阅读说明：本技术 一种集物料预热-污染物多级强化降解-腐蚀防控多功能于一体的超临界水反应器 (Supercritical water reactor integrating material preheating, pollutant multistage enhanced degradation, corrosion prevention and control ) 是由 王树众 蒋卓航 李艳辉 崔成超 徐海涛 任萌萌 于 2019-10-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种集物料预热-污染物多级强化降解-腐蚀防控多功能于一体的超临界水反应器,其外部端盖、分体承压壁之间通过密封零件、连接结构实现超临界压力下紧密连接。端盖设置于分体承压壁上端,端盖底部中心处设置有同轴喷嘴基台,端盖与喷嘴基台间巧妙配合构成多个反应物环形空间。反应器上设置有多级氧气、辅助燃料注入口,以强化反应过程。该装置设置有蒸发壁结构,通过蒸发壁在反应器内部形成亚/超临界水膜或高温气膜,有效减缓了反应器内壁面的腐蚀并使反应器的温度得到了有效维持。该装置还实现了有机废物与反应产物在反应器本体中进行换热,充分利用了反应放热,有效减少了预热过程中的热量消耗。(The invention discloses a supercritical water reactor integrating material preheating, multi-stage pollutant enhanced degradation and corrosion prevention and control functions. The end cover is arranged at the upper end of the split bearing wall, the coaxial nozzle base station is arranged at the center of the bottom of the end cover, and the end cover and the nozzle base station are ingeniously matched to form a plurality of reactant annular spaces. The reactor is provided with a plurality of stages of oxygen and auxiliary fuel injection ports to strengthen the reaction process. The device is provided with the evaporation wall structure, forms the sub/supercritical water membrane or high temperature gas film inside the reactor through the evaporation wall, has effectively slowed down the corruption of reactor internal face and has made the temperature of reactor effectively maintain. The device has still realized organic waste and the heat transfer of reaction product in the reactor body, make full use of the reaction and released heat, has effectively reduced the heat consumption of preheating the in-process.)

一种集物料预热-污染物多级强化降解-腐蚀防控多功能于一 体的超临界水反应器

技术领域

本发明属于环境保护及化工技术领域，涉及利用超临界水作为反应介质对高浓度难生化降解的有机污染物进行无害化处理，特别涉及一种集物料预热-污染物多级强化降解-腐蚀防控多功能于一体的超临界水反应器。

背景技术

超临界水是指温度和压力超过其临界点(374.15℃、22.1MPa)的特殊状态的水。其密度与液体相近，比相应常压气体要大100～1000倍；黏度与气体的接近，约为相应液体的1％～10％；扩散系数介于气体和液体之间，为普通液体的10～100倍。在超临界状态下，水的物理化学性质如离子积常数、密度、介电常数和粘度等都发生了巨大的变化。超临界水具有较低的介电常数，使得超临界水成为一种良好的溶剂，可以与有机物和氧气以任意比例互溶成为均一相，而无机盐在超临界水中的解离常数和溶解度却很低。同时较低的粘度和较高的扩散系数，使得在超临界水环境中进行的反应具有较高的反应速度和良好的传热特性。

基于上述特点，上世纪80年代，美国的学者Modell提出了超临界水氧化技术。超临界水氧化(Supercritical Water Oxidation，简写为SCWO)是指有机物和氧化剂(一般为过量氧化剂)在SCW中迅速发生均相氧化反应，有机物被彻底分解为H₂O和CO₂的过程。超临界水氧化技术适用范围广泛，可以处理各种工业有机废水和废弃物、城市污水、污水处理厂的过量活性污泥和人类代谢污物，以及消除化学武器的毒物等，具有良好的环保效益、社会效益和经济效益。

然而，即使超临界水处理技术具有多种优点，SCWO苛刻的反应条件带来的强腐蚀性、高材质要求以及运营过程中的能量消耗问题成为当前SCWO商业化最大的阻碍。具体表现有：

(1)物料预热装备费用高昂，能量需求大，反应系统经济性不高。虽然SCWO过程是一个放热反应，当有机物的质量分数达到2～3％时就能实现自热，但在设备启动过程中依然需要外部热源对其进行补热。目前国内外的超临界水氧化设备的加热方式绝大部分采用电加热形式，高温高压外置式预热设备投资费用巨大，对SCWO技术的大规模工业化应用造成了巨大障碍。

