超臨界水氧化法流動式汙水處理及供能的方法及裝置的製作方法
2023-04-27 15:55:16
專利名稱：超臨界水氧化法流動式汙水處理及供能的方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種超臨界水氧化反應處理汙水方法，特別是一種將汙水處理和供能、節能合為一體的環保和能源技術相結合的方法和裝置。將各種汙水作為水源，把經過超臨界水氧化法流動式反應器快速和高效處理後得到的高焓值的高溫高壓潔淨水轉變為各種參數的蒸汽，滿足工業的各種需求或向用戶供暖和提供衛生熱水；也可和蒸汽吸收式溴化鋰制冷機中央空調系統直接對接實現製冷；也可將其處理後的含高能的高溫高壓潔淨水直接預熱汙水而大幅降低汙水處理能耗，實現低成本、大批量的汙水處理。
超臨界水氧化法汙水處理技術是近年來受到高度關注的一種處理有機汙物和汙水的極具優勢的技術，具有反應速度快，反應完全和無二次汙染等特點。其理論根據是水在溫度T＞373.95℃，壓力P＞22.064Mpa的條件下成為非凝縮性高密度流體，即超臨界水，具有常態時水所沒有的一些性質，主要為1)在超臨界狀態下，水的密度從接近於液體的狀態到接近於氣體的狀態這個廣泛的範圍內連續變化。因此，以這樣的流體作溶劑時，很容易控制它的溶劑特性。如與密度和溶解特性有關的重要因子介電常數的值，在通常的條件下大約為80，而溫度在500℃的超臨界狀態下，其介電常數急劇下降到2左右。這樣，超臨界水就顯示出了非極性物質的性質，成為對非極性有機物質具有良好溶解能力的溶劑。相反，它對於無機物質的溶解度則急劇下降，導致原來溶解在水中的無機物由水中析出。2)氧氣等氣體在通常狀態下在水中的溶解度較低，但在超臨界水中氧氣、氮氣等氣體的溶解度空前提高，以至於可以任意比例與超臨界水互溶，而成為單一相。3)在超臨界水中氣液相界面消失，傳輸性能得到極大改善，具有低粘性和高擴散性，表面張力為零，向固體內部的細孔中的浸透能力非常強。4)在臨界點附近，其物理化學性質(如密度、介電常數、比熱容等)對溫度和壓力的變化十分敏感，即在不改變化學組成的條件下，可以用壓力調節其性質。5)超臨界水具有較高的熱導率，因此具有良好的導熱性能，有很高的傳熱速度，同時因其具有較高的定壓比熱容(Cp在臨界點附近趨近於無窮大)，是一種極好的熱載體和熱緩衝介質。
有效地利用以上的特異性質，就可以進行超臨界水中的氧化反應，這就是「超臨界水氧化法」(Supercritical Water Oxidation)。超臨界水氧化法實際上是在超臨界水狀態下對原來懸浮或溶解在水中的有機物質進行氧化並加以去除的一種方法，它可以充分地引入氧參加反應(氧可以以任意比例溶入超臨界水)，而且介質流體超臨界水有極強的傳輸能力，不存在氣液相界面之間的物質移動等問題(在超臨界狀態下，液相與氣相之間的界面消失)，因此，提供了氧化反應的理想反應環境。最終生成物主要是二氧化碳和水。超臨界水氧化法處理汙水具有現有的其它汙水處理技術所無法比擬的優點，主要體現是有害物質的清除率幾乎達到100％、降解時間以秒計(取決於有機物的種類、溫度和壓力)、幾乎對所有有害物質均可處理，鹽類和無機物因在超臨界水中溶解度的急劇降低，使得將其從水中的分離變得較為容易，可以實現熱量自給等。然而，因屬於高溫高壓技術，設備投資可能較高，且操作需要長期在高溫、高壓、高氧濃度，汙水含Cl-離子等苛刻條件下進行，如何防止設備的腐蝕成為主要問題。