超臨界水系統(tǒng)降壓裝置的研究進(jìn)展

郭靈巧 徐志鵬 丘全科 雍海泉

（1. 重慶賽迪熱工環(huán)保工程技術(shù)有限公司，重慶 401120；2. 中冶賽迪技術(shù)研究中心有限公司，重慶 401120）

1 引言

超臨界水處理廢棄物技術(shù)是利用水在超臨界狀態(tài)下（溫度≥374 ℃，壓力≥22.1 MPa）兼具氣體與液體的高擴(kuò)散性、對(duì)有機(jī)物的高溶解度及低表面張力等特性，在幾秒到幾分鐘時(shí)間內(nèi)對(duì)有機(jī)廢物進(jìn)行氧化分解，將其轉(zhuǎn)化成H2O，CO2，CH4，CO，H2，N2等小分子物質(zhì)［1］，其中的無(wú)機(jī)鹽從超臨界水中沉淀析出，從而達(dá)到有機(jī)廢物高效、徹底無(wú)害化處理的一種高級(jí)氧化技術(shù)。該技術(shù)處理過(guò)程中幾乎無(wú)二英、NOX等副產(chǎn)物產(chǎn)生，因此被認(rèn)為是一種極具前景的綠色廢物處理技術(shù)。目前，河北新奧環(huán)保技術(shù)有限公司已實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用，建設(shè)了幾條處理能力分別為1 萬(wàn)t/a 的超臨界水氧化處理工業(yè)危險(xiǎn)廢棄物裝置，并完成竣工驗(yàn)收。其他鮮有超臨界水處理廢棄物相關(guān)的工程化報(bào)道。

限制超臨界水處理廢棄物技術(shù)工程化應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)，除了普遍存在的設(shè)備腐蝕、鹽沉積堵塞［2］、工程化成本難以估計(jì)等［3］，還有系統(tǒng)降壓?jiǎn)栴}，而這一技術(shù)難點(diǎn)的研究進(jìn)展在現(xiàn)有的文獻(xiàn)報(bào)道中鮮有提及。廢棄物在高溫高壓的超臨界水反應(yīng)器內(nèi)完成反應(yīng)后，反應(yīng)產(chǎn)物是氣液固三相混合物，其必須經(jīng)降溫降壓后才可以從系統(tǒng)中排出。而超臨界水反應(yīng)系統(tǒng)中降壓的壓差在20 MPa 左右，降壓過(guò)程中，含固反應(yīng)產(chǎn)物流速急劇增大，會(huì)對(duì)降壓設(shè)備造成嚴(yán)重磨損。面對(duì)如此巨大的壓差和惡劣工況，需要設(shè)置可靠、有效的降壓裝置。目前主要應(yīng)用的降壓方法有調(diào)壓閥降壓法、毛細(xì)管降壓法和能量轉(zhuǎn)換降壓法。本文將對(duì)這幾種降壓方法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用前景予以介紹。

2 降壓方法

2.1 調(diào)壓閥降壓法

目前使用調(diào)壓閥減壓的方法主要有3 種：（1）單獨(dú)使用一個(gè)調(diào)壓閥；（2）調(diào)壓閥串聯(lián)；（3）調(diào)壓閥與封壓水組合。

2.1.1 單獨(dú)使用一個(gè)調(diào)壓閥

單獨(dú)使用一個(gè)調(diào)壓閥的減壓方式主要用在實(shí)驗(yàn)室小試裝置中，普遍采用一個(gè)背壓閥安裝在換熱器出口處的管道上控制整個(gè)系統(tǒng)的壓力。該方法的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)控制簡(jiǎn)易，流程簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是系統(tǒng)的壓力控制集中在一個(gè)點(diǎn)上，系統(tǒng)的控制精度不可調(diào)，且背壓閥易堵塞，安全性和穩(wěn)定性難以保證，因此不利于工業(yè)化放大，只能用在實(shí)驗(yàn)室小試裝置上。

2.1.2 調(diào)壓閥串聯(lián)

為了克服單獨(dú)使用一個(gè)調(diào)壓閥導(dǎo)致超臨界水反應(yīng)系統(tǒng)壓力控制精度不可調(diào)的問(wèn)題，杜娟等人［4］公開了一種由m（m≥2）個(gè)壓力調(diào)節(jié)閥通過(guò)管路串聯(lián)組成的壓力控制裝置，該系統(tǒng)通過(guò)精確控制各個(gè)調(diào)壓閥的開度，實(shí)現(xiàn)超臨界水系統(tǒng)壓力的精確控制。盡管該方法能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制系統(tǒng)壓力的要求，但同樣存在閥門易堵塞、易磨損的問(wèn)題，而且串聯(lián)的閥門當(dāng)中如果有一個(gè)閥門發(fā)生堵塞，則整個(gè)降壓系統(tǒng)將發(fā)生故障而無(wú)法工作，因此，這種調(diào)壓方法在工程應(yīng)用中使用較少。

