煤化工含盐废水处理管线结垢过程及机理研究

发布时间：2020-06-22 23:28

【摘要】：由于煤化工高含盐废水成分复杂、盐含量高,导致高盐废水的零排放(ZLD)处理工艺管线和设备常出现各种类型的结垢和腐蚀问题,影响设备和工艺的长期稳定运行。因此有必要对煤化工废水处理中管道盐类垢的形成机理及影响因素进行研究。煤化工含盐废水处理中常见的结垢产物主要为碳酸钙以及少量的二氧化硅、氯化钠等盐类垢。本文分析了煤化工废水处理中管道盐类垢的形成过程及影响因素,并在模拟废水处理环境中进行了污垢静态实验。采用显微镜和称重法研究了结垢过程中温度、钢材种类、实验时间和壁面粗糙度对污垢平均生长厚度的影响。采用XRD和EDS对污垢和污垢物质含量进行了定性和定量分析,并用SEM观察了污垢的形貌。实验结果表明:随着温度的升高,结垢速率增大;在四种煤化工废水处理中常用管道材质:Q235、Q345R、20#、N80钢材中,Q235钢材结垢速率最小,即最不易结垢,是工艺上最优选的材质;结垢速率在12～48 h降低比较明显,在48～96 h逐渐趋于稳定;结垢厚度随着粗糙度的增加而增大,在实验时间为1～10h,结垢厚度随着时间的变化呈线性相关;针对结垢成分进行分析:随着时间的增加,结垢产物主要是碳酸钙,并且由处于热力学亚稳定状态的文石与球霰石向处于热力学稳定状态的方解石转换。实际废水和模拟废水结垢速率与时间的关系均满足y=ax-0.494的函数,且实际废水与模拟废水之间的关系为ya=1.085ys。根据静态实验结果,在35℃、Q235钢材高盐废水处理环境下运用Fluent软件模拟设计了动态结垢实验。用三维立体显微镜和称重法研究了进口流速、壁面剪切力、湍流能对污垢生长速率和污垢平均生长厚度的影响,并对污垢的表面形貌进行观察。实验结果表明:(1)同一位置下随着流速的增大对污垢的形成呈现先增大后减小的趋势,当v=0.4 m/s时,污垢层厚度最厚,并且污垢层前期增加相对较快,后期相对缓慢。(2)当v=0.2～0.4m/s时,流体流动状态主要为层流与过渡流,污垢层厚度随着流速的增大而增大;不同位置的壁面剪切力不同,壁面剪切力越大的区域污垢层越薄且致密与紧致。(3)当v=0.4～0.7m/s时,流体流动状态为湍流,污垢层厚度随着流速的增大而减小;不同位置的湍流能不同,大部分湍流能越大的区域污垢层越厚且致密。(4)90°弯头处污垢层的密度较大,由于水流冲击较大,易于剥落导致污垢层厚度较低,但是保留下来的污垢质地坚硬且致密,对于已形成的污垢难以处理及清洗。根据污垢主要成分是碳酸钙,总结了碳酸钙污垢沉积模型。采用Fluent软件中的UDF自定义编译对碳酸钙污垢沉积进行模拟,模拟结果表明:污垢沉积速率、剥蚀速率、污垢层厚度在整个管路中均呈现先增大后趋于平缓的趋势;90°弯管中污垢净沉积速率、污垢层厚度最小;实验值比模拟值大,趋势基本相同。通过本文的研究确定了最优减缓结垢的操作条件、钢材种类、钢材表面粗糙度,及90°弯管处污垢沉积的分布,为煤化工高含盐废水处理中减缓管线结垢奠定了基础。
【学位授予单位】：宁夏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X784
【图文】：

污垢,换热面,污垢层,管道

逡逑（２）颗粒污垢：这是指悬浮在流体中的固体颗粒在换热面、管道或传质面上的积聚，在液逡逑体和气体体系中都可发生。该污垢包括较大固态粒子在水平换热面上的重力沉淀［１（）］和其他机制形逡逑成的胶体粒子沉淀物［８］。逡逑（３）化学反应污垢：包括传热传质面上化学反应生成的污垢，表面起到了催化剂的作用，逡逑但并不参与反应，该污垢通常发生在炼油、石化产品制造和食品加工过程中［８］。逡逑（４）腐蚀污垢：这是换热面或管道材料本身参与化学反应所产生的腐蚀物的积聚。这种污逡逑垢不仅本身污染了管道表面，而且还可能加速其他物质附着于管道表面而形成污垢层［７］。逡逑（５）生物污垢：细菌等有机物在管道附着而形成的生物薄膜。污垢层内存在的生物一般与逡逑河流湖泊或海水内的天然水质有关，污垢的形状取决于污垢的生长条件［１（）］。生物污垢可能产生粘逡逑泥，粘泥反过来又为生物污垢的繁殖提供了条件。逡逑（６）凝固污垢：这是纯净液体或多组分溶液的商溶解组分在过冷的换热而上凝固而形成的［８］。逡逑１．２．３垢的形成过程逡逑污垢的形成过程是质量交换、热量交换和动量交换的动态综合，是多种十分复杂过程的同时逡逑作用，但是各类污垢的形成一般都要经历下述五个阶段或过程：起始、输运（传递）、附着、剥逡逑蚀和老化［８］。如图１－１，沉积过程和剥蚀过程相互竞争可以概括为上述五个结垢形成阶段。逡逑

结垢速率

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