一种超临界水氧化装置的余热利用系统及其工作方法
阅读说明：本技术 一种超临界水氧化装置的余热利用系统及其工作方法 (Waste heat utilization system of supercritical water oxidation device and working method thereof ) 是由 王树众 张熠姝 杨健乔 徐甜甜 杨闯 崔成超 于 2019-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种超临界水氧化装置的余热利用系统及其工作方法,属于化工及环保技术领域。包括产蒸汽单元、高压余热处理单元、低压余热处理单元、取热器、用户采暖单元和冷却水循环利用单元。本发明通过上述各个单元的配合实现了超临界水氧化装置富裕热量的高效、合理利用,一方面满足了厂区的采暖要求,另一方面极大程度的降低了采暖系统的投资和超临界水氧化系统运行成本,增加了系统经济性,有助于超临界水氧化技术的推广和应用。(The invention discloses a waste heat utilization system of a supercritical water oxidation device and a working method thereof, belonging to the technical field of chemical industry and environmental protection. The system comprises a steam generating unit, a high-pressure waste heat treatment unit, a low-pressure waste heat treatment unit, a heat collector, a user heating unit and a cooling water recycling unit. According to the invention, through the cooperation of the units, the high-efficiency and reasonable utilization of abundant heat of the supercritical water oxidation device is realized, on one hand, the heating requirement of a plant area is met, on the other hand, the investment of a heating system and the operation cost of the supercritical water oxidation system are greatly reduced, the system economy is increased, and the popularization and the application of the supercritical water oxidation technology are facilitated.)
技术领域
本发明属于化工及环保技术领域，具体涉及一种超临界水氧化装置的余热利用系统及其工作方法。
背景技术
我国正处于高污染重化工阶段，固体废物污染与水污染防治，尤其是高难降解危险废物、高浓难降解有机废水及市政污泥的安全处理处置是环境领域中亟待解决的重点和难点。据统计，2016年全国工业废水年排放量超200亿吨，其中大部分为高浓难降解有机废水。危废实际产量超8000万吨，危险废物的非法储运、处置带来了极其严重的环境危害。2017年一半以上的环境违法事件与危险废物的不合理储运处置有关。同时，据统计全国市政污泥年产量超4500万吨。这些污染物普遍具有高有机物浓度、高盐、高重金属、成分复杂、生化性差等特点。传统技术难以高效、妥善处理和处置，造成地面水环境、地下水、土壤的严重污染。这些污染物的处理设施投资可超过污水厂整体投资的50％。近年来由于环境污染所引发的恶性***件，给整个社会的发展带来了不稳定因素，严重威胁着人民健康与安全、生态环境，制约着国家的绿色、低碳、可持续发展。因此，对高浓、难降解有机废水的和污泥的处理、处置已引起国家的高度重视。
