2奖“萌芽杯”论文董修远

北京化工大学第八届“萌芽杯”参赛作品—A类北京化工大学第八届“萌芽杯”参赛作品—A类作品名称：关于化工工艺环保的现状以及其改善方法类别（综述类/实验类）：综述类指导教师：陈咏梅负责人：董修远联系方式：188104633482012年6月23日团队成员及指导老师介绍指导老师介绍：姓名陈咏梅所属学院理学院职称副教授研究方向应用电化学安全化学

无机合成化学团队成员介绍：姓名董修远所属学院理学院专业教改实验班级1101姓名徐熠森所属学院理学院专业教改实验班级1101姓名张颖所属学院理学院专业应用化学班级1103姓名所属学院专业班级姓名所属学院专业班级姓名所属学院专业班级目录第1章选题背景 4第1.1节摘要 4第1.2节关键词 4第1.3节引言 5第2章电石渣的处理 6第2.1节电石渣的主要成分 6第2.2节电石废渣代替石灰石制水泥 7第2.3节生产生石灰作为电石原料 8第3章酸厂废水废气的处理 9第3.1节酸厂废气处理 9第3.2节含氟废水处理方式 10第3.2节新方法构想 11第4章有机废水的处理方法 12第4.1节有机废水所含物质分析 12第4.2节电石渣浆中有机废水的环境影响 12第4.3节传统方法处理电石渣浆中的有机废水 12第4.4节生物物理处理电石渣浆中的有机废水 13关于化工工艺环保的现状以及其改善方法指导老师：陈咏梅成员：董修远徐熠森张颖北京化工大学理学院第一章选题背景第1.1节摘要通过实地走访调查一些化工场，从其中一些生产过程中发现许多的对于环境保护不友好的方面。如工业制备乙炔时残留下来的电石渣往往采用简单的填海填沟的有规则堆放处理；酸厂在制备过程中漏出的酸气在下雨天极易溶于雨水经管道流入水体导致水体酸化；用单纯的生物法处理含有机物废水时耗时耗能过大，且难以达到资源的循环利用。针对以上几个方面本文通过大胆地假设猜想提出了一些改善方法，如是否电石渣可以用于处理工业含氟废水，或者代替石灰石用以制备水泥，或者生产生石灰循环利用等。在在此基础上进行了模拟实验，并且在一定程度上给予了证明。第1.2节关键词化工工艺；电石渣；废气废水；有机废水；生物物理方法第1.3节引言现如今由于国家大力推进现代化建设，化工企业飞速发展，但其化工工艺上多少存在的不完善导致了大量工业三废的产生。这些废气、废水、废弃物不仅仅是影响所需产物的产率、对原材料的浪费，不合理的处理方式更会导致严重的化学污染。以废气为例，如果化工厂不对这些废气进行回收处理，那废气就会随着空气像周围环境扩散，如遇逆温状况，污染不容易扩散，污染气体的大量聚集，很可能造成化工厂周边居民出现身体不适的状况。就在今年年初，广西宜州境内的龙江就因某工厂对于废弃物的处理不当导致严重的镉污染，对周围居民造成不可挽救的伤害，化工工艺的现状可想而知。然而化学在人类生活、生产和社会发展中又有着不可替代的重要作用，至此，对化工工艺中生产流程的优化和废弃物的处理以及二次利用成为了当务之急。寒假中，我们小组的成员亲身走访了一个大型的国有化工集团企业下的几个分厂。具体有电化厂，氟化厂，以及污水处理中心等厂区。通过实地的走访，我们发现真实的化工生产跟理论相差甚远，很多化工企业由于一些局限，忽略了环境保护的重要性，偷排、多排废水的现象比比皆是，很多工业废渣都是通过填埋、堆放或是排入水体的简单处理。注：废渣偷排入管道进入水体注：即将拉去填埋的电石渣注：生物法处理有机废水的曝气池恶臭难闻看到这些触目惊心的景象，愈发感觉化工厂改善生产流程势在必行。而作为新时代大学生的我们觉得应该在自己力所能及的范围内应用已有知识在化工工艺生产流程及废弃物处理的过程中给出一些理论化的解决方法，为工业上的实际需求提供依据；并通过一些模拟实验证明方法的可行性，为工业提供一定程度上的实践依据。运用这些这些手段来达到我们环保的目的！第二章电石渣的处理第2.1节电石渣的主要成分乙炔是生产聚氯乙烯（PVC）的主要原料，按生产经验，每生产1tPVC产品耗用电石1.5～1.6t，同时每t电石产生1.2t电石渣（干基），电石渣含水量按90%计，那么每生产1tPVC产品，排出电石渣浆约20t。