本发明涉及一种城市生活污水以及工业污水超临界水气化反应处理装置及方法。
背景技术：
长期以来，城市生活污水以及工业污水的高效处理一直是急需解决的重要问题。为实现污水资源化及能源化利用的长效机制，采用热化学转化途径是易于大规模工业化集成应用的转化方式。且在众多热化学转化途径中，由于超临界水气化技术具有理论气化率高、理论二次污染少等优势，超临界水气化技术被认为是污水处理行之有效的技术途径，对此不少科研工作者进行了相关研究。然而大量实验及规模化工业实践表明，超临界水气化反应装置具有传热效率低、反应时间短、气化效果不理想等实际问题，对于超临界水气化反应装置进行的优化设计将非常有助于强化传热传质、延长反应时间、提高气化转化效率。
技术实现要素：
为了克服污水超临界水气化反应装置传热效率低、反应时间短、气化效果尚不理想等缺点，本发明提出了一种污水超临界水气化高效处理装置及方法。利用本装置得到的反应产物具有气化率高、氢气产量高、液体总有机碳含量低等优点，从而实现污水超临界水气化高效处理。
本发明的技术方案为：一种污水超临界水气化高效反应装置，包括炉膛石英管，炉膛石英管内设中心粗管，在炉膛石英管和中心粗管之间设置毛细回路盘管，中心粗管和毛细回路盘管相互独立无物质交换，所述的反应装置下端设置反应管主进口上设置进口分流器，进口分流器分别与毛细管进口和中心粗管进口连接，在反应装置的上端毛细管出口、中心粗管出口分别与出口混流器连接，出口混流器上设置反应管主出口。
所述的中心粗管外壁固定连接8090锂铝合金翅片。
所述的8090锂铝合金翅片相邻翅片间距离小于等于5mm。
所述的反应装置和前置泵连接。
所述的反应装置和后置背压阀连接。
应用所述的污水超临界水气化高效反应装置的污水处理方法，污水原料由反应管主进口进入，经分流器分流后分别由毛细管进口和中心粗管进口导入毛细回路盘管和中心粗管内进行超临界水气化反应，反应产物分别通过毛细管出口和中心粗管出口进入出口混流器内混流后通过反应管主出口排出反应器进入后续流程。
控制毛细回路盘管内污水停留时间在60～75s，中心粗管内污水停留时间在216～270s，反应管主进口污水进料量为50～100ml/min，毛细管进口流量为8～16ml/min，中心粗管进口流量为42～84ml/min。
毛细回路盘管的内容积为10～20ml，中心粗管的内容积为37.5～65ml，进口分流器和出口分流器的内容积为120～150ml。
所述的步骤中超临界水气化反应物料混流的工作条件为：毛细管出口流量为8～16ml/min，中心粗管出口流量为42～84ml/min，反应管主出口出料量为50～100ml/min。
有益效果
1.本发明以城市生活污水以及工业污水为主要原料，原料的来源广泛、价格低廉，可高效处理污水废弃物，减少水环境污染，实现资源的可持续发展，有效缓解当今的能源危机问题，创造了经济价值。
2.本发明装置可处理较高化学需氧量cod的污水(cod可达2000mg/l)，经本发明装置高效处理后，物料cod可达国标要求。
3.本发明装置处理污水后气体产物成分为：40～50vol.％h2、15～20vol.％co、10～15vol.％ch4、15～20vol.％co2、5～8vol.％c2h4/c2h6，气体产物热值可达16mj/m3。
4.本发明装置反应段由毛细回路盘管和带翅片结构的中心粗管共同构成，毛细回路盘管内可实现60～75s反应停留时间，中心粗管内可实现216～270s反应停留时间，毛细回路盘管由于管径小，辐射传热效果好，而中心粗管通过外壁焊接翅片强化传热，中心粗管综合传热性能较为理想，通过毛细回路盘管与中心盘管协同实现超临界水气化技术，可获得污水高效处理。
5.本发明装置可使得污水超临界水气化反应后的焦油产量较低，这很有利于实现系统的高压氛围稳定性。
6.本发明装置具有耗能低、处理效率高、二次污染少、成本低、系统稳定性高等优点，通过本发明装置制得的气体产物附加值高、液体产物少，适用于规模化集中生产。
附图说明
图1为本发明总体结构示意图；
