一种可实现控温控压的超临界水热燃烧装置
阅读说明：本技术 一种可实现控温控压的超临界水热燃烧装置 (Supercritical hydrothermal combustion device capable of realizing temperature control and pressure control ) 是由 王树众 赫文强 李艳辉 蒋卓航 贺超 李紫成 崔成超 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可实现控温控压的超临界水热燃烧装置,包括发生器端盖、掺混筒体、反应器器壁和螺旋冷却筒体四部分。反应器端盖底部设置有喷嘴平台,喷嘴平台上开设有氧化剂螺旋喷口,并螺纹连接雾化喷嘴以保证燃料与氧化剂混合均匀。连接筒体内部设置有保温槽以保证燃料被加热棒加热到设定温度。冷却螺旋通道中的水向下流动对燃烧室进行冷却,随后进入掺混螺旋通道,与经掺混筒体出口孔群流出的反应流体混合,达到控温目标。燃烧室中部缩口结构,燃烧室底部收口结构以及掺混筒体出口孔群等可以达到控压目的。(The invention discloses a supercritical water heat combustion device capable of realizing temperature and pressure control, which comprises four parts, namely a generator end cover, a mixing cylinder, a reactor wall and a spiral cooling cylinder. The bottom of the end cover of the reactor is provided with a nozzle platform, the nozzle platform is provided with an oxidant spiral nozzle, and the nozzle platform is in threaded connection with an atomizing nozzle to ensure that fuel and oxidant are uniformly mixed. The connecting cylinder is internally provided with a heat preservation groove to ensure that the fuel is heated to a set temperature by the heating rod. The water in the cooling spiral channel flows downwards to cool the combustion chamber, then enters the mixing spiral channel to be mixed with the reaction fluid flowing out from the outlet hole group of the mixing cylinder body, and the temperature control target is achieved. The middle necking structure of the combustion chamber, the bottom necking structure of the combustion chamber, the mixing cylinder outlet hole group and the like can achieve the purpose of pressure control.)
技术领域
本发明属于超临界水氧化技术领域，特别涉及一种可实现控温控压的超临界水热燃烧装置。
背景技术
超临界水是指温度和压力均高于其临界点(Tc＝374.15℃，pc＝22.12MPa) 的特殊状态的水。当水的温度和压力均超过其临界点时，诸如密度、粘度、介电常数、离子积等水的理化性质将会发生剧烈变化。其中，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。另外，超临界水的粘度明显低于常规水的粘度，这使得扩散系数提升，传质性能改善，使得超临界水可与非极性气体和碳氢化合物等完全混溶，形成一种均相体系。但是，无机盐在超临界水中的解离常数和溶解度却很低。
