超临界水氧化系统及其反应装置的制作方法

本实用新型涉及一种超临界水氧化系统及其反应装置，尤其涉及可在较高温度和压力条件下对污染物进行氧化处理的防腐蚀装置，属于环境装备领域。

背景技术：

处于超临界状态下的水具有介于气态水和液态水之间的特殊的物理化学性质，利用其作为污染物深度氧化处理的介质被称为污染物超临界水氧化。污染物超临界水氧化具有反应快、降解彻底，无二次污染等优势。然而，该技术要求污染物在高温、高压、强氧化性、水热条件下降解，这就意味着污染物需要经过从常温常压到高温高压再到常温常压这一流程，与该流程相对应的设备可以概括为物料预热系统、超临界水氧化系统、物料冷凝系统。污染物经过这三个系统后，被降解为二氧化碳、水、以及所含杂原子对应的矿物酸和盐。而设备材料在这一流程中，可能涉及高温高压、强氧化性、强酸性、水热体系、阴离子、以及成分复杂的废料环境等非常恶劣的工况条件，面临着严重腐蚀和失效的危险。设备材料的腐蚀失效不但在装置设计上严重制约着超临界水氧化技术的发展，而且由于其与装置安全运行密切相关，使其成为超临界水氧化技术应用转化的关键瓶颈。

虽然国内外科学家们针对于超临界水氧化技术设备材料的腐蚀问题已经开展了较为广泛和深入的研究，但由于运行条件的苛刻性使得装置异常复杂，而且该条件下材料腐蚀数据和资料极为有限，所以截至目前，简单、易行、高效且具有应用前景的防腐蚀技术仍然十分缺乏。鉴于上述污染物超临界水氧化装置设备材料防腐蚀技术开发的重要意义及其目前所面临的种种困境，有必要研究一种可防腐蚀的超临界水氧化系统。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种超临界水氧化系统及其反应装置，以解决污染物超临界水氧化系统，尤其是其反应装置在进行超临界水氧化反应时易因腐蚀而失效的问题。

本实用新型的技术方案是：一种超临界水氧化反应装置，应用于水热氧化反应中，该超临界水氧化反应装置包括：

反应器本体，具有一反应腔体，在所述反应器本体的侧壁上形成有导气孔，所述导气孔内端与所述反应腔体相连，所述导气孔的外端延伸到所述反应器本体外，在所述反应腔体的上部设有物料出口，在所述反应腔体的下部设有物料进口，所述物料进口包括反应物进口或\和氧化剂进口；

第一隔流器，设置于所述反应腔体内，所述第一隔流器的表面上设有第一通孔，所述第一隔流器将所述反应腔体分隔为反应区和隔离区，其中所述反应区位于所述反应腔体的中部，并且所述反应区与所述物料进口和所述物料出口相连；

第二隔流器，设置于所述反应腔体内，并环绕在所述第一隔流器的外侧，所述第二隔流器的表面上设有第二通孔，所述第二隔流器的内侧与所述第一隔流器的外侧形成所述隔离区，所述第二隔流器的外侧与所述反应腔体的内壁形成保护区；

从所述导气孔进入所述保护区的保护气体，经所述第二隔流器进入到所述隔离区中，包裹反应材料并将其阻挡和限制在所述隔离区以内，所述隔离区内的反应材料是从所述反应区经所述第一隔流器进入的，所述保护气体的气压大于所述反应材料水热氧化反应时的体系压力。

优选地，所述反应腔体的内壁面形成有第一氮氧保护薄膜层。

优选地，所述第一隔流器和所述第二隔流器的两端均可拆卸固定于所述反应腔体的内壁面上。

优选地，所述第一通孔的孔径大于所述第二通孔的孔径。

优选地，所述反应器本体为由镍基合金制成的筒形体；

所述第一隔流器为由镍基合金制成的筒形体，在该筒形体的表面均布有所述第一通孔；

所述第二隔流器为由镍基合金制成的筒形体，在该筒形体的表面均布有所述第二通孔。

本实用新型还提供一种超临界水氧化系统，包括：

物料泵送装置，包括反应物泵送装置和保护气泵送装置；

物料预热装置，包括预热器，所述预热器包括进料端、预热腔体和出料端，所述进料端适于接收被所述反应物泵送装置泵送过来的待反应材料，经所述预热腔体预热后从所述出料端输出；