图1中标号说明：1、反应管主进口；2、毛细管进口；3、中心粗管进口；4、进口分流器；5、中心粗管；6、毛细回路盘管；7、翅片；8、炉膛石英管；9、毛细管出口；10、中心粗管出口；11、反应管主出口；12、出口混流器。
图2为本发明内部结构示意图；
图2中标号说明：1、毛细回路盘管；2、翅片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
一种污水超临界水气化高效处理装置，包括：反应管主进口、毛细管进口、中心粗管进口、炉膛石英管、毛细管出口、中心粗管出口、反应管主出口。包括炉膛石英管8，炉膛石英管8内设中心粗管5，在炉膛石英管8和中心粗管5之间设置毛细回路盘管6，中心粗管5和毛细回路盘管6相互独立无物质交换，所述的反应装置下端设置反应管主进口1上设置进口分流器4，进口分流器4分别与毛细管进口2和中心粗管进口3连接，在反应装置的上端毛细管出口9、中心粗管出口10分别与出口混流器12连接，出口混流器12上设置反应管主出口11。所述的中心粗管5外壁固定连接8090锂铝合金翅片7。所述的8090锂铝合金翅片7相邻翅片间距离小于等于5mm。在炉膛石英管8外设置加热装置。所述的加热装置为电炉丝或硅碳棒。
污水原料由反应管主进口1进入，经分流后同时由毛细管进口2和中心粗管进口3导入炉膛反应氛围。污水原料在毛细回路盘管6和中心粗管5内同时进行超临界水气化反应，反应产物通过毛细管出口和中心粗管出口排出反应器，毛细盘管和中心粗管之间是没有物质交换的。再由反应管主出口送至产物分离、收集区域等后续管路。
进一步的，还包括进口分流器，所述进口分流器将反应管主进口的污水物料分流至毛细管进口和中心粗管进口；
进一步的，还包括出口混流器，所述出口混流器将毛细管出口和中心粗管出口物料送至反应管主出口，经由反应管主出口送入后续配套管路；
进一步的，还包括毛细回路盘管，所述毛细回路盘管用于反应由毛细管进口进入的污水，反应后物料由毛细管出口排出；
进一步的，还包括密集设置在中心粗管外的翅片，所述翅片为8090铝锂合金材质，所述翅片利用氩弧焊焊接于中心粗管外表面，用于高效辐射换热；
进一步的，还包括中心粗管，所述中心粗管用于反应由中心粗管进口进入的污水，反应后物料由中心粗管出口排出。
应用本发明装置的污水处理方法，包括以下步骤：
(1)污水原料分流：从反应管主进口进入的污水原料经进口分流器分流至毛细管进口和中心粗管进口。
(2)超临界水气化反应物料混流：从毛细管出口和中心粗管出口排出的反应后物料由出口混流器，通过反应管主出口送入后续管路。
(3)超临界水气化反应段：从毛细管进口流入的污水原料在毛细回路盘管发生超临界水气化反应，反应后物料由毛细管出口流出。从中心粗管进口流入的污水原料在中心粗管发生超临界水气化反应，反应后物料由中心粗管出口流出。
进一步的，所述的步骤(1)中污水原料分流的工作条件为：反应管主进口污水进料量为50～100ml/min，毛细管进口流量为8～16ml/min，中心粗管进口流量为42～84ml/min，反应管主进口压力为23～24.5mpa、温度为150～155℃，毛细管进口压力为23～24.5mpa、温度为225～230℃，中心粗管进口压力为23～24.5mpa、温度为230～235℃，进口分流器内压力为23～24.5mpa、温度为215～220℃。
进一步的，所述的步骤(1)中反应管主进口的管道尺寸为φ1.6×0.5mm，材质为310s，进口分流器材质为310s，进口分流器内部空间尺寸为80mm×40mm×40mm(长×宽×高)，毛细管进口的管道尺寸为φ3×1mm，材质为哈氏c-276，中心粗管进口的管道尺寸为φ16×4.5mm，材质为哈氏c-276。
进一步的，所述的步骤(2)中超临界水气化反应物料混流的工作条件为：毛细管出口流量为8～16ml/min，中心粗管出口流量为42～84ml/min，反应管主出口出料量为50～100ml/min，毛细管出口压力为23～24.5mpa、温度为585～590℃，中心粗管出口压力为23～24.5mpa、温度为590～595℃，反应管主出口压力为23～24.5mpa、温度为575～580℃，出口混流器内压力为23～24.5mpa、温度为587±2℃。