當前，國際上投入了越來越多的人力和物力致力於超臨界水氧化法技術的發展，許多的科學研究和工程技術側重於各種各樣設計方式的超臨界反應器的開發，以設法解決高溫高壓下設備材質的腐蝕問題，同時也有許多針對一些難降解、劇毒、爆炸性的特殊有機汙料開發的超臨界水氧化降解工藝，但是在最基本的超臨界水氧化法(SCWO)汙水處理工藝流程中，幾乎所有的現有技術均將反應實現熱量自給，作為節能降耗的必備措施，這仿佛成為了一種不加思索、必須遵守的原則，鑑於此，必須要添加大量的輔助燃料，或對低濃度汙水進行濃縮，根據各種有機物熱值的不同，汙水中有機物的含量至少要達到2％--5％以上，才能使反應實現熱量自給，這相當於有機汙水的COD值等於80000mg/L-200000mg/L以上，需要耗費大量的氧，處理一噸這樣汙水的耗氧量至少為80-200公斤，實際上大部分有機汙水COD值分布在每升幾百～幾萬毫克之間，如市政汙水多在1000mg/L以下，而嚴重汙染環境的造紙廠高濃度有機汙水也僅在50000mg/L左右，用這樣的技術思想處理絕大部分種類的汙水，添加輔助燃料成為不爭的事實。這不僅會增加汙水的處理成本，同時也帶來了其它一系列問題，如加精煤粉，會將至少2％-7％的灰份帶入反應體系，增大超臨界反應器或管道堵塞的機率；添加油、醇等輔助燃料，會使處理成本提高。而且，輔助燃料的增加會增大反應中間產物的複雜性，如反應過程中生成的大量強氧化性自由基會加大對設備材質的腐蝕。同時，伴隨而來的高耗氧量，無疑增大了投資成本和運行成本如果用空氣作為氧源，將需要昂貴的大排氣量空氣壓縮機(用空氣作氧源，折算氧量必須過量100％)，而且空氣中高達70％以上的氮氣，不僅會阻礙超臨界水中氧化反應的正常進行，而且會消耗一部分能量；用液氧將需要投資昂貴的空分設備或昂貴的具有良好保溫設施的液氧儲槽、液氧泵、汽化器等一系列設備；使用過氧化氫或硝酸不僅會大大提升成本，也會加大對設備材質的腐蝕；使用純氧，會要求儲氧罐具有較大體積，作為大體積的高壓壓力容器，其製造成本是較高的(工作壓力必須大於22.064MPa)。更為嚴重的是在高溫高壓的環境條件下，過高的氧濃度將加大設備氧腐蝕的嚴重程度。這也是為什麼當前報導的有關這方面的種種技術方案由於採用了上述技術思想，造成投資或運行成本較高而沒有真正獲取市場的原因之一。國際上雖已建成幾個小規模的中試廠，但近來報導最多的仍然是對特種有機物的超臨界水氧化處理，特別是針對服務於軍方的有關過期炸藥、化學武器的銷毀等要求處理量不大、不特別計較成本的用向。大多數從事這方面工作的科技人員，也認同使用超臨界水氧化法的最佳有機物處理濃度為2～20wt％，即僅適合於較高濃度的有機汙水處理。
本發明的目的是提出一種技術方法，以及實現這種技術方法的一套裝置。使用了超臨界水氧化法這一高效、快速的汙水處理方法，充分利用了汙水在超臨界狀態下發生氧化反應，有機汙染物得以徹底降解而汙水中所含無機物因溶解度急劇降低得以析出而被分離的同時，水具有超臨界參數，成為一種含高能潔淨水，將超臨界反應器視為了一種以汙水為水源的流動式超臨界參數鍋爐，汙水以一定流量，氧也以一定流量同時進入超臨界反應器，在外部熱源或反應放熱的作用下或兩者共同作用下，得以在短時間內反應完畢後成為超臨界流體潔淨水流出、供能。
本發明的目的是通過如下技術方案來實現的本發明超臨界水氧化法流動式汙水處理及供能的方法，汙水經處理與純淨水、氧氣送入超臨界水反應器進行超臨界氧化反應，有機汙染物得以降解而汙水中所含無機物因溶解度急劇降低得以析出而被分離的同時，成為一種含高能潔淨水，其特徵在於汙水經計量、加壓、加熱後與純淨水、氧氣送入超臨界水反應器；經處理後的高溫高壓潔淨水通過蒸汽膨脹器和孔板聯合減壓的裝置進行減壓，減壓後的高焓值水進入蒸汽膨脹器，再次排鹽、減壓，與用熱設備對接。