所述的超临界水氧化反应装置，所述物料进口适于接收从所述预热器的出料端输出的待反应材料，所述导气孔的外端适于接收从所述保护气泵送装置泵送的保护气体，并将保护气体导流到所述保护区内；

物料冷凝装置，包括：

冷凝器，包括冷凝料进口、冷凝腔体和冷凝料出口，所述冷凝料进口适于接收从所述反应器本体的物料出口排出的反应产物，所述冷凝料出口适于将经所述冷凝腔体冷凝后的反应产物排出；

减压器，包括减压物料进口、减压物料出口和气体排放口，所述减压物料进口与所述冷凝器的冷凝料出口相连，而所述减压物料出口用于将减压后的反应产物排出，所述气体排放口适于将反应产物减压过程产生的气体排出。

优选地，所述冷凝器还包括：

导液器，设置于所述冷凝腔体内，所述导液器的表面上设有导液孔，所述导液器将所述冷凝腔体分隔为冷凝区和供液区，并且所述冷凝区与所述冷凝料进口和所述冷凝料出口相连；

输液孔，形成在所述冷凝腔体的侧壁上，所述输液孔的内端与所述冷凝腔体相连，所述输液孔的外端延伸到所述冷凝腔体的外端；

从所述输液孔进入所述供液区的冷却液，经所述导液孔进入到所述冷凝区内与反应产物接触并使反应产物冷却降温。

优选地，所述超临界水氧化系统还包括：

沉淀分离装置，包括：

沉淀池，所述沉淀池与所述减压器的减压物料出口相连，适于将经所述减压器减压后的反应物分离为液体和固体；

蓄水池，与所述沉淀池相连，适于接收储存从所述沉淀池流出的液体；

所述物料泵送装置还包括：

冷却液泵送装置，所述冷却液泵送装置适于将所述蓄水池中的液体泵送给所述输液孔作为冷却液使用。

优选地，所述冷凝腔体的内壁面形成有第二氮氧保护薄膜层。

优选地，所述预热腔体为直管形状，在所述预热腔体内壁面形成有第三氮氧保护薄膜层。

本实用新型的有益效果是：本实用新型超临界水氧化反应装置通过在反应腔体中设置第一隔流器和第二隔流器，第一隔流器将反应腔体分隔为反应区和隔离区，第二隔流器环绕第一隔流器设置，其外侧与反应腔体内壁面形成保护区，其内侧与第一隔流器的外侧共同形成隔离区，在反应腔体的壁面上形成有导气孔，保护气体可通过导气孔进入保护区及隔离区中，包裹反应材料并将其阻挡和限制在隔离区以内，由于保护气体从周围源源不断地泵入反应腔体中，不但使具有恶劣腐蚀特性的污染物超临界水氧化反应体系主要局限于反应区和隔离区，而且通过连续扰动该氧化反应体系，加速了污染物在反应区的氧化降解，提高了反应器的效率。

附图说明

图1为一实施方式中超临界水氧化系统的结构示意图；

图2为图1中预热装置的示意图；

图3为图1中超临界水氧化反应装置的示意图；

图4为图1中物料冷凝装置的示意图；

图5为图1中物料泵送装置的框架图；

图6为图1中沉淀分离装置的示意图；

附图标记说明：

100物料泵送装置；

110反应物泵送装置，111污染物泵送装置，112氧化剂泵送装置；120保护气泵送装置；130冷却液泵送装置；

200物料预热装置；

210预热器；211预热腔体；212进料端；213出料端；214第三氮氧保护薄膜层；

300超临界水氧化反应装置；

310反应器本体；320导气孔；330物料出口；340物料进口；350第一隔流器；360第二隔流器；370第一氮氧保护薄膜层；

400物料冷凝装置；

410冷凝器，411冷凝腔体，412输液孔，413导液器，414第二氮氧保护薄膜层，415冷凝料进口，416冷凝料出口；420减压器；

500沉淀分离装置；

510沉淀池；520蓄水池。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，为一实施方式中的超临界水氧化系统的结构示意图。本实施方式中的超临界水氧化系统包括物料泵送装置100、物料预热装置200、超临界水氧化反应装置300、物料冷凝装置400和沉淀分离装置500。