超临界水氧化技术(Supercritical Water Oxidation，SCWO)由美国学者 Modell在上世纪80年代提出。该技术借助于超临界水的这些独特性质，使完全溶解在其中的有机物与氧化剂快速彻底地进行反应。其中，有机物中的碳元素转化成二氧化碳，氯、硫、磷等元素转化成相应的无机盐，氮元素绝大多数转化成氮气，从而实现有机废弃物的高效无害化处理。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，即使超临界水氧化技术具有诸多优点，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腐蚀和盐沉积问题成为当前SCWO 商业化最大的阻碍。具体表现有：
(1)超临界水氧化反应条件苛刻，反应需要在较高的温度及压力环境下进行。对于常规的管式反应器，反应器的管壁需要承受600-700℃高温以及25MPa 的高压，其必须采用Ni合金等耐高温材料并通过增加壁厚实现，这导致了反应器建造成本的升高。
(2)预热装置能量需求大，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，但在设备运行过程中依然需要外部热源对反应物和氧化剂进行预热。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。
(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、磷等杂原子在反应过程中会生成相应的酸，进一步引起设备的腐蚀。
(4)盐沉积问题。常温下，大多数无机盐可以溶解在水中。但是，在高温高压环境中，随着水理化性质的剧烈改变，大多数无机盐的溶解度极低。当溶液从亚临界温度加热到超临界温度时，会导致原先溶解在水中的无机盐大量析出，从而引起预热器和反应器进出口管路的堵塞，影响反应器的正常运行，甚至存在极大的安全隐患。
(5)反应产物处理问题。传统的超临界水氧化反应产物温度压力过高，不能直接进行取样或处理。需要通过换热器进行降温处理，通过背压阀等装置进行降压处理。增加了装置运行成本和占地面积。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，至少解决上述技术问题之一，本发明的目的在于提供一种可实现控温控压的超临界水热燃烧装置，其利用加热棒对燃料进行加热，省去了燃料在反应器外部的预热设备。利用保温槽进行保温，保证了加热效率。在反应器点火操作之前，进行冷却水温度的调整，使其具有较高的温度，以维持燃烧室内的高温环境，保证反应器内顺利点火并实现稳定燃烧。此外，其利用螺旋冷却筒体对反应器主体进行冷却，避免了反应放热导致的高温腐蚀问题，冷水与超临界水接触的地方可以降低温度，重新溶解无机盐，达到防止盐沉积的目的。掺混冷却水和缩口、出口等压力控制结构使掺混室温度压力降低，便于产物收集处理。除此之外，该燃烧装置还具备拆装方便，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：
一种可实现控温控压的超临界水热燃烧装置，包括反应器端盖及反应器器壁，所述反应器器壁上部依次内嵌安装螺旋冷却筒体和掺混筒体，螺旋冷却筒体外壁设置冷却螺旋通道，反应器端盖适配安装于掺混筒体的顶端，反应器端盖上有与掺混筒体连通的燃料入口和氧化剂入口，掺混筒体的底端开有出口孔群与反应器器壁的下部连通，冷却螺旋通道的出水口与反应器器壁的下部连通，由此在掺混筒体中形成燃烧室，在反应器器壁的下部形成掺混室。
在其中一个实施例中，所述反应器端盖中设置有轴向的连接筒体，连接筒体内置加热棒，连接筒体内壁与加热棒之间有环柱形的间隙一，连接筒体外壁与反应器端盖之间有环柱形的间隙二，所述燃料入口和氧化剂入口分别通过间隙一和间隙二与掺混筒体连通。
在其中一个实施例中，所述反应器端盖的底端设置喷嘴平台，连接筒体的底端连接于喷嘴平台的顶端，喷嘴平台螺纹连接燃料雾化喷嘴，且开设有氧化剂螺旋喷口，其中燃料雾化喷嘴入口端和氧化剂螺旋喷口入口端分别连通所述间隙一和所述间隙二，出口均位于燃烧室的顶端。
