一种用于超临界水热燃烧反应器的气液混合装置的制作方法

本实用新型涉及超临界水热燃烧技术,具体涉及一种用于超临界水热燃烧反应器的气液混合装置。

背景技术：

超临界水氧化是在温度、压力高于水的临界温度(374.2℃)、临界压力(22.05MPa)条件下，利用超临界水的特性，使有机物在超临界水均相条件下发生的以水、二氧化碳为主要产物的氧化反应。在超临界水氧化反应过程中，碳类有机物被完全氧化成二氧化碳和水，含氮元素的有机化合物氧化成N2、N2O等无害物质，卤素原子转化成卤化物离子，硫和磷分别转化为硫酸盐和磷酸盐等盐类，因此超临界水氧化技术是一种有效的处理高浓度难生物降解、有毒有害、含有致癌、致畸、致突变“三致”物质的污水以及污泥绿色技术。

超临界水氧化技术产业化主要面对的核心问题是防腐蚀问题，这不仅仅包括反应器本身的防腐也包括管道、阀门和换热器等附属系统的防腐蚀问题。尽管超临界水氧化反应器本身可以采取渗透壁等方法进行有效防腐，但由于只有超临界条件反应才能开始，因此需要提前将物料预热至超临界状态，使得在管道和换热器中易引发析碳、结焦和盐的沉积等问题，进而导致传热恶化和堵塞，引起安全事故。

超临界水热燃烧(Supercritical hydtothermal combustion,SCHC)是指燃料或一定浓度的有机物与氧化剂在超临界水中发生的剧烈氧化反应并产生水-热火焰的一种新型燃烧方式。当用水热火焰作为在超临界水氧化反应器内部的热源时，反应器进口物料就无须预热至超临界温度，从而避免了上述超临界水氧化过程所存在的问题，提高了系统的整体可靠性。有必要研发出合适的可以利用该原理的超临界水热燃烧设备。

技术实现要素：

根据上述领域的空白和需求，本实用新型提供一种有效的辅助燃料与氧化剂、进料与氧化剂的混合装置，使气液物料能在超临界水条件下快速形成稳定的水热火焰。

本实用新型所采用的技术方案：

一种用于超临界水热燃烧反应器的气液混合装置，包括筒状管体(12)，其特征在于：

所述筒状管体(12)中设置有相互独立的燃料导入管道(1-1)、第一氧化剂导入管道 (2-1)、物料导入管道(3-1)；

所述筒状管体(12)的下部内腔中设置有燃烧室(06)；

所述燃料导入管道(1-1)设置在所述筒状管体(12)的中央，其上端为液体燃料进口(01)，设置在所述筒状管体(12)顶部，其下端出口对着所述燃烧室(06)设置有燃料雾化喷嘴(05)；

所述第一氧化剂导入管道(2-1)的下端对着所述燃烧室(06)，所述燃烧室(06)的底端出口设在所述筒状管体(12)的下端；

所述物料导入管道(3-1)至少对应所述燃烧室的位置与燃烧室(06)形成同轴嵌套式管道，使得进入所述物料导入管道(3-1)的物料能与燃烧室(06)进行热交换；所述物料导入管道(3-1)的底端出口设在所述筒状管体(12)的下端，且设置有进料雾化喷嘴(07)。

优选地，所述燃料导入管道(1-1)以可拆卸方式从所述筒状管体(12)的顶部插装在所述筒状管体(12)中。便于对燃料雾化喷嘴(05)进行维修。

优选地，所述燃料导入管道(1-1)以可拆卸方式从所述筒状管体(12)的顶部插装在所述筒状管体(12)中。便于对燃料雾化喷嘴(05)进行维修。

优选地，所述筒状管体(12)中还设置有与其它管道相对独立的第二氧化剂导入管道 (4-1)，所述第二氧化剂导入管道(4-1)的上端为第二氧化剂进口(04)，设在所述筒状管体(12)的侧壁上，下端出口设置在设在所述筒状管体(12)的下端。

