結晶造粒循環流化床結構設計研究

馬躍華 盛 飛 陳 峰 李雨蔓

（國能朗新明環保科技有限公司，北京 100039）

自環保部“十一五”規劃實施以來，廢水零排放已成為限制電力行業火電廠發展的重要指標要求[1]。火電廠循環水排污水由于濃縮導致其含鹽量高，硬度大，處理困難[2]，如今，循環排污水處理已成為零排放工程的關鍵技術。

當火電廠循環水系統濃縮倍率進一步提升以后，排污水水量減少，導致排污水水質變差，水體中鈣離子濃度增高，需要藥劑進行化學軟化。另外，水體中SS（備注：SS指懸浮固體）影響了軟化效果。在實際工程中，為了達到最佳軟化效果，要求進水SS<50 mg/L或更低。在進水高懸浮物的情況下，在懸浮物顆粒上會有一部分結晶物，由于相應的顆粒較小或強度不夠而隨水流排出流化床，結果造成出水濁度較高，增加了后續過濾系統的負擔。

現有技術中往往配置保安過濾器來對懸浮物進行攔截，其存在如下缺陷：1）使用濾芯時有一定的期限，需要人工定期更換濾芯。2）人工更換濾芯時，需要系統停機。3）攔截污堵物的濾芯廢棄后形成難以處理的新的污染物。另外，在常規刮板式過濾結構中，刮板僅能夠對濾筒內壁進行刮刷，對濾孔內的污堵物難以清除。

因此，該文提出了結晶造粒循環流化床的優化設計方案。

1 結構研究

1.1 工藝原理

在工程中，減少循環排污水中的鈣離子可有效避免后續膜處理過程中在膜表面產生鈣鹽結垢，采用結晶法可將循環排污水中的鈣離子轉變為沉淀物。

通常，沉淀物的形成需要經歷晶核成核和晶核生長2個過程。

晶核是過飽和溶液中初始生成的微小晶粒。在晶體生長過程中，晶核是核心。晶核成核包括初級成核和二次成核。初級成核是溶液達到過飽和后在無晶體存在的條件下自發成核，二次成核是在已有晶體存在的條件下形成晶核。初級成核分為初級均相成核和初級異相成核。構晶離子在過飽和溶液中聚集、自發析出形成晶核稱均相成核；當溶液中存在外來固體物質時，誘導構晶離子在固體表面沉積形成晶核稱為異相成核。

初級均相成核是指在完全清凈的飽和溶液中，分子、原子或離子構成的運動單元相互碰撞形成晶胚線體，當晶胚生長到足夠大并能與溶液建立熱力學平衡時，此時的晶胚被稱為晶核。反應的過飽和度是初級均相成核最重要的影響因素，過飽和度較高時，初級均相成核是主要的成核方式，容易產生大量細小微晶。當溶液中存在外來物質微粒時，這些外來物質微粒可以誘導晶核的生成，在一定程度上可以降低成核勢壘。異向成核相比均相成核的過飽和度較低，形成的結晶顆粒粒徑相對較大。

當過飽和溶液中有晶核形成或晶種加入時，以過飽和度為推動力，晶核長大。根據擴散學說，晶體生長的過程主要包括擴散過程和表面反應過程。其中擴散過程是指結晶的溶質穿過靠近晶體表面的一個靜止液層，從溶液中轉移到晶體的表面。表面反應過程是指到達晶體表面的溶質嵌入晶面，使晶體長大。根據晶體成核與生長機理，控制較低的反應過飽和度可以抑制初級均相成核的反生，有利于沉淀的結晶長大。在工業結晶過程中，考慮到產能等問題，通常難以將過飽和度控制在較低水平，因此初級均相成核速率遠大于二次成核速率，在沉淀過程中容易產生大量細小的沉淀顆粒

在沉淀過程中加入適宜的晶種，降低反應的過飽和度，抑制初級均相成核，并提供較大的接觸面積，有利于異相成核的發生，促進細顆粒沉淀的結晶長大，這種在沉淀過程中添加晶種誘導細顆粒沉淀長大的方法稱為誘導結晶法。

當循環排污水中存在較高懸浮物時，容易導致異相成核的部分結晶顆粒附著在懸浮物上，隨水流排出裝置，隨后進入后續膜處理工藝工序。

為此，結晶造粒循環流化床采用一體化設計思路，將懸浮物截留過濾設備與結晶造粒循環流化床進行耦合設計。結晶造粒循環流化床設計有阻垢劑破穩功能，同時能夠攔截循環水排污水中的懸浮物使其沉淀，從而為后續的誘導結晶反應提供更潔凈的進水。同時，結晶造粒循環流化床可實現清洗時系統不停機運行，濾網清洗后，無須人工更換濾網即可立即投入使用，由于過濾結晶造粒循環流化床具有反沖洗功能，過濾外腔的水流對濾筒的濾孔進行反向沖洗，因此與保安過濾器濾芯相比，大大減少了新的污染物的生成。

