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CN107935287A - 一种超临界水氧化能量回收系统 - Google Patents

一种超临界水氧化能量回收系统 Download PDF

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CN107935287A CN201711298934.8A CN201711298934A CN107935287A CN 107935287 A CN107935287 A CN 107935287A CN 201711298934 A CN201711298934 A CN 201711298934A CN 107935287 A CN107935287 A CN 107935287A
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Abstract

本发明公开了一种超临界水氧化能量回收系统，通过在超临界水氧化反应器出口端连接高压水力旋流器，将在超临界水氧化反应器内反应产物中的无机盐从排污口排除，并将产生高压高温气体排放到缓冲罐中进行平压处理，然后将平压后的气体依次通过高压透平膨胀机、低压透平膨胀机进行余热利用发电，在低压透平膨胀机的出口连接蒸发器，在蒸发器上连接朗肯循环系统，利用朗肯循环系统对通过蒸发器上的流体余热进一步利用，减小了朗肯循环系统的能源输入，本发明将超临界水氧化系统与余热余压回收系统相结合，充分利用超临界水氧化产物的热能和压力能，提高超临界水氧化系统能量回收利用率，利用气液分离器和精馏塔将产物中的二氧化碳进行分离回收，减少温室气体的排放。

Description

一种超临界水氧化能量回收系统
技术领域
本发明涉及超临界水氧化、余热余压回收领域，具体而言，本发明特别涉及一种超临界水氧化能量回收系统。
背景技术
超临界水氧化(Supercritical Water Oxidation，SCWO)是在超过水的临界点(Pc＝22.1MPa,Tc＝374.15℃)的高温高压条件下，通过氧化剂将有机物“燃烧”氧化的方法。该技术利用超临界水具有的独特物理化学性质(比如黏度小、扩散系数高、表面张力小等)，迅速的将有机物氧化成CO2、H2O、N2等无毒无害产物，由于该技术的高效性、清洁性，受到国内外学者的广泛关注。
超临界水氧化技术通常用来处理高浓度难降解的有机物，这些有机物中的COD很高(一般在20000mg/L至400000mg/L)，传统的方法对其无法处理，COD含有大量的化学能(单位COD的热值约为14.8kJ/g)，是一种“放错了地方的资源”，在与氧化剂反应时释放大量的热能。因此，超临界水氧化反应后的产物处于高温高压状态，具有很高的热能与压力能。
目前在超临界水氧化系统中，一般通过背压阀直接将高压流体降至常压，然后进行气液产物分离，流体具有的压力能直接损耗，在大规模废水处理过程中，这部分能量损耗是相当可观的。对于反应产物所携带的热能，一般多采用将其预热原料，但预热原料后的反应产物温度仍然较高，这种方法导致余热回收率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超临界水氧化能量回收系统，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种超临界水氧化能量回收系统，包括超临界水氧化反应器，超临界水氧化反应器的出口端连接有高压水力旋流器，高压水力旋流器的下端设有排污口，高压水力旋流器上端的气相出口端连接有缓冲罐，缓冲罐的出口端连接有高压透平膨胀机，高压透平膨胀机的排汽口端连接有低压透平膨胀机，低压透平膨胀机排气口端连接有蒸发器，蒸发器的管侧出口端与气液分离器入口端连接，气液分离器的气体出口端连接有第一冷凝器，第一冷凝器的管侧出口端连接有精馏塔，精馏塔底部出口端连接有液体二氧化碳储罐，蒸发器连接有朗肯循环系统。
进一步的，超临界水氧化反应器的液体入口连接有喷射泵，喷射泵的工作流体入口端连接有废液高压泵，废液高压泵用于抽取废液，废液高压泵连接有废液储罐，喷射泵与废液高压泵之间设有第一电加热器；喷射泵的引射流体入口端连接于氧化剂源，喷射泵的引射流体入口端通过氧化剂高压泵连接于氧化剂储罐。
进一步的，高压透平膨胀机与低压透平膨胀机之间连接有第二电加热器。
进一步的，朗肯循环系统包括与蒸发器通过第三电加热器连接的透平膨胀机，透平膨胀机出口依次连接有第二冷凝器、储液罐和有机工质泵，有机工质泵的出口连接于蒸发器。
进一步的，气液分离器气体出口端通过第一背压阀输出氧气和二氧化碳进入第一冷凝器中。
