高鹽廢水處理的氣體水合法技術(shù)工藝分析

關(guān)鍵詞：高鹽廢水；氣體水合法；技術(shù)工藝

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）05-0112-04

DOI： 10.3969/j.issn.1008-9500.2025.05.032

Abstract： Highsalinitywastewatercontainsmanypolutants，andifdischargeddirectlywithoutreatment，itwillpollutethe environment.Thispaper focuses onthetraditional treatment projectof high salinity wastewater，the transformationof the traditional treatmentprojectbasedongas hydration technology，the technological processof gas hydration technology，the requirements of hydration reaction temperature and pressure，gas supply，temperature control method of hydration reactor， gas hydration concentration of high salinity wastewater，and the control point of concentration and evaporationof high salinity wastewater，etc.，and discusses the corresponding technical points.

Keywords： high salinity wastewater; gas hydration method; technical process

高鹽廢水傳統(tǒng)處理項(xiàng)目往往會忽視無機(jī)鹽回收利用，只是采取將高鹽廢水蒸發(fā)結(jié)晶成混合雜鹽后進(jìn)行固廢處理的措施。這樣不僅無法充分回收利用高鹽廢水中的無機(jī)鹽，更會面臨處理成本高、生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重的問題。因此，有必要探索能降低工藝成本、強(qiáng)化無機(jī)鹽產(chǎn)品回收的技術(shù)工藝。

消耗大量能源，為了降低能耗，實(shí)踐中一般會利用“膜濃縮 + 蒸發(fā)結(jié)晶”組合工藝。通過組合工藝雖然能切實(shí)減少能源消耗，但也會造成膜損耗增加，而且該工藝的應(yīng)用對工藝水平有著極高要求，需確保預(yù)處理后廢水的pH值、硬度、有機(jī)物、膠體懸浮物及總?cè)芙夤腆w等均達(dá)到一定要求。

1高鹽廢水傳統(tǒng)處理項(xiàng)目概述

2基于氣體水合法技術(shù)的高鹽廢水處理項(xiàng)目改造

目前，普遍應(yīng)用分鹽結(jié)晶工藝處理高鹽廢水，需先通過預(yù)處理使廢水總?cè)芙夤腆w符合要求，再通過濃縮處理讓無機(jī)鹽達(dá)到飽和，之后繼續(xù)采取蒸發(fā)結(jié)晶或冷析結(jié)晶方式對廢水加以處理，直到得到所需的無機(jī)鹽產(chǎn)品結(jié)晶[。基于該工藝的高鹽廢水處理過程會

很多煤化工項(xiàng)目地處內(nèi)蒙古自治區(qū)、寧夏回族自治區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū)等水資源極為有限且生態(tài)環(huán)境敏感度與脆弱度較高的區(qū)域，這些地區(qū)的高鹽廢水處理更是要兼顧節(jié)能性與環(huán)保性[2]。為了改善高鹽廢水處理項(xiàng)目的運(yùn)行效果，可基于氣體水合法技術(shù)對其工藝進(jìn)行合理調(diào)整。如果高鹽廢水包含能和水分子形成穩(wěn)定水合物的物質(zhì)，那么理論上可通過調(diào)整溫度、壓力等條件的方式促使這些物質(zhì)和水分子結(jié)合并形成水合物，之后采取過濾、離心等手段將水合物從廢水中分離出來，進(jìn)而去除廢水中的鹽分或有機(jī)物，同時還能對廢水中的無機(jī)鹽進(jìn)行回收利用。基于氣體水合法技術(shù)對高鹽廢水處理項(xiàng)目加以改造，需要對反應(yīng)器進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，確保原料氣供應(yīng)穩(wěn)定。

