用超临界水氧化法进行废水处理的应用研究

摘要

设备的腐蚀、结垢及昂贵的操作费用问题严重阻碍了超临界水氧化技术(简称SCWO)的工业化发展进程，推动SCWO发展的当务之急就是解决这些技术难题。本文从二维数值模拟和实验研究两方面展开了对一种抗腐蚀抗结垢反应器--蒸发壁式反应器--水力学特性的研究，并对SCWO反应热进行了分析，探索一种能够经济且有效利用该反应热的途径，以此来降低SCWO过程的操作费用。 首先本文建立了充分发展条件下的蒸发壁反应器模型，应用该模型计算分析了蒸发壁强度、蒸发壁流温度、主流温度及流速对亚临界和超临界条件下的蒸发壁效应的影响。计算结果表明：蒸发壁强度对蒸发壁效应的影响最为显著，达到1％时可以达到抗腐蚀抗结垢的作用；其他因素对亚临界条件下的蒸发壁效应影响不大；在超临界条件下蒸发壁流与主流间的温差过大会有自然对流产生；增大主流流速可以减小自然对流。 在上述模拟计算基础上，本文在自行设计的冷态实验装置上对亚临界条件下蒸发壁强度和主流流速对反应器的温度分布和停留时间分布的影响进行了实验研究。温度分布结果与充分发展条件下的数值模拟结果一致。对停留时间分布函数分析发现：蒸发壁强度的增大，会增大主流区的返混，总体来看，反应器内物流流动接近于平推流反应器内的流动。应用数值模拟方法对相同条件下反应器的水力学性能进行了计算，计算结果与实验结果比较接近，这说明模型是有效的、正确的。 其次本文应用数值模拟计算方法对热态条件下蒸发壁强度和蒸发壁流温度对SCWO的影响进行了计算分析。计算结果表明：蒸发壁强度和蒸发壁流温度对主流中心区的反应影响不是很明显：蒸发壁流对反应器起到了一定的保护作用。此外，对反应器内的停留时间分布分析发现：反应器内有短路或沟流存在，整体流动接近于平推流流动；随着蒸发壁强度的增大，平均停留时间减小，无因次方差有微小的增大趋势；随着蒸发壁流温度的升高，平均停留时间减小，无因次方差也随之减小。 最后本文采用Aspen Plus 软件对苯酚在SCWO中的反应进行计算，通过计算发现在一定压力条件下温度对SCWO反应热影响较小，当温度变化较小时可通过计算平均温度下的反应热对SCWO体系反应热进行估算。此外，对带有有机朗肯循环的SCWO过程进行能量平衡计算，计算结果表明：当苯酚浓度大于2wt％时，可实现能量自补偿过程。 本文较系统地研究了蒸发壁式反应器的水力学性能及SCWO过程的反应热回收问题，无论对以后工作的进一步深入，还是对推动SCWO处理难降解性有机废水从研究阶段进入实用阶段都有一定的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

0引言

0.1选题的背景及意义

0.2本文的研究内容

1文献综述

1.1超临界水氧化技术及其应用

1.1.1超临界水氧化反应机理

1.1.2超临界水氧化工艺流程

1.1.3超临界水氧化反应动力学模型

1.1.4超临界水氧化所存在的问题

1.1.5新型超临界水氧化反应器

1.1.6超临界水氧化研究及应用现状

1.2超临界水氧化过程的数值模拟

1.3本章小结

2蒸发壁效应的研究

2.1物理模型及数值方法

2.1.1物理模型及边界条件

2.1.2基本控制方程

2.1.3湍流模型

2.2物性参数

2.2.1纯水的物性参数

2.2.2多孔介质的物性参数

2.3模型验证

2.4蒸发壁效应影响因素研究

2.4.1蒸发壁强度对蒸发壁效应的影响

2.4.2蒸发壁流温度对蒸发壁流效应的影响

2.4.3主流温度对蒸发壁流效应的影响

2.4.4主流流速对蒸发壁流效应的影响

2.5本章小结

3冷态蒸发壁式反应器水力学性能研究

3.1冷态系统的实验研究

3.1.1实验方案及原理

3.1.2实验装置的建立

3.1.3实验结果及讨论

3.2冷态系统的数值模拟

3.2.1物理模型及数值方法

3.2.2计算结果及讨论

3.3本章小结

4热态蒸发壁式反应器水力学性能研究

4.1物理模型及数值方法

4.1.1物理模型

4.1.2湍流与化学反应的交互作用

4.1.3反应物系的物性参数

4.2模型验证

4.3计算结果及讨论

4.3.1蒸发壁流对SCWO的影响

4.3.2蒸发壁流对停留时间分布的影响

4.4本章小结

5能量自补偿式超临界水氧化过程的研究

5.1 SCWO工艺模型

5.1.1模型反应物的选取

5.1.2 SCWO反应动力学模型

5.1.3反应条件的确定

5.1.4反应时间的确定

5.1.5反应器的数学模型及其结构尺寸

5.1.6计算方法

5.2 SCWO反应热的分析及其计算

5.2.1温度和压力对苯酚反应热的影响

5.2.2 SCWO反应热的理论计算

5.3能量自补偿式SCWO过程分析

5.3.1能量自补偿式SCWO过程能量平衡点

5.3.2能量自补偿式SCWO过程建立

5.3.4带有ORC的SCWO过程能量平衡点计算和结果讨论

5.4本章小结

结 论

参考文献

附录A冷态反应器图

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