特种材料是超临界水氧化 (SCWO) 系统的强制要求，而非可选项。 由于这些反应器在水的热力学临界点以上运行，它们会产生标准材料无法承受的化学腐蚀性环境。如果不使用耐腐蚀合金或陶瓷衬里，反应器壁会因点蚀和严重的盐堵塞而迅速降解，最终导致灾难性的设备故障。
水在超临界条件下发生的物理转变会导致无机盐沉淀而不是溶解。这造成了物理堵塞和强烈的化学腐蚀的双重威胁，只有特种材料才能抵抗。
超临界环境的物理学
临界阈值
SCWO 反应器在水的临界点以上运行，具体而言，温度超过 374°C，压力超过 22.1 MPa。
介电常数的变化
在此状态下，水的介电常数急剧下降。
自由基溶解度的变化
介电常数的下降从根本上改变了水与物质的相互作用方式。虽然它成为有机化合物的优良溶剂，但它失去了保持无机盐溶解的能力。
材料失效机制
盐沉淀和沉积
由于水无法再溶解它们，无机盐会从流体中沉淀出来。这些盐直接沉积在反应器的内壁上。
运行堵塞
随着时间的推移，这些沉积物会积聚，导致严重的盐堵塞。这会限制流动并增加压力，威胁系统的机械完整性。
点蚀
盐沉积物不仅仅是物理障碍；它们会造成局部化学攻击。这会导致点蚀，这是一种特别危险的降解形式，会在金属上形成小孔，通常会深入材料结构。
理解运行中的权衡
耐化学性与热应力
SCWO 中的材料挑战是多方面的。反应器衬里必须能够承受由盐沉淀引起的腐蚀性化学环境。
管理高热通量
同时，材料必须能够承受高热通量。超临界状态涉及强烈的能量传递。
标准材料的风险
标准工程材料通常无法同时承受这两种应力。一种材料可能能够承受压力但无法承受化学攻击，或者能够抵抗腐蚀但会在热负荷下开裂。特种合金和陶瓷是唯一能够平衡这些相互竞争需求的工程材料。
为您的目标做出正确选择
为确保 SCWO 反应器的长期安全和功能，材料选择必须与特定的风险因素相匹配。
- 如果您的主要关注点是设备寿命：优先选择经过专门评级、能够抵抗无机盐沉积引起点蚀的材料。
- 如果您的主要关注点是运行安全：确保所选的合金或衬里经过验证，能够承受高热通量而不会丧失结构完整性。
- 如果您的主要关注点是工艺一致性：选择表面粘附性低的材料，以最大限度地减少内壁盐堵塞的速率。
最终，投资特种衬里是在水既充当溶剂又充当腐蚀剂的环境中确保运行完整性的唯一方法。
总结表：
| SCWO 中的挑战 | 对反应器的影响 | 材料解决方案 |
|---|---|---|
| 临界点 (>374°C, 22.1 MPa) | 极端的热应力和机械应力 | 特种高强度合金 |
| 盐沉淀 | 严重的盐堵塞和流动限制 | 低表面粘附性材料 |
| 介电常数变化 | 自由基溶解度急剧变化 | 化学惰性陶瓷衬里 |
| 点蚀 | 局部孔洞和灾难性故障 | 耐腐蚀特种合金 |
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参考文献
- Hamza Mumtaz, Szymon Sobek. A waste wet oxidation technique as a solution for chemical production and resource recovery in Poland. DOI: 10.1007/s10098-023-02520-4
本文还参考了以下技术资料 Kintek Solution 知识库 .