反應(yīng)器設(shè)計(jì)需要充分考慮各種反應(yīng)條件，包括壓力、溫度、混合物濃度等，具體需要根據(jù)高鹽廢水處理項(xiàng)目的實(shí)際情況進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，以此確保氣體水合物連續(xù)生產(chǎn)的速率以及質(zhì)量。反應(yīng)器設(shè)計(jì)還要關(guān)注反應(yīng)器自身傳熱與傳質(zhì)性能，以免反應(yīng)器性能無法滿足工藝需求而影響高鹽廢水處理質(zhì)量與效果。為了確保基于氣體水合法技術(shù)的高鹽廢水處理進(jìn)程持續(xù)、穩(wěn)定、高效運(yùn)行，務(wù)必要確保原料氣供應(yīng)穩(wěn)定且氣體純化度達(dá)到一定要求，否則會對水合反應(yīng)產(chǎn)生不利影響。在水合反應(yīng)中，合理使用催化劑能顯著提升反應(yīng)速率，實(shí)踐中需根據(jù)高鹽廢水處理項(xiàng)目的實(shí)際情況使用合適的催化劑。反應(yīng)生成的水合物需進(jìn)行解吸處理，從而實(shí)現(xiàn)對液化氣和水的有效回收，提升整個工藝流程的節(jié)能性。

3氣體水合法技術(shù)的工藝要點(diǎn)

3.1 工藝流程

高鹽廢水處理項(xiàng)目中生成氣體水合物的工藝流程如圖1所示。對煤化工項(xiàng)目中產(chǎn)生的高鹽廢水采取各種方式進(jìn)行預(yù)處理，直到其物質(zhì)含量情況符合工藝要求后排入廢水池中。待廢水溫度降低并與環(huán)境溫度一致后將其送入廢水溫度調(diào)控器中，從而將廢水溫度調(diào)節(jié)至符合氣體水合反應(yīng)需求的特定溫度，并將溫度合適的廢水通過頂部噴灑至水合反應(yīng)器內(nèi)。原料液化氣、未反應(yīng)完的液化氣以及氣體水合物解吸塔解吸出的液化氣則會進(jìn)入液化氣壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮處理，直到其壓力符合工藝要求。原料液化氣會經(jīng)液化氣溫度調(diào)控器達(dá)到水合反應(yīng)所需溫度，再通過底部的氣體分布器鼓進(jìn)入水合反應(yīng)器。

水合反應(yīng)器中的高鹽廢水與液化氣會在特定溫度與壓力條件下發(fā)生水合反應(yīng)，生成氣體水合物。由于氣體水合物的密度相較于高鹽廢水更小，其會隨著液化氣一起上浮至高鹽廢水液面并繼續(xù)上升。上升的液化氣會與從上方落下的高鹽廢水繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生相應(yīng)的氣體水合物，生成的結(jié)晶則在廢水的沖刷下落到反應(yīng)器內(nèi)液面上。在此過程中，液化氣并不會完全反應(yīng)，尚未與廢水發(fā)生反應(yīng)的氣體則會通過反應(yīng)器頂部位置逸出。伴隨液化氣逸出的氣體還有氣體水合物液固分離器中逸出的氣體。這些逸出的液體并不會被直接排放，而是會被再次回收利用，之后會再次被送入液化氣壓縮機(jī)參與水合反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)液化氣可重復(fù)利用，降低相應(yīng)的氣體供應(yīng)成本。反應(yīng)器內(nèi)液面上積聚的結(jié)晶則會被送至液固分離器中，并與液體實(shí)現(xiàn)有效分離。反應(yīng)器內(nèi)液固混合物到分離器中進(jìn)行分離的過程中，部分氣體會伴隨混合物抵達(dá)分離器中，并且會從分離器頂部位置逸出并被回收到反應(yīng)器內(nèi)。同時，分離出的液體會通過下方管道回到反應(yīng)器內(nèi)繼續(xù)參加反應(yīng)，從而持續(xù)為氣體水合反應(yīng)提供水，以免水過少而影響反應(yīng)速率以及廢水處理效果。分離出的固體結(jié)晶則會被送入解吸塔中并灑落于斜板上，解吸塔頂部噴灑的 20°C 水會與結(jié)晶接觸反應(yīng)，使得結(jié)晶被分解為液化氣與水。

