一种用于超临界水系统降压的控制系统及方法

摘要

本发明公开了一种用于超临界水系统降压的控制系统及方法，系统装置主要有阻力水储罐、阻力水泵、毛细管降压器、背压阀、调节阀及相关截止阀组成。本发明通过背压阀支路及毛细管降压器支路的切换分别实现系统启动、停机及正常运行时系统压力的调节。在有效防止含固体颗粒的物料降压过程中存在的阀门内部元件磨蚀及堵塞的问题的基础上，可实现对系统压力的精确控制。此外，通过背压阀支路可降低系统启动、停机过程中的操作复杂性，提高了运行可靠性。

说明书

【技术领域】

本发明属于环境保护及化工领域，具体涉及一种用于超临界水系统降压的控 制系统及方法。

【背景技术】

超临界水(SupercriticalWater,SCW)是指温度、压力均在其临界点(374.1℃、 22.1MPa)以上的水。与普通的液态水相比，超临界水的各种理化性质发生了显 著的变化：水分子间的氢键减弱；密度、黏度、离子积均明显下降，扩散系数较 高；介电常数变得极小，大致相当于标准状态下一般有机溶剂的介电常数。所以 超临界水对无机盐的溶解性极小，而对O2及绝大多数有机物具有极强的溶解能 力，形成均相体系，相界面消失，使得传热传质性能好，是一种良好的反应介质。

超临界水处理技术是利用超临界水的特殊性质，高效地实现有机废物的无害 化处理和资源化利用，与传统有机废物处理技术相比优势显著。该技术主要包括 超临界水氧化技术、超临界水气化技术以及超临界水热合成技术。超临界水氧化 技术主要目的为实现有机废物的彻底氧化降解，超临界水气化技术旨在使有机废 物气化产生富氢可燃气体，而超临界水热合成技术则以合成高纯度的纳米颗粒为 主要目标。超临界水氧化技术是利用超临界水的低粘度、低介电常数、高扩散性 等特殊性质，使完全溶解在其中的有机物与氧化剂发生快速、彻底的均相反应， 有机物中的碳元素转化成二氧化碳，氯、硫、磷等元素转化成相应的无机盐，氮 元素绝大多数转化成氮气，实现有机废物的高效无害化处理。该技术在美国国家 关键技术所列的六大领域之一“能源与环境”中被定义为最有前途的废水处理技 术。超临界水气化技术是利用超临界水独特的物理化学性质，在不加或添加少量 氧化剂的前提下，有机物在超临界水中均相条件下发生水解、热解等反应，生成 以氢气为主的可燃性气态产品。在超临界水气化过程中添加少量氧化剂，旨在进 一步提高有机废物的气化率。超临界水热合成技术指在高压反应器中，以超临界 水作为反应介质，使金属离子在水热介质中发生水解、脱水反应，进而成核、生 长，最终形成具有一定粒度和结晶形态的纳米金属氧化物颗粒。通过过滤回收纳 米金属氧化物，实现金属离子的资源化利用，可以获得显著的经济效益。

无论哪种超临界水技术，进入反应器之前都需要将含水物料加温加压至水的 临界点以上，而完成反应后必须降温降压才可排出系统。这就涉及到了物料的降 温降压问题，反应后物料的冷却可通过换热器来实现，要实现降压则需要一个节 流部件，同时需保证系统压力稳定及调节需要。现有的超临界水系统多采用一个 压力调节阀来控制系统压力及降压，那么系统整个压降在一个点实现，这会导致 此处非常高的物料流速，亦容易引发阀门出现故障，影响系统的运行可靠性。此 外，对于含有固体颗粒的超临界水系统降压过程中，惰性无机盐的存在会导致调 节阀内部元件出现严重的磨蚀或者堵塞，因此不建议一步实现流体的彻底降压。 毛细管降压是通过流体流经小管径毛细管所产生的沿程阻力来实现物料压降，并 且可通过调节进入毛细管的流体流量来实现毛细管前压力的精确控制。可以看 出，相对于单个阀门降压，毛细管中流体流程长，压力损失速度平缓，因而可有 效避免高速主流体对节流元件的磨损。另外，通过调节进入毛细管流体流量可实 现对系统压力的精确控制，进而保障系统稳定可靠地运行。

毛细管降压方式相对于单个阀门降压具有显著的优势，但是在降压的同时还 要实现系统压力精确控制的功能，这就需要有毛细管降压器、阀门、泵等设备之 间适当的连接方式及控制操作方法，目前超临界水处理系统中毛细管降压的控制 方法还未见报道。

【发明内容】

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种用于超临界水系统降压的控制系 统及方法。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种用于超临界水系统降压的控制系统，包括毛细管支路、阻力水支路以及 与毛细管支路相并联的背压阀支路，超临界水反应器的流体出口与毛细管支路相 连通，毛细管支路的出口为流体出口；阻力水支路的出口连接至毛细管支路入口 前的管路上。