本發明的超臨界水氧化法流動式汙水處理及供能的方法，是汙水預處理器是一個汙水預處理池，並加入生石灰，使汙水的PH值保持在8左右，使大部分的重碳酸鹽沉積，相對降低汙水硬度；經預處理的汙水，由一普通汙水泵送至汙水計量槽，按不同濃度分裝，可用閥門調節，機組啟動時送出去濃度在一定範圍內保持相對穩定的汙水。汙水計量槽調節後的汙水經高壓汙水泵加壓至超臨界壓力以上後，流入一低溫熱交換器進行熱交換，低溫熱交換器收集超臨界反應器排汙閃蒸廢熱蒸汽加溫汙水，加溫的汙水進入第一級加熱器，將汙水加熱到超臨界點溫度373.95℃以下20℃左右的溫度，送入超臨界水反應器進行第二級加熱。加熱器連接超臨界反應器，將超臨界反應器出來的含高能高溫高壓潔淨水在其中對汙水進行逆流加熱，加熱器的潔淨水和汙水換熱後，其出口溫度可控制在55℃左右，經減壓後直接進入熱水蓄池，給用戶提供衛生熱水。
本發明的超臨界水氧化法流動式汙水處理及供能的方法，是經超臨界反應器處理後的高溫高壓潔淨水，通過設置的一種蒸汽膨脹器和孔板聯合減壓的裝置進行減壓，經孔板減壓後的高焓值水進入蒸汽膨脹器，再次排鹽、減壓，輸入吸收式空調機後，連接空調用戶。經超臨界反應器處理後的高溫高壓潔淨水，通過設置的一種蒸汽膨脹器和孔板聯合減壓的裝置進行減壓，經孔板減壓後的高焓值水進入蒸汽膨脹器，再次排鹽、減壓，輸入蒸氣用戶。
本發明的超臨界水氧化法流動式汙水處理及供能的方法中送入超臨界水反應器的氧氣直接通過閥門放進主體為一厚壁鋼管制成的液壓加氧裝置，關閉氣閥，打開高壓水閥，高壓水進入容器後將逐漸壓縮氧氣至所需超臨界工作壓力，供反應使用。液壓加氧裝置為間斷進氧操作，設置了2套交替運行，經第一級加熱器加溫至360℃左右的汙水和經液壓加氧裝置加壓後的適量氧，分別經不同管路進入超臨界反應器的上端的汙水入口和氧入口，經超臨界反應器內一特別設計的噴嘴進行充分霧化混合後，由中溫熱管二級加溫裝置，將汙水和氧的混合物提溫至大於374℃的超臨界溫度，實現汙水中有機物和氧的均相反應，將有機物迅速氧化成二氧化碳和水，同時水中的無機鹽析出開始重力沉降，在超臨界反應器內部設有一溫度低於374℃亞臨界氧分離區和排汙及潔淨水出口區。
本發明的超臨界水氧化法流動式汙水處理及供能的方法，於超臨界反應器中設立超臨界反應區和次臨界氧逸出區，並在反應器的氧進入口設置氧氣增壓噴射泵，逸出的高溫高壓氧將因為氧氣增壓噴射泵形成的負壓而被吸入反應器，同時和新增氧氣進行熱交換，提升氧氣的總體溫度。
本發明的超臨界水氧化法流動式汙水處理及供能裝置，包括高壓泵、液壓加氧器、汙水預處理器、超臨界水反應器、排汙裝置等，其特徵在於汙水預處理器通過水泵及調節閥門連接到汙水計量槽；汙水計量槽通過高壓水泵連接一低溫熱交換器後輸入至超臨界水反應器的汙水入口，超臨界水反應器的另兩個入口分別連接液壓加氧器和脫鹽水；超臨界水反應器輸出分兩路，一路通過蒸氣膨脹器和孔板減壓裝置連接到用熱設備，另一路連接排汙閃蒸發器。
本發明的超臨界水氧化法流動式汙水處理及供能裝置，汙水計量槽分兩路並聯，一路是濃汙水計量槽，另一路為稀汙水計量槽，汙水計量槽通過高壓泵連接到超臨界水換熱器的汙水入口端，其汙水出口端與第一加熱器輸入端連接。
第一加熱器可採用換熱工質加熱器或套管加熱器或蓄熱式超臨界水加熱器，第一加熱器的輸出端連接超臨界反應器的汙水入口端。蒸氣膨脹器和孔板減壓裝置輸出分別連接到蒸氣用戶和吸收式空調機，通過低溫蓄能池連接到空調用戶。吸收式空調機連接熱水池輸出到熱水用戶，還連接到低溫熱交換器輸入端，低溫熱交換器另一輸入端與排汙閃蒸發器排汙餘回收端連接；排汙閃蒸發器底端設置有濃渣出口。
本發明的超臨界水氧化法流動式汙水處理及供能裝置中的液壓加氧裝置主體為一厚壁鋼管制成的小窆容積高壓容器，通過閥門與工業氧氣瓶連接；液壓加氧裝置的低端設置有高壓水進口及出口。
