北京石油化工学院本科毕业设计（论文）开题报告题目名称：化工污水处理工艺设计题目类型：机械设备设计类学生姓名：专业：学院：机械工程学院年级：2010指导教师：2014 年 3 月14 日一选题背景、研究意义及文献综述1选题背景随着石油资源的迅速减少和原油价格的不断上涨, 煤在能源与化学工业方面中的应用变得越来越重要。
而作为煤能源应用的一种清洁技术——煤制气技术, 是煤炭洁净、实现环境保护以及综合利用的基础技术和关键技术, 并广泛应用于煤气供应、氨合成、电厂等其他化学工业。
图1 1995-2012年国内天然气消费量目前，我国煤制气产量、消费量迅速增长, 并且显示出继续增长的巨大市场潜力, 这就对煤制气技术的发展提出了越来越多的要求。
已实现工业化应用的煤制气技术尽管各有优势, 但环境污染严重仍是其存在的重要缺点和不足。
目前, 世界上几乎所有的煤制气技术在我国都有应用, 其主要技术有德士古煤气化技术、壳牌煤气化技术、多喷嘴对置式水煤浆气化技术、鲁奇气化技术及灰熔聚煤气化技术等[1]。
这些技术在生产过程中都不可避免地产生大量的废气、废水和废渣, 其中煤制气技术产生的废水是其主要的环境污染物之一。
煤制气污水在环境中化学性质稳定，容易蓄积在鱼类、鸟类和其他生物体内，并通过食物链进入人体，其中有些物质具有致癌、致畸和致突变性，对人类和环境构成更大的威胁。
因此严格处理化工污水，找到合适的处理办法迫在眉睫。
图2 化工污染物对人体的危害煤制气产生的废水经过汽提和分离提取副产物（中油、焦油），含油量降低后到电厂进行冲渣处理，然后排入贮灰场，经过灰渣吸附达到国家一级排放标准后排放[2]。
由于城市煤气用量的不断增大以及工厂使用的原料煤煤质指标远劣于原设计用煤的煤质指标，造成造气废水水量、水质都已经超出了原设计指标范围。
所以目前原设计的技术及规模已不能满足现在工厂造气废水的处理要求，从而导致排放的造气废水中主要污染物COD、NH3-N和挥发酚超出国家一级排放标准。
废水名称CODcrmg/L NH3-Nmg/L挥发酚mg/L氰化物mg/LPH一般煤化工废水水质2000-5000 200-600 300-500 10-30 7-10表1 总体煤化工废水水质煤制气废水主要来自煤气发生炉的煤气洗涤、冷凝以及净化等过程，由煤中所含的水分、未分解水蒸汽水、蒸汽冷凝液以及反应生成水等组成。
煤制气废水水量高达几千至几万m3/d。
该废水以高浓度煤气洗涤废水为主，水质十分复杂，含有大量酚类、长链烷烃类、芳香烃类、杂环类、氨氮、氰等有毒有害物质，是一种典型的高浓度难生物降解的工业废水[2,3]。
因此，寻求投资省、水质处理好、工艺稳定性强，最大限度地实现省水、节水和回用，已经成为煤制气产业发展的迫切需求。
节能环保已成为社会经济可持续发展的必然要求，零排放理念已成为整个社会的环保理念，随着国家对污染物排放的控制力度日益加强，加之我国煤化工普遍处于缺水地区，所以强化污水治理，实现废水的循环利用和零排放，节约水资源，现已成为煤化工企业技术发展的必然趋势和社会义务，也是我们需重点研究的方向。
2 研究意义煤制气废水是煤在高温干馏过程中,随煤气逸出、冷凝形成的。
在煤的气化工艺中,造气炉出口一般有循环水冷却喷淋系统,以降低煤气温度,同时把煤气的有机杂质、未分解的气化剂(水蒸气)和焦油冷凝下来,并将煤气中的灰分洗涤下来,从而产生大量的煤制气废水。
煤气中凡是能溶于水或者微溶于水的物质,均会在冷凝过程中形成极其复杂的剩余氨水,这是煤制气废水中最大的一部分废水[4,5]。