在結晶造粒循環流化床的循環排污水中加入誘導結晶晶種后，化學反應生成的物質通過細顆粒間的團聚、細顆粒與晶種之間的吸附、晶種之間的聚集等方式形成細顆粒沉淀。在誘導結晶晶種的存在下，結晶顆粒會逐漸長大。

1.2 部件描述

結晶造粒循環流化床主體部件包括過濾區、循環結晶區、集水區。

詳細部件具體包括集水區、筒體、集水部件、內筒體、外筒體、外筒底、止回部件、導流部件、導流圈、過濾外腔、下過濾單元、下濾筒、下進水部件、下排泥管、上過濾單元、上濾筒、上進水部件、上排泥管、布藥部件、磁棒、刮泥系統、驅動電機、驅動軸、上刮板、下刮板、順時針超越離合器、逆時針超越離合器、支腿等，如圖1、圖2所示。

圖1 結晶造粒循環流化床結構圖

圖2 結晶造粒循環流化床三維前剖視圖

結構關系描述如下：循環結晶區包括內筒體和外筒體等部件。外筒體在內筒體的外側設置，在外筒體底部的外筒底和在外筒底中央設置止回部件，止回部件的入口設置在過濾區頂部，止回部件的出口設置在循環結晶區的底部，循環結晶區和集水區連通，循環結晶區和過濾區通過止回部件連通。

過濾區包括過濾外腔，在過濾外腔內部設置下過濾單元、上過濾單元和布藥部件，下過濾單元與過濾外腔底部密封連接且側部留有通道，上過濾單元垂直連接在下過濾單元上方且與過濾外腔上部和側部留有通道，上過濾單元與下過濾單元之間不連通。

在過濾外腔設有可拆卸式超強永久性磁棒，磁棒在過濾外腔均勻布置，使水流在過濾外腔內能夠與磁棒充分接觸。

刮泥系統包括驅動電機、驅動軸、上刮板、下刮板、順時針超越離合器和逆時針超越離合器等部件。驅動電機設置在過濾區底部外側中央，驅動軸與驅動電機連接，上刮板連接在驅動軸上部且位于上過濾單元內部，下刮板連接在驅動軸下部且位于下過濾單元內部。順時針超越離合器連接驅動軸和上刮板，逆時針超越離合器連接驅動軸和下刮板，上刮板和下刮板均由中空的方框狀結構組成。

驅動電機可按照控制實現驅動，驅動軸進行順時針或逆時針2個方向的正反轉轉動。

當驅動電機驅動驅動軸進行順時針運動時，上刮板隨之進行順時針旋轉，當驅動電機驅動驅動軸進行逆時針運動時，上刮板在超越離合器作用下停止不動。

當驅動電機驅動驅動軸進行逆時針運動時，下刮板隨之進行逆時針旋轉，當驅動電機驅動驅動軸進行順時針運動時，下刮板在超越離合器作用下停止不動，部件如圖3所示。

上過濾單元包括上濾筒、上進水部件和上排泥管等部件。上進水部件固定在上濾筒內頂部，上排泥管與上濾筒底部連通；下過濾單元包括下濾筒、下進水部件和下排泥管等部件。下進水部件固定在下濾筒內頂部，下排泥管與下濾筒底部連通。上濾筒和下濾筒側面設置若干均勻分布的濾孔，上濾筒和下濾筒通過濾孔與過濾外腔連通。

上進水部件包括上進水管、上進水通道和上出水管等部件。上進水通道連接在上進水管末端呈環形結構，在上進水通道底部設置斜向下的若干個均勻排列的上出水管。

下進水部件包括下進水管、下進水通道和下出水管等部件。下進水通道連接在下進水管末端呈環形結構，在下進水通道底部設置斜向下的若干個均勻排列的下出水管。

進水部件的出水管與進水通道呈一定的傾角，當水流從出水管斜向下沖出時，在過濾單元筒體內腔形成旋轉流，同時在刮板的阻擋下，形成水力攪拌狀態。

在上過濾單元和下過濾單元內，循環排污水的懸浮物進行絮凝反應聚集，分別通過上濾筒和下濾筒時被有效攔截。循環排污水隨后進入過濾外腔，與布藥部件的出藥管噴出的選擇性除鈣藥劑進行混合。混合后，循環排污水通過止回部件進入循環結晶區。

在循環結晶區內預先投加一定量的晶種（晶種通常粒徑不大于0.09 mm），循環排污水在循環結晶區內進行誘導結晶異相成核化學軟化反應，通過布藥部件加入的選擇性除鈣藥劑與循環排污水中的鈣離子發生反應，并在晶種表面以結晶形式析出并增長，形成中心為晶種、外層包裹高純度結晶體的粒狀物體，即結晶顆粒。