超临界水氧化(Supercritical Water Oxidation，SCWO)是一种针对高浓、难降解有机废水和污泥的先进处理技术，其实质上是利用超临界水(SCW)优异的理化特性，实现氧化剂与有机物的均相反应，使难降解有机物被快速彻底氧化成二氧化碳、水、氮气等环境友好的小分子化合物。具有处理彻底(污染物去除率>99.9％)，反应时间短(几秒至几分钟)，无膜状结构堵塞风险，无NOx、SO2、二噁英等二次污染问题等显著技术优势，已成为环境污染治理领域的热点技术。
但由于严苛的反应条件和严重的腐蚀性导致超临界水氧化系统的经济性较差，在利用该技术处理高浓有机废水时会有大量的内热生成，若能合理、高效地利用该系统的反应余热可提高系统经济性，有助于超临界水氧化技术的推广及应用。
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超临界水氧化装置的余热利用系统及其工作方法，能够达标处理污染物并进行高效、梯级的余热利用和回收，降低系统能耗和运行成本，提高系统经济性，实现污染物无害化和减量化。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种超临界水氧化装置的余热利用系统，包括产蒸汽单元、高压余热处理单元、低压余热处理单元、取热器、用户采暖单元和冷却水循环利用单元；
所述产蒸汽单元，包括超临界水氧化单元、蒸汽发生器、软化水单元、给水泵和蒸汽收集单元；其中，超临界水氧化单元出口与蒸汽发生器高温高压侧入口相连，软化水单元出口与给水泵入口相连，给水泵出口与蒸汽发生器低温低压侧入口相连，蒸汽发生器低温低压侧出口与蒸汽收集单元相连，蒸汽发生器高温高压侧出口与取热器高压侧入口相连；
高压余热处理单元，包括采暖一次泵，采暖一次泵入口与用户采暖单元出口相连，采暖一次泵出口与取热器低压侧入口相连；
低压余热处理单元，包括降压单元、板式换热器、后续处理单元和采暖二次泵，降压单元入口与取热器高压侧出口相连，降压单元出口分为两路，一路与板式换热器热流体侧入口相连，另一路与后续处理单元入口相连，板式换热器热流体侧出口与后续处理单元入口相连，板式换热器冷流体侧出口与用户采暖单元入口相连，用户采暖单元出口与采暖二次泵入口相连，采暖二次泵出口与板式换热器冷流体侧入口相连；
冷却水循环单元，包括空冷塔和循环冷却水泵，取热器低压侧出口与空冷塔入口相连，空冷塔出口与循环冷却水泵入口相连，循环冷却水泵出口与取热器低压侧入口相连。
优选地，在取热器低压侧出口和用户采暖单元入口之间的管路上设置有截止阀V1，在取热器低压侧入口和用户采暖单元出口之间的管路上设置有截止阀V2；在取热器低压侧出口和空冷塔入口直接的管路上设置有截止阀V3，在循环冷却水泵出口与取热器低压侧入口相连的管路上设置有截止阀V4；在降压单元出口与板式换热器热流体侧入口相连的管路上设置有截止阀V5，降压单元出口与后续处理单元相连的管路上设置有截止阀V6；
其中，冷却水循环单元和高压余热处理单元通过截止阀V1、V2和V3、V4进行切换，后续处理单元和低压余热处理单元通过截止阀V5和V6进行切换。
优选地，蒸汽发生器采用套管式换热器、管壳式换热器或螺旋盘管式换热器。
优选地，取热器采用套管式换热器、管壳式换热器或螺旋盘管式换热器。
优选地，用户采暖单元为暖气片或地暖。
优选地，所述给水泵、采暖一次泵、采暖二次泵和循环冷却水泵均采用容积式泵、离心泵、轴流泵或混流泵。
本发明还公开了上述的超临界水氧化装置的余热利用系统的工作方法，包括：
软化水单元产生的软化水经给水泵输送至蒸汽发生器中吸热蒸发产生蒸汽，被蒸汽收集单元收集；经超临界水氧化单元处理后的高温高压流体进入蒸汽发生器内对来自软化水单元的流体进行换热产蒸汽；放热降温的高温高压流体进入取热器内降温后进入低压余热处理单元用于采暖；
高压余热处理单元的采暖循环水进入取热器壳侧吸热升温至设定温度后离开，进入用户采暖单元放热供用户取暖后通过采暖一次泵回到取热器壳侧入口，形成采暖水循环；
