结晶造粒循环流化床结构设计研究

马跃华 盛 飞 陈 峰 李雨蔓

（国能朗新明环保科技有限公司，北京 100039）

自环保部“十一五”规划实施以来，废水零排放已成为限制电力行业火电厂发展的重要指标要求[1]。火电厂循环水排污水由于浓缩导致其含盐量高，硬度大，处理困难[2]，如今，循环排污水处理已成为零排放工程的关键技术。

当火电厂循环水系统浓缩倍率进一步提升以后，排污水水量减少，导致排污水水质变差，水体中钙离子浓度增高，需要药剂进行化学软化。另外，水体中SS（备注：SS指悬浮固体）影响了软化效果。在实际工程中，为了达到最佳软化效果，要求进水SS<50 mg/L或更低。在进水高悬浮物的情况下，在悬浮物颗粒上会有一部分结晶物，由于相应的颗粒较小或强度不够而随水流排出流化床，结果造成出水浊度较高，增加了后续过滤系统的负担。

现有技术中往往配置保安过滤器来对悬浮物进行拦截，其存在如下缺陷：1）使用滤芯时有一定的期限，需要人工定期更换滤芯。2）人工更换滤芯时，需要系统停机。3）拦截污堵物的滤芯废弃后形成难以处理的新的污染物。另外，在常规刮板式过滤结构中，刮板仅能够对滤筒内壁进行刮刷，对滤孔内的污堵物难以清除。

因此，该文提出了结晶造粒循环流化床的优化设计方案。

1 结构研究

1.1 工艺原理

在工程中，减少循环排污水中的钙离子可有效避免后续膜处理过程中在膜表面产生钙盐结垢，采用结晶法可将循环排污水中的钙离子转变为沉淀物。

通常，沉淀物的形成需要经历晶核成核和晶核生长2个过程。

晶核是过饱和溶液中初始生成的微小晶粒。在晶体生长过程中，晶核是核心。晶核成核包括初级成核和二次成核。初级成核是溶液达到过饱和后在无晶体存在的条件下自发成核，二次成核是在已有晶体存在的条件下形成晶核。初级成核分为初级均相成核和初级异相成核。构晶离子在过饱和溶液中聚集、自发析出形成晶核称均相成核；当溶液中存在外来固体物质时，诱导构晶离子在固体表面沉积形成晶核称为异相成核。

初级均相成核是指在完全清净的饱和溶液中，分子、原子或离子构成的运动单元相互碰撞形成晶胚线体，当晶胚生长到足够大并能与溶液建立热力学平衡时，此时的晶胚被称为晶核。反应的过饱和度是初级均相成核最重要的影响因素，过饱和度较高时，初级均相成核是主要的成核方式，容易产生大量细小微晶。当溶液中存在外来物质微粒时，这些外来物质微粒可以诱导晶核的生成，在一定程度上可以降低成核势垒。异向成核相比均相成核的过饱和度较低，形成的结晶颗粒粒径相对较大。

当过饱和溶液中有晶核形成或晶种加入时，以过饱和度为推动力，晶核长大。根据扩散学说，晶体生长的过程主要包括扩散过程和表面反应过程。其中扩散过程是指结晶的溶质穿过靠近晶体表面的一个静止液层，从溶液中转移到晶体的表面。表面反应过程是指到达晶体表面的溶质嵌入晶面，使晶体长大。根据晶体成核与生长机理，控制较低的反应过饱和度可以抑制初级均相成核的反生，有利于沉淀的结晶长大。在工业结晶过程中，考虑到产能等问题，通常难以将过饱和度控制在较低水平，因此初级均相成核速率远大于二次成核速率，在沉淀过程中容易产生大量细小的沉淀颗粒

在沉淀过程中加入适宜的晶种，降低反应的过饱和度，抑制初级均相成核，并提供较大的接触面积，有利于异相成核的发生，促进细颗粒沉淀的结晶长大，这种在沉淀过程中添加晶种诱导细颗粒沉淀长大的方法称为诱导结晶法。

当循环排污水中存在较高悬浮物时，容易导致异相成核的部分结晶颗粒附着在悬浮物上，随水流排出装置，随后进入后续膜处理工艺工序。

为此，结晶造粒循环流化床采用一体化设计思路，将悬浮物截留过滤设备与结晶造粒循环流化床进行耦合设计。结晶造粒循环流化床设计有阻垢剂破稳功能，同时能够拦截循环水排污水中的悬浮物使其沉淀，从而为后续的诱导结晶反应提供更洁净的进水。同时，结晶造粒循环流化床可实现清洗时系统不停机运行，滤网清洗后，无须人工更换滤网即可立即投入使用，由于过滤结晶造粒循环流化床具有反冲洗功能，过滤外腔的水流对滤筒的滤孔进行反向冲洗，因此与保安过滤器滤芯相比，大大减少了新的污染物的生成。