请一并参阅图1和图5，物料泵送装置100，主要用于泵送超临界水氧化反应所涉及到的物料，例如污染物、氧化剂、保护气和冷却液等。具体地，物料泵送装置100包括反应物泵送装置110、保护气泵送装置120和冷却液泵送装置130，反应物泵送装置110可以根据待反应材料的种类及泵送位置而定，例如当需要分别将污染物和氧化剂泵送至不同位置时，例如将污染物泵送到物料预热装置200，而将氧化剂泵送到超临界水氧化反应装置300中时，其可以包括污染物泵送装置111和氧化剂泵送装置112。保护气泵送装置120主要用于泵送保护气体，而冷却液泵送装置130主要用于将冷却液泵送给冷凝器410使用。在本实施方式中，污染物泵送装置111可以为液体高压泵，氧化剂泵送装置112可以为液体高压泵或气体增压泵，保护气泵送装置120可以为气体增压泵，冷却液泵送装置130可以为液体增压泵。当然，在其他实施方式中，也可以选择相应的泵送装置。

请一并参阅图1和图2，物料预热装置200，包括预热器210、电加热和温控设施，以将污染物水流体按工艺要求预热到一定温度，然后输送至反应器。物料预热装置200为现有常规的物料电加热系统。通常，预热器210为一高温高压设备，由镍基合金制成。具体地，预热器210包括进料端212、预热腔体211和出料端213，其中，进料端212适于接收被反应物泵送装置110泵送过来的待反应材料，经预热腔体211预热后从出料端213输出。

在预热器210内部，污染物可能水解为短链醇、酮、醛、烃、羧酸等有机物，也可能部分碳化。为此，预热腔体211优选为直管形状，以防止碳化产物或无机杂质在预热器210内壁表面沉积而导致污染物水热流体流动缓慢，影响预热器210的传热质过程。

另外，考虑到预热器210内部所面临的流体主要为污染物的热水解反应体系，工况条件涉及较高温度、高压、缺氧、水流体、有机污染物、无机杂质等，具有一定的腐蚀性。优选在预热腔体211内壁面形成有第三氮氧保护薄膜层214，以避免污染物热水解体系与预热器210主体材料直接接触。该氮氧保护薄膜为在较高温度（如400-600℃）和压力（5-20mpa）条件下与一定比例的氮气-氧气混合气体长时间作用而形成，具有较好的防腐蚀性能。

预热器210的电加热设施主要用于将污染物水流体加热至预定温度。为了保证污染物水流体的预热温度，一般将预热器210温度设置为略高于污染物流体需要达到的预热温度。运行时，还可通过污染物水流体的流动速率间接控制其预热温度，即通过调节反应物泵送装置110的泵送速率，控制污染物水热流体在预热器210中的停留时间，以达到调控其温度的目的。

请一并参阅图1和图3，超临界水氧化反应装置300，包括反应器本体310、第一隔流器350、第二隔流器360，以及附属的加热器和温控设施，加热设施的作用在于保证超临界水氧化反应器的温度能够达到实际的要求，使待反应材料的氧化反应在既定温度下进行，而反应器本体310作为超临界水氧化反应的场所。由于加热器和温控设施是反应器本体310上的公知附属设备，而此处不再展开进行描述。

反应器本体310，具有一反应腔体，在反应器本体310的侧壁上开设有若干导气孔320，导气孔320内端与反应腔体相连，导气孔320的外端延伸到反应器本体310外，在反应腔体的上部设有物料出口330，在反应腔体的下部设有物料进口340，物料进口340包括反应物进口或\和氧化剂进口，可根据需要而定。

在一个示例中，反应器本体310为由镍基合金制成的筒形体，其下端开设有两个进口，一个是反应物进口，一个是氧化剂进口，其上端开设有一个物料出口330，经过物料预热装置200预热后的污染物水热流体通过反应物进口进入到反应腔体中，而氧化剂则被氧化剂泵送装置112从氧化剂进口处泵入到反应腔体中，污染物及氧化剂在反应腔体中混合反应，经过超临界水氧化降解处理，又由位于上端的物料出口330输送至物料冷凝装置400。而导气孔320的外端则与保护气泵送装置120相连，由保护气泵送装置120供给本系统所需的高压保护气体。

