申请日2000.12.30
公开(公告)日2002.08.07
IPC分类号C02F1/72
摘要
本发明涉及一种超临界水氧化反应处理污水方法和装置,污水经计量、加压、加热后与纯净水、氧气送入超临界水反应器;经处理后的高温高压洁净水通过蒸汽膨胀器和孔板联合减压的装置进行减压,减压后的高焓值水进入蒸汽膨胀器,超临界水反应器的另两个入口分别连接液压加氧器和脱盐水;超临界水反应器输出分两路,一路通过蒸气膨胀器和孔板减压装置连接到用热设备,另一路连接排污染蒸发器。
権利要求書
1、一种超临界水氧化法流动式污水处理及供能的方法，污水经处 理与纯净水、氧气送入超临界水反应器进行超临界氧化反应，有 机污染物得以降解而污水中所含无机物因溶解度急剧降低得以析 出而被分离的同时，成为一种含高能洁净水，其特征在于污水经 计量、加压、加热后与纯净水、氧气送入超临界水反应器;经处 理后的高温高压洁净水通过蒸汽膨胀器和孔板联合减压的装置进 行减压，减压后的高焓值水进入蒸汽膨胀器，再次排盐、减压， 与用热设备对接。
2、根据权利要求1所述的超临界水氧化法流动式污水处理及供能的 方法，其特征在于污水预处理器是一个污水预处理池，并加入生 石灰，使污水的PH值保持在8左右，使大部分的重碳酸盐沉积， 相对降低污水硬度;经预处理的污水，由一普通污水泵送至污水 计量槽，按不同浓度分装，可用阀门调节，机组启动时送出去浓 度在一定范围内保持相对稳定的污水。
3、根据权利要求1或2所述的超临界水氧化法流动式污水处理及供 能的方法，其特征在于污水计量槽调节后的污水经高压污水泵加 压至超临界压力以上后，流入一低温热交换器进行热交换，低温 热交换器收集超临界反应器排污闪蒸废热蒸汽加温污水，加温的 污水进入第一级加热器，将污水加热到超临界点温度373.95℃以 下20℃左右的温度，送入超临界水反应器进行第二级加热。
4、根据权利要求3所述的超临界水氧化法流动式污水处理及供能 的方法，其特征在于所述的加热器连接超临界反应器，将超临界 反应器出来的含高能高温高压洁净水在其中对污水进行逆流加 热，加热器的洁净水和污水换热后，其出口温度可控制在55℃左 右，经减压后直接进入热水蓄池，给用户提供卫生热水。
5、根据权利要求1所述的超临界水氧化法流动式污水处理及供能的 方法，其特征在于经超临界反应器处理后的高温高压洁净水，通 过设置的一种蒸汽膨胀器和孔板联合减压的装置进行减压，经孔 板减压后的高焓值水进入蒸汽膨胀器，再次排盐、减压，输入吸 收式空调机后，连接空调用户。
6、根据权利要求1所述的超临界水氧化法流动式污水处理及供能的 方法，其特征在于经超临界反应器处理后的高温高压洁净水，通 过设置的一种蒸汽膨胀器和孔板联合减压的装置进行减压，经孔 板减压后的高焓值水进入蒸汽膨胀器，再次排盐、减压，输入蒸 气用户。
7、根据权利要求1所述的超临界水氧化法流动式污水处理及供能的 方法，其特征在于送入超临界水反应器的氧气直接通过阀门放进 主体为一厚壁钢管制成的液压加氧装置，关闭气阀，打开高压水 阀，高压水进入容器后将逐渐压缩氧气至所需超临界工作压力， 供反应使用。
8、根据权利要求7所述的超临界水氧化法流动式污水处理及供能的 方法，其特征在于所述的液压加氧装置为间断进氧操作，设置了 2套交替运行，经第一级加热器加温至360℃左右的污水和经液 压加氧装置加压后的适量氧，分别经不同管路进入超临界反应器 的上端的污水入口和氧入口，经超临界反应器内一特别设计的喷 嘴进行充分雾化混合后，由中温热管二级加温装置，将污水和氧 的混合物提温至大于374℃的超临界温度，实现污水中有机物和 氧的均相反应，将有机物迅速氧化成二氧化碳和水，同时水中的 无机盐析出开始重力沉降，在超临界反应器内部设有一温度低于 374℃亚临界氧分离区和排污及洁净水出口区。