本發明與現有技術相比具有能將各種汙水作為水源，經過超臨界水氧化法流動式反應器快速和高效處理後得到的高溫高壓潔淨水轉變為各種參數的蒸氣，滿足工業的各種需求或向用戶供暖和提供衛生熱水，也可以和蒸汽吸收式溴化鋰制冷機中央空調系統直接對接實現製冷，還可以將其處理後的含高能的高溫高壓潔淨水直接預熱汙水而大幅降低汙水處理能耗，實現低成本、大批量的汙水處理等優點。
本發明的
如下圖1是本發明超臨界水氧化法流動式汙水處理及供能的方法流程圖。
圖2a、2b是本發明的超臨界水氧化法流動式汙水處理及供能裝置結構圖。
圖3是本發明的超臨界水反應器結構示意圖。
圖4是本發明的排汙閃蒸器結構示意圖。
圖5是本發明的蒸氣膨脹器結構示意圖。
圖6是本發明的液壓加氧裝置結構示意圖。
圖7是本發明的換熱工質加熱器結構示意圖。
圖8是本發明的低溫熱交換器結構示意圖。
圖9是本發明的蓄熱淚盈眶式超臨界水加熱器結構示意圖。
圖10是本發明的套管加熱器結構示意圖。
下面結合
對本發明作進一步詳細的描述如圖1所示，首先由普通汙水泵將待處理汙水抽入汙水預處理器，汙水預處理器可以是一個汙水預處理池，也可以用被膜水處理器。如果採用汙水預處理池，可加入生石灰，使汙水的PH值保持在8左右，使大部分的重碳酸鹽(鈣鹽、鎂鹽)沉積，相對降低汙水硬度，避免在管道和反應器內結垢，同時適當的弱鹼性也可降低超臨界的酸性反應環境造成的腐蝕。如果用被膜水處理器，可利用其除垢、除鏽、除氧等多種功能，其阻垢率達到97％以上，除氧率在98％以上，可避免汙水加熱後在管道內造成的氧腐蝕。經預處理的汙水，再由一普通汙水泵送至汙水計量槽，按不同濃度分裝，可用閥門調節，機組啟動時送出去的汙水濃度在一定範圍內保持相對穩定，使後續的超臨界反應器運行工況相對穩定，避免頻繁調節。汙水計量槽調節後的汙水經高壓汙水泵加壓至超臨界壓力以上後，流入一如圖8的低溫熱交換器進行熱交換，此低溫熱交換器主要用於收集超臨界反應器排汙閃蒸廢熱蒸汽，以充分利用各種低位熱能。由其出來經過熱交換而被適度加溫的汙水進入第一級加熱器，目的是將汙水加熱到超臨界點溫度(373.95℃)以下20℃左右的溫度，以避免直接加熱進入臨界點以後，無機鹽大量析出沉積在管道內堵塞管道，同時此級加熱將施加主要的加熱能量，避免後級需在超臨界反應器內設置大功率的加熱裝置，不僅佔據反應空間，還會帶來腐蝕、結垢、承壓等多種問題。此加熱器可選用三種不同的加熱方式，可根據不同的用戶隨工況來加以選擇，分別為1)如圖7的換熱工質加熱器如採用導熱姆換熱劑和ZGM換熱劑，利用其在高溫(400℃左右，以利於和汙水進行熱交換)下飽和蒸汽壓較低(約為1.2～1.6MPa)或密度較高或汽化潛熱較高的良好特性，利用其飽和蒸汽和汙水進行強化換熱，有利於快速提升汙水溫度，而同時加熱器因承壓低，可降低投資成本。加熱源可在較寬範圍內選擇，可用電能、燃油、燃氣、甚至工業廢熱或低硫煤等。2)如圖9的蓄熱式超臨界水加熱器當純水正好加熱到臨界點時，理論上其定壓比熱為無窮大，而且在臨界點附近，導熱係數極高，只要能精確控制臨界點附近的溫度和壓力，不僅可大幅提高和汙水的熱交換係數，而且在加熱器體積不大的情況下，可獲取較大的熱能儲備，這在使用電能為加熱源時顯得特別重要，可以充分利用電網的低谷電價蓄能。3)如圖10的套管式加熱器設置此加熱器的目的，是在汙水處理量和實際供暖、製冷負荷或實際所需蒸汽負荷之間作出合理安排。特別是當使用電能加熱時，為滿足電網調峰的需要，可在白天用電高峰時，根據實際供暖、製冷負荷或實際所需蒸汽負荷確定汙水處理量以降低用電負荷；而在夜晚用電低谷期，實際供暖、製冷負荷或實際所需蒸汽負荷較小時，可利用本加熱器，將超臨界反應器出來的含高能高溫高壓潔淨水在其中對汙水進行逆流加熱。