申请日2009.05.05
公开(公告)日2009.12.23
IPC分类号C02F9/10; C02F1/72; C02F1/04; B09B3/00
摘要
本发明属于环境保护领域，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废水/城市污泥等废有机物液体进行无害化处理和资源化利用，公开了一种废有机物的超临界水处理与资源化利用系统。本发明系统具有多功能性，可以根据不同物料的特性灵活选取SCWO、SCWPO和SCWG中的最佳超临界水处理方式，集物料的预处理、混合和反应以及产物分离和收集于一体，集COD减排、脱盐除渣、产氢于一体，集废有机物的无害化处理与资源化利用于一体。
权利要求书
1、一种废有机物的超临界水处理与资源化利用系统，其特征在于，包括：
反应单元，包含垂直布置的混合器、内置蒸发壁的逆流罐式的反应器、 脱盐除渣装置、贮盐池，所述混合器的物料出口端连通反应器的物料入口端， 反应器的底部的排盐出口端与脱盐除渣装置的入口端连通，脱盐除渣装置的 底部出口端与贮盐池的入口端之间连通;
供氧单元，包含液氧贮槽、液氧泵、液氧汽化器、用于预热氧气的第一 换热器，并依次串联组成供氧通路，向混合器氧气入口端提供氧气;
供料单元，包含储料箱、第一高压计量泵、第一电加热器，并依次串联 组成物料通路，向混合器物料入口端提供物料;
气体收集单元，包含高压汽液分离器，依次连通高压汽液分离器的顶部 出口端的第一背压阀和氢气瓶，第一低压汽液分离器，设置在高压汽液分离 器底部出口端与第一低压汽液分离器入口端之间的第二背压阀，第二低压汽 液分离器，分别连通第一、第二低压汽液分离器的顶部出口端的二氧化碳干 燥器，依次连通二氧化碳干燥器的二氧化碳增压泵和二氧化碳气瓶;
第一蒸发壁水供应单元，包含依次连通第一低压汽液分离器的底部出口 端的第一集液箱、第二高压计量泵、第一集液箱提供的蒸发壁水预热用第三 换热器、第二电加热器，第二电加热器的出口端分为三路，一路与混合器的 蒸发壁水入口端连通，另一路与反应器顶部的蒸发壁水入口端连通，第三路 与反应器中部的蒸发壁水入口端连通;
第二蒸发壁水供应单元，包含依次连通第二低压汽液分离器的底部出口 端的第二集液箱、第三高压计量泵、第二集液箱提供的蒸发壁水预热用第二 换热器;第二换热器的蒸发壁水出口端连通反应器的底部蒸发壁水入口端;
所述反应器的反应出口端连通第三换热器的热源入口端，所述第三换热 器的热源出口端连通高压汽液分离器的入口端;所述脱盐除渣装置的上部出 口端的流体作为热源依次流经第一换热器、第二换热器，并通过第三背压阀 流入第二低压汽液分离器。
2、根据权利要求1所述的一种废有机物的超临界水处理与资源化利用系 统，其特征在于，所述脱盐除渣装置包含罐体和设置在罐体中上部的加热盘 管，所述加热盘管的热源为反应器产生的热流体。
3、根据权利要求1所述的一种废有机物的超临界水处理与资源化利用系 统，其特征在于，所述液氧汽化器为热水浴式液氧汽化器，其热源入口端连 通所述第一低压汽液分离器的底部出口端，其热源出口端连通所述第一集箱 的入口端。
4、根据权利要求1所述的一种废有机物的超临界水处理与资源化利用系 统，其特征在于，所述储料箱内设置有搅拌器，储料箱的物料出口端设置有 过滤网。
5、根据权利要求1所述的一种废有机物的超临界水处理与资源化利用系 统，其特征在于，所述第三高压计量泵的入口端并联有储碱箱。
6、根据权利要求1所述的一种废有机物的超临界水处理与资源化利用系 统，其特征在于，所述第三背压阀的入口端串联有管道过滤器。
7、根据权利要求1所述的一种废有机物的超临界水处理与资源化利用系 统，其特征在于，所述第一高压计量泵和第一电加热器之间设置有用于物料 预热的换热器组，换热器组为串联的套管式第一、二、三级换热器，所述第 二级换热器的物料入口端输入有来自第一换热器的预热氧气。
8、根据权利要求7所述的一种废有机物的超临界水处理与资源化利用系 统，其特征在于，所述套管式第一、二、三级换热器的物料内管的直径逐级 扩大。
说明书
废有机物的超临界水处理与资源化利用系统
技术领域