在其中一个实施例中，所述连接筒体内部设置有保温槽，保温槽内置隔热陶瓷管作为保温装置。
在其中一个实施例中，所述掺混筒体的外壁下部设置有掺混螺旋通道，冷却螺旋通道的出口端与掺混螺旋通道连通，所述掺混螺旋通道的出口位于掺混室上部。
所述掺混筒体的内部空间由上柱状空间和下柱状空间组成，其中上柱状空间的截面面积大于下柱状空间的截面面积，在两空间交界处形成缩口结构。
所述掺混筒体的内壁上部设置燃烧室筒体，燃烧室筒体的内部空间即所述上柱状空间，所述下柱状空间的底端呈锥形，形成收口结构，出口孔群分布于锥面。
在其中一个实施例中，所述燃料包括但不限于原油、柴油、汽油、煤浆、乙醇及其组合；所述氧化剂包括但不限于氧气、双氧水及其组合。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、针对当前超临界水氧化反应预热装置能量需求大，反应系统经济性不高的问题。本发明在反应器顶端设有加热棒，燃料从燃料入口进入后，加热棒在直孔内对其进行加热，省去了燃料在反应器外部的预热设备，避免了预热后进入反应器过程中的热损失，保证了燃料温度。燃料经过雾化喷嘴进入燃烧室后，与氧化剂均匀混合，进行水热燃烧，作为反应器的内部热源，可以实现燃料的低温入射，大大减少了能量消耗，并从根本上解决了燃料在预热器中的腐蚀、盐沉积问题。
2、本燃烧装置采用超临界水热燃烧，配合有雾化喷嘴、螺旋喷口等强化措施，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。本装置创新性的设计有螺旋冷却筒体，冷却水在其与反应器器壁之间形成的冷却螺旋通道中向下流动对燃烧室进行冷却，保证反应器内部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。另外，冷却水进入掺混螺旋通道，与经掺混筒体出口孔群流出的反应流体在掺混室内混合，并借助缩口、出口等压力控制结构，达到控温控压的效果。
4、本装置创新性的在连接筒体内部设置有保温槽，实现对连接筒体内预热燃料的保温，从而保证加热棒的加热效果，实现装置稳定起燃。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是本发明反应器端盖结构示意图。
图3是本发明反应器端盖内设置部件的结构示意图。
其中：1.反应器端盖；2.大型螺栓组；3.掺混筒体；4.反应器器壁；5.燃烧室筒体；6.螺旋冷却筒体；7.加热棒；8.燃料入口；9.连接筒体；10.保温槽；11.氧化剂入口；12.喷嘴平台；13.雾化喷嘴；14.氧化剂螺旋喷口；15.壁面冷却水入口；16.冷却螺旋通道；17.掺混螺旋通道；18.掺混筒体出口孔群；19.底部出口；A1.燃烧室；A2.掺混室。
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。
如图1所示：一种可实现控温控压的超临界水热燃烧装置，主要由反应器端盖1、反应器器壁4、螺旋冷却筒体6和掺混筒体3组成。
其中，掺混筒体3和螺旋冷却筒体6自内而外安装在反应器器壁4的上部，螺旋冷却筒体6内壁与掺混筒体3的外壁紧贴，外壁与反应器器壁4之间设置冷却螺旋通道16。反应器端盖1适配安装于掺混筒体3的顶端，燃料入口8和氧化剂入口11均与掺混筒体3连通，并在其中燃烧，掺混筒体3的底端开有出口孔群18，并通过出口孔群18与反应器器壁4的下部连通，冷却螺旋通道16 的出水口与反应器器壁4的下部连通，由此，在掺混筒体3中形成燃烧室A1，在反应器器壁4的下部形成掺混室A2。
在一个实施例中，反应器端盖1是重要部件，燃料入口8和氧化剂入口11 设于其上，并分别独立地与燃烧室A1连通，在燃烧室A1中混合燃烧。
在一个实施例中，反应器端盖1中设置有轴向的连接筒体9，连接筒体9内置加热棒7，连接筒体9内壁与加热棒7之间有环柱形的间隙一，连接筒体9外壁与反应器端盖1之间有环柱形的间隙二，燃料入口8和氧化剂入口11分别通过间隙一和间隙二与掺混筒体3连通。
在一个实施例中，反应器端盖1的底端设置喷嘴平台12，喷嘴平台12上开设有氧化剂螺旋喷口14，并螺纹连接燃料雾化喷嘴13。其中燃料雾化喷嘴13 入口端和氧化剂螺旋喷口14入口端分别连通燃料入口8和氧化剂入口11，出口均位于燃烧室A1的顶端。