由此可见，电石渣浆的产生量大大超过了PVC的产量。大多数PVC生产厂家将电石渣浆经重力沉降分离后，上清液循环利用；电石渣经进一步脱水，其含水率仍达40%～50%，呈浆糊状，在运输途中易渗漏污染路面，长期堆积不但占用大量土地，而且对土地有严重的侵蚀作用。要想从根本上解决问题，只有在技术上谋求突破，寻求新的治理工艺，综合利用，化害为利，变废为宝。在电石乙炔法生产'聚氯乙烯'产品时，电石加水生成乙炔和氢氧化钙，其主要化学反应式如下：在电石和水反应同时，电石中杂质也参与反应生成氢氧化钙和其他气体：在水中溶解度小,固体微粒逐步从溶液中析出。整个体系由真溶液向胶体溶液、粗分散体系过渡，微粒子逐步合并、聚结、沉淀，在沉淀过程中又因粒子互相碰撞、挤压，促使颗粒进一步结聚、长大、失水，沉淀物逐步变稠，俗称电石渣浆。此外电石中不参加反应的固体杂质如矽铁、焦炭等也混杂在渣浆中。副反应产生的气体部分进入乙炔气体，部分溶解在渣浆中。电石渣浆为灰褐色浑浊液体。在静置后分成三部分，澄清液、固体沉积层及中间胶体过渡层。三者比例随静置时间及环境条件变化呈可逆变换。固体沉积物即是我们常说的电石废渣。干电石废渣中主要含，可以作消石灰的代用品，广泛用在建筑、化工、冶金、农业等行业。但当电石废渣含水量>50%时，其形态呈厚浆状，贮存、运输困难，给用户带来不便。很多厂还因其在运输途中污染路面而带来极大麻烦。因此电石废渣综合利用的关键是控制含水量。含一定水量的电石废渣及渗滤液亦是强碱性,也含有硫化物、磷化物等有毒有害物质。根据《危险废物鉴别标准》（GB5085—1996），电石废渣属Ⅱ类一般工业固体废物；若直接排到海塘或山谷中，采用填海、填沟的有规则堆放时，根据《化工废渣填埋场设计规定》HG20504—92，对Ⅱ类一般工业固体废（物）渣，必须采取防渗措施并作填埋处置。第2.2节电石废渣代替石灰石制水泥电石废渣制水泥在国内已有众多成熟的企业,如:吉林化工厂、天津化工厂、贵州有机化工总厂、山西省化工厂等，有的在70年代就建成工业规模装置，专有一条水泥生产线消化电石废渣。如吉化公司采用浓缩池将渣浆浓度由5%～8%浓缩到35%、砂泵送入料槽，在分去一部分上清液后和砂岩、粘土浆配制成水泥生料，再送回转窑煅烧制水泥。据调查,现在全国约有不少生产线在运行,生产工艺普遍采用湿法工艺(也有少数采用立窑生产),与一般采用石灰石为主要原料的湿法工艺比较,由于电石渣含水量高,流动性差,为保证料浆的入窑流动性,其含水量在56%左右。比一般石灰石配料的湿法窑料含水量高50%～55%,因此热耗比一般湿法高20%左右。如吉化公司水泥厂，年产水泥10～20万t又由于入窑料浆水分含量高,窑的预热部分负荷较重,出窑尾废气温度较一般湿法生产线低50～60℃,因此窑的产量较同规格以石灰石为配料的生产线低20%～25%。另外,分解时产生水蒸汽,导致出窑尾废气中水蒸气含量增大,影响电除尘器的使用效率及寿命,所以在石灰石丰富的地区,电石废渣生产的水泥在市场中不如石灰石生产的水泥受欢迎。按照国办发(1999)49号文的要求,不再新建水泥企业,在建材行业内部已实行“总量控制,结构调整”的政策,这说明:其一,水泥市场已经饱和;其二建材与化工是不同的行业,结构调整,建材的水泥市场不是让位于化工的水泥市场,国家没有这个产业政策,而是与更具竞争力的水泥企业进行竞争,市场已经饱和的竞争对手更加强大,在这样的环境中生存是艰难的。由于水泥项目技术较复杂、能耗高、占地面积大、投资较大、市场饱和、竞争力又弱,在市场经济中,市场决定着企业的生死存亡,一旦市场恶化,将无法生产,所以电石废渣制水泥增加了制约自身的因素,限制了企业的发展。