本加熱器可使汙水出口溫度控制在360℃左右，處理後的潔淨水和汙水換熱後，其出口溫度可控制在55℃左右，經減壓後直接進入熱水蓄池，給用戶提供衛生熱水。與此同時上述的兩種加熱器可和本加熱器同時工作，以加大用電負荷，除蓄能外，可大大提升汙水處理量，將白天用電高峰時未來得急處理的日排汙量的餘下部分進行全部處理，滿足「水不出樓」的低成本汙水處理思想。用超臨界水氧化法處理汙水，還需要將氧送入超臨界反應器，為此至少需要將氧加壓至超臨界工作壓力以上(至少要＞22.064Mpa)，一般工業氧氣瓶裝壓力為15Mpa，如果採用機械壓縮方式，在現有的技術條件下是不可能的，一方面壓縮機使用油脂作潤滑，遇氧容易燃燒，另一方面氧在壓縮過程中，會氧化機械部件，造成故障，不用說純氧，就是富氧空氣也不行。如果採用其它作為氧化劑，如用空氣作為氧源，將需要昂貴的大排氣量空氣壓縮機(空氣中氧含量僅為21％，且用空氣作氧源，折算的氧需要量必須過量100％)，而且空氣中高達70％以上的氮氣，不僅會阻礙超臨界水中氧化反應的正常進行，而且會消耗一部分能量；如果用液氧將需要投資昂貴的空分設備或昂貴的具有良好保溫設施的液氧儲槽、液氧泵、汽化器等一系列設備；如果使用過氧化氫或硝酸不僅會大大提升成本，也會加大對設備材質的腐蝕。為此，本系統中設計了一套如圖6的液壓加氧裝置，主體為一厚壁鋼管制成的小容積高壓容器，低成本的工業瓶裝氧氣可直接通過閥門放進容器，關閉氣閥，打開高壓水閥，高壓水進入容器後將逐漸壓縮氧氣至所需超臨界工作壓力，供反應使用。本裝置為間斷進氧操作，設置了2套交替運行，並不影響汙水處理的連續進行。經第一級加熱器加溫至360℃左右的汙水和經液壓加氧裝置加壓後的適量氧，分別經不同管路進入由厚壁鋼管制成，用高壓法蘭密封，且設計了防腐和排渣功能的超臨界反應器(詳見圖3)的上端的汙水入口和氧入口，經超臨界反應器內一特別設計的噴嘴進行充分霧化混合後，由一個或多個(由汙水流量決定)中溫熱管二級加溫裝置，將汙水和氧的混合物提溫至適當的超臨界溫度(大於374℃)，實現汙水中有機物和氧的均相反應，將有機物迅速(反應時間取決於溫度、壓力和有機物種類)氧化成二氧化碳和水，同時水中的無機鹽析出開始重力沉降。在超臨界反應器內部設有一亞臨界(壓力不變，溫度低於374℃)氧分離區和排汙及潔淨水出口區，由於氧化反應需要過量氧(一般過量50％-500％)，未參加反應的剩餘氧如果不加以利用，將會在下一道蒸汽膨脹閃蒸工序中混入供能蒸汽，不僅造成後續設備的高溫高氧濃度腐蝕，而且也會造成氧的浪費，增加處理成本。設置氧分離區的理論根據是氧可以任意比例和超臨界水互溶，而在非臨界態水中，氧僅有較低的溶解度；此時的溫度、壓力對於反應產物二氧化碳來說，則遠高於其臨界點，為一種高密度超臨界態，不會和氧發生混合，同時水為液態，只有氧會逸出，得以進行氣、液分離。反應剩餘氧通過在反應器的氧進入口設置的一氧氣增壓噴射泵形成的負壓而被吸入反應器，同時和新增氧氣進行熱交換，這樣一方面使氧得以循環使用，另一方面可提升進氧的溫度，降低氧氣耗費和能源耗費。此時沉降的無機鹽和經反應處理的潔淨水一同到達超臨界反應器的排汙區，在此區進行固、液沉降分離，以降低被處理水的雜質含量，沉降的固體成分可視情況進行定期排汙或連續排汙。為回收排汙餘熱，設置了排汙閃蒸發器(詳見圖4)，可將排汙餘熱送入低溫熱交換器，以便在第一級加熱前通過熱交換器預熱汙水。而經處理後的高溫高壓潔淨水，此時參數較高(溫度約為374℃，壓力為相應的超臨界工作壓力)，可通過設置的一種蒸汽膨脹器和孔板聯合減壓的裝置(詳見圖5)進行減壓，孔板減壓為通過耐磨、耐蝕金屬孔板後的一種減壓方法，避免了頻繁使用減壓閥而造成減壓閥磨損失效。