在结晶造粒循环流化床的循环排污水中加入诱导结晶晶种后，化学反应生成的物质通过细颗粒间的团聚、细颗粒与晶种之间的吸附、晶种之间的聚集等方式形成细颗粒沉淀。在诱导结晶晶种的存在下，结晶颗粒会逐渐长大。

1.2 部件描述

结晶造粒循环流化床主体部件包括过滤区、循环结晶区、集水区。

详细部件具体包括集水区、筒体、集水部件、内筒体、外筒体、外筒底、止回部件、导流部件、导流圈、过滤外腔、下过滤单元、下滤筒、下进水部件、下排泥管、上过滤单元、上滤筒、上进水部件、上排泥管、布药部件、磁棒、刮泥系统、驱动电机、驱动轴、上刮板、下刮板、顺时针超越离合器、逆时针超越离合器、支腿等，如图1、图2所示。

图1 结晶造粒循环流化床结构图

图2 结晶造粒循环流化床三维前剖视图

结构关系描述如下：循环结晶区包括内筒体和外筒体等部件。外筒体在内筒体的外侧设置，在外筒体底部的外筒底和在外筒底中央设置止回部件，止回部件的入口设置在过滤区顶部，止回部件的出口设置在循环结晶区的底部，循环结晶区和集水区连通，循环结晶区和过滤区通过止回部件连通。

过滤区包括过滤外腔，在过滤外腔内部设置下过滤单元、上过滤单元和布药部件，下过滤单元与过滤外腔底部密封连接且侧部留有通道，上过滤单元垂直连接在下过滤单元上方且与过滤外腔上部和侧部留有通道，上过滤单元与下过滤单元之间不连通。

在过滤外腔设有可拆卸式超强永久性磁棒，磁棒在过滤外腔均匀布置，使水流在过滤外腔内能够与磁棒充分接触。

刮泥系统包括驱动电机、驱动轴、上刮板、下刮板、顺时针超越离合器和逆时针超越离合器等部件。驱动电机设置在过滤区底部外侧中央，驱动轴与驱动电机连接，上刮板连接在驱动轴上部且位于上过滤单元内部，下刮板连接在驱动轴下部且位于下过滤单元内部。顺时针超越离合器连接驱动轴和上刮板，逆时针超越离合器连接驱动轴和下刮板，上刮板和下刮板均由中空的方框状结构组成。

驱动电机可按照控制实现驱动，驱动轴进行顺时针或逆时针2个方向的正反转转动。

当驱动电机驱动驱动轴进行顺时针运动时，上刮板随之进行顺时针旋转，当驱动电机驱动驱动轴进行逆时针运动时，上刮板在超越离合器作用下停止不动。

当驱动电机驱动驱动轴进行逆时针运动时，下刮板随之进行逆时针旋转，当驱动电机驱动驱动轴进行顺时针运动时，下刮板在超越离合器作用下停止不动，部件如图3所示。

上过滤单元包括上滤筒、上进水部件和上排泥管等部件。上进水部件固定在上滤筒内顶部，上排泥管与上滤筒底部连通；下过滤单元包括下滤筒、下进水部件和下排泥管等部件。下进水部件固定在下滤筒内顶部，下排泥管与下滤筒底部连通。上滤筒和下滤筒侧面设置若干均匀分布的滤孔，上滤筒和下滤筒通过滤孔与过滤外腔连通。

上进水部件包括上进水管、上进水通道和上出水管等部件。上进水通道连接在上进水管末端呈环形结构，在上进水通道底部设置斜向下的若干个均匀排列的上出水管。

下进水部件包括下进水管、下进水通道和下出水管等部件。下进水通道连接在下进水管末端呈环形结构，在下进水通道底部设置斜向下的若干个均匀排列的下出水管。

进水部件的出水管与进水通道呈一定的倾角，当水流从出水管斜向下冲出时，在过滤单元筒体内腔形成旋转流，同时在刮板的阻挡下，形成水力搅拌状态。

在上过滤单元和下过滤单元内，循环排污水的悬浮物进行絮凝反应聚集，分别通过上滤筒和下滤筒时被有效拦截。循环排污水随后进入过滤外腔，与布药部件的出药管喷出的选择性除钙药剂进行混合。混合后，循环排污水通过止回部件进入循环结晶区。

在循环结晶区内预先投加一定量的晶种（晶种通常粒径不大于0.09 mm），循环排污水在循环结晶区内进行诱导结晶异相成核化学软化反应，通过布药部件加入的选择性除钙药剂与循环排污水中的钙离子发生反应，并在晶种表面以结晶形式析出并增长，形成中心为晶种、外层包裹高纯度结晶体的粒状物体，即结晶颗粒。