低压余热处理单元的采暖循环水进入板式换热器冷侧吸热升温至设定温度后离开，进入用户采暖单元放热供用户取暖后通过采暖二次泵回到板式换热器冷侧入口，形成采暖水循环；
循环冷却水经过取热器吸热升温后经过循环冷却水泵输送至空冷塔中降温，又进入至取热器中形成冷却水循环。
优选地，在采暖期间，取热器用于循环采暖水的换热升温，能够对用户采暖单元直接供暖，具体包括以下步骤：
1)将截止阀V1、截止阀V2和截止阀V5开启，截止阀V3、截止阀V4和截止阀V6处于关闭状态；
2)经过产蒸汽后进入取热器管侧的高温高压流体放热降温至85℃以下后进入降压单元，使流体压力降至常压；
3)高压余热处理单元的采暖循环水进入取热器壳侧吸热升温至设定温度后离开，进入用户采暖单元放热供用户取暖后通过采暖一次泵回到取热器壳侧入口，形成采暖水循环；
4)经过取热器降温和降压单元降压后的热流体进入板式换热器热侧放热降温后，进入后续处理单元；
5)低压余热处理单元的采暖循环水进入板式换热器冷侧吸热升温至设定温度后离开，进入用户采暖单元放热供用户取暖后通过采暖二次泵回到板式换热器冷侧入口，形成采暖水循环。
优选地，在非采暖期间，取热器用于取热降温，具体包括以下步骤：
1)将截止阀V1、截止阀V2和截止阀V5关闭，截止阀V3、截止阀V4和截止阀V6开启，使取热器切换至冷却水循环利用单元；
2)经过产蒸汽后进入取热器管侧的高温高压流体放热降温至85℃以下后进入降压单元，使流体压力降至常压后直接进入后续处理单元；
3)通过循环冷却水泵将空冷塔冷却后的循环水打入取热器壳侧，对高压高温热流体取热至85℃以下后离开，重新返回空冷塔冷却降温，形成冷却水循环。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开的超临界水氧化装置的余热利用系统，包括产蒸汽单元、高压余热处理单元、低压余热处理单元、取热器、用户采暖单元和冷却水循环利用单元；经超临界水氧化单元处理后的高温高压流体进入蒸汽发生器内对来自软化水单元的流体进行换热产蒸汽，可进行出售，经放热降温的高温高压流体进入取热器内使温度降至85℃以下进入降压器内降至常压后，进入低压余热处理单元的板式换热器中放热用于用户的冬季采暖，最后进入后续处理单元；其中，软化水单元产生的软化水经给水泵输送至蒸汽发生器中吸热蒸发产生蒸汽；取热器单元的循环冷却水经过取热器吸热升温后经过循环冷却水泵输送至空冷塔中降温，又进入至取热器中形成冷却水循环；高压余热处理单元的采暖循环水在取热器中吸热升温后进入采暖单元进行用户采暖，然后经过采暖一次泵输送至取热器中，形成高压余热处理单元的循环；低压余热处理单元的采暖循环水进入板式换热器中吸热升温后进入采暖单元进行用户采暖，然后经过采暖二次泵输送至板式换热器中，形成低压余热处理单元的循环。
本发明公开的基于上述系统的处理方法，创新性的对污染物超临界水氧化处理后的反应热进行了梯级利用；经过SCWO处理的污染物，采用产蒸汽单元对反应后高温高压流体进行余热回收分别用于产生蒸汽产品和用户采暖；分别采用蒸汽发生器、取热器和板式换热器进行余热利用过程中的热交换，采用降压器对反应后高压流体降压至常压；取热单元和高压余热处理单元通过开关截止阀V1、V2和V3、V4进行切换，后续处理单元和低压余热处理单元通过开关截止阀V1、V2和V5、V6进行切换，其中高压余热处理单元和低压余热处理单元在冬季采暖期切换运行，取热单元和后续处理单元在非采暖期切换运行。此超临界水氧化装置的余热利用方法可以充分实现余热的高效利用。
附图说明
图1为本发明超临界水氧化装置的余热利用系统的结构示意图。
其中，1-超临界水氧化单元，2-蒸汽发生器，3-软化水单元，4-给水泵，5-蒸汽收集单元，6-取热器，7-采暖单元，8-采暖一次泵，9-降压单元，10-板式换热器，11-后续处理单元，12-采暖二次泵，13-空冷塔，14-循环冷却水泵，V1、V2、V3、V4、V5、V6-开关截止阀。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明的一种超临界水氧化装置的余热利用系统，包括产蒸汽单元、高压余热处理单元、低压余热处理单元和取热单元。
