本發(fā)明涉及環(huán)保行業(yè)的超亞臨界水氧化，具體涉及一種換熱-反應(yīng)一體式超亞臨界水氧化反應(yīng)器及方法。

背景技術(shù)：

1、超亞臨界水氧化技術(shù)(supercritical-subcritical?water?oxidation)是一種綠色、高效的高級氧化技術(shù)。在工業(yè)廢水、廢棄物處理方面具有良好的技術(shù)優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。亞臨界水氧化技術(shù)是指物料在亞臨界水(亞臨界水指水的溫度、壓力低于臨界水溫度或臨界水壓力，且密度大于臨界水密度的狀態(tài))中發(fā)生的氧化反應(yīng)。亞臨界水氧化技術(shù)在一定程度上具備超臨界水氧化技術(shù)快速、高效的優(yōu)點，并且氧化條件沒有超臨界水苛刻。

2、在亞臨界水氧化技術(shù)處理高鹽高濃度有機廢水的過程中，由于反應(yīng)需要在高溫高壓的條件下進行，可能會存在一些問題：第一，反應(yīng)筒體發(fā)生銹蝕，造成設(shè)備損傷、失效；第二，反應(yīng)后的高溫反應(yīng)液熱量得不到高效的利用；第三，設(shè)備制造成本高；第四，設(shè)備占地面積大。

3、因此，在處理高鹽高濃度有機廢水時，我們可以通過對工藝和設(shè)備的合理設(shè)計實現(xiàn)以下目的：(1)實現(xiàn)反應(yīng)熱的回收，利用具有高溫的反應(yīng)液給待反應(yīng)的物料加熱，提高熱量利用率，實現(xiàn)熱量自給，減少運行成本；(2)減少高價值的防腐蝕耐高溫金屬材料的使用，既避免筒體發(fā)生腐蝕，又降低了設(shè)備的制造成本；(3)充分的利用空間資源，減少設(shè)備的占地面積。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述技術(shù)問題，本技術(shù)的目的在于提供一種換熱-反應(yīng)一體式超亞臨界水氧化反應(yīng)器及方法，本發(fā)明將常規(guī)的換熱器和超亞臨界反應(yīng)器結(jié)合成一個集換熱功能與氧化反應(yīng)功能于一體的獨立結(jié)構(gòu)。首先，節(jié)省了占地面積、降低了設(shè)備的泄漏風(fēng)險以及減少了高價格材料的投入使用；其次，提高了設(shè)備的空間利用率和反應(yīng)液的熱量利用率。最終可實現(xiàn)降低超亞臨界水氧化設(shè)備的制造和運行成本。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一種換熱-反應(yīng)一體式超亞臨界水氧化反應(yīng)器，包括外筒體以及其內(nèi)部自上而下間隔設(shè)置的內(nèi)筒體和下支撐板，下支撐板與外筒體底部之間形成蓄水室；內(nèi)筒體內(nèi)部設(shè)置上支撐板且被上支撐板分隔為上方的催化反應(yīng)區(qū)和下方的預(yù)熱換熱區(qū)，內(nèi)筒體底部設(shè)置多孔支撐板，所述催化反應(yīng)區(qū)設(shè)置有催化劑床層；預(yù)熱換熱區(qū)內(nèi)設(shè)置有多根陣列排布的換熱管，換熱管外側(cè)的預(yù)熱換熱區(qū)即為殼程換熱室，換熱管上端口連接上支撐板并與所述催化反應(yīng)區(qū)相通，換熱管下端口穿過多孔支撐板后連接下支撐板并與所述蓄水室相通；外筒體被下支撐板分為上部區(qū)域和下部區(qū)域，同時所述外筒體的上部區(qū)域和內(nèi)筒體被多孔支撐板分割為兩個相對獨立的功能區(qū)。

4、所述催化反應(yīng)區(qū)的中心還設(shè)置有中心導(dǎo)流管，中心導(dǎo)流管下端口連接上支撐板并與所述預(yù)熱換熱區(qū)相通，中心導(dǎo)流管上端口向上穿過催化劑床層；所述外筒體上設(shè)置有物料入口和物料出口，自物料入口通入的原料液能夠通過下支撐板上方區(qū)域流經(jīng)多孔支撐板，進入預(yù)熱換熱區(qū)內(nèi)與換熱管外壁接觸進行換熱；物料出口與所述蓄水室相通；