止回部件内部具有止回功能和防堵塞功能，使水流仅可向上流，随着循环排污水水流的不断加大，止回板在水流的作用下不断向上移动，具有弹性的伸缩部件轴向长度不断自动减少，过流面积不断加大；当水流不断减小时，止回板在伸缩部件的弹性作用下向下移动，伸缩部件的轴向长度不断自动增大，过流面积不断减少，因此可防止晶种及细小结晶颗粒堵塞进水通道，并有效防止循环结晶区内的晶种及细小结晶颗粒进入过滤外。部件如图4所示。

止回部件的导向板的中心孔对止回板的导向杆的直线运动具有导向作用，导向板内均布的数个圆孔作为水流的流通通道。

止回部件出水口的内壁设置为具有一定向外倾角的坡形结构，更利于循环结晶区内水流的循环流动。

循环结晶区包括导流部件、结晶颗粒排出管、内筒体等部件。导流部件设置在外筒底底部中央，结晶颗粒排出管设置在导流部件底部的外侧，导流部件剖面为圆滑“W”形且中央留有供止回部件穿过的通孔，“W”形底与结晶颗粒排出管连通。“W”形底的设计有利于循环排污水夹带晶种和结晶颗粒在循环结晶区内循环，部件如图5所示。

图5 导流部件前剖视图

循环结晶区的内筒体为直筒结构，循环结晶区顶部设置的导流圈底部向外倾斜，导流圈顶部为直筒结构，该结构设计利于水流向下流动，从而为循环流动提供了有效的保障。

内筒体悬空的固定在外筒体内部且没有筒底，内筒体上部与外筒体之间设置底部下大上小结构的导流圈，导流圈上部为圆筒结构且向上延伸到集水区顶部，内筒体内部形成升流通道，在导流圈、内筒体外壁、外筒体内壁和导流部件形成降流通道。

循环结晶区由升流区和降流区及导流圈组成。止回部件的出口使水流进入升流区后呈喷射状向上流，在导流圈的作用下，来自升流区的循环的晶种和结晶颗粒进入降流区，在止回部件、导流圈和“W”形底部导流部件的多重作用下，使水流在循环结晶区实现高效循环流动，导流圈的设计可有效避免晶种和结晶颗粒进入集水区。

集水区包括筒体、集水部件、导流圈、出水管等部件。集水部件设置在筒体内部，出水管设置在筒体侧壁上，集水部件包括底沿和垂直设置在底沿一端的侧壁，底沿为圆环形状且密封连接在筒体内壁中部，侧壁的上部为锯齿形状且低于导流圈，导流圈外壁、侧壁、底沿上侧和筒体内壁形成第一集水通道，第一集水通道与出水管连通。

2 运行研究

2.1 运行状态

结晶造粒循环流化床运行时，循环排污水在提升泵的驱动下，通过进水管道进入进水腔，与此同时，PAC药剂加入进水管道，研究发现，PAC的投加能够有效破除循环排污水中阻垢剂的稳定性能，实现有效破稳。随后循环排污水和PAC通过环形进水通道，斜向下流进入过滤单元的内腔，悬浮物在过滤单元的内腔进行絮凝反应聚集，通过滤网时被有效拦截。循环排污水通过滤网后进入过滤外腔，过滤外腔设有可拆卸式超强永久性磁棒，具有较强的除铁功能，可进一步去除循环排污水来水中100 μm以下细微颗粒物。随后循环排污水与布药部件出药口喷出的选择性除钙药剂进行混合。混合后，循环排污水通过止回部件进入循环结晶区。

在循环结晶区，预先投加一定量的晶种（晶种通常粒径不大于0.09 mm），循环排污水在循环结晶区内进行诱导结晶异相成核化学软化反应。在导流圈和“W”形底部导流部件的导流作用下，循环排污水夹带晶种和结晶颗粒在循环结晶区内进行循环流化。经过诱导结晶软化后的循环排污水进入集水区，最后通过出水管排出结晶造粒循环流化床。

在循环结晶过程中晶种不断减少并随着结晶颗粒的不断长大，从而使循环排污水中的钙离子不断减少，最终实现从集水区排出的循环排污水中的钙离子含量能够满足后续膜处理工艺的进水需求。

结晶颗粒在循环流化过程中，大粒径的结晶颗粒往往处于循环结晶区的底部区域。按照工程经验，当结晶颗粒的粒径长大至2 mm～3 mm时，在水压的作用下可将其定期通过结晶颗粒排出管排出结晶造粒循环流化床。

