一種超臨界水氧化小型反應(yīng)系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于環(huán)境保護領(lǐng)域，涉及利用超臨界水作為介質(zhì)，氧氣或者雙氧水作為氧化劑，對高濃度含鹽難生化降解有機廢水/城市污泥/人體廢物等有機物廢物進行無害化處理和資源化回收利用，特別是一種超臨界水氧化小型反應(yīng)系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)有:物化處理技術(shù)、化學(xué)處理技術(shù)以及生物處理技術(shù)。物化法常作為一種預(yù)處理的手段應(yīng)用于污水處理；化學(xué)處理技術(shù)也常常作為生化處理的預(yù)處理方法使用；較為普遍采用的處理方法基本上為生物法，但是難降解有機物的去除、水體的富營養(yǎng)化、高濃度高COD工業(yè)廢水、微污染水源的治理等都是生物處理技術(shù)已面臨的難題。近年來，膜生物反應(yīng)器及反滲透在污水處理中應(yīng)用越來越廣泛。但是由于膜產(chǎn)品成本高、壽命短、易受污染、處理不徹底造成二次污染等原因，致使該技術(shù)在發(fā)展過程中面臨著阻礙及推廣應(yīng)用的難題?？傮w來說，目前污水處理技術(shù)存在的主要問題是:(I)根據(jù)廢水種類和水質(zhì)特征，需要不同類型的處理方法；(2)過程中可回收的經(jīng)濟價值不高，造成了資源和能源的浪費；(3)污水特別是有些難處理有機廢水處理費用很高；(4)處理不徹底，會造成二次污染。因此，需要尋求一種更適合的污水綜合處理系統(tǒng)。
[0003]超臨界水氧化(SCWO)技術(shù)最早是在20世紀(jì)80年代中期由美國學(xué)者Modell提出的一項能完全地、徹底地將有機物結(jié)構(gòu)破壞的深度氧化技術(shù)。美國國家關(guān)鍵技術(shù)所列的六大領(lǐng)域之一“能源與環(huán)境”中指出，最有前途的廢物處理技術(shù)是SCWO法。
[0004]超臨界水(Supercritical Water，簡稱SCW)是指溫度超過374.15°C，壓力超過22.12Mpa的特殊狀態(tài)的水，該條件下水的介電系數(shù)大大降低，氧氣和多種有機物質(zhì)在水體系中形成均一相，消除傳質(zhì)阻力，使本來發(fā)生在液相、固相、氣相之間的多相反應(yīng)轉(zhuǎn)化為在SCW中的均相氧化反應(yīng)，反應(yīng)速率更快，停留時間更短。而且大多不需使用催化劑，氧化效率很高，大部分有機物的去除率可達99%以上。另外，無機組分與鹽類在SCW中溶解度很低，幾乎可以完全沉淀析出，使反應(yīng)過程中鹽的分離變得容易。當(dāng)有機物濃度在2wt%以上時，就可依靠反應(yīng)過程中自身的氧化放熱來維持反應(yīng)所需的溫度，不需要外界供熱，多余的熱能可以回收。由于反應(yīng)在封閉的環(huán)境下進行，符合全封閉處理的要求。反應(yīng)溫度遠低于焚燒，且無二次污染物的產(chǎn)生。
[0005]但是由于超臨界水氧化反應(yīng)的苛刻的條件374.15°C, 22.12Mpa，很多工藝難以保持平穩(wěn)的運行，所以很多工藝中對廢水和氧化劑流體進行預(yù)熱到超臨界條件進入反應(yīng)器，這樣在預(yù)熱階段出現(xiàn)的鹽類沉淀引起的管路堵塞問題和材料腐蝕問題大大制約了該技術(shù)的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有污水處理技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種能夠模擬超臨界水氧化反應(yīng)的苛刻的條件下發(fā)生的物化反應(yīng)，改善實驗環(huán)境的超臨界水氧化小型反應(yīng)系統(tǒng)，以及實現(xiàn)該超臨界水氧化小型反應(yīng)系統(tǒng)的控制方法。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問題是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0008]一種超臨界水氧化小型反應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于:它包括氣體增壓單元、燃料增壓單元、物料增壓單元、脫鹽水供應(yīng)單元、反應(yīng)器單元和氣液分離單元:
[0009]所述反應(yīng)器單元包括反應(yīng)器及分布于反應(yīng)器內(nèi)部的一組溫度傳感器；
[0010]所述氣體增壓單元包括氧氣增壓單元，所述氧氣增壓單元包括通過氣路連接的氣體增壓泵、氧氣儲罐、氧化劑加熱器，所述氧化劑加熱器的出氣口通過氣路連接所述反應(yīng)器的氧氣入口，在所述氣路上設(shè)置控制閥；
[0011]所述燃料增壓單元包括通過燃料通路連接的燃料罐、燃料高壓泵和燃料加熱器，所述燃料加熱器的出口連接所述反應(yīng)器的燃料入口；
[0012]所述物料增壓單元包括通過物料通路連接的物料儲罐、物料高壓泵和物料加熱器，所述物料加熱器的出口連接所述反應(yīng)器的物料入口 ；
[0013]所述脫鹽水供應(yīng)單元包括脫鹽水儲罐，及分別與所述脫鹽水儲罐連接的一組計量泵和一冷卻水高壓泵；所述計量泵的出口通過脫鹽水加熱器連接所述反應(yīng)器的蒸發(fā)壁水入口，所述冷卻水高壓泵的出口連接反應(yīng)器下部的冷卻水入口 ；
[0014]所述氣液分離單元包括液體排出通路及氣液分離器，所述反應(yīng)器底部的液體排出口經(jīng)液體排出通路連接氣液分離器。
[0015]所述氣體增壓單元還包括氮氣增壓單元，所述氮氣增壓單元包括氮氣儲罐，氮氣通過所述氣體增壓泵進入氮氣儲罐，所述氮氣儲罐連接所述氧化劑加熱器。
[0016]所述氣體增壓單元還包括與所述氣體增壓泵連接的空氣增壓單元，為氧氣增壓單元提供壓縮空氣。
[0017]所述的脫鹽水儲罐的脫鹽水出口還通過輸送管路及切換閥連接至所述燃料通路和物料通路。
[0018]所述的反應(yīng)器內(nèi)部的一組溫度傳感器采用縱向多點測量和徑向階梯式測量方式布置。
[0019]所述反應(yīng)器為超臨界水反應(yīng)器，包括筒體、燃燒器、蒸發(fā)壁；所述筒體內(nèi)部同心設(shè)置蒸發(fā)壁，所述蒸發(fā)壁與筒體之間形成沿筒體軸向分布的多級環(huán)狀的封閉的狹隙，每個所述狹隙在筒體上開有蒸發(fā)壁水入口，經(jīng)由所述蒸發(fā)壁水入口通入的液體能夠通過所述蒸發(fā)壁滲入，在蒸發(fā)壁內(nèi)表面形成水膜；所述燃燒器自筒體頂部伸入，所述燃燒器的燃燒嘴位于筒體內(nèi)。
[0020]所述氧化劑加熱器與所述反應(yīng)器之間的氣路上設(shè)置安全閥，所述液體排出通路上設(shè)置壓力傳感器及背壓閥。
[0021]一種對如權(quán)利要求1-7所述的新型超臨界水氧化小型反應(yīng)系統(tǒng)進行控制的新型超臨界水氧化小型反應(yīng)系統(tǒng)控制方法，其步驟包括:
[0022]⑴、通過氣路通入氧氣，同時啟動連通所述氣路的氣體增壓泵及脫鹽水供應(yīng)單元的一組計量泵；控制反應(yīng)器液體排出通路上背壓閥的開度，將系統(tǒng)壓力逐步增到預(yù)設(shè)壓力；
[0023]⑵、將燃料通路和物料通路通過換閥切換為脫鹽水，啟動燃料高壓泵和物料高壓泵，設(shè)定燃料加熱器、物料加熱器、氧化劑加熱器和脫鹽水加熱器的溫度；
[0024]⑶、待系統(tǒng)壓力、溫度穩(wěn)定后，通過切換閥將所述燃料通路切換為燃料，將所述物料通路切換為物料，并停止物料加熱器加熱。
[0025]所述步驟⑴中，首先將氮氣通入所述氣路中對系統(tǒng)進行吹掃，主要吹掃部分包括氧氣儲罐、氧化劑加熱器、超臨界水反應(yīng)器和氣液分離器。
[0026]所述步驟⑵中，將所述燃料加熱器的溫度設(shè)定為450°C，所述物料加熱器的溫度設(shè)定為300°C，所述氧化劑加熱器的溫度設(shè)定為450°C，所述脫鹽水加熱器的溫度設(shè)定為200 ?300。。。
[0027]還包括停機步驟:反應(yīng)完成后，關(guān)閉所述氧化劑加熱器、燃料加熱器及脫鹽水加熱器，將氣體回路切換為氮氣；同時將所述燃料通路和物料通路通過切換閥切換為脫鹽水，檢測反應(yīng)器中心溫度和反應(yīng)器出口溫度；當(dāng)溫度均降至常溫后，關(guān)閉氣體總閥，氣體增壓泵、燃料高壓泵、物料高壓泵、脫鹽水高壓泵，系統(tǒng)整體停機。
[0028]還包括系統(tǒng)壓力控制，反應(yīng)器底部流體溫度在設(shè)定溫度范圍時的壓力控制為:反應(yīng)器的壓力通過反應(yīng)器背壓閥和壓力傳感器對壓力進行雙重監(jiān)控，當(dāng)采集系統(tǒng)連續(xù)三次采集到壓力傳感器的壓力高于設(shè)定值時，增大反應(yīng)器背壓閥的