分解后的液化氣會被送回壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮處理并再次參與水合反應(yīng)，分解后的水大部分會被通過管道抵達(dá)工業(yè)水儲罐中，小部分會被加熱后抵達(dá)解吸塔中從頂部進(jìn)行噴灑并再次對結(jié)晶進(jìn)行分解處理，以此確保解析過程的可持續(xù)性與不間斷性。反應(yīng)器內(nèi)的廢水與液化氣反應(yīng)后生成固體，液體會逐漸濃縮，當(dāng)其濃縮到一定程度時硫酸鈉會處于飽和狀態(tài)，此時繼續(xù)濃縮會使得廢水中的 Na₂SO₄ 分子與 H₂O 分子結(jié)合產(chǎn)生十水硫酸鈉結(jié)晶。根據(jù)生產(chǎn)需要，利用離心分離機(jī)對反應(yīng)得到的十水硫酸鈉結(jié)晶和NaCl進(jìn)行固液分離處理，再通過熱交換器、蒸發(fā)器等實(shí)現(xiàn)升溫處理與蒸發(fā)處理，則能得到濕十水硫酸鈉結(jié)晶與濕 ΔNaCl_? 。最后再進(jìn)行干燥處理，則能得到所需的元明粉產(chǎn)品或精制鹽產(chǎn)品。分離后的液體則通過管道回到廢水池，其能再次參與水化合反應(yīng)。

3.2水合反應(yīng)溫度與壓力要求

應(yīng)用水合反應(yīng)技術(shù)處理高鹽廢水，需要對相應(yīng)的溫度與壓力進(jìn)行嚴(yán)格控制。這是因?yàn)橹挥性谔囟囟扰c壓力下，小分子與氣體才會通過分子力結(jié)合形成固體結(jié)晶[3]。氣體水合物通常會于高壓、低溫條件下產(chǎn)生，而在溫度或壓力無法達(dá)到要求時結(jié)晶又會分解形成氣體與水。高鹽廢水處理應(yīng)用氣體水合法技術(shù)時，為避免能耗過高，不宜將溫度設(shè)置得過低。實(shí)踐中一般會將氣體水合反應(yīng)設(shè)置在 0°C 左右，具體要根據(jù)氣候條件加以確定。 0°C 條件下，液化氣中 C₃H₆ 生成水合物所需的最小壓力為 0.48MPa ， C₃H₈ 生成水合物所需的最小壓力為 0.17MPa ， i-C₄H₁₀ 生成水合物所需的最小壓力為 0.11MPa ，高鹽廢水處理中需根據(jù)實(shí)際情況對溫度與壓力進(jìn)行合理設(shè)置。

圖1水合法處理高鹽廢水工藝流程

3.3 氣體供應(yīng)

高鹽廢水處理中應(yīng)用氣體水合法技術(shù)時，需要確保氣體供應(yīng)穩(wěn)定且成本低。 C₃H₆ 、 C₃H₈ 、 i-C₄H₁₀ 等在 0^°C 條件下生成氣體水合物的壓力相差并不大，而這三者又是煉油精制過程中產(chǎn)生并回收的液化氣中的主要成分。液化氣具有來源廣、價(jià)格低廉的優(yōu)勢，故而高鹽廢水處理中一般將液化氣作為水合反應(yīng)的原料氣體。

3.4水合反應(yīng)器溫控方法

水合反應(yīng)是放熱反應(yīng)，水合反應(yīng)器中的液化氣與高鹽廢水發(fā)生反應(yīng)后會持續(xù)放熱。為了保障基于氣體水合法技術(shù)的高鹽廢水處理工藝得以持續(xù)進(jìn)行，需要采取調(diào)控進(jìn)人反應(yīng)器的小分子氣體溫度的方式進(jìn)行控溫處理。一般工業(yè)生產(chǎn)可利用列管式換熱器進(jìn)行換熱處理。但是，高鹽廢水處理使用列管式換熱器，會導(dǎo)致?lián)Q熱反應(yīng)后換熱器的表面溫度下降，進(jìn)而使得氣體水合反應(yīng)速率大幅提升。同時，換熱器表面會生成并黏附大量固體結(jié)晶，進(jìn)而影響廢水處理速率與效果。對進(jìn)入水合反應(yīng)器中的小分子氣體溫度加以控制，能利用丁烷和丁烯的液化溫度接近 0°C 的特性吸熱氣化，從而實(shí)現(xiàn)對水合反應(yīng)器中溫度的有效控制。