在该过程中，驱动电机处于停运状态，与结晶造粒循环流化床排污管相连的排污阀处于关闭状态。

2.2 清洗状态

结晶造粒循环流化床采用刷式刮板进行清除滤网上的污堵物。

随着工作水量的增加，过滤筒体滤出的杂质在滤网上增加，随着杂质在滤网上的堆积，滤网的内外部压差增大。

当上过滤单元内外达到一定的压力差时，开启与上过滤单元相连的上排污阀，启动驱动电机驱动驱动轴进行顺时针运动。

当驱动电机驱动驱动轴进行顺时针运动时，上刮板在顺时针超越离合器作用下随之进行顺时针旋转，对上滤筒进行刮刷污堵物，下刮板在逆时针超越离合器作用下停止不动。

上过滤单元内腔在进行清洗滤网时，此时，下过滤单元内腔处于正常工作状态。此时，上过滤单元内腔内，不仅存在上刮板对滤网的刮刷作用，上过滤单元外部的水流压强大于上过滤单元内部的水流压强，因此存在从外向内的反向冲洗效果，使其对滤孔的污堵物进行彻底清洗，清洗滤网效果更加优异。

当下过滤单元内外达到一定的压力差时，开启与下过滤单元相连的下排污阀，启动驱动电机驱动驱动轴进行逆时针运动。

当驱动电机驱动驱动轴进行逆时针运动时，下刮板在逆时针超越离合器作用下随之进行逆时针旋转，对下滤筒进行刮刷污堵物，上刮板在顺时针超越离合器作用下停止不动。

下滤筒内腔在进行清洗滤网时，上滤筒内腔处于正常工作状态。此时，下滤筒内腔内不仅存在下刮板对滤网的刮刷作用，滤筒外腔的水流压强大于下滤筒内腔内的水流压强，因此存在从外向内的反向冲洗效果，对滤孔的污堵物进行彻底清洗，清洗滤网效果更加优异。

在该过程中，诱导结晶化学软化结晶造粒循环流化床处于正常进水状态，循环结晶区内的结晶颗粒生长继续进行。因此，实现了在高悬浮物进水情况下，诱导结晶化学软化的连续高效反应。

随后，一个运行→清洗周期结束，系统恢复正常运行工况。当上过滤单元内外的压力差与下过滤单元内外的压力差同时达到设定值时，利用程序控制，错时进行清洗。

3 结构优势

该结构有结晶造粒循环流化床具有以下优势：1）进水部件采用斜向下流进水结构，使进水水流在过滤筒体的内腔形成旋转流，在刮板的配合下，水流形成搅拌流状态。该结构有利于悬浮物的絮凝聚集。2）止回部件内部具有止回功能，使水流仅可向上流，循环排污水从止回部件进入循环结晶区，随着水流的不断加大，止回部件过流面积不断加大，当水流不断减小时，止回部件的过流面积不断减少，因此该结构可有效防止循环结晶区内的晶种及细小结晶颗粒进入过滤外腔。3）过滤外腔设有可拆卸式超强永久性磁棒，具有较强的除铁功能，可进一步去除循环排污水来水中100 μm以下细微颗粒物。4）循环结晶区由内筒体及外筒体配合组成。内筒体筒体为直筒结构。循环结晶区顶部设置的导流圈底部向外倾，该结构设计强制来自升流区的水流向下流动，从而为循环流动提供了有效的保障。5）当驱动电机驱动驱动轴进行顺时针运动时，上刮板随之进行顺时针旋转，当驱动电机驱动驱动轴进行逆时针运动时，上刮板在超越离合器作用下停止不动。当驱动电机驱动驱动轴进行逆时针运动时，下刮板随之进行逆时针旋转，当驱动电机驱动驱动轴进行顺时针运动时，下刮板在超越离合器作用下停止不动。6）当其中一个过滤单元内腔进行清洗滤网时，此时，另一个过滤单元内腔处于正常工作状态。在这个清洗的过滤单元内腔内，不仅存在刮板对滤网的刮刷作用，同时存在过滤外腔的水流压强大于本过滤单元内腔的水流压强，因此从过滤外腔向本过滤单元内腔存在反向冲洗水流，由于反向冲洗水流的冲洗作用，使得对滤孔的污堵物清洗更加彻底。

4 结语

该文利用诱导结晶异相成核机理，结合工程实践经验，耦合旋流进水、循环造粒、超越离合器、滤网过滤、内部止回的结构技术，对流化床的结构进行不断优化改进。解决在高悬浮物进水条件下，需要设置保安过滤器来对悬浮物进行拦截的现状，同时避免了流化床出水浊度高增加后续处理系统处理负担，进一步实现结晶造粒循环流化床设备的处理功能。

研制结构性能优异的结晶造粒循环流化床，将对我国水处理技术装备的发展起到重要的推动和指导作用。