绿碳化硅冶炼含盐废水处理方案研究

摘要：本设计方案通过砂过滤除去含盐废水中的SS，通过石灰石纯碱法降低废水中钙镁的含量，通过高梯度磁分离法除去废水中的磁性离子，通过电渗析膜分离技术将废水浓缩，将浓缩后的浓盐水回用到生产系统中，达到减少污水排放和废水废物的重复利用的目的。

关键词：绿碳化硅 含盐废水 石灰软化法 高梯度磁分离法 电渗析膜技术

1 概述

绿碳化硅是由石英砂、石油焦在艾奇逊炉内经过1800℃~2500℃反应而生成的一种人造磨料。

碳化硅硬度仅次于金刚石，它具有耐高温，导热性能良好，耐腐蚀等优点，被广泛应用于磨削、抛光、耐火材料、结构陶瓷、功能陶瓷等行业。

绿碳化硅行业近年来发展速度较为迅猛，产量由2004年的6万吨增长到2010年的60万吨，但仍不能满足市场需求。随着产能的扩大，在绿碳化硅生产过程中的含盐废水排放问题也日益突出，已成为制约绿碳化硅行业发展的一个重要的因素。

2 问题分析及研究意义

2.1 问题分析

在绿碳化硅生产过程中，为了提高绿碳化硅的纯度，在反应料中加入食盐，起到催化和排除杂质的作用，每吨绿碳化硅需要消耗食盐150~200kg。随着反应的进行，食盐以及杂质逐步由炉芯向外扩散，最终导致保温料的食盐和杂质的含量超标，从而影响了产品的质量和炉产量。

为了控制炉料内的杂质含量，提高炉料的透气性，传统的做法是将反应结束后的炉料进行水洗，降低炉料中的含盐量，然后在新料中再重新加入食盐，使装炉料中的含盐量重新分布，达到工艺控制要求。

洗料排出的水中含有食盐、石墨、碳粒以及钙、镁、铁、铝、锰等杂质。某厂家的炉料水洗水成分分析报告结果如下：

表1碳化硅废水分析报表

大多厂家采取直接排放的方式，严重污染了水源，而且造成了大量的浪费。

2.2 预期目标及意义

通过对绿碳化硅工厂含盐废水系统的工艺改造，采用先进的水处理设备，使绿碳化硅生产过程中的含盐废水循环利用，减少废水排放，降低对水源的污染程度，而且对废水中的有价食盐成分进行回收，降低了企业的运行成本，是一种循环经济的发展模式，对推动绿碳化硅行业的环保水平的提高和健康发展具有重要意义。

3 工艺原理及流程

3.1 需求分析

碳化硅冶炼生产过程中尽管选用较为纯净的原料，但炉料中仍有0.5%~2%的杂质。这些杂质主要是铝、铁、钙、镁的氧化物，他们对碳化硅冶炼过程都有重要的影响，在回用的过程中首先要除去这些杂质，避免对产品质量的影响。

碳化硅冶炼含盐废水中的食盐含量较低，若直接将废水回到炉料中，炉料的含水率将大大提高，一方面影响了炉料整体的透气性，另一方面也使冶炼的电耗大大增加。

本设计方案通过砂过滤除去含盐废水中的SS，通过石灰石软化法降低废水中钙镁的含量，通过高梯度磁分离法除去废水中的磁性离子，通过选择性膜电渗析分离技术将废水浓缩，最终将除杂浓缩后的浓盐水回用到生产系统中，达到减少污水排放和废水废物的重复利用的目的。

3.2 工艺流程

3.3 工艺原理

3.3.1 SS处理

炉料水洗废水中还有大量的石墨、碳粒等杂质，若不进行处理将影响后续的磁性分离和膜处理的效率，本方案选用平流沉淀池和活性砂过滤方案进行处理，一次性投资费用较低无需反冲洗系统运行及维护费用低。