优选地，所述第二氧化剂导入管道(4-1)与物料导入管道(3-1)为同轴嵌套结构，且处于物料导入管道(3-1)的外层。

优选地，所述燃料导入管道(1-1)、第一氧化剂导入管道(2-1)、物料导入管道(3-1) 为同轴嵌套管道，所述燃料导入管道(1-1)处在中心，第一氧化剂导入管道(2-1)为第二层、物料导入管道(3-1)为第三层。

优选地，所述第一氧化剂导入管道(2-1)的上端为第一氧化剂进口(02)设置在所述筒状管体(12)的上部侧壁上；优选地，所述物料导入管道(3-1)的上端为进料口(03)，设置在所述筒状管体(12)的侧壁上。

所述第一氧化剂进口(02)为环绕所述液体燃料进口(01)的环形开口；所述进料口(03)，第二氧化剂进口(04)为环绕所述筒状管体(12)外壁的环形开口。有利于氧化剂和燃料的均匀混合，物料与超临界水热火焰充分均匀混合产生稳定的超临界氧化反应。

优选地，所述燃料雾化喷嘴(05)的出口直径为1mm；所述物料导入管道(3-1)出口处的进料雾化喷嘴(07)具有环形出口，包围着所述燃烧室(06)的底端出口，射流角φ为30-60 度；优选地，所述筒状管体(12)的顶部和燃烧室外壁采用镍基合金No.6625制成。

本实用新型还提供一种超临界水热燃烧反应器，其特征在于，在超临界水氧化反应器 (08)的顶盖上设置有安装孔，以及安装在所述安装孔中的上述任一气液物料混合装置。

一种进行超临界水氧化反应的方法，其特征在于，采用前述的超临界水热燃烧反应器，步骤如下：

(1)向液体燃料进口(01)持续导入预热达到液体燃料最底燃烧温度的液体燃料；

(2)向氧化剂进口持续导入氧化剂，

(3)向进料口(03)持续导入常温物料；

燃料以喷射流雾化的形式进入燃烧室(06)，并与进入的氧化剂在(06)燃烧室的上端进行充分混合并迅速在设定的超临界条件下燃烧形成稳定的水-热火焰；进料口的物料采用常温进料，流经(06)燃烧室的外壁发生热交换，物料得到预热，同时冷却燃烧室，预热物料经进料雾化喷嘴(07)以喷射流的形式与从氧化剂进口(04)进入的氧化剂进行快速混合，混合流体经高温超临界水-热燃烧火焰加热后进入超临界水氧化反应器(08)发生氧化反应，反应的最终产物经(10)排放口排出反应器。

本实用新型在燃料管底部设置燃烧室，燃料和一部分氧化剂先进入燃烧室，先产生水热火焰，物料导入管道(3-1)同轴环绕在燃烧室外壁，物料与燃烧室发生热交换；预热达到液体燃料最底燃烧温度的燃料以喷射流雾化的形式进入燃烧室(06)与进入的氧化剂在(06) 燃烧室的上端进行充分混合并迅速在设定的超临界条件下燃烧形成稳定的水-热火焰；进料口的物料采用常温进料，流经(06)燃烧室的外壁起到预热进料和冷却(06)燃烧室的双重作用，后以经(07)进料雾化喷嘴喷射流的形式与从(04)氧化剂进口进入的氧化剂进行快速混合，混合流体经高温超临界水-热燃烧火焰加热后进入(08)超临界水氧化反应器发生氧化反应，反应的最终产物经(10)排放口排出反应器。

本实用新型中，燃料与氧化剂的充分、快速混合是产生稳定水热火焰，使超临界水热燃烧反应器稳定运行的关键。对于不容易氧化的有机物，尤其是在处理高浓度难生物降解的工业污水如制药污水、废液等，不易产生水热火焰，本实用新型中的燃烧室先形成稳定的水热火焰。可用的液体燃料有甲醇、乙醇、异丙醇等。