止回部件內部具有止回功能和防堵塞功能，使水流僅可向上流，隨著循環排污水水流的不斷加大，止回板在水流的作用下不斷向上移動，具有彈性的伸縮部件軸向長度不斷自動減少，過流面積不斷加大；當水流不斷減小時，止回板在伸縮部件的彈性作用下向下移動，伸縮部件的軸向長度不斷自動增大，過流面積不斷減少，因此可防止晶種及細小結晶顆粒堵塞進水通道，并有效防止循環結晶區內的晶種及細小結晶顆粒進入過濾外。部件如圖4所示。

止回部件的導向板的中心孔對止回板的導向桿的直線運動具有導向作用，導向板內均布的數個圓孔作為水流的流通通道。

止回部件出水口的內壁設置為具有一定向外傾角的坡形結構，更利于循環結晶區內水流的循環流動。

循環結晶區包括導流部件、結晶顆粒排出管、內筒體等部件。導流部件設置在外筒底底部中央，結晶顆粒排出管設置在導流部件底部的外側，導流部件剖面為圓滑“W”形且中央留有供止回部件穿過的通孔，“W”形底與結晶顆粒排出管連通。“W”形底的設計有利于循環排污水夾帶晶種和結晶顆粒在循環結晶區內循環，部件如圖5所示。

圖5 導流部件前剖視圖

循環結晶區的內筒體為直筒結構，循環結晶區頂部設置的導流圈底部向外傾斜，導流圈頂部為直筒結構，該結構設計利于水流向下流動，從而為循環流動提供了有效的保障。

內筒體懸空的固定在外筒體內部且沒有筒底，內筒體上部與外筒體之間設置底部下大上小結構的導流圈，導流圈上部為圓筒結構且向上延伸到集水區頂部，內筒體內部形成升流通道，在導流圈、內筒體外壁、外筒體內壁和導流部件形成降流通道。

循環結晶區由升流區和降流區及導流圈組成。止回部件的出口使水流進入升流區后呈噴射狀向上流，在導流圈的作用下，來自升流區的循環的晶種和結晶顆粒進入降流區，在止回部件、導流圈和“W”形底部導流部件的多重作用下，使水流在循環結晶區實現高效循環流動，導流圈的設計可有效避免晶種和結晶顆粒進入集水區。

集水區包括筒體、集水部件、導流圈、出水管等部件。集水部件設置在筒體內部，出水管設置在筒體側壁上，集水部件包括底沿和垂直設置在底沿一端的側壁，底沿為圓環形狀且密封連接在筒體內壁中部，側壁的上部為鋸齒形狀且低于導流圈，導流圈外壁、側壁、底沿上側和筒體內壁形成第一集水通道，第一集水通道與出水管連通。

2 運行研究

2.1 運行狀態

結晶造粒循環流化床運行時，循環排污水在提升泵的驅動下，通過進水管道進入進水腔，與此同時，PAC藥劑加入進水管道，研究發現，PAC的投加能夠有效破除循環排污水中阻垢劑的穩定性能，實現有效破穩。隨后循環排污水和PAC通過環形進水通道，斜向下流進入過濾單元的內腔，懸浮物在過濾單元的內腔進行絮凝反應聚集，通過濾網時被有效攔截。循環排污水通過濾網后進入過濾外腔，過濾外腔設有可拆卸式超強永久性磁棒，具有較強的除鐵功能，可進一步去除循環排污水來水中100 μm以下細微顆粒物。隨后循環排污水與布藥部件出藥口噴出的選擇性除鈣藥劑進行混合。混合后，循環排污水通過止回部件進入循環結晶區。

在循環結晶區，預先投加一定量的晶種（晶種通常粒徑不大于0.09 mm），循環排污水在循環結晶區內進行誘導結晶異相成核化學軟化反應。在導流圈和“W”形底部導流部件的導流作用下，循環排污水夾帶晶種和結晶顆粒在循環結晶區內進行循環流化。經過誘導結晶軟化后的循環排污水進入集水區，最后通過出水管排出結晶造粒循環流化床。

在循環結晶過程中晶種不斷減少并隨著結晶顆粒的不斷長大，從而使循環排污水中的鈣離子不斷減少，最終實現從集水區排出的循環排污水中的鈣離子含量能夠滿足后續膜處理工藝的進水需求。

結晶顆粒在循環流化過程中，大粒徑的結晶顆粒往往處于循環結晶區的底部區域。按照工程經驗，當結晶顆粒的粒徑長大至2 mm～3 mm時，在水壓的作用下可將其定期通過結晶顆粒排出管排出結晶造粒循環流化床。