9、根据权利要求1所述的超临界水氧化法流动式污水处理及供能 的方法，其特征在于超临界反应器中设立超临界反应区和次临界 氧逸出区，并在反应器的氧进入口设置氧气增压喷射泵，逸出的 高温高压氧将因为氧气增压喷射泵形成的负压而被吸入反应器， 同时和新增氧气进行热交换，提升氧气的总体温度。
10、一种超临界水氧化法流动式污水处理及供能装置，包括高压泵、 液压加氧器、污水预处理器、超临界水反应器、排污装置等，其 特征在于污水预处理器通过水泵及调节阀门连接到污水计量槽; 污水计量槽通过高压水泵连接一低温热交换器后输入至超临界水 反应器的污水入口，超临界水反应器的另两个入口分别连接液压 加氧器和脱盐水;超临界水反应器输出分两路，一路通过蒸气膨 胀器和孔板减压装置连接到用热设备，另一路连接排污闪蒸发 器。
11、根据权利要求10所述的超临界水氧化法流动式污水处理及供能 装置，其特征在于所述的污水计量槽分两路并联，一路是浓污水 计量槽，另一路为稀污水计量槽，污水计量槽通过高压泵连接到 超临界水换热器的污水入口端，其污水出口端与第一加热器输入 端连接。
12、根据权利要求11所述的超临界水氧化法流动式污水处理及供 能装置，其特征在于第一加热器可采用换热工质加热器或套管加 热器或蓄热式超临界水加热器，第一加热器的输出端连接超临界 反应器的污水入口端。
13、根据权利要求10所述的超临界水氧化法流动式污水处理及供 能装置，其特征在于所述的蒸气膨胀器和孔板减压装置输出分别 连接到蒸气用户和吸收式空调机蒸气膨胀器和孔板减压装置连接 到用通过低温蓄能池连接到空调用户。
14、根据权利要求12所述的超临界水氧化法流动式污水处理及供 能装置，其特征在于所述的吸收式空调机连接热水池输出到热水 用户，还连接到低温热交换器输入端，低温热交换器另一输入端 与排污闪蒸发器排污余回收端连接;排污闪蒸发器底端设置有浓 渣出口。
15、根据权利要求10所述的超临界水氧化法流动式污水处理及供 能装置，其特征在于液压加氧装置主体为一厚壁钢管制成的小窆 容积高压容器，通过阀门与工业氧气瓶连接;液压加氧装置的低 端设置有高压水进口及出口。
说明书
超临界水氧化法流动式污水处理及供能的方法及装置
本发明涉及一种超临界水氧化反应处理污水方法，特别是一种 将污水处理和供能、节能合为一体的环保和能源技术相结合的方法 和装置。将各种污水作为水源，把经过超临界水氧化法流动式反应 器快速和高效处理后得到的高焓值的高温高压洁净水转变为各种参 数的蒸汽，满足工业的各种需求或向用户供暖和提供卫生热水;也 可和蒸汽吸收式溴化锂制冷机中央空调系统直接对接实现制冷;也 可将其处理后的含高能的高温高压洁净水直接预热污水而大幅降低 污水处理能耗，实现低成本、大批量的污水处理。