砂过滤技术原理为原水通过进水管进入过滤器内部，并经布水器均匀分配后上向逆流通过滤料层并外排。在此过程中，原水被过滤，水中的污染物含量降低；同时石英砂滤料中污染物的含量增加，并且下层滤料层的污染物含量高于上层滤料。位于过滤器中央的空气提升泵在空压机的作用下将底层的石英砂滤料提升至过滤器顶部的洗砂器中清洗。砂粒清洗后返回滤床，同时将清洗所产生的污染物外排。

经SS处理后，废水的浊度将降低到10mg/L以下。

3.3.2 石灰石软化法

碳化硅冶炼炉料经高温焙烧后，碳酸盐已分解，炉料水洗废水中的钙镁杂质属非碳酸盐硬度，本方案采用石灰石纯碱软化方案，其反应原理如下：

CaSO4+Na2CO3CaCO3+Na2SO4

CaCl2+Na2CO3CaCO3+2NaCl

MgSO4+Na2CO3MgCO3+Na2SO4MgCl2+Na2CO3MgCO3+2NaClMgCO3+Ca(OH)2Mg(OH)2+CaCO3

通过石灰石纯碱软化法处理后，除去废水中的Ca、Mg，减少会后后对产品质量的影响。

3.3.3 高梯度磁分离法（HGMS）

高梯度磁分离是一种可以使比以往的磁分离装置强大得多的磁力作用在磁性粒子上，再通过磁力过滤器将其捕获的新的固液分离手段，这种技术在美国、日本等钢铁企业已得到了广泛应用，工业成套设备也在使用，并取得了很好的成效。

本方案通过调节水中的PH值，使Al、Fe、Mn等金属离子形成氢氧化物沉淀，再通过高梯度磁分离法（HGMS）进行分离，从而降低废水中的有害杂质的目的。

3.3.4 电渗析膜处理技术

电渗析膜处理技术是一种除盐技术，废水中的的阴、阳离子在直流电场的作用下会分别向相反方向的电极移动。在一个电渗析器中插入阴、阳离子交换膜各一个，由于离子交换膜具有选择透过性，即阳离子交换膜只允许阳离子自由通过，阴离子交换膜只允许阴离子以通过，这样在两个膜的中间隔室中，盐的浓度就会因为离子的定向迁移而降低，而靠近电极的两个隔室则分别为阴、阳离子的浓缩室，浓缩室内的阴阳离子汇流后重新组合成浓度较高的盐水，从而达到盐水浓缩的目的，淡化室内的淡水也可以重新循环利用。

经电渗析膜处理后的水中，其含盐量可达到20%~25%，可重新回用到冶炼炉反应料中，补充反应料中的含盐量，从而实现了食盐的循环利用。

4 效果分析及结论

以年产10000吨的绿碳化硅生产线为例，冶炼过程中每年消耗食盐为1500~2000吨。每吨产品排出的废水量约为3吨，年消耗自来水30000吨，该方案每吨废水的处理费用约为2.5元，设备投资约需120万元，年运行费用为7.5万元，设备折旧按照5年计算，每年折旧费用为24万元。

按照食盐每吨600元，自来水每吨2.5元进行计算，每年可节省材料费用为97.5万元。

盐水回用后，每年增加了2.4万吨水的蒸发电耗，按照每吨水蒸发需要耗电1万度计算，年增加电耗24万度。电价按照0.6元/度计算，每年增加电费14.4万元。

综上所述，年产10000吨绿碳化硅生产线，采用废水处理回收后每年可节约51.6万元，每年可减少排放废水2.4万吨，食盐排放1000吨以上，经济效果明显，环境效益突出。

参考文献：

[1] 中国磨料磨具工业公司.磨料磨具技术手册.兵器工业出版社.1993

[2] 余森.碳化硅磨料制造.机械工业部机床工具总局.1982

[3] 寺岛.高梯度磁分离及其在水处理方面的应用（摘要）重庆环境科学1982年01期