專利名稱：采用波紋管的超臨界水氧化法污水處理反應器.的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及了一種超臨界水氧化法污水處理反應器，特別適用于采用波紋管的超臨界水氧化法污水處理反應器。
超臨界水氧化法污水處理技術(shù)是近年來受到高度關(guān)注的一種處理有機廢物和廢水的極具優(yōu)勢的技術(shù)，具有反應速度快，反應完全和無二次污染等特點。幾乎可用于處理各種濃度的有機廢水。但其苛刻的反應條件(T＞374℃,P＞22.1Mpa)，對金屬具有較強的腐蝕性，對設(shè)備材質(zhì)有較高要求，使得超臨界水中材料的防腐技術(shù)成為該技術(shù)發(fā)展的一個關(guān)鍵問題。由于屬于高溫高壓技術(shù)，如果設(shè)備的建造全部使用特殊材質(zhì)金屬，將引起投資成本的急劇上升，為降低本同時為滿足超臨界氧化反應的需求，反應器需要采用特殊的選材、設(shè)計和制作技術(shù)。為此研究和了解材料在該環(huán)境下的腐蝕行為成為工程設(shè)計的重要步驟。超臨界水氧化反應處于特殊的高溫高壓和高氧濃度狀態(tài)。當Na+、H+、CI-、F-、NH+4等離子出現(xiàn)時腐蝕更為嚴重。一些國際研究機構(gòu)針對可能用于反應器的材料，如不銹鋼、鎳基超合金、鈦及鈦合金、鉑及鉑合金、陶瓷等做了大量相關(guān)的基礎(chǔ)研究工作。當前，國際上投入了越來越多的人力和物力致力于本技術(shù)的發(fā)展，許多的科學研究和工程技術(shù)側(cè)重于各種各樣設(shè)計方式的超臨界反應器的開發(fā)，以設(shè)法解決高溫高壓下設(shè)備材質(zhì)的腐蝕和結(jié)垢問題以及其它工藝問題，但其中有相當數(shù)量僅是一種設(shè)想，不僅難以加工、建造，而且也存在一定的科學問題。目前國際上發(fā)展得最成熟、考慮得最為周全的反應器設(shè)計方法是采用了所謂發(fā)散或發(fā)汗冷卻技術(shù)形成保護性水膜，將反應容器的內(nèi)壁與主反應區(qū)的高溫腐蝕環(huán)境相隔離開，減輕超臨界流體對高壓容器管壁的腐蝕和結(jié)垢，實際上這是起源于一種燃氣渦輪機燃燒室防高溫腐蝕設(shè)計的技術(shù)，并已用在一些實際的中試設(shè)備中，但其需要高達7層具有一定分布規(guī)律的交錯開孔結(jié)構(gòu)的金屬材料緊密偶合來滿足水膜成型和壓力平衡，以形成水冷壁，無疑增加了加工難度和制造成本，特別是如果發(fā)汗冷卻孔分布規(guī)律和反應器內(nèi)部流體力學特征不一致，或者加工造成偏差，或者反應區(qū)工況發(fā)生改變，將會在其水冷壁不同位置出現(xiàn)水膜斷流或分布起伏，造成局部過熱和結(jié)垢，形成惡性循環(huán)，很可能使外圍承壓部件溫度過高而引起危險。
本實用新型為此提供了一種避免上述種種問題的用于超臨界水氧化反應的反應器。
本實用新型的目的是通過如下技術(shù)方案來實現(xiàn)的本實用新型由承壓部件、密封件、反應區(qū)、污水入口及潔凈水出口等組成，其特征在于在反應器內(nèi)部設(shè)置有超臨界反應區(qū)，亞臨界氧逸出區(qū)和固、液、氣分離區(qū)；于超臨界反應區(qū)設(shè)置數(shù)根用于承載超臨界反應流體的波紋管，且在其外充滿潔凈水；在反應器的上端設(shè)有一內(nèi)置式噴嘴。