优选地，在反应腔体的内壁面形成有第一氮氧保护薄膜层370。具体地，通过对反应腔体的内壁进行氮氧化处理，使其表面被一层致密的氮氧保护薄膜覆盖，进一步加强了超临界水氧化反应器的防腐蚀性能，避免污染物超临界水氧化体系与反应器主体材料直接接触，防止反应器运行过程中的腐蚀失效。氮氧保护薄膜的形成过程如前所述，此处不再赘述。

第一隔流器350，设置于反应腔体内。具体地，第一隔流器350为由镍基合金制成的筒形体，在该筒形体的表面均布有若干第一通孔。第一隔流器350的上下两端均可拆卸固定于反应腔体的内壁面上。例如，第一隔流器350的上下两端均通过螺栓及螺母固定连接在反应腔体的上下壁面上，以方便定期检修或更换该隔流器。

第一隔流器350将反应腔体分隔为反应区和隔离区，其中反应区位于反应腔体的中部，并且反应区与物料进口340和所述物料出口330相连，反应区作为待反应材料的主要水热氧化场所。

第二隔流器360，设置于反应腔体内，并环绕在第一隔流器350的外侧。具体地，第二隔流器360为由镍基合金制成的筒形体，在该筒形体的表面均布有若干第二通孔。第二隔流器360的上下两端均可拆卸固定于反应腔体的内壁面上。例如，第二隔流器360的上下两端均通过螺栓及螺母固定连接在反应腔体的上下壁面上，以方便定期检修或更换该隔流器。

第二隔流器360的内侧与第一隔流器350的外侧形成隔离区，而第二隔流器360的外侧与反应腔体的内壁形成保护区。从导气孔320进入保护区的保护气体，经第二隔流器360进入到隔离区中，包裹反应材料并将其限制在隔离区以内，隔离区内的反应材料是从反应区经第一隔流器350进入的，保护气体的气压大于反应材料氧化反应时的体系压力。

由于保护气体从周围源源不断地泵入反应器本体310中，并经由保护区、隔离区进入反应区，不但使具有恶劣腐蚀特性的污染物超临界水氧化反应体系主要局限于反应区和隔离区，而且通过连续扰动该氧化反应体系，加速了污染物在反应区的氧化降解，提高了反应器的效率。

优选地，第一通孔的孔径大于第二通孔的孔径。例如，第一通孔的孔径为120-500目，第二通孔的孔径为400-800目，该种结构的优点在于将较大的颗粒主要限制在反应区内，而略细的颗粒也仅存在于隔离区，避免了固体颗粒与反应器内壁表面接触而对其产生伤害。

请一并参阅图1和图4，物料冷凝装置400，主要用于将超临界水氧化反应装置300输出的高温高压的反应产物降温减压后排出。包括冷凝器410和减压器420。

冷凝器410，主要用于使高温高压的反应产物降温。冷凝器410包括冷凝腔体411、导液器413和输液孔412。

冷凝腔体411，在冷凝腔体411上部设有冷凝料进口415，在冷凝腔体411下部设有冷凝料出口416，冷凝料进口415适于接收从物料出口330排出的反应物，冷凝料出口416适于将冷凝后的反应物排出。在一个示例中，冷凝腔体411为由镍基合金制成的筒形体，其上端开设有一个冷凝料进口415，其下端开设有一个冷凝料出口416，物料从冷凝料进口415进入到冷凝腔体411中，被冷凝降温后从冷凝料出口416排出。

优选地，在冷凝腔体411的内壁面形成有第二氮氧保护薄膜层414。具体地，通过对冷凝腔体411的内壁进行氮氧化处理，使其表面被一层致密的氮氧保护薄膜覆盖，进一步加强了冷凝器410的防腐蚀性能，避免待冷却的反应产物与冷凝器410主体材料直接接触，防止冷凝运行过程中的腐蚀失效。氮氧保护薄膜的形成过程如前所述，此处不再赘述。

导液器413，设置于冷凝腔体411内。具体地，导液器413为由镍基合金制成的筒形体，在该筒形体的表面均布有若干导液孔。导液器413的上下两端均可拆卸固定于冷凝腔体411的内壁面上。例如，导液器413的上下两端均通过螺栓及螺母固定连接在冷凝腔体411的上下壁面上，以方便定期检修或更换该导液器413。