所述产蒸汽单元，由超临界水氧化单元1、蒸汽发生器2、软化水单元3、给水泵4和蒸汽收集单元5组成，其中，超临界水氧化单元1出口与蒸汽发生器2高温高压侧入口相连，软化水单元3出口与给水泵4入口相连；给水泵4出口与蒸汽发生器2低温低压侧入口相连，蒸汽发生器2低温低压侧出口与蒸汽收集单元5相连；经超临界水氧化单元1处理后的高温高压流体进入蒸汽发生器2内对来自软化水单元3，经给水泵4输送的流体进行换热后产生的蒸汽由蒸汽收集单元5收集。
所述高压余热处理单元，包括取热器6、用户采暖单元7、采暖一次泵8、开关截止阀V1和V2，取热器6高压侧入口与蒸汽发生器2高温高压侧出口相连，用户采暖单元7入口与取热器6低压侧出口相连，采暖一次泵8入口与用户采暖单元7出口相连，采暖一次泵8出口与取热器6低压侧入口相连，阀门V1连接于取热器6低压侧出口和用户采暖单元7入口之间，阀门V2连接于取热器6低压侧入口和用户采暖单元7出口之间；
在冬季采暖期，阀门V1、V2开启，阀门V3、V4处于关闭状态，经过产蒸汽后进入取热器6管侧的高温高压流体放热降温至85℃以下后进入降压单元9，使流体压力降至常压；高压余热处理单元的采暖循环水进入取热器6壳侧吸热升温至设定温度后离开，进入用户采暖单元7放热供用户取暖后通过采暖一次泵8回到取热器6壳侧入口，形成采暖水循环。
所述低压余热处理单元包括降压单元9、板式换热器10、后续处理单元11、用户采暖单元7、采暖二次泵12和阀门V5，降压单元9入口与取热器6高压侧出口相连，降压单元9出口与阀门V5入口相连，阀门V5出口与板式换热器10热流体侧入口相连，板式换热器10热流体侧出口与后续处理单元11入口相连，板式换热器10冷流体侧出口与用户采暖单元7入口相连，用户采暖单元7出口与采暖二次泵12入口相连，采暖二次泵12出口与板式换热器10冷流体侧入口相连；
在冬季采暖期，阀门V1、V2、V5开启，阀门V3、V4、V6处于关闭状态，经过取热器6降温和降压单元9降压后的热流体进入板式换热器10热侧放热降温后，进入后续处理单元11；低压余热处理单元的采暖循环水进入板式换热器10冷侧吸热升温至设定温度后离开，进入用户采暖单元7放热供用户取暖后通过采暖二次泵12回到板式换热器10冷侧入口，形成采暖水循环。
所述取热单元包括取热器6、空冷塔13、循环冷却水泵14、阀门V3、V4和V6，取热器6高压侧出口与降压单元9入口相连，降压单元9出口与阀门V6入口相连，阀门V6出口与后续处理单元11相连；取热器6低压侧出口与阀门V3入口相连，阀门V3出口与空冷塔13入口相连，空冷塔13出口与循环冷却水泵14入口相连，循环冷却水泵14出口与阀门V4入口相连，阀门V4出口与取热器6低压侧入口相连；
在非采暖期，取热器6仅用于取热降温，防止高压流体在降压过程中气化膨胀，形成系统安全隐患，在此阶段将阀门V1、V2、V5关闭，阀门V3、V4、V6开启，使取热器6切换至取热单元，经过产蒸汽后进入取热器6管侧的高温高压流体放热降温至85℃以下后进入降压单元9，使流体压力降至常压后直接进入后续处理单元11，通过循环冷却水泵14将空冷塔13冷却后的循环水打入取热器6壳侧，对高压高温热流体取热至85℃以下后离开，重新返回空冷塔13冷却降温，形成冷却水循环。
综上所述，处理方法包括：
在非采暖期，通过超临界水氧化单元处理后的高温高压流体经蒸汽发生器放热降温后产生蒸汽进行出售后，在非采暖期时高温高压流体依次进入取热器、降压单元使其降至常温常压后进入后续处理单元，该过程中取热用水经空冷塔冷却后通过循环冷却水泵打入取热器吸热，随后回到空冷塔中冷却降温，形成取热单元循环。
在冬季采暖期，采暖水在取热器中吸热升温后进入用户采暖单元放热供用户直接取暖，然后通过采暖一次泵回到取热器中换热，形成高压余热处理单元循环；
而经取热降温后的高压流体通过降压单元降至常压，然后进入板式换热器对另一路采暖水进行放热，吸热升温后的采暖水进入用户采暖单元放热后又经采暖二次泵回到板式换热器进行下一轮换热，形成低压余热处理单元循环。
从以上三个循环途径实现了超临界水氧化装置富裕热量的高效、合理利用，一方面满足了厂区的采暖要求，另一方面极大程度的降低了采暖系统的投资和超临界水氧化系统运行成本，增加了系统经济性，有助于超临界水氧化技术的推广和应用。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。