进一步的，气液分离器的液体出口端设有储水箱。
进一步的，气液分离器底部液体出口端通过第二背压阀连接储水箱。
进一步的，氧化剂高压泵为高压柱塞泵或压缩机。
进一步的，高压水力旋流器的排污口底部设有储渣槽。
进一步的，超临界水氧化反应器上设有用于超临界水氧化反应器内加热的辅助加热装置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种超临界水氧化能量回收系统，通过在超临界水氧化反应器出口端连接高压水力旋流器，将在超临界水氧化反应器内反应产物中的无机盐从排污口排除，并将产生高压高温气体排放到缓冲罐中进行平压处理，然后将平压后的气体依次通过高压透平膨胀机、低压透平膨胀机进行余热利用发电，在低压透平膨胀机的出口连接蒸发器，在蒸发器上连接朗肯循环系统，利用朗肯循环系统对通过蒸发器上的流体余热进一步利用，减小了朗肯循环系统的能源输入，本发明将超临界水氧化系统与余热余压回收系统相结合，充分利用超临界水氧化产物的热能和压力能，提高超临界水氧化系统能量回收利用率，然后在蒸发器后端接入气液分离器和精馏塔，采用低温相变分离法和精馏法相结合将氧化产物中的二氧化碳进行分离回收，减少温室气体的排放。
进一步的，超临界水氧化反应器的液体入口连接有喷射泵，喷射泵的工作流体入口端连接有废液高压泵，废液高压泵用于抽取废液，废液高压泵连接有废液储罐，喷射泵与废液高压泵之间设有第一电加热器；喷射泵的引射流体入口端连接于氧化剂源，喷射泵的引射流体入口端通过氧化剂高压泵连接于氧化剂储罐，利用喷射泵将废液和氧化剂进行混合均匀，减小了氧化剂高压泵的工作压力，提高了超临界水氧化反应器的工作效率。
进一步的，高压透平膨胀机与低压透平膨胀机之间连接有第二电加热器，利用第二电加热器提高排气干度，避免析出水滴产生液击现象。
进一步的，朗肯循环系统包括与蒸发器通过第三电加热器连接的透平膨胀机，透平膨胀机出口依次连接有第二冷凝器、储液罐和有机工质泵，有机工质泵的出口连接于蒸发器，通过朗肯循环系统与蒸发器连接，利用蒸发器内气液余热，对有机工质进行加热，减小了朗肯循环系统中加热器的加热温度，提高了余热利用率。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
其中，1为废液储罐，2为废液高压泵，3为第一电加热器，4为喷射泵，5为氧化剂储罐，6为氧化剂高压泵，7为超临界水氧化反应器，8为辅助加热设备，9为高压水力旋流器，10为储渣槽，11为缓冲罐，12为高压透平膨胀机，13为第二电加热器，14为低压透平膨胀机，15为蒸发器，16为气液分离器，17为第一背压阀，18为第一冷凝器，19为精馏塔，20为液体二氧化碳储罐，21为第二背压阀，22为储水箱，23为有机工质泵，24为储液罐，25位第二冷凝器，26为透平膨胀机，27为第三电加热器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，一种超临界水氧化能量回收系统，包括超临界水氧化反应器7，超临界水氧化反应器7上设有辅助加热装置8，用于超临界水氧化反应器7内加热，超临界水氧化反应器7的液体入口连接有喷射泵4，喷射泵4的工作流体入口端连接有废液高压泵2，废液高压泵2用于抽取废液，废液高压泵2连接有废液储罐1，喷射泵4与废液高压泵2之间设有第一电加热器3；喷射泵4的引射流体入口端连接于氧化剂源，喷射泵4的引射流体入口端通过氧化剂高压泵6连接于氧化剂储罐5；超临界水氧化反应器7的出口端连接有高压水力旋流器9，高压水力旋流器9的下端设有排污口，高压水力旋流器9的排污口底部设有储渣槽10，高压水力旋流器9上端设有气相出口，高压水力旋流器9的气相出口端连接有缓冲罐11，缓冲罐11的出口端连接有高压透平膨胀机12，高压透平膨胀机12的排汽口端连接有低压透平膨胀机14，高压透平膨胀机12与低压透平膨胀机14之间连接有第二电加热器13，低压透平膨胀机14排气口端连接有蒸发器15，低压透平膨胀机14排气口端与蒸发器15的管侧入口端连接，蒸发器15的管侧出口端与气液分离器16入口端连接，气液分离器16顶部气体出口端通过第一背压阀17输出氧气、二氧化碳进入第一冷凝器18中，第一冷凝器18的管侧出口端连接精馏塔19，精馏塔19底部出口端连接有液体二氧化碳储罐20，气液分离器16底部液体出口端通过第二背压阀21连接储水箱22；蒸发器15连接有朗肯循环系统，朗肯循环系统包括与蒸发器15通过第三电加热器27连接的透平膨胀机26，透平膨胀机26出口依次连接有第二冷凝器25、储液罐24和有机工质泵23，有机工质泵23的出口连接于蒸发器15；
其中超临界水氧化反应器反应温度为375℃-650℃，压力为23-30MPa。