(2)化工废水、工业污泥等难降解污染物成分复杂，常规的SCWO处理无法实现反应出水的达标排放，常常需要后续工艺流程对反应出水进行二次处理，大大增加了系统的复杂程度，进一步增加了设备投资费用及系统运营费用。

(3)材料腐蚀问题。超临界水环境中，高温、高压、溶解氧以及反应中产生的某些自由基、离子都会加快耐蚀材料的腐蚀速率。此外，有机物中含有的卤素、硫、磷等杂原子在超临界水中分解后会产生酸，进一步引起设备的强烈腐蚀。

(4)超临界水氧化反应条件苛刻，需要较高的温度及压力。对于常规的管式反应器，反应器的管壁需要承受600℃高温以及25MPa以上高压，其导致了反应器造价的升高。

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集物料预热-污染物多级强化降解-腐蚀防控多功能于一体的超临界水反应器，其在反应器上部和中部可实现两级注氧、注辅助燃料。当污染物在反应器内部进行超临界氧化降解时，氧气和辅助燃料可分别在反应开始及反应中间阶段发生快速反应，产生大量的热量及活泼自由基，反应器内部温度将进一步提升，且两级氧气和辅助燃料可分别在反应器上部和中部产生活泼自由基，并进而引发、促进污染物氧化反应的进行。通过蒸发壁对反应器器壁进行冷却，减轻盐沉积及腐蚀问题。该反应器通过底部进料进行物料的预热及反应后流体的冷却，充分利用了反应放热，大大降低了反应的能量消耗。除此之外，该反应器还具备拆装方便，容易装载和更换催化剂，易于检修和维护等特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种集物料预热-污染物多级强化降解-腐蚀防控多功能于一体的超临界水反应器，包括配有端盖的分体承压壁，分体承压壁分为上中下三部，各部之间通过连接结构和紧固螺栓连接，其中上部内设氧气筒体，上中部内设物料筒体，下部内设反应器内壁，下部底端为反应出水出口，物料筒体外壁与氧气筒体内壁之间、物料筒体外壁与分体承压壁中部内壁之间以及反应器内壁与分体承压壁下部内壁之间，构成物料通道；氧气筒体外壁与分体承压壁上部内壁之间构成氧气通道，端盖底部同轴设置有纵截面为台阶形状的喷嘴基台，端盖与喷嘴基台间匹配构成连通反应器内部的物料环形空间、辅助燃料环形空间和氧气环形空间，端盖上设有上部物料注入口、氧气内通道、物料内通道和辅助燃料筒体，其中上部物料注入口连通物料环形空间，氧气内通道连通氧气通道与氧气环形空间，物料内通道接通物料通道与物料环形空间，辅助燃料筒体连通辅助燃料环形空间。

所述喷嘴基台的顶部向上伸出端盖，且在喷嘴基台的中央为贯通的轴向孔结构，所述辅助燃料筒体设置于端盖的轴线中央，喷嘴基台的外壁顶部与辅助燃料筒体通过密封连接结构连接，在喷嘴基台外壁与辅助燃料筒体的内筒壁之间形成与辅助燃料环形空间连通的辅助燃料通道，辅助燃料筒体侧壁上开有与辅助燃料通道连通的辅助燃料注入口。

在所述轴向孔中安装有用于观察反应器内部火焰情况的玻璃视窗结构，玻璃视窗结构与轴向孔内壁之间为氧气环形空隙，喷嘴基台底部中央为自上而下的外扩结构，氧气注入口通过氧气环形空隙和外扩结构连通反应器内部。

所述辅助燃料注入口和氧气注入口均设置有螺旋结构。

所述喷嘴基台的外壁上与所述内筒壁相对的壁面设置有用于预热辅助燃料的电加热带。

所述氧气筒体外壁为螺旋状，即所述氧气通道为螺旋通道，所述端盖底部开设有孔道，用于输送物料环形空间中的物料、辅助燃料环形空间中的辅助燃料和氧气环形空间中的氧气进入反应器内部。

所述端盖与分体承压壁上部在外部通过紧固螺栓连接，且端盖与分体承压壁上部之间设有密封零件；分体承压壁的上部与中部之间在外部通过连接结构Ⅰ和紧固螺栓连接；分体承压壁的中部与下部之间在外部通过连接结构Ⅱ和紧固螺栓连接；其中，连接结构Ⅰ分别与氧气筒体、物料筒体、蒸发壁、分体承压壁上中部相配合，物料通道和氧气通道均在连接结构Ⅰ处上下相通；连接结构Ⅱ上部分别与物料筒体、蒸发壁、分体承压壁中部相配合，连接结构Ⅱ下部与反应器内壁和分体承压壁下部相配合，物料通道在连接结构Ⅱ处上下相通。