导液器413将冷凝腔体411分隔为冷凝区和供液区，并且冷凝区与冷凝料进口415和冷凝料出口416相连，冷凝区作为反应物冷凝降温的主要场所。

输液孔412，形成在冷凝腔体411的侧壁上，输液孔412的内端与冷凝腔体411相连，输液孔412的外端延伸出冷凝腔体411的外端，从输液孔412进入供液区的冷却液，经导液孔进入到冷凝区内与反应物接触并使反应物降温冷却。冷却液由周围缓慢渗入冷凝器410中心处的冷凝区，与反应流体（反应产物）相互混合后使其温度降低。

由于反应产物不直接与冷凝器410腔体的内壁面接触，因此可以有效改善冷凝器410的防腐蚀性能。

减压器420，主要用于对高压的反应产物进行减压。包括减压物料进口340、气体排放口和减压物料出口330，减压物料进口340与冷凝器410的冷凝料出口416相连，气体排放口适于将反应产物减压过程产生的气体排出，而减压物料出口330用于将减压后的反应物料排出。减压器420例如可以是空气减压器420，也可以是减压阀。

请一并参阅图1和图6，沉淀分离装置500，主要用于将反应产物分离为固体和液体。包括沉淀池510和蓄水池520。

沉淀池510，主要用于使反应产物中的部分物质沉淀成为固体。沉淀池510与减压器420的减压物料出口330相连，适于将经减压器420减压后的反应物分离为液体和固体。

蓄水池520，与沉淀池510相连，适于接收从沉淀池510流出的液体。

优选地，冷却液泵送装置130的吸水端口与蓄水池520相连，以将蓄水池520中的液体泵送给输液孔412作为冷却液使用，既节约了工艺用水，又使设备更为紧凑和高效，还有利于反应物料中某些特殊组分的富集和收集。

本系统针对污染物超临界水氧化技术所涉及的预热、超临界水氧化、冷凝三个过程各自的运行工况条件，基于精细化设计和分化处理这一思路，对每个过程采取不同的措施，极大程度地改善装置的防腐蚀性能。由于采取差异化的防腐蚀措施，不但保证了整个装置的防腐蚀性能，而且有利于设备制造和运行成本的降低，以解决现有技术装置复杂、制造成本高、运行可控性差等各种问题，促进污染物超临界水氧化技术的应用转化。

下面对超临界水氧化系统的处理方法进行介绍：

（1）污染物料预热

第一步：设置预热器210温度为300-400℃，待预热器210温度达到设置温度后，保持在该温度。

第二步：开启污染物泵送装置111，将污染物水流体按照一定速率输送至预热器210，使其被加热到所需温度。

（2）超临界水氧化

第一步：设置超临界水氧化反应装置300温度，并开启保护气泵送装置120（例如气体增压泵），将保护气体按照一定的速率源源不断地泵入超临界水氧化反应装置300中。

第二步：将预热后的污染物水热流体通过反应物进口泵送到反应腔体中，将氧化剂通过氧化剂进口泵送到反应腔体中。当然，在其它的实施方式中，污染物和氧化剂可以在进入反应腔体前先混合，然后一起泵送到反应腔体中。

第三步：污染物在超临界水氧化反应装置300内部被氧化降解后，从超临界水氧化反应装置300上端物料出口330输出至冷凝器410。

（3）降温降压

第一步：开启冷却液泵送装置130（例如高压泵），将沉淀池510中的液体处理后所得水流体按照一定速率通过输液孔412泵入冷凝器410内部。

第二步：将反应物料从冷凝器410上端输送到冷凝器410内部，使其与从周围经导液器413进入的冷却液充分混合，达到降温的目的。

第三步：降温后的反应物料从冷凝器410下端出来后，被输送至减压器420，经过减压器420后，流体被减压分相，所产生的气体直接排放，液体进入到沉淀池510集中处理。

第四步：沉淀池510中上部的液体导流到蓄水池520中，可对蓄水池520中收集的液体进行适当处理，然后将所得水流体通过冷却液泵送装置130泵入冷凝器410作为反应物料的冷却水。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。