超临界水氧化法污水处理技术是近年来受到高度关注的一种处 理有机污物和污水的极具优势的技术，具有反应速度快，反应完全 和无二次污染等特点。其理论根据是水在温度T>373.95℃，压力 P>22.064Mpa的条件下成为非凝缩性高密度流体，即超临界水，具 有常态时水所没有的一些性质，主要为：1)在超临界状态下，水的 密度从接近于液体的状态到接近于气体的状态这个广泛的范围内连 续变化。因此，以这样的流体作溶剂时，很容易控制它的溶剂特性。 如：与密度和溶解特性有关的重要因子介电常数的值，在通常的条 件下大约为80，而温度在500℃的超临界状态下，其介电常数 急剧下降到2左右。这样，超临界水就显示出了非极性物质的性质， 成为对非极性有机物质具有良好溶解能力的溶剂。相反，它对于无 机物质的溶解度则急剧下降，导致原来溶解在水中的无机物由水中 析出。2)氧气等气体在通常状态下在水中的溶解度较低，但在超临 界水中氧气、氮气等气体的溶解度空前提高，以至于可以任意比例 与超临界水互溶，而成为单一相。3)在超临界水中气液相界面消失， 传输性能得到极大改善，具有低粘性和高扩散性，表面张力为零， 向固体内部的细孔中的浸透能力非常强。4)在临界点附近，其物理 化学性质(如密度、介电常数、比热容等)对温度和压力的变化十分敏 感，即在不改变化学组成的条件下，可以用压力调节其性质。5)超 临界水具有较高的热导率，因此具有良好的导热性能，有很高的传 热速度，同时因其具有较高的定压比热容(Cp在临界点附近趋近于 无穷大)，是一种极好的热载体和热缓冲介质。
有效地利用以上的特异性质，就可以进行超临界水中的氧化反 应，这就是“超临界水氧化法”(Supercritical Water Oxidation)。超 临界水氧化法实际上是在超临界水状态下对原来悬浮或溶解在水中 的有机物质进行氧化并加以去除的一种方法，它可以充分地引入氧 参加反应(氧可以以任意比例溶入超临界水)，而且介质流体超临界 水有极强的传输能力，不存在气液相界面之间的物质移动等问题(在 超临界状态下，液相与气相之间的界面消失)，因此，提供了氧化反 应的理想反应环境。最终生成物主要是二氧化碳和水。超临界水氧 化法处理污水具有现有的其它污水处理技术所无法比拟的优点，主 要体现是：有害物质的清除率几乎达到100%、降解时间以秒计(取 决于有机物的种类、温度和压力)、几乎对所有有害物质均可处理， 盐类和无机物因在超临界水中溶解度的急剧降低，使得将其从水中 的分离变得较为容易，可以实现热量自给等。然而，因属于高温高 压技术，设备投资可能较高，且操作需要长期在高温、高压、高氧 浓度，污水含Cl-离子等苛刻条件下进行，如何防止设备的腐蚀成为 主要问题。当前，国际上投入了越来越多的人力和物力致力于超临 界水氧化法技术的发展，许多的科学研究和工程技术侧重于各种各 样设计方式的超临界反应器的开发，以设法解决高温高压下设备材 质的腐蚀问题，同时也有许多针对一些难降解、剧毒、爆炸性的特 殊有机污料开发的超临界水氧化降解工艺，但是在最基本的超临界 水氧化法(SCWO)污水处理工艺流程中，几乎所有的现有技术均 将反应实现热量自给，作为节能降耗的必备措施，这仿佛成为了一 种不加思索、必须遵守的原则，鉴于此，必须要添加大量的辅助燃 料，或对低浓度污水进行浓缩，根据各种有机物热值的不同，污水 中有机物的含量至少要达到2%--5%以上，才能使反应实现热量自 给，这相当于有机污水的COD值等于80000mg/L-200000mg/L以 上，需要耗费大量的氧，处理一吨这样污水的耗氧量至少为80-200 公斤，实际上大部分有机污水COD值分布在每升几百～几万毫克之 间，如市政污水多在1000mg/L以下，而严重污染环境的造纸厂高 浓度有机污水也仅在50000mg/L左右，用这样的技术思想处理绝大 部分种类的污水，添加辅助燃料成为不争的事实。