超临界水系统降压装置的研究进展

郭灵巧 徐志鹏 丘全科 雍海泉

（1. 重庆赛迪热工环保工程技术有限公司，重庆 401120；2. 中冶赛迪技术研究中心有限公司，重庆 401120）

1 引言

超临界水处理废弃物技术是利用水在超临界状态下（温度≥374 ℃，压力≥22.1 MPa）兼具气体与液体的高扩散性、对有机物的高溶解度及低表面张力等特性，在几秒到几分钟时间内对有机废物进行氧化分解，将其转化成H2O，CO2，CH4，CO，H2，N2等小分子物质［1］，其中的无机盐从超临界水中沉淀析出，从而达到有机废物高效、彻底无害化处理的一种高级氧化技术。该技术处理过程中几乎无二英、NOX等副产物产生，因此被认为是一种极具前景的绿色废物处理技术。目前，河北新奥环保技术有限公司已实现了工业化应用，建设了几条处理能力分别为1 万t/a 的超临界水氧化处理工业危险废弃物装置，并完成竣工验收。其他鲜有超临界水处理废弃物相关的工程化报道。

限制超临界水处理废弃物技术工程化应用的技术难点，除了普遍存在的设备腐蚀、盐沉积堵塞［2］、工程化成本难以估计等［3］，还有系统降压问题，而这一技术难点的研究进展在现有的文献报道中鲜有提及。废弃物在高温高压的超临界水反应器内完成反应后，反应产物是气液固三相混合物，其必须经降温降压后才可以从系统中排出。而超临界水反应系统中降压的压差在20 MPa 左右，降压过程中，含固反应产物流速急剧增大，会对降压设备造成严重磨损。面对如此巨大的压差和恶劣工况，需要设置可靠、有效的降压装置。目前主要应用的降压方法有调压阀降压法、毛细管降压法和能量转换降压法。本文将对这几种降压方法的原理、优缺点和应用前景予以介绍。

2 降压方法

2.1 调压阀降压法

目前使用调压阀减压的方法主要有3 种：（1）单独使用一个调压阀；（2）调压阀串联；（3）调压阀与封压水组合。

2.1.1 单独使用一个调压阀

单独使用一个调压阀的减压方式主要用在实验室小试装置中，普遍采用一个背压阀安装在换热器出口处的管道上控制整个系统的压力。该方法的优点是系统控制简易，流程简单。缺点是系统的压力控制集中在一个点上，系统的控制精度不可调，且背压阀易堵塞，安全性和稳定性难以保证，因此不利于工业化放大，只能用在实验室小试装置上。

2.1.2 调压阀串联

为了克服单独使用一个调压阀导致超临界水反应系统压力控制精度不可调的问题，杜娟等人［4］公开了一种由m（m≥2）个压力调节阀通过管路串联组成的压力控制装置，该系统通过精确控制各个调压阀的开度，实现超临界水系统压力的精确控制。尽管该方法能够实现精确控制系统压力的要求，但同样存在阀门易堵塞、易磨损的问题，而且串联的阀门当中如果有一个阀门发生堵塞，则整个降压系统将发生故障而无法工作，因此，这种调压方法在工程应用中使用较少。

2.1.3 调压阀与封压水组合

调压阀与封压水组合的降压方法普遍应用在工业化的超临界水系统中，调压阀普遍使用角阀［5］。该系统的工作原理是：在系统运行初期，即超临界水系统升压过程中，打开调压阀，开启封压水泵，对系统进行逐级升压，待升压到系统所需压力以后，减小调压阀开度和封压水的输入量，在反应过程中维持系统压力稳定。

该方法的优点是将压力控制集中在2 个点上，系统不易堵塞，意外停机时封压水可以快速冷却物料，运行安全，因此，该降压装置在反应产物含固量高的系统中有广泛的应用前景。其缺点是在降压过程中，巨大的压差几乎全部由调压阀承担，调压阀极易被高速流动的高压介质摩擦损坏，进而导致超临界水反应系统无法长期稳定运行。

2.2 毛细管降压法

针对超临界水系统的压力控制问题，美国通用原子公司提出了使用毛细管降压的方法。该方法的原理是：毛细管管径小，流体流过时沿程阻力大，可以实现物料的降压，并且可以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。现有超临界水工业化装置中，采用调压阀串联毛细管降压器的方法实现系统降压和压力控制［5］。在该系统中，降压过程中毛细管可以承担大部分的压差，从而可以有效避免采用单个调压阀降压时管内流速过高和阀门腐蚀损坏的问题，延长调压阀寿命，同时也降低了对调压阀的技术性能要求，使超临界水反应系统能够长期稳定运行，工业化应用前景广阔。

2.3 能量转换法降压

能量转换降压法的原理是：将超临界水系统中反应产物的压力能转化为其他形式的能量，从而达到系统降压的目的。赵晓等人［6］公开了一种超临界水氧化降压装置，该装置内设置叶轮和喷嘴，超临界水系统的反应产物经降温后，通过喷嘴输入到降压装置壳体内，反应产物的压力能转化为叶轮的机械能，实现了系统降压。该降压方法无需使用阀门，降低了系统堵塞风险，有利于工业化放大。该方法也存在一些缺点，如叶轮由于受到超临界物质的撞击而容易损坏等。

3 结语

超临界水系统的压力控制关系到整个系统的稳定、安全运行。本文对国内外小试、中试和工业化应用的超临界水系统中正在使用的降压装置和方法进行了系统归纳总结，并对其优缺点进行了评述。从目前现有的工业化平台的应用情况来看，超临界水系统的降压装置的研究和应用已经取得了长足的发展，尤其是毛细管降压器的应用，很大程度上保证了系统的压力稳定，减轻了调压阀的磨损，但是超临界水处理的物料含固量较高（＞10%wt.），毛细管降压器同样存在易堵塞问题，使用封压水作为辅助调压措施时，需要消耗大量的水，而且水对系统排出的产物有稀释作用。因此，急需开发一种能够在高压高温条件下连续在线排渣系统，与调压阀和毛细管降压器组合使用，从而有效解决调压阀易磨损、系统压力不稳定等难题。