煤气净化过程中的脱硫、除氨和提取精苯、蔡和粗毗咤步骤也会产生小部分成分复杂的废水。
煤制气技术落后、生产成本高、水资源及水污染问题一直是制约煤制气产业发展的三大问题。
目前，我国的煤气化技术取得了很大发展，已经拥有具有完全自主知识产权的煤制气技术且达到了国际领先水平。
随着煤制气技术的提高和煤炭资源的合理开发，煤制气的生产成本也有了大幅度降低。
但是，煤制气属于高耗水的行业，水资源需求量大，其排放的生产废水处理问题已成为制约煤制气产业发展的瓶颈。
煤制气废水主要危害在于其毒理性,废水中的无机物质、有机物质大多是有毒物质。
其中酚类是有毒物质,氰类则是剧毒物质,焦油更是致癌物质。
因此对于煤制气废水的排放国家有严格的标准,如果流入河水中、地下水中,人们将失去可以饮用的水源,最终威胁到人类的生存。
所以研究煤制气废水的处理工艺对解决环境问题和煤制气工业发展有着至关重要的作用。
3 文献综述目前国内外工业上治理煤制气废水的方法一般分为物化法、化学法、生化法等三大类[6]。
物化法是通过物理化学过程处理废水,除去污染物质的方法,应用比较广泛,近年来发展很快。
其主要方法有:吸附法、萃取法、反渗透法、电渗析法、液膜法、气提法、超过滤法、盐析法、混凝沉淀法、气浮法、蒸馏法、离子交换法等[7]。
化学处理方法是利用物质之间进行化学反应的方法处理,常用的有中和法、沉淀法、氧化法、还原法、电解法、光催化法等。
生物法是利用微生物的新陈代谢作用,以污染物质为食料,将其代谢成诸如C02、H20、NH3等稳定的小分子,使污水得到净化。
3. 1 物理处理技术3.1.1 吸附法深度处理煤制气废水的深度处理方法也是随着对气化废水常规处理出水不达标的认识和水处理技术的不断发展而逐渐发展起来的，其中吸附法处理煤制气废水，就是利用吸附剂较大的总比表面积、很强的吸附能力去除废水中多种化学方法难以处理的污染物。
特种活性焦（简称活性焦）具有多孔，比表面积大等性质，对煤制气废水有很好的吸附性能且生产成本低廉[8]。
图3 吸附法流程室温条件下，用提升水泵将原水经流量计提升至吸附柱，原水由吸附柱底端进入，经活性焦吸附处理后自顶部溢流排入清水池。
废水中污染物分子大小不一，根据孔径匹配原则，活性焦孔径分布与污染物分子大小相匹配时，活性焦才具有最高的吸附性能与去除效率。
结果表明，以褐煤为生产原料的活性焦对煤制气生化废水中的污染物有良好的吸附脱除效果，褐煤活性焦吸附工艺深度处理煤气化废水有效可行。
25o C条件下，PH值为6~8的环境中，活性焦投加量为47g/L时，吸附处理2h，COD去除率可达93%，出水COD<50mg/L满足GB18918—2002中一级A排放标准。
3.1.2 溶剂萃取法溶剂萃取法是利用疏水性的萃取剂与废水接触,使废水中的有害物质与萃取剂进行物理或化学的结合,实现物质的相转移。
随着近年来国内、外对工业含酚废水进行的研究增多,溶剂萃取法逐渐成为了工业废水脱酚处理的常用技术,溶剂萃取法逐渐成为含酚处理工艺中常用的一个前段工序。
然而采用常规的溶剂萃取法处理高浓度含酚废水,出水中的酚含量很难满足达标排放要求[9,10]。
图4 溶剂萃取法工艺流程基于可逆络合反应萃取分离原理所开发的新型萃取处理技术为高浓度煤制气废水处理提供了新的技术支持。
该萃取方法对有机物稀溶液的分离具有高效性及选择性,且分配系数大,操作简单。