第2.3节生产生石灰作为电石原料电石生产石灰工艺：脱水后得到含固量60%的电石废渣，用螺旋运输机输送，在造粒机长度四分之三处均匀分配至造粒机内，造粒制成5～20mm大小不等的园球，再经气流干燥炉（350℃）干燥，回转炉（900～1000℃石灰产品的规格CaO不小于86%CO2不小于1.0%水分0.5%杂质（）不大于13%粒度5～20mm原料及动力消耗（以生产1t石灰计）电石渣1.33t水8m3电37Kwh蒸汽0.16t煤粉0.111t氮气3燃料气388燃料油0.001t此方法技术路线可行，作为探索生产石灰，应是最好的治理方法,这是因为:第一,生产石灰的投资不到生产水泥的十分之一;第二,石灰是电石生产的原料,不存在另寻市场的问题,以钙为载体实现电石废渣—石灰—电石—电石废渣这样的闭路循环;第三,减少制约自身的因素,电石法PVC可将规模进一步扩大,以提高竞争力,同时也保护了石灰石矿源,新的电石废渣制石灰所产生的经济效益和社会效益远非其他治理方法可比。但能耗大，回收石灰重作电石原料也只能掺入电石原料的20%，不宜过多，因为回收石灰中含硫、磷杂质多，将影响电石质量。第三章酸厂废水废气的处理第3.1节酸厂废气处理3.1.1酸厂排出的氟气与水会发生反应，会生成具有爆炸性质化合物OF2，因此氟气不能用碱性水溶液直接吸收，为了避免以上过程的发生，可将含有氟气的废水行焚烧。焚烧的一般做法是将氟气通过填充了炭或硅的焚烧柱，发生反应使其变为相应的氟化物。3.1.2在每一生产工段真空道与主真空管连接处，设置一活性吸收柱，这样既使含氟废水得到净化也保护真空泵。3.1.3再含氟废气的出口端设置一硅的焚烧住，使氟气转化为四氟化硅。3.1.4所有的含氟废气最后经通风系统进入废气处理中心，废气处理中心采用“一室一塔制”对含氟废气进行处理。第3.2节含氟废水处理方式3.2.1废水由各个排水点收集到初沉淀池（出沉淀池兼调节作用，且可通过自然冷却使氟化盐结晶析出，回收大量氟化盐），HRT=120min。3.2.2调节池出水进入各级反应池（四级串联运行，控制Ca/F比1.2~1.5，总反应时间30~40min）。在反应池中逐级加入石灰乳。3.2.3反应池出水后进入中间沉淀池澄清，HRT=60min。沉淀池出水进入下一级反应，沉淀池渣进行脱水处理工序。滤液返回一级反应池，渣作为氟石膏外卖作建材。3.2.4沉淀池出水进入二段除氟反应池，在此加硫酸铝溶液，控制AL/F>3.0，反应时间5min。3.2.5二段除氟反应池出水进入二沉池，二沉池出水外排，渣回流至一级反应池或回流至初沉池，作为该厂处级产品回收。第3.3节新方法构想3.3.1石灰处理法：将石灰灰作为一段沉降剂，对氟离子去除率影响：石灰投加量>氟离子初始浓度>温度>絮凝剂量>反应时间>pH，通过实验得到的最优组合为：石灰添加量15.0g，吸附时间30min，PAM（质量分数1%）加入量0.1ml，pH7.0，氟离子初始浓度200mg/L；在此最优组合的条件下，对工艺条件含200~1000mg/L氟离子废水进行处理，其中200mg./L的含氟离子废水用石灰处理后，出水中含氟浓度为9.61mg/L,符合国家排放标准。对于高于200mg/L含氟废水，出水中含氟浓度符合国家排放标准。对实验研究的1000mg/L的高浓度含氟废水，经处理后，其出水含量33.10mg/L。3.3.2氨水吸收法：用氨水来吸收含氟尾气将发生下列反应：和这个反应可逆，选择相应的条件，变使之往任意方向进行到底。就此我们做了以下的实验实验原料：为氨水（工业级，纯度35%）、硫酸（工业级，纯度98%）、湿法磷酸（工业级，含氟量为21.75g/L）。PHS-3C型精密酸度计、氟离子选择电极、饱和甘汞电极、恒温槽、搅拌器、真空泵。、实验装置实验步骤：按图一连接好实验仪器，开启恒温槽，设置温度为80.量取50ml湿法磷酸和10ml硫酸于反应于反应器1中，预热10min。量取30ml一定pH的氨水溶液于吸收管A中，量取30mL蒸馏水于吸收管B中，用天平秤取20g磷矿粉。开启真空泵，通过调节调节阀9，使吸收管A、B中有气体通过，然后匀速地将磷矿粉加到已经预热了10min的反应器1中（控制在2min左右加完），开启搅拌器。反应一定时间后，通过调节调节阀9.