所述进料口(03)进料采用常温进料，进料沿着燃烧室(06)的四周并经进料雾化喷嘴 (07)与经第二氧化剂进口(04)进入的氧化剂充分混合后进入超临界水氧化反应器。采用常温进料，避免了现有超临界水氧化反应器物料在换热器、管道、阀门等附属配件中的结焦，沉积和腐蚀的问题。进料沿着燃烧室的周围进入反应器(08)的过程，可利用燃烧室较高的温度起到预热进料的目的同时也起到冷却燃烧室(06)的目的，降低了对燃烧室耐高温材料的要求也降低了工程造价。进料在进料口(03)的末端以喷射流雾化的形式与从第二氧化剂进口(04)进入的氧化剂形成碰撞流，从而使得混合快速、均匀有效。

从进料口(03)进入的物料与从第二氧化剂进口(04)进入的氧化剂经充分混合后流经超临界水热火焰的四周，并经高温的水热火焰加热到超临界温度后进入(08)超临界水氧化反应器并迅速发生超临界水氧化反应。

综上，与现有的技术比较，本实用新型的优点是：(i)液体燃料采用喷射流雾化的形式并与氧化剂进行碰撞流混合，混合效果均匀、快速而且高效；(ii)进料采用常温进料，省去了高温高压换热器，节省了设备投资，增加了系统的可靠性，避免了常见在换热器、管道、阀门等附属配件的结焦、堵塞和无机盐的沉积问题；(iii)常温进料沿燃烧室四周进入超临界水氧化反应器，同时起到预热进料和冷却燃烧室的作用，减少了常规超临界水氧化工艺中的高温高压换热器和降低了对燃烧室材料的要求；(iv)进料的末端采用喷射流雾化的方法与从第二氧化剂进口进入的氧化剂进行碰撞充分混合后进入超临界水氧化反应器；(v)物料与氧化剂的混合流体流经高温水热火焰的四周被再次加热到超临界温度后发生超临界水氧化反应。

附图说明

图1.本实用新型超临界水热燃烧反应器结构示意图，在顶盖上安装有本实用新型气液物料混合装置。

图2.本实用新型的气液混合装置结构示意图：

01-液体燃料进口，02-第一氧化剂进口，03-进料口，04-第二氧化剂进口，05-燃料雾化喷嘴，06-燃烧室，07-进料雾化喷嘴，08-超临界水氧化反应器，09-蒸发壁，10-排放口，11-1- 蒸发壁冷却水进口，11-2-蒸发壁水进口，1-1燃料导入管道、2-1第一氧化剂导入管道、3-1- 物料导入管道，4-1第二氧化剂导入管道；12.筒状管体

具体实施方式

下面结合附图和具体实施，进一步阐明本实用新型。

本实用新型的实施例中，提供了一种用于超临界水热燃烧反应器的气液混合装置，包括筒状管体(12)，其特征在于：所述筒状管体(12)中设置有相互独立的燃料导入管道(1-1)、第一氧化剂导入管道(2-1)、物料导入管道(3-1)；所述筒状管体(12)的下部内腔中设置有燃烧室(06)；所述燃料导入管道(1-1)设置在所述筒状管体(12)的中央，其上端为设置在所述筒状管体(12)顶部的液体燃料进口(01)，其下端设置有燃料雾化喷嘴(05)，喷嘴出口对着所述燃烧室(06)；所述第一氧化剂导入管道(2-1)的下端对着所述燃烧室(06)，所述燃烧室(06)的底端出口设在所述筒状管体(12)的下端；所述物料导入管道(3-1)至少对应所述燃烧室的位置与燃烧室(06)形成同轴嵌套式管道，使得进入所述物料导入管道 (3-1)的物料能与燃烧室(06)进行热交换；所述物料导入管道(3-1)的底端出口设在所述筒状管体(12)的下端，且设置有进料雾化喷嘴(07)。

在一些优选实施例中，所述燃料导入管道(1-1)以可拆卸方式从所述筒状管体(12) 的顶部插装在所述筒状管体(12)中。便于对燃料雾化喷嘴(05)进行维修。

在一些优选实施例中，所述燃料导入管道(1-1)以可拆卸方式从所述筒状管体(12) 的顶部插装在所述筒状管体(12)中。便于对燃料雾化喷嘴(05)进行维修。

在一些优选实施例中，所述筒状管体(12)中还设置有与其它管道相对独立的第二氧化剂导入管道(4-1)，所述第二氧化剂导入管道(4-1)的上端为第二氧化剂进口(04)，设在所述筒状管体(12)的侧壁上，下端出口设置在设在所述筒状管体(12)的下端。