在一个实施例中，喷嘴平台12的上部环绕连接筒体9可形成一个环形的氧化剂缓存空间。
由此，燃料从燃料入口8进入后，通过加热棒7在连接筒体9内对其进行加热，加热后的燃料通过燃料雾化喷嘴13射入燃烧室A1；氧化剂从氧化剂入口11进入到氧化剂缓存空间内，通过氧化剂螺旋喷口14进入燃烧室A1，在此完成与燃料的均匀混合。
在一个实施例中，加热棒7、燃料入口8、连接筒体9、氧化剂入口11同轴布置并通过螺纹连接。示例地，连接筒体9位于反应器端盖1上部并穿过反应器端盖1，底部与喷嘴平台12通过螺纹连接，其内部设置有保温槽10，对燃料进行保温。
在一个实施例中，可在掺混筒体3内的上部安装燃烧室筒体5，由反应器端盖1、掺混筒体3、燃烧室筒体5装配得到燃烧室A1，其中大型螺栓组2穿过反应器端盖1，进入掺混筒体3，将二者进行固定连接。燃烧室筒体5则通过反应器端盖1的上部紧压和掺混筒体3的外部紧压进行固定。
在一个实施例中，掺混筒体3的内部空间由上柱状空间和下柱状空间组成，其中上柱状空间的截面面积大于下柱状空间的截面面积，从而在两空间交界处形成缩口结构。示例地，燃烧室筒体5的内部空间即所述上柱状空间。
在一个实施例中，下柱状空间的底端呈锥形，形成收口结构，出口孔群18 由多个出口孔组成，这些出口孔均匀分布于锥面。
本发明中，由掺混筒体3、反应器器壁4配合得到掺混室A2。
在一个实施例中，掺混筒体3与外部的螺旋冷却筒体6通过螺纹连接，螺旋冷却筒体6外部连接反应器器壁4。反应器主体通过外部的螺旋冷却筒体6进行冷却，冷却水经反应器壁面冷却水入口15进入后，在螺旋冷却筒体6和反应器器壁4之间形成的冷却螺旋通道16中向下流动对燃烧室A1进行冷却。此外，为保证顺利点火并实现稳定燃烧，其冷却水温度可调，在点火操作时，冷却水温度较高，维持燃烧室A1内的高温环境。
在一个实施例中，掺混筒体3的外壁下部设置有掺混螺旋通道17，冷却螺旋通道16的出口端与掺混螺旋通道17连通，掺混螺旋通道17的出口位于掺混室A2上部。
在一个实施例中，本发明水热燃烧装置内部涉及多种压力控制结构：燃烧室A1中部有一缩口结构，燃烧室A1底部为收口结构，反应后流体通过掺混筒体出口孔群18流出，其后与掺混螺旋通道17流出的冷却水在掺混室A2进行调温调压，底部出口19为一收口结构。
根据以上结构，本发明的工艺流程如下：
在反应开始前先通过壁面冷却水入口15通入温度较高的冷却水，维持燃烧室A1内的高温环境。反应开始时，超临界压力下一定浓度的燃料经燃料入口8 进入反应器，通过加热棒7在直孔内对其进行加热，加热后的燃料通过喷嘴平台12上设置的雾化喷嘴13射入燃烧室A1，超临界压力下氧化剂经氧化剂入口 11进入到喷嘴平台12和反应器端盖1之间的环形空间内，通过喷嘴平台12上开设的氧化剂螺旋喷口14进入燃烧室A1，与燃料混合均匀，随后产生超临界水热火焰。
待水热火焰稳定后，此外，冷却水经壁面冷却水入口15进入，其在螺旋冷却筒体6和反应器器壁4之间形成的冷却螺旋通道16中向下流动对燃烧室进行冷却，随后进入掺混螺旋通道17，与经掺混筒体出口孔群18流出的反应流体在掺混室A2中混合，实现调温调压，最后经底部出口19流出。
综上，本发明公开了一种可实现控温控压的超临界水热燃烧装置，其主要由反应器端盖、掺混筒体、反应器器壁、螺旋冷却筒体等四大主体构件组成。反应器端盖上部设有燃料入口、氧化剂入口、加热棒和连接筒体，反应器端盖底部设置有喷嘴平台，喷嘴平台上开设有氧化剂螺旋喷口，并螺纹连接雾化喷嘴。装置内部包括燃烧室和掺混室。燃烧室由反应器端盖、掺混筒体、燃烧室筒体配合而成，其中反应器端盖和掺混筒体通过大型螺栓组连接，燃烧室筒体通过反应器端盖和掺混筒体的紧压固定。掺混室由掺混筒体、反应器器壁配合而成，掺混筒体外通过螺纹连接有螺旋冷却筒体，螺旋冷却筒体外部连接有反应器器壁。该装置内部涉及多种缩口、收口压力控制结构，可以达到外部控压的目的。该装置还实现了燃料在反应器内通过加热棒加热，冷却水通过冷却螺旋通道对燃烧室的冷却，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，可以达到外部控温的目的。
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。
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