經孔板減壓後的高焓值水進入蒸汽膨脹器，再次排鹽、減壓，可以和多種用熱設備對接，例如以下幾種1)根據用戶要求，設計不同參數的蒸汽膨脹器，向用戶提供各種參數的蒸汽；2)可以減壓成為標準飽和幹蒸汽驅動蒸汽吸收式溴化鋰制冷機，提供7-12℃冷水，滿足中央空調製冷的需求；3)通過蒸汽噴射泵進入蓄熱器提供水暖和衛生熱水；4)也可直接加熱汙水，減少外部能源的供給，降低汙水處理成本，並能提供50-60℃的熱水，滿足人們日常洗浴等對衛生熱水的需求。
如圖2a、2b所示，本發明的超臨界水氧化法流動式汙水處理及供能裝置包括有超臨界水反應器1，超臨界水換熱器2，套管加熱器3，換熱工質加熱器4，低溫熱交換器5，液壓加氧器6，蒸氣膨脹器7，排汙閃蒸器8，高壓泵9等組成，汙水計量槽分兩路並聯，一路是濃汙水計量槽，另一路為稀汙水計量槽，汙水計量槽通過高壓泵9連接到超臨界水換熱器2的汙水入口端，其汙水出口端與第一加熱器輸入端連接。第一加熱器可採用換熱工質加熱器4或套管加熱器3或蓄熱式超臨界水加熱器，第一加熱器的輸出端連接超臨界反應器2的汙水入口端。蒸氣膨脹器7和孔板減壓裝置22輸出分別連接到蒸氣用戶和吸收式空調機25，通過低溫蓄能池連接到空調用戶。吸收式空調機25連接熱水池輸出到熱水用戶，還連接到低溫熱交換器5輸入端，低溫熱交換器5另一輸入端與排汙閃蒸發器8排汙餘回收端連接；排汙閃蒸發器底端設置有濃渣出口20。
本發明的超臨界水氧化法流動式汙水處理及供能裝置中的液壓加氧裝置6主體為一厚壁鋼管制成的小窆容積高壓容器，通過閥門與工業氧氣瓶連接；液壓加氧裝置6的底端設置有高壓水進口及出口。
在啟動機組前，事先將汙水抽入汙水預處理池1，投入生石灰，使汙水的PH值保持在8左右，使大部分的重碳酸鹽(鈣鹽、鎂鹽)沉積，降低汙水硬度。然後用泵抽入稀汙水計量槽2A待處理；在脫鹽水槽2C中預先儲存脫鹽水備用；在液壓加氧裝置的儲氧罐3中，事先用工業氧氣瓶通過閥門4A充氧以備用；在蓄熱式超臨界水加熱器5中事先按其容積的31.55％填充超純水，使隨後將其水溫加熱到373.95℃時，壓力正好在22.064Mpa，達到臨界點。在正式啟動機組前，先低壓啟動脫鹽水加壓泵1A，使管道和反應器內充滿清水，然後啟動導熱姆加熱器6中的循環泵1C和電加熱器7A，或啟動蓄熱式超臨界水加熱器5中的電加熱器7B，使超臨界反應器9中汙水入口8處的水溫為360℃左右。然後正式啟動機組運行開動汙水加壓泵1B，將稀汙水計量槽2A中的待處理汙水加壓至30Mpa，以8L/min-24L/min左右的流量(通過變頻恆壓調速供水方式控制)，將汙水送至導熱姆加熱器6或蓄熱式超臨界水加熱器5中進行強化換熱式加熱，以超臨界反應器9中汙水入口8處的水溫為360℃左右，來控制電加熱器7A和7B的加熱電功率。在開動汙水加壓泵1B的同時開動脫鹽水加壓泵1A，以大約2L/min左右的流量(通過變頻恆壓調速供水方式控制)，也將脫鹽水加壓至30Mpa，其中一路作為冷卻水從超臨界反應器9中冷卻水入口10處進入超臨界反應器9，另一路作為液壓加氧裝置的加壓水，此時通過預先調整好的閥門4B的開度，將合適流量的高壓氧壓入超臨界反應器9中氧入口11。汙水和氧通過超臨界反應器9中的噴嘴12進行充分霧化混合後，由插入超臨界反應器9中的中溫熱管13，將來自電加熱器7C的加熱功率以超音速傳至超臨界反應器9中的反應區，將溫度提升至550℃，反應區的溫度控制由安裝在超臨界反應器9中的熱電偶14測溫來控制電加熱器7C的電功率實現。