使吸收管A、B中没有气体通过，关闭真空泵和搅拌器，取吸收液A、B分析其中的氟含量，氟含量的测定选择电极法。第4章有机废水的处理方法第4.1节有机废水所含物质分析1.1制作工艺目前国内大多数溶解乙炔生产采用碳化钙水解法生产,即利用电石与水作用生成粗乙炔气,经净化、压缩、干燥和充罐四个基本工序,使之溶解在丙酮中储存在充满多孔填料气瓶内。在电石法制乙炔气生产过程中，电石在发生器内水解需要补充大量的水，经冷却降温后的乙炔气加压后进入二级串联的清净塔，利用次氯酸钠除去硫、磷等杂质，清净后的乙炔气进入中和塔，再到合成其他物质，其中有大量的冷却塔用水和次氯酸钠废水被排放。1.2主要物质电石渣浆中的有机污染物主要为乙炔生产过程中的少量原料以及部分添加剂。渣浆中化学需氧量（COD）的主要贡献者为溶解于其中的乙炔（）和硫离子，经渣浆池沉淀曝气后，因不断向大气扩散而浓度降低；在强碱性的条件下稳定存在，因此溢流清液中的COD主要由造成，提出脱硫将成为降低COD的首要问题。第4.2节电石渣浆中有机废水的环境影响电石和水在乙炔发生器内进行水解反应,生成乙炔和氢氧化钙(熟石灰)并释放热量,其化学反应方程式是:氢氧化钙和水从发生器底部连续排出,流入沉淀池。氢氧化钙和水的混合物俗称电石渣浆,呈灰色,含电石渣约30%,且伴有、、等气态杂质。电石渣浆中所含有机废水是处理难度较大、治理成本高的废水,属于《国家危险废物名录》中HW35废碱类废物。乙炔企业是消防重点单位,多被建在农村。电石渣浆常被排入无“三防”措施的渣坑,靠自然蒸发水分的方式处置电石渣浆。造成电石渣浆渗透到土壤和地下水,使其受到污染,特别是雨季,造成电石渣浆溢流,严重污染周边环境。第4.3节传统方法处理电石渣浆中的有机废水3.1电石渣浆中有机废水处理工艺流程(1)从发生器底部排出的电石渣浆流入沉淀池内,铺设一条由沉淀池到压滤机的管路,通过泵将电石渣浆提升至压滤机,压滤机将水分从电石渣中分离出来,分离出的水经回流管路回到澄清水池,作为乙炔生产补充水,电石渣饼留在压滤机的板框内。(2)压滤机板框中残留的水通过倒流槽流入压滤机底部的沉淀池,经沉淀后由泵打入滤水回流管路。在压滤机的渣浆入口处安装压缩空气管路,吹掉板框中残留的水分,以降低电石渣的含水率。(3)留在压滤机板框内的电石渣饼由人工清理落入渣车内,然后运至地面经硬化、防雨淋的干渣场存放,待销售。电石渣浆的整个处理过程是闭路循环,不产生二次污染,电石渣含水率降低到20%。3.2电石渣浆中有机废水处理工艺的主要设备及构筑物(1)压滤机:选用明流式、防爆液压型压滤机。根据(每天电石渣的产量+20%电石渣含水量)÷每天压滤机卸料次数,其结果作为选择压滤机过滤面积规格的依据,本工程压滤机的过滤面积为20m2。明流式压滤机的特点是便于运行时观察滤布的滤水状况,板框材质为增强聚丙烯母料,其密封性好,经久耐用。(2)泵:由于电石渣浆具有粘稠、沉淀后易硬化的特点,电石渣浆提升泵应选择潜水式泥浆泵,其具有不怕堵塞,运行可靠,维修方便的优点,适合电石渣浆的处理。压滤机底部沉淀池的泵和澄清池的泵可选择清水泵。泵应该选择防爆型。(3)沉淀池:承接压滤机板框水的沉淀池的长×宽与压滤机板框的总厚度×板框宽相同,深度可根据实际情况确定。本工程设计尺寸:11400mm×800mm×400mm。(4)管路:由于电石渣浆具有粘稠、沉淀后易硬化的特点,输入压滤机的管路须选用镀锌钢管,便于运行中清理电石渣。滤水管路可选用镀锌钢管或PVC。第4.4节生物物理方法处理电石渣浆中的有机废水4.1有机废水处理的基本方法污水处理技术主要有物理分离法、物理化学法及生物处理法等基本方法。其中物理分离法主要有沉淀、气浮、超声、微波、过滤处理等工艺;物理化学法主要有混凝沉淀、电解气浮、化学加药、光催化氧化等工艺;生物处理法如传统的活性污泥工艺及其派生出的氧化沟、AB法、SBR法等工艺。4.2生物-物理处理技术我们选择了一种是将气浮分离技术和微生物处理有机结合在一起而形成高效处理污水的设备。不仅有效解决了有机废水处理过程