进一步的，所述的步骤(2)中反应管主出口的管道尺寸为φ3×1mm，材质为哈氏c-276，出口分流器材质为哈氏c-276，出口分流器内部空间尺寸为80mm×40mm×40mm(长×宽×高)，毛细管出口的管道尺寸为φ3×1mm，材质为哈氏c-276，中心粗管出口的管道尺寸为φ16×4.5mm，材质为哈氏c-276。
进一步的，所述的步骤(3)中毛细回路盘管的管道尺寸为φ3×1mm，材质为哈氏c-276，盘绕直径为80mm，盘管匝数为100匝，毛细回路盘管轴向长度为1700mm，毛细回路盘管内压力为23～24.5mpa、温度为600～610℃。
进一步的，所述的步骤(3)中中心粗管外氩弧焊接8090铝锂合金材质翅片，翅片厚度为1mm，相邻翅片间隔5mm，翅片径向外径为21mm，中心粗管轴向长度为1700mm，中心粗管内压力为23～24.5mpa、温度为600～610℃。
实施例1
一种污水超临界水气化高效处理装置，包括：反应管主进口、毛细管进口、中心粗管进口、炉膛石英管、毛细管出口、中心粗管出口、反应管主出口。污水原料由反应管主进口进入，经分流后同时由毛细管进口和中心粗管进口导入炉膛反应氛围。污水原料在毛细回路盘管和中心粗管内同时进行超临界水气化反应，反应产物通过毛细管出口和中心粗管出口排出反应器，再由反应管主出口送至产物分离、收集区域等后续管路。
实施例2
一种污水超临界水气化高效处理方法,具体操作步骤如下：
(1)将纺织染整工业污水(codcr为1200mg/l)由反应管主进口(反应管主进口污水进料量为50ml/min，压力23mpa，温度152℃)送入进口分流器(压力23mpa，温度216℃)，并经进口分流器分配至毛细管进口(毛细管进口的进口流量为8ml/min，压力23mpa，温度225℃)和中心粗管进口(中心粗管进口的进口流量为42ml/min，压力23mpa，温度231℃)，然后分别在毛细回路盘管和中心粗管内发生超临界水气化反应(压力23mpa，温度600℃)，反应后由毛细管出口(毛细管出口的出口流量为8ml/min，压力23mpa，温度586℃)和中心粗管出口(中心粗管出口的出口流量为42ml/min，压力23mpa，温度592℃)进入出口混流器(出口混流器内压力为23mpa，温度为587℃)，然后汇入反应管主出口(反应管主出口压力23mpa，温度为577℃)并送至后续管道，通过本超临界水气化污水处理装置，产物气体成分为46.1vol.％h2、18.2vol.％co、10.8vol.％ch4、18.6vol.％co2、6.3vol.％c2h4/c2h6，液体产物codcr为65mg/l，符合国标限值(gb4287-2012)。
实施例3
(1)将城市生活污水(codcr为900mg/l)由反应管主进口(反应管主进口污水进料量为50ml/min，压力23mpa，温度152℃)送入进口分流器(压力23mpa，温度216℃)，并经进口分流器分配至毛细管进口(毛细管进口的进口流量为8ml/min，压力23mpa，温度225℃)和中心粗管进口(中心粗管进口的进口流量为42ml/min，压力23mpa，温度231℃)，然后分别在毛细回路盘管和中心粗管内发生超临界水气化反应(压力23mpa，温度600℃)，反应后由毛细管出口(毛细管出口的出口流量为8ml/min，压力23mpa，温度586℃)和中心粗管出口(中心粗管出口的出口流量为42ml/min，压力23mpa，温度592℃)进入出口混流器(出口混流器内压力为23mpa，温度为587℃)，然后汇入反应管主出口(反应管主出口压力23mpa，温度为577℃)并送至后续管道，通过本超临界水气化污水处理装置，产物气体成分为48.2vol.％h2、17.6vol.％co、11.0vol.％ch4、17.7vol.％co2、5.5vol.％c2h4/c2h6，液体产物codcr为42mg/l，符合国标限值(gb18918-2002)。