2.1.3 調(diào)壓閥與封壓水組合

調(diào)壓閥與封壓水組合的降壓方法普遍應(yīng)用在工業(yè)化的超臨界水系統(tǒng)中，調(diào)壓閥普遍使用角閥［5］。該系統(tǒng)的工作原理是：在系統(tǒng)運(yùn)行初期，即超臨界水系統(tǒng)升壓過(guò)程中，打開調(diào)壓閥，開啟封壓水泵，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行逐級(jí)升壓，待升壓到系統(tǒng)所需壓力以后，減小調(diào)壓閥開度和封壓水的輸入量，在反應(yīng)過(guò)程中維持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是將壓力控制集中在2 個(gè)點(diǎn)上，系統(tǒng)不易堵塞，意外停機(jī)時(shí)封壓水可以快速冷卻物料，運(yùn)行安全，因此，該降壓裝置在反應(yīng)產(chǎn)物含固量高的系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用前景。其缺點(diǎn)是在降壓過(guò)程中，巨大的壓差幾乎全部由調(diào)壓閥承擔(dān)，調(diào)壓閥極易被高速流動(dòng)的高壓介質(zhì)摩擦損壞，進(jìn)而導(dǎo)致超臨界水反應(yīng)系統(tǒng)無(wú)法長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 毛細(xì)管降壓法

針對(duì)超臨界水系統(tǒng)的壓力控制問(wèn)題，美國(guó)通用原子公司提出了使用毛細(xì)管降壓的方法。該方法的原理是：毛細(xì)管管徑小，流體流過(guò)時(shí)沿程阻力大，可以實(shí)現(xiàn)物料的降壓，并且可以通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入毛細(xì)管的流體流量來(lái)實(shí)現(xiàn)毛細(xì)管前壓力的精確控制。現(xiàn)有超臨界水工業(yè)化裝置中，采用調(diào)壓閥串聯(lián)毛細(xì)管降壓器的方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)降壓和壓力控制［5］。在該系統(tǒng)中，降壓過(guò)程中毛細(xì)管可以承擔(dān)大部分的壓差，從而可以有效避免采用單個(gè)調(diào)壓閥降壓時(shí)管內(nèi)流速過(guò)高和閥門腐蝕損壞的問(wèn)題，延長(zhǎng)調(diào)壓閥壽命，同時(shí)也降低了對(duì)調(diào)壓閥的技術(shù)性能要求，使超臨界水反應(yīng)系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，工業(yè)化應(yīng)用前景廣闊。

2.3 能量轉(zhuǎn)換法降壓

能量轉(zhuǎn)換降壓法的原理是：將超臨界水系統(tǒng)中反應(yīng)產(chǎn)物的壓力能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，從而達(dá)到系統(tǒng)降壓的目的。趙曉等人［6］公開了一種超臨界水氧化降壓裝置，該裝置內(nèi)設(shè)置葉輪和噴嘴，超臨界水系統(tǒng)的反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)降溫后，通過(guò)噴嘴輸入到降壓裝置殼體內(nèi)，反應(yīng)產(chǎn)物的壓力能轉(zhuǎn)化為葉輪的機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)降壓。該降壓方法無(wú)需使用閥門，降低了系統(tǒng)堵塞風(fēng)險(xiǎn)，有利于工業(yè)化放大。該方法也存在一些缺點(diǎn)，如葉輪由于受到超臨界物質(zhì)的撞擊而容易損壞等。

3 結(jié)語(yǔ)

超臨界水系統(tǒng)的壓力控制關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運(yùn)行。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外小試、中試和工業(yè)化應(yīng)用的超臨界水系統(tǒng)中正在使用的降壓裝置和方法進(jìn)行了系統(tǒng)歸納總結(jié)，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了評(píng)述。從目前現(xiàn)有的工業(yè)化平臺(tái)的應(yīng)用情況來(lái)看，超臨界水系統(tǒng)的降壓裝置的研究和應(yīng)用已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，尤其是毛細(xì)管降壓器的應(yīng)用，很大程度上保證了系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定，減輕了調(diào)壓閥的磨損，但是超臨界水處理的物料含固量較高（＞10%wt.），毛細(xì)管降壓器同樣存在易堵塞問(wèn)題，使用封壓水作為輔助調(diào)壓措施時(shí)，需要消耗大量的水，而且水對(duì)系統(tǒng)排出的產(chǎn)物有稀釋作用。因此，急需開發(fā)一種能夠在高壓高溫條件下連續(xù)在線排渣系統(tǒng)，與調(diào)壓閥和毛細(xì)管降壓器組合使用，從而有效解決調(diào)壓閥易磨損、系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定等難題。