目前,可逆络合萃取法集中应用于酚类稀溶液[11]、有机梭酸类和苯胺类稀溶液的分离。
溶剂萃取工艺简单可行,抗冲击负荷能力强;能耗小,成本低便于操控。
缺点是运行过程中萃取剂会有少量的流失且可能造成的二次污染。
该研究表明，固定相络合萃取剂YH—1，再生效率可达99.3%,固定相络合萃取法具有价格低、操作简单、易再生、处理效果明显等特点,是一种高效、可靠、易行的新技术。
3.1.3 汽提、蒸馏、离子交换法汽提、蒸馏等物理方法可较好地回收高浓度煤制气废水中的酚,但是消耗能量较高,成本较高,经济可行性较低。
离子交换法由于容量有限,亦不适用于高浓度含酚废水的处理。
3. 2 化学法3.2.1 Fenton氧化技术Fenton试剂被广泛应用于废水处理工艺。
研究显示,Fenton试剂几乎对所有的有机物均有氧化行为,特别是许多无法被传统废水处理技术去除的难降解有机物都能被Fenton试剂氧化成易降解小分子物质或者完全分解。
因此,Fenton法在废水处理技术上的应用具有巨大的潜力和研究价值[4]。
Fenton试剂对有机分子的破坏效果非常明显,其实质是过氧化氢在二价铁离子的催化下生成·OH自由基的链式反应。
三价铁离子也能够催化发生相似、类Fenton反应。
由这两个链式反应生成的·OH自由基能够高效的降解各种有毒、有害的有机化合物。
其中·OH自由基产生的反应机理如下[12]：Fe2++H2O→Fe3++OH-+·OH Fe3++H2O2→Fe2++HO2·+H+Fe2++·OH→Fe3++OH- Fe3++HO2·→Fe2++O2+H+·OH+H2O2→H2O+HO2·Fe2++HO2·→Fe3++HO2-RH+·OH→R·+H2O R·+Fe3+→R++Fe2+R·+H2O2→OH+·OHFenton试剂处理有机物的实质就是轻基自由基对有机物进行氧化分解反应。
多元醇以及淀粉、葡萄糖之类的碳水化合物,在轻基自由基作用下,分子结构中各处首先发生脱除氢原子的反应,随后发生C一C键的断裂,最终被完全氧化为CO2,当反应完成时,其COD将得到大幅降。
研究表明采用Fenton试剂与活性炭吸附联合处理上述实际焦化废水，在H2O2投加量158mol/L，pH=3，反应温度为30℃的最佳条件下，COD去除率达89.9%，出水COD为195mg/L。
经Fenton预氧化后，再投加1g/L的活性炭吸附处理30min 后处理出水COD为46.4mg/L，去除率达到97.6%，出水达到国家污水排放一级标准。
Fenton试剂在焦化废水的应用中已经取得较好的处理效果。
煤制气废水与焦化废水在水质上相似,因此将Fenton试剂转用于煤制气废水也有一定的理论依据。
3.2.2 水解酸化法随着水解酸化工艺在难降解和有毒工业废水处理领域中开始发挥不可替代的作用，厌氧生物技术在煤制气废水处理领域中的应用也有了前所未有的重视[13]。
本试验以煤制气废水为处理对象，用水解酸化生物处理方法，考察了煤制气废水中有机污染物的降解情况、废水可生化性的提高和碳源守恒关系，并对主要有机污染物降解过程进行动力学模拟。
1—厌氧反应器，2—搅拌电机，3—搅帮，4—保温水夹套层，5—虹吸管，6—恒温循环水，7—控温装置图5 水解酸化法试验装置示意图反应器运行采用间歇式运行方式，进水、水解酸化反应、沉淀、排水为一个运行周期。
其中进水时间为0.1h，水解酸化反应时间根据间歇试验结果设定，沉淀时间为3.5h，排水时间为0.5h。
排水采用虹吸法，虹吸出的上清液用于水质分析。