本发明属于环境保护领域，涉及利用超临界水作为反应介质对高浓度难 生化降解的有机废水/城市污泥等废有机物液体进行无害化处理和资源化利 用，特别涉及一种废有机物的超临界水处理与资源化利用系统。
背景技术
超临界水(Supercritical Water，简称SCW)是指温度和压力均高于其临 界点(T=374.15℃，P=22.12MPa)的特殊状态的水。超临界水兼具液态和气 态水的性质，该状态下只有少量的氢键存在，介电常数近似于有机溶剂，具 有高的扩散系数和低的粘度。在足够高的压力下，有机物、氧气能按任意比 例与SCW互溶，从而使非均相反应变为均相反应，大大减小了传质、传热的 阻力;并且无机物特别是盐类在SCW中的溶解度极低，容易将其分离出来。
有机物超临界水处理技术包括超临界水氧化技术(简称SCWO)、超临界水 部分氧化技术(简称SCWPO)和超临界水气化技术(简称SCWG)，SCWO是利用水在 超临界状态下所具有的特殊性质，使有机物和氧化剂在超临界水中迅速发生 氧化反应来彻底分解有机物，SCWO是以有机物无害化处理为终极目标。 SCWPO是利用超临界水的独特物理化学性质，在提供部分氧化剂的前提下， 使有机物分解生成以氢气为主的可燃性气体。SCWG利用超临界水独特的物理 化学性质，在不加氧化剂的条件下，有机物在超临界水中发生水解、热解等 反应，生成以氢气为主的可燃性体。SCWPO和SCWG是以有机物转化产生氢 气为终极目标。总之，超临界水处理技术是利用超临界水对有机物和氧化剂 都是良好溶剂的特殊性质，在提供不同数量氧化剂的前提下有机物在超临界 水环境中进行均相反应，迅速、完全、彻底地将有机物结构深度破坏，转化 成无害的CO2、H2(SCWPO和SCWG)和H2O等无害的小分子化合物。
虽然超临界水处理技术已经取得了很大进步，但是仍有若干需要解决的 问题，表现在：
1)超临界水处理技术中所包含的三项技术(SCWO、SCWPO和SCWG) 处理的终极目的不尽相同，却具有相似的超临界水反应环境;目前还没有综 合具有上述三项技术的超临界水处理系统，致使超临界水处理系统的功能单 一，适应性差。
2)现有超临界水处理系统对物料的含盐量控制较为严格，严重影响了超 临界水处理对象的广泛性。物料中含有的盐和反应产生的盐在超临界水中的 溶解度极低，现有超临界水处理系统并没有进行彻底的脱盐处理，盐沉积容 易引起的管路和反应器堵塞问题，同时也使处理后水的含盐量高，难以回收 利用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多功能的废有机物的超临界水处理与资源化 利用系统，能够将临界水处理技术中所包含SCWO、SCWPO和SCWG三项 技术综合在一个处理系统中，并且能够减少反应器和管路的盐沉积和堵塞现 象，提高系统的处理能力和扩大系统处理的对象范围。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
一种废有机物的超临界水处理与资源化利用系统，其特征在于，包括：
反应单元，包含垂直布置的混合器、内置蒸发壁的逆流罐式的反应器、 脱盐除渣装置、贮盐池，所述混合器的物料出口端连通反应器的物料入口端， 反应器的底部的排盐出口端与脱盐除渣装置的入口端连通，脱盐除渣装置的 底部出口端与贮盐池的入口端之间连通;
供氧单元，包含液氧贮槽、液氧泵、液氧汽化器、用于预热氧气的第一 换热器，并依次串联组成供氧通路，向混合器氧气入口端提供氧气;
供料单元，包含储料箱、第一高压计量泵、第一电加热器，并依次串联 组成物料通路，向混合器物料入口端提供物料;
气体收集单元，包含高压汽液分离器，依次连通高压汽液分离器的顶部 出口端的第一背压阀和氢气瓶，第一低压汽液分离器，设置在高压汽液分离 器底部出口端与第一低压汽液分离器入口端之间的第二背压阀，第二低压汽 液分离器，分别连通第一、第二低压汽液分离器的顶部出口端的二氧化碳干 燥器，依次连通二氧化碳干燥器的二氧化碳增压泵和二氧化碳气瓶;
第一蒸发壁水供应单元，包含依次连通第一低压汽液分离器的底部出口 端的第一集液箱、第二高压计量泵、第一集液箱提供的蒸发壁水预热用第三 换热器、第二电加热器，第二电加热器的出口端分为三路，一路与混合器的 蒸发壁水入口端连通，另一路与反应器顶部的蒸发壁水入口端连通，第三路 与反应器中部的蒸发壁水入口端连通;