5、外筒體下端內(nèi)還設(shè)置有氧化劑分散器，氧化劑分散器貼近于下支撐板上方設(shè)置。

6、所述的分流室和反應(yīng)液分布緩沖室分別位于催化劑床層的上部和下部，分流室的作用主要是進一步地讓待反應(yīng)物料與氧化劑充分混合，實現(xiàn)一個較好的處理效果；反應(yīng)液分布緩沖室的目的主要是降低物料出水速度，提高其在換熱管內(nèi)的停留時間，保證了高溫反應(yīng)液在殼程換熱室內(nèi)與相對低溫的待反應(yīng)物料充分換熱。達到高效的熱量回收再利用。

7、進一步地，所述催化劑床層包括帶孔支撐板以及在帶孔支撐板上表面填充堆積的氧化催化劑顆粒層，帶孔支撐板與上支撐板之間間隔設(shè)置且兩者之間形成反應(yīng)液分布緩沖室，氧化催化劑顆粒層的上表面與內(nèi)筒體頂部內(nèi)壁之間間隔設(shè)置且兩者之間形成分流室；所述中心導(dǎo)流管從氧化催化劑顆粒層中心穿過且其上端口伸入至分流室中。

8、所述的催化劑床層位于內(nèi)筒體上部區(qū)域，催化劑被帶孔支撐板所支撐，中間設(shè)有中心導(dǎo)流管，在殼程換熱室經(jīng)加熱后的待反應(yīng)物料沿著中心導(dǎo)流管進入分流室，后再進入催化劑床層反應(yīng)。使物料得以充分反應(yīng)，保證了出水水質(zhì)。

9、所述的蓄水室位于外筒體的下部區(qū)域，經(jīng)換熱管內(nèi)部的高溫反應(yīng)液在殼程換熱室內(nèi)換熱后進入到蓄水室，降溫后的反應(yīng)液在蓄水室中得以緩沖后再從物料出口進入下一冷卻體系。

10、進一步地，換熱管通過焊接與上支撐板、多孔支撐板和下支撐板連接為一體。

11、進一步地，內(nèi)筒體外壁與外筒體內(nèi)壁之間設(shè)置間隙，該間隙之間環(huán)隙中設(shè)置加熱器，用于對流經(jīng)的原料液進行加熱預(yù)熱；所述物料入口設(shè)置于外筒體上端頂部，自物料入口通入的原料液，沿著內(nèi)筒體外壁與外筒體內(nèi)壁之間環(huán)隙達到下支撐板上，與氧化劑分散器噴出的氧化劑混合，后又經(jīng)過多孔支撐板進入內(nèi)筒體的殼程換熱室通過換熱獲得熱量。

12、進一步地，外筒體頂部和底部分別安裝上端蓋頭和下端蓋頭，上端蓋頭和下端蓋頭均為圓形蓋頭結(jié)構(gòu)，可拆卸連接于外筒體兩端；上端蓋頭和下端蓋頭先置于外筒體兩端的相應(yīng)凹槽內(nèi)，再通過中空圓形封蓋與螺栓的固定作用，將上端蓋頭和下端蓋頭與外筒體進行連接和密封。位于外筒體下部區(qū)域的下端蓋頭自身設(shè)有帶有排水通道，用于反應(yīng)后物料的排出。

13、進一步地，外筒體為具有耐高壓、不耐高溫的材質(zhì)，一般選用普通不銹鋼，例如選用鐵素體不銹鋼，內(nèi)壁面鍍覆防銹蝕涂層；內(nèi)筒體相對處于高溫環(huán)境，一般選用耐熱性能高、耐腐蝕性能更好的合金材料，其材質(zhì)可以不耐高壓，例如可選用鈦合金。

14、本發(fā)明中換熱管既具備導(dǎo)流的作用，又具備傳熱功能。反應(yīng)后的高溫反應(yīng)液給反應(yīng)前的待反應(yīng)物料加熱，實現(xiàn)自給熱。

15、所述催化劑床層設(shè)置在內(nèi)筒體內(nèi)部上部區(qū)間，可以不定期的更換催化劑，同時也可以根據(jù)反應(yīng)需求更換不同種類的催化劑。