所述物料筒体的内侧设置蒸发壁，蒸发壁与物料筒体内壁之间形成冷却水通道，所述连接结构Ⅱ设有均与冷却水通道连通的蒸发壁流体入口和蒸发壁流体出口，用于完成蒸发壁流体的进出。

所述蒸发壁与物料筒体内壁之间为冷却水双螺旋通道，冷却水双螺旋通道以连接结构Ⅰ为界线分为上下连通的两部分；蒸发壁内表面负载不同的壁面催化材料，蒸发壁与连接结构内侧的二次进料环形槽形成辅助燃料和辅助氧气的环形空间，且蒸发壁在该二次进料环形槽处开设有多排小孔，环形空间内的辅助燃料和辅助氧气通过该小孔射入反应器内部，辅助燃料的环形空间与辅助燃料二次注入口连通，辅助氧气的环形空间与氧气二次注入口连通。

所述分体承压壁下部设置有连通物料通道的下部物料入口，分体承压壁下部与反应器内壁相配合形成物料通道的预热区，预热区内部设置有叶片式螺旋肋。

与现有的超临界水氧化反应器相比，本发明的优点在于：

1、针对当前超临界水氧化反应装置能量需求大，系统经济性不高的问题。本发明在入口处通入辅助燃料进行补热，通过干净的辅助燃料与氧气反应释放大量的热量，并进而与物料进行反应，强化有机物降解效果。有机污染物在反应器底部进入反应器中，通过反应器下部的分体承压壁和反应器内壁相配合形成的物料通道与反应后的高温流体进行换热，从而实现反应后的高温流体与低温进料之间的热量传递，可以有效利用有机污染物反应放热，大大减少了能量消耗。

2、采用超临界水热燃烧，配合有分段注氧、注辅助燃料等强化措施，可在600～1100℃的反应温度实现有机物在较短的停留时间下的高效降解，进而减少反应器的容积。

3、超临界水反应器内部的流体温度要比传统的SCWO反应器的温度高得多，因此需要对壁面设置冷却保护措施。本装置创新性的将蒸发壁和物料通道相结合，蒸发壁双螺旋通道中的高温流体不直接与外部承压壁接触，有效降低了外部承压壁的选材要求，进一步降低了加工费用。高温流体通过蒸发壁渗入到反应器内部，在内壁表面形成一层超临界保护水膜。该水膜不仅可以实现对燃烧室内壁面的冷却，而且能阻止高温反应流体同壁面的直接接触，减轻反应流体对壁面的腐蚀以及无机盐在壁面的析出。通过通入亚/超临界水或其他高温气体，可有效防止内壁面形成的水膜降低反应器内部的反应温度，影响有机物的降解。

4、反应器创新性地设置有玻璃视窗结构，并将其与氧气注入通道有机结合起来，有效防止了玻璃视窗结构出现过热，实现了反应器内部反应状况的实时监测。反应器通过设置多个旋流喷嘴结构，多股物料可充分均匀在反应器入口处混合。

附图说明

图1为本发明反应器的结构剖面图。

其中：1.紧固螺栓；2.密封零件；3.物料通道；4.氧气筒体；5.物料筒体；6.蒸发壁；7.分体承压壁；8.连接结构Ⅰ；9.连接结构Ⅱ；10.叶片式螺旋肋；11.辅助燃料筒壁；12.电加热带；13.密封连接结构；14.端盖；15.喷嘴基台；16.辅助燃料筒体；17.外扩结构；18.反应器内壁；19.玻璃视窗结构；20.氧气环形空隙；21.螺旋结构。

A为物料环形空间；B为辅助燃料环形空间；C为氧气环形空间；D为氧气内通道；E为物料内通道；F为二次进料环形槽。

N1为辅助燃料注入口；N2为氧气注入口；N3为上部物料注入口；N4为辅助燃料二次注入口；N5为氧气二次注入口；N6为蒸发壁流体出口；N7为蒸发壁流体入口；N8为下部物料注入口；N9为反应出水出口。

