钢铁工业用水系统平衡设计.pdf

水 污 染 治 理 钢铁工业用水系统平衡设计 回克钢 1 王 苓 2 孟延孝 1 1.包钢集团设计研究院, 内蒙古 包头 014010; 2.中冶京诚工程技术有限公司, 北京 100176 摘要 论述当今钢铁工业节水减排工作中的中心、重点与核心问题以及钢铁企业用水系统平衡设计的主要内容与设 计要求; 提出做好钢铁企业水量平衡、温度平衡、悬浮物平衡以及溶解盐平衡等是实现钢铁企业节水减排的最佳选择。 关键词 钢铁工业 用水系统平衡 设计与研究 0 引言 节能、减排是我国当前工作重点 , 国家发改委会 同有关部门制定的节能减排综合性工作方案中明 确规定, 2010 年单位工业增加值用水量降低 30, “十一五”期间实现重点行业节水 31 亿 m 3 。为了摆 脱受水资源短缺制约的钢铁工业发展的困境 ,迫使钢 铁行业要实现持续发展必须围绕走资源节约型,环境 友好型的发展路线。为此 ,今后钢铁工业水资源开发 和利用时 ,必须充分注意以下问题 1 以配套和建立企业用水系统平衡为核心, 以 水量平衡、温度平衡 、悬浮物平衡和水质稳定与溶解 盐平衡为主要研究内容, 实现最大限度的将废水分配 和消纳于各级生产工序的目标 ,最大限度的减少企业 用水量,减少废水排放量 。 2 以企业用水和废水减量化为中心 ,以规范企 业用水定额 、 循环用水 、废水处理回用的水质指标为 研究内容 ,实现最小企业用水与最大废水循环利用的 要求 。 3 以保障钢铁企业废水处理安全回用为重点, 以经济有效地处理工艺和配套设备和以出厂水脱盐 为主要手段, 最终实现钢铁企业废水“零排放”的 目标 。 上述三点是当今钢铁工业节水减排工作的战略 重点。它们既有个性又有共性 , 既是独立体系 ,又是 相互依赖 、 相互影响 ; 前者是中心是核心 ,后两者是为 前者服务 、 是支撑,无后者的技术支撑, 前者的核心也 难确立,也无法发挥出其核心作用 。目前国内外对后 者已有众多的成功研究与技术支撑 ,但前者国内外技 术差距与研究深度差距较大, 对此应予以高度重视 。 1 钢铁企业用水系统平衡的主要内容与设计要求 应该说明钢铁企业用水系统平衡问题是一个系 统工程 ,其中水量平衡 、温度平衡 、悬浮物平衡、溶解 盐平衡以及水质稳定问题是用水系统平衡的要素 ,不 解决这些平衡问题钢铁工业用水系统平衡就是空谈。 它们之间不是孤立的 ,而是相互联系 ,相互影响的 ,因 此应坚持用水系统水质全面控制,形成良性循环。 由于钢铁企业用水系统非常复杂,就全厂用水系 统而言 ,难以简短论述 , 现以高炉的一个循环水系统 为例予以讨论 1. 1 水量平衡 除了洗涤后煤气带走的水分和系统中的蒸发损 失外 ,高炉煤气洗涤的供水量与排水量基本相当。这 里所说的水量平衡, 不仅包括蒸发损失、排污损失 ,还 包括供水系统的设置 。一般洗涤系统为二级洗涤器 文氏洗涤器、 洗涤塔 ,其供水系统有二级并联供水, 也有二级串联供水。串联供水应为先供第 2 级洗涤 器,然后加压供第 1级洗涤器。这是由于第 1 级洗涤 器和第 2 级洗涤器的工艺条件 、 介质性状是不同的。 经过第1 级洗涤器的清洗, 煤水中的含尘量已经不多 第一级洗涤器的除尘效率应该在 98以上 。第 2 级洗涤器可以认为是精洗涤设备,尽管其除尘效率也 应该在98以上, 但清洗后废水中的悬浮物含量是 不多的 。因此, 第 2 级洗涤后的排水 ,不经处理直接 加压送至第 1 级洗涤器是完全可行的。我国 A 厂采 用二级并联供水的工艺, 每清洗1 000 m 3 煤气的用水 指标为4. 3 m 3 ,而 B 厂采用二级串联的工艺, 其清洗 1 000 m 3煤气的用水指标仅为1. 