本发明进一步的改进在于：

所述阻力水支路包括阻力水储罐，阻力水储罐的出口依次连接阻力水泵和第 一截止阀，第一截止阀的出口连接至毛细管支路的入口处。

所述毛细管支路包括依次串联的第二截止阀；毛细管降压器和调节阀；第二 截止阀的入口与超临界水反应器的出口相连通；调节阀的出口为流体出口。

所述背压阀支路包括依次串联的第三截止阀和背压阀，第三截止阀的入口连 接至第二截止阀入口前的管路上，背压阀的出口连接至调节阀出口后端的管路 上。

所述超临界水反应器的出口处设置用于监测超临界水反应器出口流体压力 的压力表。

本发明还公开了一种用于超临界水系统降压的控制方法，包括以下步骤：

1)初始状态：第一截止阀、第二截止阀以及第三截止阀关闭，阻力水泵停 机，背压阀和调节阀全开；

2)系统启动：系统需要升压时，打开背压阀支路上的第三截止阀，调节背 压阀开度，从大到小调节，使反应器后压力逐级上升至压力值Ⅰ，稳定运行30min； 切换背压阀支路与毛细管支路，打开第二截止阀，关闭第三截止阀，打开第一截 止阀，启动阻力水泵，从泵30％负荷输出开始，逐渐增加阻力水泵的输出流量， 使反应器后压力继续逐渐增加，直至反应压力值Ⅱ，稳定运行30min，系统升压 完成；

3)正常运行：

a、若反应器后压力降低，调节阻力水泵，增加阻力水流量，直至反应器后 压力恢复正常；若反应器后压力急剧降低，调节阻力水泵，增加阻力水流量，若 阻力水泵满负荷运行仍不能使反应器后压力上升至预期值，减小调节阀开度，使 系统压力恢复正常；

b、若反应器后压力增加，调节阻力水泵，减小阻力水流量，直至反应器后 压力恢复正常；若反应器后压力急剧增加，调节阻力水泵，减小阻力水流量，若 阻力水泵负荷降低至30％，仍不能使反应器后压力降低至预期值，关闭阻力水泵， 此时若反应器后压力低于正常值，则减小调节阀开度，使系统压力恢复正常；

4)系统停机：系统降温后需要降压时，调节阀全开，逐渐减小阻力水泵水 流量，降至30％负荷时，解除反应器后压力与调节阀及阻力水泵的联锁，停止阻 力水泵，关闭第一截止阀；由毛细管降压器支路切换至背压阀支路，打开第三截 止阀，关闭第二截止阀，投入反应器出口压力与背压阀的联锁；逐渐减小背压阀 开度，使反应器后压力逐级降低至常压。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明装置主要有阻力水储罐、阻力水泵、毛细管降压器、背压阀、调节阀 及相关截止阀组成。本发明通过背压阀支路及毛细管降压器支路的切换分别实现 系统启动、停机及正常运行时系统压力的调节。在有效防止含固体颗粒的物料降 压过程中存在的阀门内部元件磨蚀及堵塞的问题的基础上，可实现对系统压力的 精确控制。此外，通过背压阀支路可降低系统启动、停机过程中的操作复杂性， 提高了运行可靠性。

【附图说明】

图1是本发明的整体结构示意图。

其中，1-超临界水反应器；2-压力表；3-阻力水储罐；4-阻力水泵；5-第一截 止阀；6-第二截止阀；7-第三截止阀；8-背压阀；9-毛细管降压器；10-调节阀。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明降压系统由毛细管支路和背压阀支路并联连接组成：毛细 管支路中的第二截止阀6与毛细管降压器9入口连接，毛细管降压器9出口连接 于调节阀10；背压阀支路中的第三截止阀7与背压阀8进口连接。压力表2监测 超临界水反应器1出口流体压力，超临界水反应器1出口连接于降压单元。阻力 水泵4的进水口连接于阻力水储罐3，阻力水泵4出口连接于第一截止阀5，第 一截止阀5在降压单元进口处与主流体混合。

本发明还公开了一种用于超临界水系统的控制方法，包括以下步骤：

初始状态：第一截止阀5、第二截止阀6、第三截止阀7关闭，阻力水泵4 停机，背压阀8、调节阀10全开；

系统启动阶段：

1)系统需要升压时，打开背压阀支路上的第三截止阀7，调节背压阀8开度， 从大到小调节，使反应器后压力逐级上升至压力值Ⅰ，稳定运行30min；

2)切换背压阀支路与毛细管支路，打开第二截止阀6，关闭第三截止阀7， 打开第一截止阀5，启动阻力水泵4，从泵30％负荷输出开始，逐渐增加阻力水 泵4的输出流量，使反应器后压力继续逐渐增加，直至反应压力值Ⅱ，稳定运行 30min，系统升压完成；

系统正常运行阶段：

1)若反应器后压力降低，调节阻力水泵4，增加阻力水流量，直至反应器后 压力恢复正常。若反应器后压力急剧降低，调节阻力水泵4，增加阻力水流量， 若阻力水泵满负荷运行仍不能使反应器后压力上升至预期值，减小调节阀10开 度，使系统压力恢复正常。

2)若反应器后压力增加，调节阻力水泵4，减小阻力水流量，直至反应器后 压力恢复正常。若反应器后压力急剧增加，调节阻力水泵4，减小阻力水流量， 若阻力水泵负荷降低至30％，仍不能使反应器后压力降低至预期值，关闭阻力水 泵4，此时若反应器后压力低于正常值，则减小调节阀10开度，使系统压力恢复 正常。

系统正常停机阶段：

1)系统降温后需要降压时，调节阀10全开，逐渐减小阻力水泵4水流量， 降至30％负荷时，解除反应器后压力与调节阀10及阻力水泵4的联锁，停止阻 力水泵4，关闭第一截止阀5。

2)由毛细管降压器支路切换至背压阀支路，打开第三截止阀7，关闭第二截 止阀6，投入反应器出口压力与背压阀8的联锁。逐渐减小背压阀8开度，使反 应器后压力逐级降低至常压，系统降压完成。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡 是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发 明权利要求书的保护范围之内。