这不仅会增加污 水的处理成本，同时也带来了其它一系列问题，如：加精煤粉，会 将至少2%-7%的灰份带入反应体系，增大超临界反应器或管道堵塞 的几率;添加油、醇等辅助燃料，会使处理成本提高。而且，辅助 燃料的增加会增大反应中间产物的复杂性，如反应过程中生成的大 量强氧化性自由基会加大对设备材质的腐蚀。同时，伴随而来的高 耗氧量，无疑增大了投资成本和运行成本：如果用空气作为氧源， 将需要昂贵的大排气量空气压缩机(用空气作氧源，折算氧量必须 过量100%)，而且空气中高达70%以上的氮气，不仅会阻碍超临界 水中氧化反应的正常进行，而且会消耗一部分能量;用液氧将需要 投资昂贵的空分设备或昂贵的具有良好保温设施的液氧储槽、液氧 泵、汽化器等一系列设备;使用过氧化氢或硝酸不仅会大大提升成 本，也会加大对设备材质的腐蚀;使用纯氧，会要求储氧罐具有较 大体积，作为大体积的高压压力容器，其制造成本是较高的(工作 压力必须大于22.064MPa)。更为严重的是在高温高压的环境条件 下，过高的氧浓度将加大设备氧腐蚀的严重程度。这也是为什么当 前报道的有关这方面的种种技术方案由于采用了上述技术思想，造 成投资或运行成本较高而没有真正获取市场的原因之一。国际上虽 已建成几个小规模的中试厂，但近来报道最多的仍然是对特种有机 物的超临界水氧化处理，特别是针对服务于军方的有关过期炸药、 化学武器的销毁等要求处理量不大、不特别计较成本的用向。大多 数从事这方面工作的科技人员，也认同使用超临界水氧化法的最佳 有机物处理浓度为2～20wt%，即仅适合于较高浓度的有机污水处 理。
本发明的目的是提出一种技术方法，以及实现这种技术方法的一 套装置。使用了超临界水氧化法这一高效、快速的污水处理方法， 充分利用了污水在超临界状态下发生氧化反应，有机污染物得以彻 底降解而污水中所含无机物因溶解度急剧降低得以析出而被分离的 同时，水具有超临界参数，成为一种含高能洁净水，将超临界反应 器视为了一种以污水为水源的流动式超临界参数锅炉，污水以一定 流量，氧也以一定流量同时进入超临界反应器，在外部热源或反应 放热的作用下或两者共同作用下，得以在短时间内反应完毕后成为 超临界流体洁净水流出、供能。
本发明的目的是通过如下技术方案来实现的：本发明超临界水 氧化法流动式污水处理及供能的方法，污水经处理与纯净水、氧气 送入超临界水反应器进行超临界氧化反应，有机污染物得以降解而 污水中所含无机物因溶解度急剧降低得以析出而被分离的同时，成 为一种含高能洁净水，其特征在于污水经计量、加压、加热后与纯 净水、氧气送入超临界水反应器;经处理后的高温高压洁净水通过 蒸汽膨胀器和孔板联合减压的装置进行减压，减压后的高焓值水进 入蒸汽膨胀器，再次排盐、减压，与用热设备对接。
本发明的超临界水氧化法流动式污水处理及供能的方法，是污 水预处理器是一个污水预处理池，并加入生石灰，使污水的PH值 保持在8左右，使大部分的重碳酸盐沉积，相对降低污水硬度;经 预处理的污水，由一普通污水泵送至污水计量槽，按不同浓度分装， 可用阀门调节，机组启动时送出去浓度在一定范围内保持相对稳定 的污水。污水计量槽调节后的污水经高压污水泵加压至超临界压力 以上后，流入一低温热交换器进行热交换，低温热交换器收集超临 界反应器排污闪蒸废热蒸汽加温污水，加温的污水进入第一级加热 器，将污水加热到超临界点温度373.95℃以下20℃左右的温度，送 入超临界水反应器进行第二级加热。加热器连接超临界反应器，将 超临界反应器出来的含高能高温高压洁净水在其中对污水进行逆流 加热，加热器的洁净水和污水换热后，其出口温度可控制在55℃左 右，经减压后直接进入热水蓄池，给用户提供卫生热水。