6 m3 ,两者相比 ,前者 为后者的 2. 6 倍 。无疑, 串联供水比并联供水更为 先进 。 在系统设计得当, 措施比较完善的情况下, 串联 供水比并联供水的水量消耗小 ,排污水量也小 。因此 在规划方案设计中 ,应该研究水量平衡和系统设置, 62 环 境 工 程 2008年 10 月第 26卷第 5 期 以取得最佳效益 。 在制定循环水量平衡时, 即使是考虑得最周到的 平衡计划 ,“排污”仍是不可避免的。如将这部分“排 污”水处理到符合排放标准后排放, 虽在技术上已不 存在困难 ,但处理费用贵 ,既不经济 ,也不合理 。所以 一般都不采取这种做法, 而是通过综合平衡来消化这 部分“排污”水。例如 把这种“排污”水送到冲水渣系 统,使其消耗在冲渣的蒸发过程中, 不失为一种经济 合理的方法。 在工程设计和系统管理中 ,应首先确定循环水的 浓缩倍数 ,计算出冷却塔飞溅和蒸发损失量以及补充 水量。补充水量为蒸发水量与飞溅水量以及“排污” 水量之和 。按照这些数据进行设计和管理就可以保 持该系统的水量平衡。在“排污”水量实现定量控制 后,补充水量即可确定。 1. 2 温度平衡 炼铁系统的用水主要用于冷却 ,水在用过之后, 温度都有升高, 要实现循环使用多数需要冷却 ,因此, 在什么情况下需要冷却, 用什么方法冷却 ,这就需要 考虑温度平衡问题 。温度平衡是以满足工艺对水温 度要求为前提的 。 从高炉炉顶引出的煤气温度都在150 ℃以上, 有 的甚至超过400 ℃。清洗以后的煤气温度应在40 ℃ 以下 ,方能满足煤气作为能源的要求。冷却煤气和净 化煤气都要求在煤气洗涤系统中完成 。水在洗涤煤 气的同时还与煤气进行热交换 ,从而升高了水温。作 为循环使用的水, 则必须使温度满足洗涤煤气的要 求。解决这个问题, 就必须做到温度平衡。 用水洗涤煤气, 同时起着清洗煤气和冷却煤气这 两个作用 。实践表明 ,作为清洗煤气,水温相对高些, 则表面张力小些 ,有利于湿润煤气中的灰尘并把它们 捕捉起来。作为冷却煤气当然是水温低些好。因此 不少煤气洗涤系统中设有冷却塔以平衡水温。上述 A 厂的煤气洗涤系统就是这样。但 B 厂则不然 ,B 厂 在经过二级洗涤器清洗后 , 煤气还进入余压发电装 置。在余压发电透平机的膨胀作功过程中,煤气自身 的温度下降约20 ℃,因此 B 厂的煤气洗涤循环水系 统没有设置冷却塔。 设不设冷却塔并不是关键的问题, 问题的关键是 结合工艺设施的组成 ,透彻理解洗涤水在各级洗涤设 备中的作用和状况, 不仅要考虑满足本工序对水温要 求的平衡, 还应考虑与之联系的工艺条件 ,以免带来 不必要的浪费。 1. 3 悬浮物平衡 悬浮物是水质的重要指标之一 。现代化炼铁系 统对水中悬浮物要求越来越严。悬浮物的质量浓度 要保持在什么水平, 主要取决于高炉工艺条件和工艺 设备的特点 。因此循环水处理工艺 ,应满足生产工艺 对水中悬浮物的质量浓度的要求。所谓水中悬浮物 的平衡,是指在用水过程中悬浮物的质量浓度的变化 和如何控制悬浮物的质量浓度的过程 。以往我国对 钢铁工业用水的悬浮物的质量浓度一律规定为不大 于200 mg L ,这个指标是很落后的 。高炉特别是现代 化大高炉的炉体冷却部位热负荷很高,炉体冷却设备 一般为冷却壁或冷却板 有局部滞流现象 , 使用 200 mg L悬浮物的质量浓度的水进行冷却, 很容易造 成冷却设备堵塞 ,结垢和腐蚀严重, 冷却效果差的后 果。这种水用不了多长时间, 就会发生故障 ,甚至直 接影响高炉的产量和寿命。现代化大高炉的风口鼓 风压力可以达到0. 49 MPa 5 kg cm 2 以上 , 风温高达 1 300 ℃以 上, 风 口 处 的 热 负 荷 很 高 远 高 于 2110 4 kJ h 。 