氧化剂压力泵为高压柱塞泵或压缩机，分别用于液态氧化剂和气态氧化剂；氧化剂可为O2、空气以及双氧水；
喷射泵装置中有机废液为工作流体，氧化剂为被引射流体；
辅助加热设备为电加热器或燃气炉；
连接高压透平膨胀机和低压透平膨胀机之间的管道上安装有电加热器，对从高压透平出来的乏汽进行再加热。
朗肯循环系统中的工质为低沸点有机工质，朗肯循环系统为有机朗肯循环系统。
朗肯循环系统中蒸发器与透平膨胀机之间安装有电加热器。
高压废水泵、氧化剂压力泵、有机工质泵均设有变频设施，并装有射频控制装置。
各连接管道之间设有控制阀，控制阀均为电磁式，并装有射频控制装置。
二氧化碳分离降压、冷凝过程中，通过第一背压阀控制CO2、O2混合气体压力来确定CO2相变温度，确保CO2相变温度接近常温。
第一冷凝器所需冷流体、第二冷凝器所需冷却水均由冷冻机组提供，第一冷凝器所需冷流体可为液氮，且冷流体、冷却水进入冷凝器的温度均低于被冷却流体液化温度。
工质循环泵为叶轮泵。
高压透平膨胀机、低压透平膨胀机、透平膨胀机分别与各自对应的发电机同轴连接。
高压透平膨胀机、低压透平膨胀机以及朗肯循环系统中的透平膨胀机做功发电一部分可并入电网，另一部分可提供给本发明整体系统中耗电装置所需电能。
下面结合附图对本发明的结构原理和使用步骤作进一步说明：
如图1所示，废液储罐1中的有机废液经废液高压泵2升压后泵入第一电加热器3，并在第一电加热器3内被加热，加热到所需温度后输入喷射泵4工作流体入口中，与此同时，氧化剂储罐5中的氧化剂经氧化剂高压泵6升压后输入喷射泵4引射流体入口中，氧化剂和有机废液在喷射泵4的喉管内混合经扩散管段升压后送入超临界水氧化反应器7顶部入口，同时启动辅助加热设备8提高超临界水氧化反应器内温度到设定值，有机废液和氧化剂在超临界水氧化反应器7内发生氧化反应，将有机废液完全燃烧，并释放大量热，反应产物从反应器7底部流出至高压水力旋流器9内，反应产生的固体无机盐经高压水力旋流器9脱除排至储渣槽10进行收集，高压水力旋流器9顶部出口出来的高温高压流体先进入缓冲罐11中，待气压稳定后输入高压透平膨胀机12进气口膨胀做功发电，从高压透平膨胀机12排气口出来的混合气体温度、压力降低，经过第二电加热器13进一步提高气体温度，再一次将混合气输入低压透平膨胀机14中膨胀做功发电，此时，经过两次透平发电后流体温度、压力进一步降低，流入蒸发器15中，低压流体经过蒸发器15将热量大部分传递给朗肯循环中的有机工质，液态有机工质变为气态，经过第三电加热器27加热为过热蒸气进入透平膨胀机中膨胀做功发电，做完功排出来的有机工质经过第二冷凝器18冷凝变为液态，进入储液罐24经过有机工质泵23送入蒸发器15中形成循环，即可利用透平发电后流体的余热源源不断的输出电能，经过蒸发器15换热后的低温流体进入气液分离器16中，经过气液分离液态水从气液分离器16底部液体出口排出进入储水箱22，CO2和过量O2从气液分离器16顶部气体出口端通过第一背压阀17进入第一冷凝器18中，通过调节第一背压阀17控制混合气体压力，使CO2的液化温度接近常温，CO2气体经过第一冷凝器中的冷流体冷却变为液态进入精馏塔19中，液态CO2中含有一部分O2，在精馏塔19中经过多次气化、冷凝从而使CO2和O2进行分离，从而得到高浓度的CO2储存在液体二氧化碳储罐20中，从精馏塔19顶部分离出来的O2进行回收循环利用。待处理的有机废液经过超临界水氧化反应后，被氧化成CO2、H2O和无机盐，其中无机盐在超临界水中的溶解度很低，将会在反应器中析出并汇集在反应器底部，这些固态无机物将经过高压水力旋流器从系统中脱除。
反应器内的氧化反应是放热反应，从高压水力旋流器顶部出来的高温高压流体(H2O、CO2以及过量O2)进入超临界蒸汽轮机高压透平膨胀做功发电并入电网，做功后的流体温度和压力降低，再通过第二电加热器加热蒸汽，使蒸汽温度升高，然后通入低压透平膨胀做功，以产生更多的电力。第二电加热器相当于锅炉再热器，提高排气干度，避免析出水滴产生液击现象。
经过低压透平膨胀做功后的流体温度降低，采用有机朗肯循环发电系统对低温流体中的热能进行回收，工作时，所述的有机朗肯循环发电系统中的有机工质通过蒸发器吸收低温余热，转化为具有一定温度和压力的蒸气，蒸气经过再热后进入透平膨胀做功发电并入电网。
从蒸发器管的侧出口出来的CO2、H2O以及过量O2混合物进入气液分离器中，CO2和O2混合物从分离器顶部气体排出口排出，混合物中的CO2经过降压、冷凝变成液态，但液态CO2中仍然会溶解少量O2，基于CO2和O2的沸点存在较大差异，将CO2和O2输入精馏塔进行提纯，得到高浓度的CO2，从精馏塔顶排出的O2进行回收循环利用。