經反應處理後的潔淨水、反應產物二氧化碳、此時開始沉降的無機鹽以及未參加反應的過量氧經一定管程(亞臨界區16)，在超臨界反應器9外層夾套15中冷卻水的熱交換作用下，溫度降至臨界溫度以下，水變為液態，一同進入超臨界反應器9中的排汙區17，在這裡通過一氧分離管18，將分離出來的氧送入一設置在供氧管路中的氧氣增壓噴射泵19，將氧增壓後送入超臨界反應器9中循環使用；此時，沉降的無機鹽經排汙閥4C進入排汙閃蒸器20進行降壓、閃蒸排汙，並將排汙餘熱送入低溫加熱器21，用於後續汙水的預熱。同時經處理後的高溫高壓潔淨水(溫度約為374℃，壓力為30MPa)，通過設置的孔板減壓裝置22後，或者一路經閥門4D進入蒸汽膨脹器，再次排鹽、減壓為0.7Mpa的標準飽和幹蒸汽，驅動蒸汽吸收式溴化鋰制冷機25，提供7～12℃冷水，滿足3000～9000m2中央空調製冷或供暖的需求(以8L/min～24L/min處理量計，分別對應反應滯留時間定為1分鐘～20秒)；或者另一路經閥門4E送入套管式加熱器24加熱汙水。在白天用電高峰時，以供暖或製冷為主，僅啟動導熱姆加熱器6作為汙水的第一級加熱用，關閉蓄熱式超臨界水加熱器5和套管式加熱器24，以降低負荷；在晚間用電低谷期，可同時啟動套管式加熱器24、蓄熱式超臨界水加熱器5或三者同時啟動，以加大用電負荷，大批量處理白天餘留的汙水排量，同時蓄能，滿足日供能和汙水處理指標。
權利要求
1.一種超臨界水氧化法流動式汙水處理及供能的方法，汙水經處理與純淨水、氧氣送入超臨界水反應器進行超臨界氧化反應，有機汙染物得以降解而汙水中所含無機物因溶解度急劇降低得以析出而被分離的同時，成為一種含高能潔淨水，其特徵在於汙水經計量、加壓、加熱後與純淨水、氧氣送入超臨界水反應器；經處理後的高溫高壓潔淨水通過蒸汽膨脹器和孔板聯合減壓的裝置進行減壓，減壓後的高焓值水進入蒸汽膨脹器，再次排鹽、減壓，與用熱設備對接。
2.根據權利要求1所述的超臨界水氧化法流動式汙水處理及供能的方法，其特徵在於汙水預處理器是一個汙水預處理池，並加入生石灰，使汙水的PH值保持在8左右，使大部分的重碳酸鹽沉積，相對降低汙水硬度；經預處理的汙水，由一普通汙水泵送至汙水計量槽，按不同濃度分裝，可用閥門調節，機組啟動時送出去濃度在一定範圍內保持相對穩定的汙水。
3.根據權利要求1或2所述的超臨界水氧化法流動式汙水處理及供能的方法，其特徵在於汙水計量槽調節後的汙水經高壓汙水泵加壓至超臨界壓力以上後，流入一低溫熱交換器進行熱交換，低溫熱交換器收集超臨界反應器排汙閃蒸廢熱蒸汽加溫汙水，加溫的汙水進入第一級加熱器，將汙水加熱到超臨界點溫度373.95℃以下20℃左右的溫度，送入超臨界水反應器進行第二級加熱。
4.根據權利要求3所述的超臨界水氧化法流動式汙水處理及供能的方法，其特徵在於所述的加熱器連接超臨界反應器，將超臨界反應器出來的含高能高溫高壓潔淨水在其中對汙水進行逆流加熱，加熱器的潔淨水和汙水換熱後，其出口溫度可控制在55℃左右，經減壓後直接進入熱水蓄池，給用戶提供衛生熱水。
5.根據權利要求1所述的超臨界水氧化法流動式汙水處理及供能的方法，其特徵在於經超臨界反應器處理後的高溫高壓潔淨水，通過設置的一種蒸汽膨脹器和孔板聯合減壓的裝置進行減壓，經孔板減壓後的高焓值水進入蒸汽膨脹器，再次排鹽、減壓，輸入吸收式空調機後，連接空調用戶。
6.根據權利要求1所述的超臨界水氧化法流動式汙水處理及供能的方法，其特徵在於經超臨界反應器處理後的高溫高壓潔淨水，通過設置的一種蒸汽膨脹器和孔板聯合減壓的裝置進行減壓，經孔板減壓後的高焓值水進入蒸汽膨脹器，再次排鹽、減壓，輸入蒸氣用戶。
