一种旋流式超临界水热燃烧装置及方法与流程

本发明属于先进燃烧及节能环保技术领域，特别涉及一种旋流式超临界水热燃烧装置及方法。

背景技术：

超临界水是指温度和压力均高于其临界点(tc＝374.15℃，pc＝22.12mpa)的特殊状态的水。超临界水氧化技术是利用超临界水的低粘度、低介电常数、高扩散性等特殊性质，使完全溶解在其中的有机物与氧化剂发生快速、彻底的均相反应，有机物中的碳元素转化成二氧化碳，氯、硫、磷等元素转化成相应的无机盐，氮元素绝大多数转化成氮气，实现有机废物的高效无害化处理。超临界水氧化是一种绿色、高效、彻底的有机废物无害化处理处置技术，被誉为21世纪最有潜力的有机废物处理技术。超临界水燃烧技术是一种新型的国际前言燃烧技术，可以被看作产生“水热火焰”的剧烈超临界水氧化技术，又被称作“水火相容”的燃烧技术。水热火焰区1000℃以上的局部高温能够实现化石燃料及污染物中有机质的快速氧化降解，同时释放丰富热量。

当前，盐沉积、腐蚀问题一定程度上制约了超临界水氧化技术低成本可靠的工业化实施，其中高压300～410℃高温区是超临界水氧化工艺系统中材料腐蚀敏感区、无机盐快速析出区，服役于该工况区的装备面临着较为严峻的腐蚀与盐沉积引发堵塞风险。若利用超临界水热火焰与较低温度物料(<300oc)混合实现后者的快速升温，或者直接实现较低物料的快速超临界水热火焰着火、燃烧，由此即可避开300～410℃温度区装备腐蚀与盐沉积堵塞高发区。此外，在能源领域，常规燃煤发电系统和燃煤工业锅炉在原理上是在以空气为氧化剂的气态环境下“一把火烧煤”，所产生的飞灰、硫氧化物、氮氧化碳等工业污染物已经造成巨大的环境污染。煤等化石燃料的超临界水热燃烧是一种前景十分广阔的技术。煤的超临界水热燃烧是一种不需要污染物末端控制就能实现煤的高效、清洁利用的新型燃烧技术。与煤的常规燃烧技术相比，煤的超临界水热燃烧技术不需脱硫、脱硝、除尘等末端装置即可实现污染物nox、sox、粉尘的源头控制，可以很容易的实现co2的低成本捕集，具有极其优越的环保性能。但是煤炭、污泥等固体燃料水热燃烧仍然会生成固相燃烬渣浆，若处置不当，会堵塞后续装置，影响整体的正常运行。因此，可以实现燃料快速着火、燃尽后渣流有效分离的水热燃烧装置是实现煤炭、污泥等固相或含固燃料的高效清洁燃烧的关键。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种旋流式超临界水热燃烧装置及方法，实现了化石燃料(如煤炭)、城市/工业污泥等固相或含固燃料的快速着火、高效清洁燃烧以及燃尽后渣流有效分离，是一种促进化学能向热能高效、无污染转化的先进燃烧技术。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种旋流式超临界水热燃烧装置，包括若干沿周向均布于装置主体2上部的水热火焰发生器5，每个水热火焰发生器5上设有高压有机浆液输入支管8和高压氧化剂输入支管9，各个水热火焰发生器5输出口的几何轴线均外切于装置内核心燃烧区的假想圆，装置主体2的下部设置有燃烬渣浆汇聚锥3，燃烬渣浆汇聚锥3与其下部的超临界热流体引导锥4相连，燃烬渣浆汇聚锥3侧面上部设有若干燃烬渣浆出口d，超临界热流体引导锥4底部设有超临界热流体出口c。

进一步，所述装置主体2外包裹有高效冷却套1，所述高效冷却套1为夹套结构或单层/多层螺旋通道结构，冷却剂为水、空气、导热油、有机浆液或氧化剂等。

进一步，所述高压有机浆液支管8连接在高压有机浆液输配管6上，高压氧化剂支管9连接在高压氧化剂输配管7上，高压有机浆液支管8和高压氧化剂支管9均同时连接在各个水热火焰发生器5上，高压有机浆液输配管6的入口a与高压氧化剂输配管7的入口b处压力皆不低于23mpa。

进一步，所述水热火焰发生器5数量为3个或4个，水热火焰发生器5布置方式保证燃烬渣浆以及超临界流体做旋转向下运动，以利于在燃烬渣浆在燃烬渣浆汇聚锥3处与超临界热流体分离。

进一步，所述燃烬渣浆汇聚锥3包括但不限于微孔结构，其可采用圆台型轮廓，在周向分布大量微孔，在顶部开有单个大孔或者顶部布满中型孔。

进一步，所述燃烬渣浆出口d接设有流量调控阀10的引管，燃烬渣浆出口d的数量可以为1个、2个或3个等。

本发明还提供了基于所述旋流式超临界水热燃烧装置的旋流式超临界水热燃烧方法，装置启动时，首先将处理达标的超临界水从高压有机浆液支管8注入到水热火焰发生器5，然后喷射入装置主体2中，此时高压氧化剂输配管7处于关闭状态；

待超临界水充满整个装置主体2后，将高压有机浆液支管8中切换成有机浆液，同时开启高压氧化剂输配管7注入氧化剂，有机浆液与氧化剂在水热火焰发生器5引发热自燃着火，并以火舌形式进入装置主体2，装置主体2内流体的螺旋流动促使火舌也开始螺旋运动；

着火后，通过冷却结构控制装置主体2壁温在500℃以下。

进一步，进行排除燃烬渣浆操作时，通过流量调控阀10控制燃烬渣浆流量，防止出流过快影响超临界热流体出口c的生成物出流稳定性，整个过程中保持持续对装置主体2进行冷却。

