蒸发壁式反应器中保护性水膜的形成机制及性能优化研究

Supercritical water oxidation has a promising future in treating organic wastewater with high toxicity,high concentration and difficult decomposition properties. However, corrosion and salt deposition problems hinder its commercial application and development. Transpiring wall reactor can effectively solve these two problems forming a protective transpiring wall water film on its inner surface, which has become a focus development direction in supercritical water oxidation. However, it is deficient in formation mechanism of the water film presently, and there are no admitted effective control methods for performance optimization of the water film.Thus,transpiring wall water film usually exists three problems with unsuitbale thickness,inhomogeneous and unstable distribution in reator's operation process，which affects reactor performance of avoiding corrosion and salt depositon to a great excent. Therefore, This project aims to deeply investigate detailed formation process and action mechanism of transpiring wall water film, explore multi-parameter coupling relationships between main parameters and water film properties, and clarify action mechanism between reaction fluid and transpiring wall water. Finally, this research will reveal formation mechanism of transpiring wall water film, and futher build effective optimization control methods of its properties. The results are expected to theoretically guid the optimization design and reliable operation of transpiring wall reactor.

超临界水氧化技术在高毒性、高浓度难生化降解有机废水无害化处理方面具有光明的发展前景，但反应器腐蚀和盐沉积问题限制了该技术的商业应用和发展。采用蒸发壁式反应器通过在其内表面形成一层保护性的蒸发壁水膜，能够有效解决反应器腐蚀和盐沉积引起的堵塞问题，成为超临界水氧化技术中的热点发展方向。但是，由于目前对蒸发壁式反应器中蒸发壁水膜的形成机制尚缺乏认识，尚未能建立蒸发壁水膜性能优化的高效调控方法，致使反应器运行时蒸发壁水 膜容易出现厚度不佳、分布不均、不稳定的问题，很大程度上影响了蒸发壁式反应器的防腐蚀和防盐沉积功能。因此，本课题拟通过深入研究蒸发壁水膜的具体形成过程及作用机理，探索蒸发壁水膜特性与主要影响因素之间的多参数耦合定量关系，明晰反应流体与蒸发壁水之间的作用机制，最终揭示蒸发壁水膜的形成机制，进而确立优化蒸发水膜性能的高效调控方法，从而为蒸发壁反应器优化设计和可靠运行提供理论支撑。

超临界水氧化技术处理高毒性、难降解有机污染物具有反应速率快、彻底、无二次污染、能量可回收利用等优势，被认为是一种具有光明发展前景的新型有机污染物处理技术。但实验和商业化装置在运行过程中存在严重的腐蚀和盐沉积问题，反应器结构设计是解决这两大问题的关键技术。其中蒸发壁反应器因其特殊的结构可以在反应器壁面形成一层保护性水膜，隔离无机盐和其它腐蚀性物质，具有良好的防腐蚀和防盐沉积作用。由于对蒸发壁反应器中水膜形成和作用机制尚不清楚，缺乏形成优异水膜的调控方法，导致水膜形成不连续、稳定，影响了反应器防腐蚀和防盐沉积功能。本课题采用实验、数值模拟和理论分析相结合的方法首先研究了水膜形成和质量评价指标，水膜特性与主要操作参数之间的耦合关系，获得蒸发壁式反应器最优操作参数：蒸发强度为0.15~0.30，蒸发壁水预热温度为523~573K，物料预热温度为723~773K；其次，探究了水膜在缓解盐沉积方面的作用特性，结果表明最优参数条件下水膜对无机盐稀释、溶解效果显著，反应器中下部形成亚临界水膜，多孔壁附近混合流体中蒸发壁水所占的份额在0.79以上，稀释倍数达24倍，且主流体中析出无机盐颗粒可以通过调控蒸发强度达到远离多孔壁的效果；第三，获得最优操作条件下多孔壁的工作环境：工作温度为573~723K，含有少量气体（氧气和二氧化碳），超临界水氧化区少量含盐反应流体可直接接触多孔壁；第四，针对多孔壁的工作环境系统研究了多孔壁备选材料镍基合金和不锈钢的腐蚀规律，揭示了镍基合金腐蚀机理，同时提出Hastelloy C276和Inconel 625在高氧高盐环境中具有良好的耐腐蚀性可以作为多孔壁的备选材料；最后在上述研究的基础上，采用理论分析的方法研究了蒸发壁反应器内主流体与水膜之间的传热传质过程，首次得到了水膜厚度与蒸发壁水流量与主要操作参数之间的定量耦合关系，对于蒸发壁反应器结构的设计和操作参数的优化提供了理论支撑。