3.5氣體水合濃縮高鹽廢水工藝

高鹽廢水經(jīng)預(yù)處理后，其主要組分為NaCl和Na₂SO₄ 。NaCl在從 0°C 升高到 100°C 的水中的溶解度呈現(xiàn)出逐步升高的趨勢，不過其升高幅度較小;Na₂SO₄ 的溶解度在從 0^°C 升高直到 100°C 的水中呈現(xiàn)出先提高后降低的趨勢，并且在 40°C 左右時達(dá)到最高。低溫條件下， Na₂So₄ 的溶解度大幅低于NaCl，故而高鹽廢水處理中低溫條件下氣體水化合反應(yīng)會使得廢水中的 Na₂SO₄ 快速飽和，而 Na₂SO₄ 分子則會與廢水中的水分子結(jié)合生成十水硫酸鈉結(jié)晶。當(dāng)十水硫酸鈉結(jié)晶析出分離后，高鹽廢水會快速濃縮。

3.6高鹽廢水濃縮蒸發(fā)控制點(diǎn)

基于氣體水合法技術(shù)的高鹽廢水處理過程中會析出大量 Na₂SO₄ 結(jié)晶且廢水會迅速濃縮。為了防止?jié)饪s過程中析出 NaCL 結(jié)晶影響得到的 Na₂SO₄ 質(zhì)量，工藝實(shí)踐中必須加強(qiáng)對濃縮進(jìn)程的有效控制。以 0°C 時的 NaCl-Na₂SO₄-H₂O 三元水鹽體系相圖作為依據(jù)，該相圖中十水硫酸鈉與 NaCl 的共飽點(diǎn)的質(zhì)量組成為NaCl 25.61% ， Na₂SO₄1.22% ， H₂O73.17% ，溶液密度為 1.185g/L ，故而實(shí)踐中只需將水合反應(yīng)器中的NaCl質(zhì)量含量控制在 25% 以內(nèi)便可防止NaCl析出。而在濃縮后的氯化鈉蒸發(fā)結(jié)晶器中回收產(chǎn)品氯化鈉時，則要防止硫酸鈉結(jié)晶析出影響產(chǎn)品氯化鈉的品質(zhì)。此時可根據(jù)三元水鹽體系相圖將蒸發(fā)母液中的 Na₂SO₄ 質(zhì)量含量控制在 4% 以內(nèi)，便可防止 Na₂SO₄ 析出并影響NaCl的品質(zhì)。

4基于氣體水合法技術(shù)的高鹽廢水處理項(xiàng)目的優(yōu)勢分析

基于氣體水合法技術(shù)的高鹽廢水處理項(xiàng)目，相較于傳統(tǒng)高鹽廢水處理項(xiàng)目而言，其在處理效果、環(huán)保性以及成本控制等方面均具有一定優(yōu)勢。很多煤化工項(xiàng)目位于內(nèi)蒙古自治區(qū)、寧夏回族自治區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū)等地區(qū)，這些地區(qū)的年平均溫度較低，春冬兩季更是平均氣溫不超過 0^°C 。這為基于氣體水合法技術(shù)的高鹽廢水處理提供了天然的溫度條件，能減少工藝生產(chǎn)中的能源損耗[4]。基于氣體水合法技術(shù)的高鹽廢水處理方式能實(shí)現(xiàn)循環(huán)作業(yè)，還可對無機(jī)鹽產(chǎn)品進(jìn)行回收利用，有效避免無機(jī)鹽直接隨廢水排放而引發(fā)的環(huán)境污染

5結(jié)論

推動氣體水合法技術(shù)在高鹽廢水處理中的應(yīng)用具有巨大的價(jià)值，能兼顧生態(tài)環(huán)保、廢水處理效果提升以及成本控制。綜合分析煤化工項(xiàng)目的高鹽廢水處理項(xiàng)目實(shí)際情況，探討其在應(yīng)用氣體水合法技術(shù)方面的價(jià)值與可行性，進(jìn)而在條件允許的情況下落實(shí)項(xiàng)目改造工作，為提升高鹽廢水處理質(zhì)量提供有力支持。

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