图2是本发明局部(图1的中上部分)示意图。

图3是本发明局部(图1的中下部分)示意图。

图4是喷嘴基台结构示意图。

图5是连接结构Ⅰ结构示意图。

图6是连接结构Ⅱ结构示意图。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1、图2和图3，本发明一种集物料预热-污染物多级强化降解-腐蚀防控多功能于一体的超临界水反应器，包括配有端盖14的分体承压壁7，分体承压壁7分为上中下三部，端盖14与分体承压壁7上部在外部通过紧固螺栓1连接，且端盖14与分体承压壁7上部之间设有密封零件2；分体承压壁7的上部与中部之间在外部通过连接结构Ⅰ8和紧固螺栓1连接；分体承压壁7的中部与下部之间在外部通过连接结构Ⅱ9和紧固螺栓1连接。

其中，分体承压壁7的上部内设氧气筒体4，上中部内设物料筒体5，下部内设反应器内壁18，下部底端为反应出水出口N9，物料筒体5外壁与氧气筒体4内壁之间、物料筒体5外壁与分体承压壁7中部内壁之间以及反应器内壁18与分体承压壁7下部内壁之间，构成物料通道3，物料通道3最好为直通道，用于反应物料的预热及反应后流体的冷却；氧气筒体4外壁与分体承压壁7上部内壁之间构成氧气通道G。

在物料筒体5的内侧可进一步设置蒸发壁6，蒸发壁6与物料筒体5内壁之间形成冷却水通道，此时连接结构Ⅱ9可设有均与冷却水通道连通的蒸发壁流体入口N7和蒸发壁流体出口N6，用于完成蒸发壁流体的进出。

参考图1、图2和图4，端盖14上径向同轴设置有喷嘴基台15，喷嘴基台15纵截面为台阶形状，端盖14与喷嘴基台15间匹配构成连通反应器内部的物料环形空间A、辅助燃料环形空间B和氧气环形空间C。其中，辅助燃料环形空间B在最上方，用于注入辅助燃料，氧气环形空间C在中间，用于注入预热过的氧气，物料环形空间A在下方，用于注入物料。

喷嘴基台15的顶部向上伸出端盖14，且在喷嘴基台15的中央为贯通的轴向孔结构，辅助燃料筒体16设置于端盖14的轴线中央，喷嘴基台15的外壁顶部与辅助燃料筒体16通过密封连接结构13连接，在喷嘴基台15外壁与辅助燃料筒体16的内筒壁11之间形成与辅助燃料环形空间B连通的辅助燃料通道，喷嘴基台15的外壁上与内筒壁11相对的壁面可设置用于预热辅助燃料的电加热带12，辅助燃料筒体16侧壁上开有与辅助燃料通道连通的辅助燃料注入口N1。

在端盖14上设有上部物料注入口N3、氧气内通道D、物料内通道E和辅助燃料筒体16，其中上部物料注入口N3连通物料环形空间A，氧气内通道D连通氧气通道G与氧气环形空间C，物料内通道E接通物料通道3与物料环形空间A，辅助燃料筒体16连通辅助燃料环形空间B。氧气通道G和物料通道3中预热的的氧气和物料分别引入到相应环形空间中。

在喷嘴基台15的轴向孔中安装有用于观察反应器内部火焰情况的玻璃视窗结构19，玻璃视窗结构19与轴向孔内壁之间为氧气环形空隙20，喷嘴基台15底部中央为自上而下的外扩结构17，氧气注入口N2通过氧气环形空隙20和外扩结构17连通反应器内部，氧气通过氧气注入口N2注入，氧气环形空隙20的氧气可用于玻璃视窗结构的冷却。此外，喷嘴基台15与物料环形空间A接有两个物料进口，一个为上部物料注入口N3，一个为物料通道3连通的下部物料注入口N8，通过调节两个注入口的物料流量及温度，可以实现反应器内部的稳定燃烧。

其中，辅助燃料注入口N1和氧气注入口N2均可设置螺旋结构21，以使得氧气和辅助燃料以螺旋形式注入，在反应器内部形成旋流，保证各进料的混合均匀及物料的彻底反应。

当氧气筒体4外壁为螺旋状，则氧气通道G为螺旋通道，端盖14底部开设有孔道，用于输送物料环形空间A中的物料、辅助燃料环形空间B中的辅助燃料和氧气环形空间C中的氧气进入反应器内部。

