大。
[0049]本實用新型的具體工作過程是:
[0050]預熱到一定溫度的輔助熱源(可以是純水或甲醇等燃料)、常溫的氧化劑(可以是氧化或者雙氧水等其他氧化劑)和有機廢液分別經(jīng)過進口管1、2和3進入反應器內，輔助熱源燃燒后的高溫產(chǎn)物通過中心射流返混來對常溫有機廢物進行預熱，有機廢液在反應器上部進行超臨界水氧化降解反應。同時，不同溫度的工藝水經(jīng)進口管7、10和12流入工藝水夾套區(qū)內，通過反應器內筒9進入反應器內部，在反應器內筒壁面上形成一層亞臨界保護水膜。工藝水夾套分區(qū)內的工藝水流量和溫度可以根據(jù)反應需要以及反應器保護的需要進行調節(jié)。上層工藝水溫度可以為300?370°C;中層工藝水溫度可以為200?370°C;下層工藝水溫度可以為200°C以下甚至為常溫。溶解有無機鹽的亞臨界溫度工藝水(<350°C)和反應產(chǎn)物從底部的出口管14排出。同時采用多點測溫系統(tǒng)15以實現(xiàn)反應器內溫度場的實時測量， 更為方便、精確、及時地觀察和控制超臨界水氧化過程的進行。
[0051]上述雖然結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本實用新型的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內。
【主權項】
1.一種超臨界水氧化有機物的射流燃燒裝置，其特征在于:包括同軸套裝在一起的內 筒和外筒;在反應器內筒的頂部與其同軸安裝有一個延伸到其內部的同軸射流燃燒器，所 述的同軸射流燃燒器為三層同軸套管結構，位于最內層的是一個輔助熱源進入通道，中間 層為氧化劑進入環(huán)形通道，最外層為廢液進入環(huán)形通道;且所述的反應器內筒和反應器外 筒形成的環(huán)形通道沿著軸線方向從上到下分成了多個工藝水夾套區(qū)。2.如權利要求1所述的超臨界水氧化有機物的射流燃燒裝置，其特征在于:所述的多個 工藝水夾套區(qū)是通過在反應器內筒和反應器外筒形成的環(huán)形通道內設置多層隔離環(huán)形成 的。3.如權利要求1所述的超臨界水氧化有機物的射流燃燒裝置，其特征在于:所述的反應 器內筒壁為多孔壁結構，工藝水通過多孔壁在反應器內壁形成一層亞臨界溫度的保護水膜。4.如權利要求1所述的超臨界水氧化有機物的射流燃燒裝置，其特征在于:在靠近所述 的內筒中心線位置設有一根承壓的多點測溫封套，測溫封套內通過多根耐高溫熱電偶或光 纖測溫裝置連接多個溫度傳感器，測溫裝置與反應器外的數(shù)據(jù)分析和控制系統(tǒng)相連接，監(jiān) 測反應器內溫度場分布。5.如權利要求1所述的超臨界水氧化有機物的射流燃燒裝置，其特征在于:在所述的內 筒內設有一根超臨界水氧化產(chǎn)物出口管，其直接深入內筒底部且延伸到內筒外。6.如權利要求1所述的超臨界水氧化有機物的射流燃燒裝置，其特征在于:所述的廢液 出口位于反應器內頂端下方至少200_以下。
【文檔編號】F23G7/04GK205606593SQ201620448558
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月17日
【發(fā)明人】陳守燕, 馬春元, 張鳳鳴, 陳桂芳
【申請人】山東大學