城市污泥超临界水氧化反应器中多孔蒸发壁腐蚀及防控研究

Cost-efficient and harmless disposal of sewage sludge has become one of the major challenges which need to be urgently addressed in the environmental field. SCWO (supercritical water oxidation) is a promising technology for sound processing of sewage sludge. Transpiring wall reactor is the best reactor configuration in sewage sludge SCWO. In this study, liquid product after salt removal and filtration at supercritical conditions in the SCWO system is used as transpiring wall water. Under the premise of meeting the harmless disposal of sewage sludge, this work will explore the influences of multiple factors including transpiring water features, inorganic salts deposition and transpiring water film properties on corrosion properties of the transpiring wall. By thoroughly investigating the corrosion properties of transpiring wall at the conditions of diverse and complex SCWO environment for sewage sludge treatment, this work will establish a mathematical model reflecting the coupling and quantitative relationship between corrosion prevention of the transpiring wall and main reactor’s operation parameters working as the forming supercritical water film with a low transpiring wall water intensity, revealing the laws of the key operation parameters on the transpiring wall corrosion characteristics, clarifying the corrosion behaviors and mechanisms of the porous transpiring wall interfered by the water film during the SCWO process of sewage sludge, obtaining the basic corrosion prevention theories that can guide transpiring wall reactor design and operation parameters optimization. Finally, it can be expected to offer theoretical support for the development and application of the transpiring wall reactor in the SCWO processing of sewage sludge.

城市污泥的高效低成本无害化处置已成为环境领域迫切需要解决的难题之一。超临界水氧化技术用于城市污泥的无害化处置具有光明的发展前景，而蒸发壁式反应器是城市污泥超临界水氧化技术中最有发展前途的反应器类型。本课题拟在满足城市污泥超临界水氧化无害化处置的前提下，以系统自身超临界水条件下脱盐和过滤后的最终液体作为蒸发壁水，探索蒸发壁水性质、无机盐沉积、蒸发壁水膜特性对蒸发壁腐蚀的影响规律，通过深入研究低蒸发壁水强度的超临界水膜条件下蒸发壁在城市污泥超临界水氧化处理多元复杂环境中的腐蚀特性，建立以蒸发壁腐蚀防控为优化目标反映反应器多参数定律耦合关系的数学模型，阐明城市污泥超临界水氧化反应器中水膜干涉下多孔蒸发壁的腐蚀行为机制，建立指导蒸发壁式反应器结构设计和操控参数的优化的腐蚀防控理论。从而为蒸发壁式反应器在城市污泥超临界水氧化技术的发展应用提供理论支撑。

超临界水氧化技术能够高效低成本地实现城市污泥的无害化处理与资源化利用，具有显著的技术和经济优势。蒸发壁式反应器在解决反应器腐蚀方面具有光明的发展前景，但现有针对城市污泥超临界水氧化过程中蒸发壁式反应器腐蚀机制及防控研究还严重匮乏，因此本项目开展相关实验和数值模拟研究。首先，探索了城市污泥超临界水氧化蒸发壁式反应器的水膜特性和无机盐在多元复杂体系中的相行为。发现随着蒸发强度的增加，多孔壁内表面水膜覆盖率增大，亚临界水膜长度增加，有利于水膜形成和保护作用；水膜形成能够有效降低多孔壁面处盐浓度和沉积率，进而降低蒸发壁的腐蚀速率，蒸发强度与多孔壁面处盐浓度呈负线性关系。其次，探究了城市污泥超临界水氧化无害化处理前提下关键操控参数对蒸发壁备选材料腐蚀过程的耦合影响规律，发现在含硫含氯含氧的超临界水中316 SS表现出最严重的点腐蚀现象，Incoloy 825的氧化层出现严重脱落，Hastelloy C276氧化层平整致密；高温条件下，氧气和氯离子能够加剧测试合金严重的镍元素流失，对腐蚀有协同促进作用。再次，揭示了城市污泥超临界水氧化反应器中蒸发壁备选材质的腐蚀行为机制，发现铬含量的增加提高了镍基合金在含盐酸和氢氧化钠的超临界水中的抗腐蚀性能，钼元素在含硫和氯的超临界水氧化环境中能够稳定生成MoO2，钼和铬的协同作用可以提高镍基合金在高温高压超临界水氧化环境中的耐腐蚀能力。第四，建立了蒸发壁式反应器备选材质的腐蚀防控理论和方法，发现经过ZrO2和TiO2两种表面涂层处理后的316不锈钢都表现出优异的抗腐蚀能力，磷酸钠在高含氧的超临界水中能够形成稳定的磷酸盐钝化膜，进而有效降低腐蚀性物质与合金基体接触，具有腐蚀抑制作用。这些研究结果对蒸发壁式反应器材料选取和腐蚀防控具有重要指导意义，为城市污泥超临界水氧化技术的发展应用提供了坚实的理论支撑。