本實用新型還可以把作為承載超臨界反應流體的反應區(qū)套管的波紋管采用三根波紋管平行放置，波紋管兩兩相切，三根波紋管夾角互為120°的波紋管，其波紋管采用較薄的特殊金屬材料制造。作為加溫用的三根中溫熱管，放置在任意兩根波紋管和鈦制隔離罩相切形成的空間內(nèi)，在三根波紋管相切形成的中間區(qū)域內(nèi)設(shè)置了熱電偶測溫裝置。
本實用新型所述的噴嘴內(nèi)部為雙環(huán)狀框體，并預留空間形成靜壓箱。噴嘴采用環(huán)狀和多點狀噴霧區(qū)開口結(jié)構(gòu)。
本實用新型在反應器上端法蘭處，通過噴嘴中心位置設(shè)有一較細的承壓熱電偶套管，其內(nèi)壁為鋼材，外壁為鈦材，熱電偶插入其中。
本實用新型反應器外殼和波紋管區(qū)之間設(shè)有AI2O3陶瓷管狀隔熱層，在陶瓷管內(nèi)壁設(shè)有鈦制隔離罩，并在AI2O3陶瓷管外壁，設(shè)置有間距以流通冷卻水。AI2O3陶瓷管外壁和外殼承壓鋼管之間通入高壓循環(huán)冷卻水，由一管狀金屬隔層和反應出水隔開。數(shù)根波紋管之間形成的間隙，充滿A1203陶瓷管內(nèi)壁鈦制隔離罩內(nèi)的空間。
本實用新型反應器用較細的、普通的不銹鋼制厚壁銅管，用較薄的的鈦制或鎳基超合金耐腐蝕金屬制作反應器內(nèi)襯。反應后的處于亞臨界的高溫高壓潔凈水，從亞臨界區(qū)底端返回。
本實用新型充分利用了波紋管的特點，即1．流體在其中形成紊流，阻礙邊界層形成，使傳熱性能大大提高，一般傳熱系數(shù)比光管提高一倍以上；2．由于兩側(cè)面形成素流，不容易在表面上沉積污垢，具有一定的自清潔能力；3．波紋管本身能承受熱變形，吸收熱應力。
本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有制造成本低，拆裝便捷，耐腐蝕、防垢，安全等優(yōu)點。
本實用新型的
如下
圖1為本實用新型超臨界水反應器結(jié)構(gòu)圖。
圖2為本實用新型的剖面結(jié)構(gòu)圖。
圖3為本實用新型的內(nèi)置式噴嘴結(jié)構(gòu)圖。
以下結(jié)合附圖說明對本實用新型作進一步詳細的描述如圖1所示，本實用新型的承壓部件18選用普通不銹鋼制厚壁銅管，密封件使用4組高壓法蘭。在反應器頂端設(shè)有污水入口1、高壓氧入口2和冷卻水進口20。在反應器內(nèi)部設(shè)有超臨界反應區(qū)19，亞臨界氧逸出區(qū)14和固、液、氣分離區(qū)10，并在反應器下端設(shè)有剩余氧出口11、潔凈水出口12、冷卻水出口21和濃渣排污口13。在反應器上端設(shè)有一內(nèi)置式噴嘴3，噴嘴3內(nèi)部為雙環(huán)狀框體，并預留足夠的空間形成靜壓箱，使加至高壓的污水和氧氣在噴射過程中壓力穩(wěn)定，并使射流有一定的角度，互相碰撞霧化，噴嘴3底部的開孔4使形成的噴霧區(qū)正好落入下設(shè)的各波紋管5內(nèi)，以進行超臨界氧化反應。在反應器上端法蘭處，通過噴嘴3中心位置設(shè)有一較細的復合材料制的承壓熱電偶套管，其內(nèi)壁為鋼材，外壁為鈦材，可將熱電偶9插入其中，上下移動，以測量各處溫度。如圖2所示，利用波紋管5具有傳熱系數(shù)高、換熱量大、不易結(jié)垢等優(yōu)點，使用三根平行放置、兩兩相切，夾角互為120°的鈦制波紋管5作為承載超臨界反應流體的反應區(qū)，管程流通超臨界反應流體。在反應器外殼18和波紋管5之間設(shè)有一AI2O3陶瓷管狀隔熱層15，在陶瓷管內(nèi)壁設(shè)有一鈦制隔離罩16，并在AI2O3陶瓷管15外壁和外層承壓厚壁銅管18間，設(shè)置有適當間距以流通冷卻水空間17。并使冷卻水的壓力和波紋管5內(nèi)的超臨界流體壓力保持一致，使波紋管基本不承壓。