相应地，蒸发壁6与物料筒体5内壁之间也可为冷却水双螺旋通道，也即本发明反应器的上部和中部设置有两层螺旋壁面及一层物料筒体5。冷却水双螺旋通道以连接结构Ⅰ8为界线分为上下连通的两部分；蒸发壁6内表面负载不同的壁面催化材料，蒸发壁6与连接结构8内侧的二次进料环形槽F形成辅助燃料和辅助氧气的环形空间，且蒸发壁6在该二次进料环形槽F处开设有多排小孔，环形空间内的辅助燃料和辅助氧气通过该小孔射入反应器内部，辅助燃料的环形空间与辅助燃料二次注入口N4连通，辅助氧气的环形空间与氧气二次注入口N5连通。

具体地，参考图5，连接结构Ⅰ8分别与氧气筒体4、物料筒体5、蒸发壁6、分体承压壁7上中部相配合，物料通道3和氧气通道G均在连接结构Ⅰ8处上下相通；此外，连接结构Ⅰ8中设置有蒸发壁流体通道，用于实现冷却水双螺旋通道上下方的流体相互连通。反应器左右两边的连接结构Ⅰ8中央打孔，可分别注入氧气和辅助燃料，实现辅助燃料、氧气在反应器的二次注入，其分别进入连接结构Ⅰ8内部的环形空间后经蒸发壁6上的小孔均匀射入反应器中。此外在右侧的连接结构Ⅰ8中有一股氧气进入氧气通道进行预热。

参考图6，连接结构Ⅱ9上部分别与物料筒体5、蒸发壁6、分体承压壁7中部相配合，连接结构Ⅱ9下部与反应器内壁18和分体承压壁7下部相配合，物料通道3在连接结构Ⅱ9处上下相通。反应器左右两侧的连接结构Ⅱ9分别设置有蒸发壁流体入口N7和蒸发壁流体出口N6。

而在分体承压壁7下部则设置有连通物料通道3的下部物料入口N8，分体承压壁7下部与反应器内壁18相配合形成物料通道3的预热区，预热区内部设置有叶片式螺旋肋10。

反应开始时，通过辅助燃料注入口N1和氧气注入口N2注入预热的辅助燃料及氧气，预热的辅助燃料进入端盖14和喷嘴基台15形成的环形空间，随后通过圆环通道进入反应器，与经外扩结构17进入到反应器中的氧气均匀混合并发生燃烧，释放大量热量并对反应器进行预热。

之后通过下部物料注入口N8向反应器中注入物料，其在反应器下部的分体承压壁7和反应器内壁18相配合形成的物料通道中与反应后的流体进行换热，并通过设置的叶片式螺旋肋10增强换热，随后不断向上流动，进入上部环形空间后经圆环通道进入反应器。

辅助燃料、氧气通过辅助燃料二次注入口N4、氧气二次注入口N5注入反应器中，用于强化废有机废物的降解。另有一股氧气由氧气筒体4形成的氧气螺旋通道和向上输送至反应器顶部，并通过顶部端盖14上的孔道进入相应的环形空间中，进而进入到反应器中进行反应。与此同时，蒸发壁流体注入口N7中通入高温流体并进而流入双螺旋通道中，在反应器内壁面形成亚/超临界水水膜或气膜。由于蒸发壁筒体6为双螺旋通道，冷却水经一条通道流入反应器顶部时，经顶部相连通的另一条通道向下流，由蒸发壁流体出口N6流出。

反应过后的反应产物在反应器下部与外部进料进行换热冷却，反应产物在得到降温后由反应出水出口N9排出。

综上，本发明公开了一种集物料预热-污染物多级强化降解-腐蚀防控多功能于一体的超临界水反应器，其外部端盖、分体承压壁之间通过密封零件、连接结构实现超临界压力下紧密连接。端盖设置于分体承压壁上端，端盖底部中心处设置有同轴喷嘴基台，端盖与喷嘴基台间巧妙配合构成多个反应物环形空间。反应器上设置有多级氧气、辅助燃料注入口，以强化反应过程。该装置设置有蒸发壁结构，通过蒸发壁在反应器内部形成亚/超临界水膜或高温气膜，有效减缓了反应器内壁面的腐蚀并使反应器的温度得到了有效维持。该装置还实现了有机废物与反应产物在反应器本体中进行换热，充分利用了反应放热，有效减少了预热过程中的热量消耗。

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保护范围之内。