超臨界水氧化設(shè)備的設(shè)計(jì)

單玉海，孫建軍（內(nèi)蒙古納順裝備工程（集團(tuán)）有限公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051）

超臨界水氧化設(shè)備的設(shè)計(jì)

單玉海，孫建軍
（內(nèi)蒙古納順裝備工程（集團(tuán)）有限公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051）

針對(duì)目前水污染比較嚴(yán)重的情況，通過(guò)相關(guān)設(shè)備的選型及計(jì)算，研發(fā)設(shè)計(jì)了一套用于有機(jī)污水處理的超臨界水氧化設(shè)備，并設(shè)計(jì)了工藝流程圖。超臨界水氧化設(shè)備采用管式反應(yīng)器，其材質(zhì)為內(nèi)徑4mm的不銹鋼管，預(yù)熱器和反應(yīng)器管長(zhǎng)為10m，盤管壁厚為2mm；進(jìn)料設(shè)備采用高壓柱塞泵將廢液打入反應(yīng)器；預(yù)熱系統(tǒng)采用316L不銹鋼盤管置于電加熱爐中進(jìn)行預(yù)熱，石棉來(lái)保溫；該設(shè)計(jì)為超臨界水氧化處理有機(jī)污水提供了有效的成套裝置。

超臨界水氧化；管式反應(yīng)器；預(yù)熱系統(tǒng)

近年來(lái)，水體污染的趨勢(shì)日益加重，處理和防治水體污染的任務(wù)迫在眉睫。超臨界水氧化技術(shù)是一種新型、高效的廢物處理技術(shù)[1]。該技術(shù)可以在極短的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)將廢水中的有機(jī)物徹底完全氧化分解，完全去除有機(jī)廢物中的有毒有害物質(zhì)，當(dāng)有機(jī)物廢水中有機(jī)物含量較大時(shí)，反應(yīng)所需的熱量可以自給，同時(shí)還可以回收反應(yīng)產(chǎn)生的熱能，實(shí)現(xiàn)資源的充分利用，具有適應(yīng)性強(qiáng)、適用范圍廣泛、節(jié)約源消耗、處理效率高等特點(diǎn)[2-5]，是近二十多年來(lái)發(fā)展起來(lái)的極具潛力的有機(jī)廢物處理方法。

1　反應(yīng)器的設(shè)計(jì)

1.1反應(yīng)器材料的選擇

反應(yīng)器在超臨界水氧化處理的整個(gè)工藝設(shè)備流程中，是最關(guān)鍵的部件。超臨界水氧化反應(yīng)器的型式則主要有管式反應(yīng)器、釜式反應(yīng)器和蒸發(fā)器壁反應(yīng)器三類。

經(jīng)過(guò)退火固溶處理的316L不銹鋼鋼管具有異常優(yōu)越的耐腐蝕性能和耐高溫氧化性能，在制漿和造紙的生產(chǎn)過(guò)程中得到廣泛的應(yīng)用。綜合考慮材料經(jīng)濟(jì)性、耐腐蝕性及加工性能，本文選用了316L作為反應(yīng)器及加熱器的主要材料。316L對(duì)應(yīng)于我國(guó)的00Cr17Ni14Mo2。316L的化學(xué)成分如表1所示：

表1　316L主要化學(xué)成分

1.2盤管反應(yīng)器長(zhǎng)度的確定

管式反應(yīng)器與預(yù)熱器的兩端都用不銹鋼纏繞式的墊圈密封，這樣的設(shè)計(jì)便于安裝和拆卸。另外，盤管接頭處的凹槽設(shè)計(jì)使密封更容易得到保證。管式反應(yīng)器內(nèi)徑4mm，壁厚2mm，管長(zhǎng)10m，纏繞后的總有效高度為400mm，纏繞后的內(nèi)徑為80mm。在用該裝置進(jìn)行超臨界水氧化處理廢水試驗(yàn)時(shí)，較長(zhǎng)的管長(zhǎng)可以增加廢溶在管式反應(yīng)器中的停留時(shí)間，可以提高有機(jī)廢物的轉(zhuǎn)化效率。

2　配件的設(shè)計(jì)