在一些优选实施例中，所述第二氧化剂导入管道(4-1)与物料导入管道(3-1)为同轴嵌套结构，且处于物料导入管道(3-1)的外层。

在一些优选实施例中，所述燃料导入管道(1-1)、第一氧化剂导入管道(2-1)、物料导入管道(3-1)为同轴嵌套管道，所述燃料导入管道(1-1)处在中心，第一氧化剂导入管道(2-1)为第二层、物料导入管道(3-1)为第三层。

在一些优选实施例中，所述第一氧化剂导入管道(2-1)的上端为第一氧化剂进口(02) 设置在所述筒状管体(12)的上部侧壁上。

在一些优选实施例中，所述物料导入管道(3-1)的上端为进料口(03)，设置在所述筒状管体(12)的侧壁上。

在一些优选实施例中，所述第一氧化剂进口(02)为环绕所述液体燃料进口(01)的环形开口；所述进料口(03)，第二氧化剂进口(04)为环绕所述筒状管体(12)外壁的环形开口。

在一些优选实施例中，所述燃料雾化喷嘴(05)的出口直径为1mm；所述物料导入管道(3-1)出口处的进料雾化喷嘴(07)具有环形出口，包围着所述燃烧室(06)的底端出口，射流角φ为30-60度。如图2所示，即喷射方向与中轴呈30-60度夹角。

在一些优选实施例中，所述筒状管体(12)的顶部和燃烧室外壁采用镍基合金No.6625 制成。

本实用新型还提供了一种超临界水热燃烧反应器，其特征在于，在超临界水氧化反应器 (08)的顶盖上设置有安装孔，以及安装在所述安装孔中的上述任一实施例中的气液物料混合装置。

本实用新型还提供一种，进行超临界水氧化反应的方法，其特征在于，采用上述的超临界水热燃烧反应器，步骤如下：

(1)向液体燃料进口(01)持续导入预热达到液体燃料最底燃烧温度的液体燃料；

(2)向氧化剂进口持续导入氧化剂，

(3)向进料口(03)持续导入常温物料；

实验例采用本实用新型超临界水氧化反应器处理高浓度的有机废水

待处理高浓度有机废水COD值50000～70000mg/L,

废水的进口温度为20摄氏度

采用的液体燃料为甲醇，质量分数为8％～20％，

氧化剂为氧气，

甲醇预热温度为300～400摄氏度过氧系数为1.5～2.5。

进料(污水)经由燃烧室(06)外壁预热后在经超临界水热燃烧火焰加热到超临界状态后在(08)超临界水氧化反应器内发生超临界水氧化反应。由第一氧化剂进口(02)进入的氧化剂为纯氧(氧气的浓度高于99％)，由第二氧化剂进口(04)入的氧化剂(亦可为富氧空气或液体氧化剂如H2O2)。甲醇经预热后进入(01)进料装置，经(05)燃料雾化喷嘴(射流孔的直径为d＝1mm)后与经第一氧化剂进口(02)进入的氧化剂充分混合经燃烧室(06) 后形成稳定的水热火焰。污水经由(03)进料装置，经燃烧室(06)预热后通过进料雾化喷嘴 (07)射流与经第二氧化剂进口(04)进入的氧化剂(或富氧空气)充分混合后，射流角φ采用φ＝30°～60°，进入(08)超临界水氧化反应器，经超临界水氧化反应达到去除污水中有机污染物的目的。(08)超临界水氧化反应器采用(09)蒸发壁反应器，确保无机盐不会在沉积在池壁及极大地减轻了反应器的腐蚀。为减轻无机盐的沉积对出口管道的堵塞问题，在反应器的下部设置冷却水系统(11-1)，使得出水温度处于亚超临界状态，避免了无机盐的沉积问题。