使用三根中溫熱管7作為加溫用，放置在任意兩根波紋管5和鈦制隔離罩16相切行成的空間內(nèi)，在機組啟動前，在此空間內(nèi)充滿了純凈水8作為載熱體，隨后反應后的處于亞臨界的高溫高壓潔凈水，將會從亞臨界區(qū)底端的開孔返回數(shù)根波紋管5之間形成的間隙，充滿AI2O3陶瓷管15內(nèi)壁鈦制隔離罩16內(nèi)的空間(這一開孔同時也使得波紋管內(nèi)外壓力平衡)，熱管7將外部加熱能量以超音速傳至此區(qū)域，水在熱管7的加熱下重新成為超臨界水，利用超臨界水良好的傳熱性質(zhì)，將熱管7傳來的能量和波紋管5內(nèi)的廢水、氧的混合物進行強化換熱，使污水和氧在臨界溫度以上進行反應。反應產(chǎn)物經(jīng)一定管程，在冷卻水17的熱交換作用下，溫度降至臨界溫度以下，水變?yōu)橐簯B(tài)，一同進入反應器中的固、液、氣分離區(qū)10，在這里通過剩余氧出口11，將氧分離出來供循環(huán)使用。反應后的高焓值高溫高壓水可通過潔凈水出口12流出，而反應后沉降的無機鹽可從濃渣排污口13排出。
本實用新型的工作過程，是經(jīng)過反應器外部第一級加熱至接近臨界溫度而在臨界溫度以下的高溫高壓污水和高壓氧分別通過設(shè)在超臨界反應器上端的污水入口1和氧入口2同時進入設(shè)置在反應器上端的一內(nèi)置式噴嘴3，并通過噴嘴內(nèi)部下端設(shè)置的噴孔4形成噴射，射流設(shè)計有一定的角度，使污水和氧互相碰撞霧化后通過噴嘴底部的開孔形成的噴霧區(qū)正好落入下設(shè)的各波紋管5內(nèi)的超臨界水反應區(qū)19。噴嘴內(nèi)部設(shè)有一測溫孔6用于插入熱電偶以測量反應器內(nèi)部的溫度。此時從反應器下端插入的重力熱管7的冷凝段將反應器外部的能量傳至波紋管5外部充滿潔凈水的區(qū)域8，此區(qū)域的水在熱管7的加熱下重新成為超臨界水，利用超臨界水良好的傳熱性質(zhì)，將熱管7傳來的能量和波紋管5內(nèi)的廢水、氧的混合物進行強化換熱，使污水和氧在臨界溫度以上進行反應。反應產(chǎn)物經(jīng)亞臨界區(qū)14一定管程，在冷卻水17的熱交換作用下，溫度降至臨界溫度以下，水變?yōu)橐簯B(tài)，一同進入反應器中的固、液、氣分離區(qū)10，在這里通過剩余氧出口11，將氧分離出來供循環(huán)使用。反應后的高燴值高溫高壓水通過潔凈水出口12流出，而反應后沉降的無機鹽從濃渣排污口13排出。在反應器外殼和波紋管之間設(shè)有一AI2O3陶瓷管狀隔熱層15，在陶瓷管內(nèi)壁設(shè)有一鈦制隔離罩16，并在AI2O3陶瓷管外壁和外層承壓厚壁銅管18間，設(shè)置有適當間距17以流通冷卻水。和高壓污水同樣壓力的冷卻水在污水和高壓氧進入反應器的同時也通過冷卻水入口20進入冷卻水循環(huán)空間17，通過一管狀金屬隔層22和反應出水進行一定的熱交換，同時反應區(qū)熱量也有少部分傳至冷卻水，使其成為一種超臨界態(tài)，由于超臨界水具有較高的定壓比熱容(在臨界點附近趨近于無窮大)，是一種極好的熱載體和熱緩沖介質(zhì)，可保證承壓鋼管溫度恒定，不超出承壓等級要求，起到冷卻和恒定外殼承壓鋼管溫度，保證設(shè)備安全的作用，隨后帶走一部分熱量，從冷卻水出口21流出。