用以冷却风口的冷却设备, 其过水断 面又很小 , 分口冷却供水压力都在0. 98 MPa以上, 供 水稍有差错 ,就会造成风口前端 小套 烧穿的事故而 被迫休风。而如此高的供水流速,200 mg L的悬浮物 的质量浓度本身就会使风口冷却设备在短时间内被 磨损 。我国一些钢铁厂的风口小套 ,有的只用几星期 甚至几天就被烧穿的事实正是这样造成的 。所以炼 铁厂供水的悬浮物的质量浓度必须认真控制 ,而且首 先控制第一级设备间接冷却循环水系统的补充水和 系统内水的悬浮物的质量浓度 。国内外许多炼铁厂, 其补充水的悬浮物质量浓度都在10 ～ 20 mg L之间。 这样的补充水, 在上述浓缩倍数的控制下运行, 可以 维持系统内的悬浮物的质量浓度在15 ～ 30 mg L之 间。我国宝钢炼铁厂 1 号高炉设备间接冷却循环水 称净循环水 , 补充水 工业用水 的悬浮物的质量浓 度为10～ 15 mg L,系统中的浓缩倍数为 1. 5 ～ 2,循环 水的悬浮物的质量浓度控制指标为15～ 30 mg L。实 际生产测定都在10 mg L以下 , 投产以来, 各冷却设备 情况完好, 没有出现供水悬浮物的质量浓度高而带来 的危害,从而保证了高炉长期 、稳定的生产 。控制水 中悬浮物的质量浓度 ,应该有一个合理的控制数值。 一般认为, 控制在20 mg L以内是可行的 。 上述为敝开式冷却塔净循环水系统的悬浮物平 63 环 境 工 程 2008年 10 月第 26卷第 5 期 衡问题。目前国内外大型高炉 ,在炉体冷却和热风阀 冷却中,选择了软 纯 水的密闭循环系统。如某钢厂 高炉采用全闭路纯水密闭循环冷却系统 ,在这种密闭 循环系统中 ,系统的水不与大气接触, 因此不受大气 的污染 ,而且纯水本身的悬浮物的质量浓度极低, 可 认为悬浮物平衡问题基本解决 , 但需定期杀菌 、 灭藻 即可 。 1. 4 水质稳定与溶解盐平衡 所谓盐类平衡, 就是指水中呈离子状态存在的物 质的平衡问题。衡量水中盐类是否平衡 ,主要看是否 消除结垢和腐蚀现象 。既不结垢也不腐蚀的水称之 为稳定的水。这种所谓不结垢 、 不腐蚀是个相对的概 念,实际上是指水对设备和管道的结垢和腐蚀均控制 在允许范围之内而言 。因此, 盐类物质的平衡可以看 作是水质稳定的问题 。 天然水中一般含有 K 、 Na 、Ca 2 、 Mg 2等阳离 子和 Cl - 、 SO 2- 4、 HCO - 3等阴离子 。通常情况下 ,这些 阳离子与阴离子之间是处于一种化学平衡状态。如 果水中阳离子和阴离子之间的化学平衡遭到破坏 ,则 反映到循环水中的后果是结垢和腐蚀 。科学研究和 生产实践已经证明, 水的腐蚀作用主要是溶解在水中 的氧与设备和管道的组分中的铁发生电化学反应的 结果 。 水中Cl -的存在也具有一定危害 。虽然Cl-不易 直接腐蚀金属, 但它的离子半径小 ,穿透能力强,它可 以破坏已经形成的保护膜 ,从而促进和强化电化学反 应,促进腐蚀作用。 在水与物料直接接触的废水中 ,含有大量的机械 杂质和各种溶解盐类 ,这些盐类在系统的运行中又会 发生各种各样的变化 ,形成其他形式的水垢。 水处理技术的发展, 对于水质稳定的研究和控 制,已经有了成熟的经验 。现在比较行之有效的方法 是 首先控制补充水的各种盐类离子的含量 ,要定量 的控制而不是定性的控制 。 现代炼铁厂对水质的要求 , 要从原水水质开始, 不论是用新水作为补充水 ,或者是用上一级循环系统 的“排污”水作为下一级循环系统的补充水,对于其水 中溶解的盐类离子都必须做到心中有数 ,它们的数据 都应该得到控制 。