在該過程中，驅動電機處于停運狀態，與結晶造粒循環流化床排污管相連的排污閥處于關閉狀態。

2.2 清洗狀態

結晶造粒循環流化床采用刷式刮板進行清除濾網上的污堵物。

隨著工作水量的增加，過濾筒體濾出的雜質在濾網上增加，隨著雜質在濾網上的堆積，濾網的內外部壓差增大。

當上過濾單元內外達到一定的壓力差時，開啟與上過濾單元相連的上排污閥，啟動驅動電機驅動驅動軸進行順時針運動。

當驅動電機驅動驅動軸進行順時針運動時，上刮板在順時針超越離合器作用下隨之進行順時針旋轉，對上濾筒進行刮刷污堵物，下刮板在逆時針超越離合器作用下停止不動。

上過濾單元內腔在進行清洗濾網時，此時，下過濾單元內腔處于正常工作狀態。此時，上過濾單元內腔內，不僅存在上刮板對濾網的刮刷作用，上過濾單元外部的水流壓強大于上過濾單元內部的水流壓強，因此存在從外向內的反向沖洗效果，使其對濾孔的污堵物進行徹底清洗，清洗濾網效果更加優異。

當下過濾單元內外達到一定的壓力差時，開啟與下過濾單元相連的下排污閥，啟動驅動電機驅動驅動軸進行逆時針運動。

當驅動電機驅動驅動軸進行逆時針運動時，下刮板在逆時針超越離合器作用下隨之進行逆時針旋轉，對下濾筒進行刮刷污堵物，上刮板在順時針超越離合器作用下停止不動。

下濾筒內腔在進行清洗濾網時，上濾筒內腔處于正常工作狀態。此時，下濾筒內腔內不僅存在下刮板對濾網的刮刷作用，濾筒外腔的水流壓強大于下濾筒內腔內的水流壓強，因此存在從外向內的反向沖洗效果，對濾孔的污堵物進行徹底清洗，清洗濾網效果更加優異。

在該過程中，誘導結晶化學軟化結晶造粒循環流化床處于正常進水狀態，循環結晶區內的結晶顆粒生長繼續進行。因此，實現了在高懸浮物進水情況下，誘導結晶化學軟化的連續高效反應。

隨后，一個運行→清洗周期結束，系統恢復正常運行工況。當上過濾單元內外的壓力差與下過濾單元內外的壓力差同時達到設定值時，利用程序控制，錯時進行清洗。

3 結構優勢

該結構有結晶造粒循環流化床具有以下優勢：1）進水部件采用斜向下流進水結構，使進水水流在過濾筒體的內腔形成旋轉流，在刮板的配合下，水流形成攪拌流狀態。該結構有利于懸浮物的絮凝聚集。2）止回部件內部具有止回功能，使水流僅可向上流，循環排污水從止回部件進入循環結晶區，隨著水流的不斷加大，止回部件過流面積不斷加大，當水流不斷減小時，止回部件的過流面積不斷減少，因此該結構可有效防止循環結晶區內的晶種及細小結晶顆粒進入過濾外腔。3）過濾外腔設有可拆卸式超強永久性磁棒，具有較強的除鐵功能，可進一步去除循環排污水來水中100 μm以下細微顆粒物。4）循環結晶區由內筒體及外筒體配合組成。內筒體筒體為直筒結構。循環結晶區頂部設置的導流圈底部向外傾，該結構設計強制來自升流區的水流向下流動，從而為循環流動提供了有效的保障。5）當驅動電機驅動驅動軸進行順時針運動時，上刮板隨之進行順時針旋轉，當驅動電機驅動驅動軸進行逆時針運動時，上刮板在超越離合器作用下停止不動。當驅動電機驅動驅動軸進行逆時針運動時，下刮板隨之進行逆時針旋轉，當驅動電機驅動驅動軸進行順時針運動時，下刮板在超越離合器作用下停止不動。6）當其中一個過濾單元內腔進行清洗濾網時，此時，另一個過濾單元內腔處于正常工作狀態。在這個清洗的過濾單元內腔內，不僅存在刮板對濾網的刮刷作用，同時存在過濾外腔的水流壓強大于本過濾單元內腔的水流壓強，因此從過濾外腔向本過濾單元內腔存在反向沖洗水流，由于反向沖洗水流的沖洗作用，使得對濾孔的污堵物清洗更加徹底。

4 結語

該文利用誘導結晶異相成核機理，結合工程實踐經驗，耦合旋流進水、循環造粒、超越離合器、濾網過濾、內部止回的結構技術，對流化床的結構進行不斷優化改進。解決在高懸浮物進水條件下，需要設置保安過濾器來對懸浮物進行攔截的現狀，同時避免了流化床出水濁度高增加后續處理系統處理負擔，進一步實現結晶造粒循環流化床設備的處理功能。

研制結構性能優異的結晶造粒循環流化床，將對我國水處理技術裝備的發展起到重要的推動和指導作用。