權(quán)利要求1.一種采用波紋管的超臨界水氧化法污水處理反應器，由承壓部件、密封件、反應區(qū)、污水入口及潔凈水出口等組成，其特征在于在反應器內(nèi)部設(shè)置有超臨界反應區(qū)，亞臨界氧逸出區(qū)和固、液、氣分離區(qū)；于超臨界反應區(qū)設(shè)置數(shù)根用于承載超臨界反應流體的波紋管，且在其外充滿潔凈水；在反應器的上端設(shè)有一內(nèi)置式噴嘴。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用波紋管的超臨界水氧化法污水處理反應器，其特征在于所述作為承載超臨界反應流體的反應區(qū)套管的波紋管采用三根波紋管平行放置，波紋管兩兩相切，三根波紋管夾角互為120°的波紋管，其波紋管采用較薄的特殊金屬材料制造。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的采用波紋管的超臨界水氧化法污水處理反應器，其特征在于作為加溫用的三根中溫熱管，放置在任意兩根波紋管和鈦制隔離罩相切形成的空間內(nèi)，在三根波紋管相切形成的中間區(qū)域內(nèi)設(shè)置了熱電偶測溫裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用波紋管的超臨界水氧化法污水處理反應器，其特征在于所述的噴嘴內(nèi)部為雙環(huán)狀框體，并預留空間形成靜壓箱。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的采用波紋管的超臨界水氧化法污水處理反應器，其特征在于噴嘴采用環(huán)狀和多點狀噴霧區(qū)開口結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用波紋管的超臨界水氧化法污水處理反應器，其特征在于在反應器上端法蘭處，通過噴嘴中心位置設(shè)有一較細的承壓熱電偶套管，其內(nèi)壁為鋼材，外壁為鈦材，熱電偶插入其中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用波紋管的超臨界水氧化法污水處理反應器，其特征在于在反應器外殼和波紋管區(qū)之間設(shè)有AI2O3陶瓷管狀隔熱層，在陶瓷管內(nèi)壁設(shè)有鈦制隔離罩，并在Al2O3陶瓷管外壁，設(shè)置有間距以流通冷卻水。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的采用波紋管的超臨界水氧化法污水處理反應器，其特征在于Al2O3陶瓷管外壁和外殼承壓鋼管之間通入高壓循環(huán)冷卻水，由一管狀金屬隔層和反應出水隔開。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用波紋管的超臨界水氧化法污水處理反應器，其特征在于的反應器用較細的、普通的不銹鋼制厚壁銅管，用較薄的的鈦制或鎳基超合金耐腐蝕金屬制作反應器內(nèi)襯。
專利摘要本實用新型涉及了一種超臨界水氧化法污水處理反應器,本實用新型由承壓部件、密封件、反應區(qū)、污水入口及潔凈水出口等組成,其特征在于在反應器內(nèi)部設(shè)置有超臨界反應區(qū),亞臨界氧逸出區(qū)和固、液、氣分離區(qū);于超臨界反應區(qū)設(shè)置數(shù)根用于承載超臨界反應流體的波紋管,且在其外充滿潔凈水;在反應器的上端設(shè)有一內(nèi)置式噴嘴。本實用新型具有制造成本低,拆裝便捷,耐腐蝕、防垢,安全等優(yōu)點。
文檔編號C02F1/72GK2461918SQ0026871
公開日2001年11月28日 申請日期2000年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月29日
發(fā)明者郭捷, 謝鴻森, 楊國勝, 李文蔚, 劉永剛 申請人:深圳市寶利達實業(yè)有限公司, 郭捷, 中國科學院地球化學研究所