Claims (10)

1.一种超临界水氧化能量回收系统，其特征在于，包括超临界水氧化反应器(7)，超临界水氧化反应器(7)的出口端连接有高压水力旋流器(9)，高压水力旋流器(9)的下端设有排污口，高压水力旋流器(9)上端的气相出口端连接有缓冲罐(11)，缓冲罐(11)的出口端连接有高压透平膨胀机(12)，高压透平膨胀机(12)的排汽口端连接有低压透平膨胀机(14)，低压透平膨胀机(14)排气口端连接有蒸发器(15)，蒸发器(15)的管侧出口端与气液分离器(16)入口端连接，气液分离器(16)的气体出口端连接有第一冷凝器(18)，第一冷凝器(18)的管侧出口端连接有精馏塔(19)，精馏塔(19)出口端连接有液体二氧化碳储罐(20)，蒸发器(15)连接有朗肯循环系统。
2.根据权利要求1所述的一种超临界水氧化能量回收系统，其特征在于，超临界水氧化反应器(7)的液体入口连接有喷射泵(4)，喷射泵(4)的工作流体入口端连接有废液高压泵(2)，废液高压泵(2)用于抽取废液，废液高压泵(2)连接有废液储罐(1)，喷射泵(4)与废液高压泵(2)之间设有第一电加热器(3)；喷射泵(4)的引射流体入口端连接于氧化剂源，喷射泵(4)的引射流体入口端通过氧化剂高压泵(6)连接于氧化剂储罐(5)。
3.根据权利要求1所述的一种超临界水氧化能量回收系统，其特征在于，高压透平膨胀机(12)与低压透平膨胀机(14)之间连接有第二电加热器(13)。
4.根据权利要求1所述的一种超临界水氧化能量回收系统，其特征在于，朗肯循环系统包括与蒸发器(15)通过第三电加热器(27)连接的透平膨胀机(26)，透平膨胀机(26)出口依次连接有第二冷凝器(25)、储液罐(24)和有机工质泵(23)，有机工质泵(23)的出口连接于蒸发器(15)。
5.根据权利要求1所述的一种超临界水氧化能量回收系统，其特征在于，气液分离器(16)气体出口端通过第一背压阀(17)输出氧气和二氧化碳进入第一冷凝器(18)中。
6.根据权利要求1所述的一种超临界水氧化能量回收系统，其特征在于，气液分离器(16)的液体出口端设有储水箱(22)。
7.根据权利要求6所述的一种超临界水氧化能量回收系统，其特征在于，气液分离器(16)底部液体出口端通过第二背压阀(21)连接储水箱(22)。
8.根据权利要求1所述的一种超临界水氧化能量回收系统，其特征在于，氧化剂高压泵(6)为高压柱塞泵或压缩机。
9.根据权利要求1所述的一种超临界水氧化能量回收系统，其特征在于，高压水力旋流器(9)的排污口底部设有储渣槽(10)。
10.根据权利要求1所述的一种超临界水氧化能量回收系统，其特征在于，超临界水氧化反应器(7)上设有用于超临界水氧化反应器(7)内加热的辅助加热装置(8)。
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