7.根據權利要求1所述的超臨界水氧化法流動式汙水處理及供能的方法，其特徵在於送入超臨界水反應器的氧氣直接通過閥門放進主體為一厚壁鋼管制成的液壓加氧裝置，關閉氣閥，打開高壓水閥，高壓水進入容器後將逐漸壓縮氧氣至所需超臨界工作壓力，供反應使用。
8.根據權利要求7所述的超臨界水氧化法流動式汙水處理及供能的方法，其特徵在於所述的液壓加氧裝置為間斷進氧操作，設置了2套交替運行，經第一級加熱器加溫至360℃左右的汙水和經液壓加氧裝置加壓後的適量氧，分別經不同管路進入超臨界反應器的上端的汙水入口和氧入口，經超臨界反應器內一特別設計的噴嘴進行充分霧化混合後，由中溫熱管二級加溫裝置，將汙水和氧的混合物提溫至大於374℃的超臨界溫度，實現汙水中有機物和氧的均相反應，將有機物迅速氧化成二氧化碳和水，同時水中的無機鹽析出開始重力沉降，在超臨界反應器內部設有一溫度低於374℃亞臨界氧分離區和排汙及潔淨水出口區。
9.根據權利要求1所述的超臨界水氧化法流動式汙水處理及供能的方法，其特徵在於超臨界反應器中設立超臨界反應區和次臨界氧逸出區，並在反應器的氧進入口設置氧氣增壓噴射泵，逸出的高溫高壓氧將因為氧氣增壓噴射泵形成的負壓而被吸入反應器，同時和新增氧氣進行熱交換，提升氧氣的總體溫度。
10.一種超臨界水氧化法流動式汙水處理及供能裝置，包括高壓泵、液壓加氧器、汙水預處理器、超臨界水反應器、排汙裝置等，其特徵在於汙水預處理器通過水泵及調節閥門連接到汙水計量槽；汙水計量槽通過高壓水泵連接一低溫熱交換器後輸入至超臨界水反應器的汙水入口，超臨界水反應器的另兩個入口分別連接液壓加氧器和脫鹽水；超臨界水反應器輸出分兩路，一路通過蒸氣膨脹器和孔板減壓裝置連接到用熱設備，另一路連接排汙閃蒸發器。
11.根據權利要求10所述的超臨界水氧化法流動式汙水處理及供能裝置，其特徵在於所述的汙水計量槽分兩路並聯，一路是濃汙水計量槽，另一路為稀汙水計量槽，汙水計量槽通過高壓泵連接到超臨界水換熱器的汙水入口端，其汙水出口端與第一加熱器輸入端連接。
12.根據權利要求11所述的超臨界水氧化法流動式汙水處理及供能裝置，其特徵在於第一加熱器可採用換熱工質加熱器或套管加熱器或蓄熱式超臨界水加熱器，第一加熱器的輸出端連接超臨界反應器的汙水入口端。
13.根據權利要求10所述的超臨界水氧化法流動式汙水處理及供能裝置，其特徵在於所述的蒸氣膨脹器和孔板減壓裝置輸出分別連接到蒸氣用戶和吸收式空調機蒸氣膨脹器和孔板減壓裝置連接到用通過低溫蓄能池連接到空調用戶。
14.根據權利要求12所述的超臨界水氧化法流動式汙水處理及供能裝置，其特徵在於所述的吸收式空調機連接熱水池輸出到熱水用戶，還連接到低溫熱交換器輸入端，低溫熱交換器另一輸入端與排汙閃蒸發器排汙餘回收端連接；排汙閃蒸發器底端設置有濃渣出口。
15.根據權利要求10所述的超臨界水氧化法流動式汙水處理及供能裝置，其特徵在於液壓加氧裝置主體為一厚壁鋼管制成的小窆容積高壓容器，通過閥門與工業氧氣瓶連接；液壓加氧裝置的低端設置有高壓水進口及出口。
全文摘要
本發明涉及一種超臨界水氧化反應處理汙水方法和裝置,汙水經計量、加壓、加熱後與純淨水、氧氣送入超臨界水反應器;經處理後的高溫高壓潔淨水通過蒸汽膨脹器和孔板聯合減壓的裝置進行減壓,減壓後的高焓值水進入蒸汽膨脹器,超臨界水反應器的另兩個入口分別連接液壓加氧器和脫鹽水;超臨界水反應器輸出分兩路,一路通過蒸氣膨脹器和孔板減壓裝置連接到用熱設備,另一路連接排汙染蒸發器。
文檔編號C02F1/72GK1362375SQ0013712
公開日2002年8月7日 申請日期2000年12月30日 優先權日2000年12月30日
發明者郭捷, 楊國勝, 劉永剛, 李文蔚, 朱詠煊 申請人:深圳市寶利達實業有限公司, 中國科學院地球化學研究所, 郭捷