16、進一步地，所述氧化劑分散器包括蚊香型盤管以及與其連接的進液支管，蚊香型盤管頂部均勻設(shè)置若干出液孔，蚊香型盤管設(shè)置于外筒體內(nèi)靠近于下支撐板上方，進液支管的一端從外筒體側(cè)壁穿出。

17、一種亞臨界水催化氧化方法，采用所述的一種換熱-反應(yīng)一體式超亞臨界水氧化反應(yīng)器進行反應(yīng)，向物料入口導(dǎo)入原料液，原料液到達下支撐板上方與氧化劑分散器釋放的氧化劑接觸混合，之后再通過多孔支撐板上的孔道進入到殼體換熱室，氧化劑和待反應(yīng)物料通過換熱獲得熱量進而升溫，加速反應(yīng)；混合后液體再經(jīng)過中心導(dǎo)流管進入到催化反應(yīng)區(qū)的催化劑床層進行氧化反應(yīng)，氧化反應(yīng)釋放熱量使反應(yīng)液升溫，產(chǎn)生的高溫反應(yīng)液均勻滴落至上支撐板上并進入換熱管內(nèi)部，換熱管內(nèi)部的高溫反應(yīng)液與殼程換熱室內(nèi)的待反應(yīng)物料和氧化劑發(fā)生熱量交換，給待反應(yīng)物料和氧化劑加熱，繼而達到熱量回收再利用；高溫反應(yīng)液在殼程換熱室傳熱后，最終到達蓄水室，再經(jīng)物料出口排出。

18、進一步地，所述原料液為高鹽高濃度有機污水，例如可以是制藥廢水，即含鹽量為4wt％-15wt％的高cod(5-10萬mg/l)有機廢水。

19、本發(fā)明催化氧化方法中，具有以下特點：1.反應(yīng)后的高溫流體通過換熱室是可以給待反應(yīng)原料液加熱到反應(yīng)所需溫度；2.催化劑床層進一步發(fā)生氧化反應(yīng)(降低反應(yīng)所需溫度、釋放出大量的熱量)，這使得催化劑床層反應(yīng)后的流體溫度遠遠高于待反應(yīng)液的溫度，從而實現(xiàn)自給熱，減少外部提供的熱量。

20、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明取得的有益效果是：

21、1)本發(fā)明反應(yīng)器設(shè)有兩個不同功能的內(nèi)外筒體，一個是具有耐高壓不耐高溫的外筒體，另一個是有機廢水發(fā)生亞臨界水氧化反應(yīng)及熱交換的內(nèi)筒體，內(nèi)筒體不耐高壓但耐高溫，且耐腐蝕。相對低溫的待反應(yīng)物料進入殼程換熱室內(nèi)，超臨界氧化反應(yīng)產(chǎn)生的高溫反應(yīng)液進入換熱管內(nèi)部，換熱管內(nèi)部的高溫反應(yīng)液將自身攜帶的熱量通過其管壁傳遞給管壁外的待反應(yīng)物料，即是與殼程換熱室內(nèi)的待反應(yīng)物料和氧化劑發(fā)生熱量交換，使得導(dǎo)流管管壁外的物料達到反應(yīng)所需溫度。該反應(yīng)器充分地利用了亞臨界水氧化反應(yīng)后的反應(yīng)熱，達到熱量回收再利用，實現(xiàn)反應(yīng)自給熱，對于高濃度有機廢水氧化反應(yīng)，甚至可以輸出熱量(蒸汽)，減小了外部供熱所需要的成本，從而降低了設(shè)備的運行成本。

22、2)本發(fā)明將常規(guī)的換熱器和超亞臨界反應(yīng)器結(jié)合成一個集換熱功能與氧化反應(yīng)功能于一體的獨立結(jié)構(gòu)，由于該反應(yīng)器為一體式結(jié)構(gòu)，第一，避免了因多個器械設(shè)備投入使用造成的占地面積大，極大地提高了設(shè)備的空間利用率和反應(yīng)液的熱量利用率；第二，降低了多個器械設(shè)備之間因連接而產(chǎn)生的泄漏風(fēng)險；第三，一體式反應(yīng)器對外筒體的材料要求是可以不耐高溫，但要耐高壓；對內(nèi)筒體內(nèi)壁面及內(nèi)筒體內(nèi)的管件材料要求是可以不耐高壓，但要耐高溫和耐腐蝕。這減少了高價格的耐腐蝕、耐高溫等材料的使用，在一定程度上也降低了設(shè)備的制造成本。