进一步，所述氧化剂为液氧、氧气或空气等，有机浆液为煤浆、城市污泥、油泥或石化残渣等。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.若干水热燃烧发生器布置于装备四周，各个水热火焰发生器出口几何轴线均切于装置中心的假想圆，因此水热火焰发生器的火焰射流在装置内组成旋转的超临界水热火球，受上游水热火焰发生器射出高温火焰的斜向冲击，下游水热火焰发生器处有机浆液着火条件优越，有利于有机浆液的稳定着火和强化燃烧；旋转的超临界水热火球可以使得固相颗粒在装置内旋转，使其流程延长，利于燃烬。在装置下部燃烬后含固超临界流体中固相颗粒在旋转离心力作用下，向燃烬渣浆汇聚锥的底部聚集；此外，微孔型燃烬渣浆汇聚锥对固相颗粒具有过滤作用，从而实现燃尽后渣浆与超临界热流体的高效自分离。

2.超临界水热燃烧后燃料中硫元素、大部分氮元素以硫酸盐、硝酸/亚硝酸盐的形式进入燃烬渣浆，分离出来的超临界液相流体主要成分为超临界水、二氧化碳与氮气及少量富余氧气，从而实现了污染物nox、sox、粉尘的源头控制，可以很容易的实现co2的低成本捕集，具有极其优越的环保性能。

附图说明

图1是本发明装置结构示意图。

图2是本发明水热火焰发生器及其布置形式示意图。

其中：1.高效冷却套；2.装置主体；3.燃烬渣浆汇聚锥；4.超临界热流体引导锥；5.水热火焰发生器；6.高压有机浆液输配管；7.高压氧化剂输配管；8.高压有机浆液支管；9.高压氧化剂支管；10.流量调控阀；a.高压有机浆液输配管入口；b.高压氧化剂输配管入口；c.超临界热流体出口；d.燃烬渣浆出口；e.冷却水入口；f.冷却水出口；a-i,a-ii,a-iii均为高压有机浆液输配管入口；b-i,b-ii,b-iii均为高压氧化剂输配管入口；5a，5b，5c均为水热火焰发生器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，高压有机浆液输配管6分成多路高压有机浆液输入支管8，高压氧化剂输配管7分成多路高压氧化剂输入支管9，每一路的高压有机浆液输入支管8和高压氧化剂输入支管9均连接到每个水热火焰发生器5上，高压有机浆液输配管入口a与高压氧化剂输配管入口b处压力皆不低于23mpa。若干水热火焰发生器5沿周向以特殊方式均布于水热燃烧装置上部，如图2所示，本实施例中，水热火焰发生器5一共3个，分别为水热火焰发生器一5a、水热火焰发生器二5b和水热火焰发生器三5c，水热火焰发生器一5a连接高压有机浆液输配管入口一a-i和高压氧化剂输配管入口一b-i，水热火焰发生器二5b连接高压有机浆液输配管入口二a-ii和高压氧化剂输配管入口二b-ii，水热火焰发生器三5c连接高压有机浆液输配管入口二a-iii和高压氧化剂输配管入口三b-iii。各水热火焰发生器输出口的几何轴线均外切于装置内核心燃烧区的假想圆，从而保证后续螺旋火焰的形成。装置主体2被夹套结构或单层/多层螺旋通道结构高效冷却套1包裹，冷却套1内的冷却水由顶部的冷却水入口e进入，经冷却水出口f流出。装置主体2底部的燃烬渣浆汇聚锥3与超临界热流体引导锥4相连，燃烬渣浆汇聚锥3侧面上部设有若干燃烬渣浆出口d，超临界热流体引导锥4底部设有超临界热流体出口c。

装置启动时，首先将处理达标的超临界水(以400℃，23mpa为例)从高压有机浆液输配管入口a注入，经高压有机浆液输配管6到高压有机浆液支管8，进而注入到水热火焰发生器5，最后喷射入装置主体2中，此时高压氧化剂输配管7处于关闭状态。待超临界水充满整个装置主体2后，高压有机浆液输配管入口a入口流体切换成有机浆液(以煤浆为例)，同时开启高压氧化剂输配管7，注入同处于一定温度压力(例如550℃，25mpa)的氧化剂(以空气为例)，煤浆与空气在水热火焰发生器5引发热自燃着火，并以火舌形式进入装置主体2，同时由于多个发生器5的配置方式原因，装置主体2内流体的螺旋流动促使火舌也开始螺旋运动。着火后，从冷却水入口e通入常温冷却剂(此处冷却剂以纯水为例)，启动高效冷却套1，控制装置主体1壁温在500℃以下。

所述装置稳定运行时，得益于各个水热火焰发生器5输出口的几何轴线均外切于装置内核心燃烧区的假想圆这一布置方式，喷出的火舌相互缠绕，以螺旋柱状向下运动，同时带动周围流体做相同旋转。因此，火焰柱持续存在，燃烬渣浆经惯性持续沉积于燃烬渣浆在燃烬渣浆汇聚锥3的凹陷处。煤浆、氧化剂以及冷却水均按照既定流量源源不断的通入到该装置。

所述装置进行排除燃烬渣浆操作时，通过流量调控阀10控制燃烬渣浆流量，防止出流过快影响超临界热流体出口c的生成物出流稳定性。整个过程中保持冷却水持续对装置主体2进行冷却。

综上所述，将该一种旋流式超临界水热燃烧装置及方法用于煤炭、污泥等固相或含固燃料的燃烧，能够实现污染物nox、sox、粉尘的源头控制，可以很容易的实现co2的低成本捕集，具有极其优越的环保性能。