2.1進(jìn)料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所采用的工藝是用高壓柱塞泵將廢溶打入反應(yīng)器。該泵可以提供超臨界水氧化所需要的25MPa的高壓，同時(shí)可以精確地計(jì)量打入反應(yīng)器中廢溶的量。用氧氣作為氧化劑，用高壓壓縮機(jī)將空氣壓縮來(lái)提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)氣體增壓泵將氧氣壓縮至所需要的壓力。為了能夠穩(wěn)定地供給氧氣，壓縮后的氧氣先進(jìn)入一個(gè)緩沖瓶，然后經(jīng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)控制流量進(jìn)入反應(yīng)器。

超臨界水氧化反應(yīng)器在反應(yīng)過(guò)程中呈酸性環(huán)境，這是因?yàn)樵谟袡C(jī)物的氧化分解反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生了有機(jī)羧酸。酸性環(huán)境對(duì)材料有強(qiáng)烈的腐蝕作用，因此在反應(yīng)之前，需要在廢水原料溶中加入一定量的NaOH和Na2CO3來(lái)作為堿化劑以使原廢溶呈現(xiàn)堿性，以此來(lái)緩和反應(yīng)器中介質(zhì)的酸性，減輕設(shè)備的腐蝕。

2.2預(yù)熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

預(yù)熱系統(tǒng)采用316L不銹鋼盤管置于電加熱爐中進(jìn)行預(yù)熱，用石棉來(lái)保溫。氣路和溶路分別預(yù)熱至一定溫度后通過(guò)單向閥于反應(yīng)器中混合。分別預(yù)熱是因?yàn)椋阂环矫鏆怏w和溶體的比熱不同，加熱至同樣溫度所需的供熱量不同，另一方面是氣體和溶體分路加熱對(duì)設(shè)備的腐蝕性小，三是氣體和溶體在臨界溫度前不互溶，混合時(shí)將產(chǎn)生氣溶分段使進(jìn)料系統(tǒng)不穩(wěn)定。通過(guò)調(diào)壓器，可控制電加熱器功率，從而控制預(yù)熱器溫度，同時(shí)通過(guò)流量的調(diào)節(jié)可起到流體溫度的控制的作用。

3　結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是以超臨界水氧化的工藝特點(diǎn)為背景，確定了最優(yōu)的超臨界水氧化廢水處理工藝，選取并設(shè)計(jì)了超臨界水氧化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)類型及相關(guān)附件。針對(duì)超臨界水氧化反應(yīng)器容易腐蝕堵塞的特點(diǎn)，選用螺旋盤管反應(yīng)器，在盤管反應(yīng)器內(nèi)急速的流體可以有效地解決廢溶鹽沉淀的問(wèn)題。盤管反應(yīng)器與釜式反應(yīng)器相比，降低了整套裝置的運(yùn)行費(fèi)用，更便于機(jī)加工與拆卸維護(hù)。實(shí)踐證明，該套超臨界水氧化裝置設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行可靠，為今后超臨界水氧化連續(xù)型實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)化提供一定的參考。

[1] 劉春明，董秀芹，張敏華.超臨界水氧化技術(shù)處理工業(yè)廢水的研究進(jìn)展[J].化工進(jìn) 展，2011，30，（8）.1841-1846.

[2] 高妍，王增長(zhǎng).淺談超臨界水氧化技術(shù)[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì). 2011，21，（18）.176-178.

Design of Super Critical Water Oxidation Equipment

Shan Yu-hai，Sun Jian-jun

In view of the current situation more serious water pollution，through selection and calculation of related equipment，research and design of a supercritical water oxidation equipment for organic wastewater treatment，and design process flow chart. Supercritical water oxidation equipment using tubular reactor，the material for the inner diameter of 4mm stainless steel tube，preheater and reactor tube length is 10 meters，the coil wall thickness of 2mm；feed equipment using high-pressure piston pump the waste into the reactor；preheating system with 316L stainless steel coil placed electric furnace preheated to asbestos insulation；the design of supercritical water oxidation treatment of organic waste water provides an effective complete sets of equipment.

supercritical water oxidation；tubular reactor；preheating system

TQ9

A

1003-6490（2016）03-0083-01

2016-02-25

單玉海（1962—），男，內(nèi)蒙古錫林浩特人，工程師，主要從事高端機(jī)械裝備制造工作。