本发明的超临界水氧化法流动式污水处理及供能的方法，是经 超临界反应器处理后的高温高压洁净水，通过设置的一种蒸汽膨胀 器和孔板联合减压的装置进行减压，经孔板减压后的高焓值水进入 蒸汽膨胀器，再次排盐、减压，输入吸收式空调机后，连接空调用 户。经超临界反应器处理后的高温高压洁净水，通过设置的一种蒸 汽膨胀器和孔板联合减压的装置进行减压，经孔板减压后的高焓值 水进入蒸汽膨胀器，再次排盐、减压，输入蒸气用户。
本发明的超临界水氧化法流动式污水处理及供能的方法中送入 超临界水反应器的氧气直接通过阀门放进主体为一厚壁钢管制成的 液压加氧装置，关闭气阀，打开高压水阀，高压水进入容器后将逐 渐压缩氧气至所需超临界工作压力，供反应使用。液压加氧装置为 间断进氧操作，设置了2套交替运行，经第一级加热器加温至360 ℃左右的污水和经液压加氧装置加压后的适量氧，分别经不同管路 进入超临界反应器的上端的污水入口和氧入口，经超临界反应器内 一特别设计的喷嘴进行充分雾化混合后，由中温热管二级加温装置， 将污水和氧的混合物提温至大于374℃的超临界温度，实现污水中有 机物和氧的均相反应，将有机物迅速氧化成二氧化碳和水，同时水 中的无机盐析出开始重力沉降，在超临界反应器内部设有一温度低 于374℃亚临界氧分离区和排污及洁净水出口区。
本发明的超临界水氧化法流动式污水处理及供能的方法，于超 临界反应器中设立超临界反应区和次临界氧逸出区，并在反应器的 氧进入口设置氧气增压喷射泵，逸出的高温高压氧将因为氧气增压 喷射泵形成的负压而被吸入反应器，同时和新增氧气进行热交换， 提升氧气的总体温度。
本发明的超临界水氧化法流动式污水处理及供能装置，包括高 压泵、液压加氧器、污水预处理器、超临界水反应器、排污装置等， 其特征在于污水预处理器通过水泵及调节阀门连接到污水计量槽; 污水计量槽通过高压水泵连接一低温热交换器后输入至超临界水反 应器的污水入口，超临界水反应器的另两个入口分别连接液压加氧 器和脱盐水;超临界水反应器输出分两路，一路通过蒸气膨胀器和 孔板减压装置连接到用热设备，另一路连接排污闪蒸发器。
本发明的超临界水氧化法流动式污水处理及供能装置，污水计 量槽分两路并联，一路是浓污水计量槽，另一路为稀污水计量槽， 污水计量槽通过高压泵连接到超临界水换热器的污水入口端，其污 水出口端与第一加热器输入端连接。
第一加热器可采用换热工质加热器或套管加热器或蓄热式超临 界水加热器，第一加热器的输出端连接超临界反应器的污水入口端。 蒸气膨胀器和孔板减压装置输出分别连接到蒸气用户和吸收式空调 机，通过低温蓄能池连接到空调用户。吸收式空调机连接热水池输 出到热水用户，还连接到低温热交换器输入端，低温热交换器另一 输入端与排污闪蒸发器排污余回收端连接;排污闪蒸发器底端设置 有浓渣出口。
本发明的超临界水氧化法流动式污水处理及供能装置中的液压 加氧装置主体为一厚壁钢管制成的小窆容积高压容器，通过阀门与 工业氧气瓶连接;液压加氧装置的低端设置有高压水进口及出口。
本发明与现有技术相比具有能将各种污水作为水源，经过超临 界水氧化法流动式反应器快速和高效处理后得到的高温高压洁净水 转变为各种参数的蒸气，满足工业的各种需求或向用户供暖和提供 卫生热水，也可以和蒸汽吸收式溴化锂制冷机中央空调系统直接对 接实现制冷，还可以将其处理后的含高能的高温高压洁净水直接预 热污水而大幅降低污水处理能耗，实现低成本、大批量的污水处理 等优点。