第二蒸发壁水供应单元，包含依次连通第二低压汽液分离器的底部出口 端的第二集液箱、第三高压计量泵、第二集液箱提供的蒸发壁水预热用第二 换热器;第二换热器的蒸发壁水出口端连通反应器的底部蒸发壁水入口端;
所述反应器的反应出口端连通第三换热器的热源入口端，所述第三换热 器的热源出口端连通高压汽液分离器的入口端;所述脱盐除渣装置的上部出 口端的流体作为热源依次流经第一换热器、第二换热器，并通过第三背压阀 流入第二低压汽液分离器。
本发明的进一步改进和特点在于：
所述脱盐除渣装置包含罐体和设置在罐体内的加热盘管，所述加热盘管 的热源为反应器产生的热流体。
所述液氧汽化器为热水浴式液氧汽化器，其热源入口端连通所述第一低 压汽液分离器的底部出口端，其热源出口端连通所述第一集箱的入口端。
所述储料箱内设置有搅拌器，储料箱的物料出口端设置有过滤网。
所述第三高压计量泵的入口端并联有储碱箱。
所述第三背压阀的入口端串联有管道过滤器。
所述第一高压计量泵和第一电加热器之间设置有用于物料预热的换热器 组，换热器组为串联的套管式第一、二、三级换热器，所述第二级换热器的 物料入口端输入有来自第一换热器的预热氧气;所述套管式第一、二、三级 换热器的物料内管的直径逐级扩大。
本发明的第一个显著优点是针对不同物料能够灵活选取合适的超临界水 处理方式，在保证进料无害化处理的前提下能够实现其资源化利用的目的， 具体过程说明如下：
1)本发明的废有机物的超临界水处理与资源化利用系统，可以通过液氧 泵调节氧气流量，针对不同的物料，通过调节氧气加入量以及控制第一电加 热器和第二电加热器的启停，可以灵活选取不同的超临界水处理方式。容易 处理的有机物优先选择SCWG，较难处理的有机物选择SCWPO，很难处理的 有机物选择SCWO。SCWG和SWPO主要是进行氢气生产的资源化利用过程， SCWO主要是进行COD减排的无害化处理过程。本发明系统能够保证物料无 害化处理的前提下，实现其资源化利用的目的，具有多功能性。
2)本发明的废有机物的超临界水处理与资源化利用系统，可以利用SCWO 实现高浓度难生化降解的有机废水/城市污泥等废有机液体COD减排、脱氮等 无害化处理过程。利用超临界水的特殊性质，以任意比例溶解在超临界水中 的有机污染物和氧气发生均相反应，在1min内有机物中的碳氢元素被氧化成 CO2、水，氮元素被氧化成氮气排放到空气中，其它杂环原子被氧化成相应的 盐，重金属和盐进入到脱盐除渣装置，在超临界水条件下析出，然后进入贮 盐池，被定期排出系统后进行填埋处理。本发明利用SCWPO和SCWG使容易降 解的有机物在超临界水中部分氧化分解、热解、气化，产生富含氢气的可燃 性气体，实现废有机物的资源化利用的目的，本发明集COD减排、脱盐除渣 和氢气生产于一体。
本发明的另一个显著优点是能够进行相对彻底的脱盐处理，避免盐沉积 所引起的堵塞问题，能够保证良好的最终处理效果：
1)在本发明系统中，储料箱设有搅拌器和过滤网，可以对物料进行过滤 和均匀化的预处理;物料的预热通过三级串联的套管式换热器来实现。根据 物料的预热分解特性，三级套管式换热器依次将进料预热到不同温度的阶段。 根据进料比容特性，三级套管式换热器内管的尺寸依次增大，在保证三级套 管式换热器内管内物料的高流速的前提下有效防止了管路的堵塞。再次，在 第二级套管式换热器内管的物料入口端引入一股氧气，可以增加物料的流速， 同时与物料进行初步反应，降低了焦油等易堵塞物质的生成，有效避免了物 料在预热到高温过程中容易引起预热管路的堵塞问题，提高系统运行的可靠 性。
2)在本发明系统中，反应器为内置蒸发壁的逆流罐式反应器，利用无机 盐在超临界水中具有极低的溶解度特性，在反应器中进行第一步盐分离，分 离后的盐重新溶解在反应器底部的亚临界区，然后被带入到脱盐除渣装置中。 利用反应后的热流体将脱盐除渣装置中含有高浓度盐的流体加热到超临界状 态，再次依靠盐在超临界水中溶解度极低的特性使溶解性的盐重新析出，连 同不溶解性的盐一起沉降到脱盐除渣装置的底部，然后进入贮盐池被定期排 出系统，从而实现了系统连续脱盐和除渣，避免了因盐沉积所引起的堵塞问 题，保证了处理后的液体不含盐或含有极少量的盐，满足了除盐要求。