其次在循环系统中,必须制定一个 管理目标值 一般需通过试验来确定 。设计规定各 循环水系统盐类离子的浓缩倍数,并且针对各系统的 具体情况, 投加水质稳定药剂, 或者采用其他有效水 质处理方法 ,连续的投加防腐剂, 使设备和管道内壁 形成一层致密的防腐保护膜 , 并且不断的修补该层 膜,以防止设备和管道的腐蚀速度超过规定值; 连续 的投加防垢剂, 使水中成垢盐类不至于生成结晶, 并 析出沉淀; 针对具体情况投加不同药剂 , 控制结垢和 腐蚀的发生和发展 。将腐蚀和结构的速度控制在允 许范围之内 ,实现既不腐蚀也不结垢的系统和水质稳 定的目标。 2 结束语 1 钢铁生产用水系统平衡问题是钢铁工业实施 节能降耗、节水减排的关键问题, 也是解决钢铁企业 水资源短缺和持续发展的核心问题 。 2 钢铁生产用水平衡问题是一个系统工程, 涉 及面很广, 他们之间既相互关联又相互影响 ,是实现 最大限度将废水分配和消纳于各级生产工序中,最终 实现废水“零”排放最有效, 最经济的技术途径, 是钢 铁工业节水减排途径最佳选择 。 3 某钢厂炼铁系统实践表明, 按照生产工艺的 不同要求, 正确给定用水条件, 根据用水和废水不同 性质与要求进行合理分流 ,并采用先进水质稳定技术 和恰当的水处理工艺 ,统一规划,综合平衡,使各循环 系统的“排污”水串级使用 ,最终实现“零”排放 。实践 表明 ,该技术是成功的、 有效的 。 作者通信处 回克钢 014010 内蒙古包头市钢铁大街 39 号 包钢 集团设计研究院 2008- 06-13 收稿 欢迎登陆“环境工程网” http www. hjgc . net . cn http www. hjgc . com. cn 64 环 境 工 程 2008年 10 月第 26卷第 5 期 Abstract It is introduced statusof mercury emissionsfrom coal -fired power plants, discussed the mercury speciation in flue gas and the main impact factors influencing its speciation. It is also presented progressin mercury control technologies for coal -fired power plants. The characteris - tics and purification efficiency of all the technologies for mercury removal are compared. Finally, it is discussed the tendency of mercury control technologies and proposed the research direction that suits the situation of our country. Keywords coal-fired flue gas mercury speciation influential factors mercury control technologies of the flue gas THE DESIGNOF FULL -AUTOMATIC REGENERATIVE DEVICE OF EXPANDED POLYSTYRENE EPS AND ITS CONTROLLin Weijian Yin Sumin Chen Bin 51 Abstract According to the characteristics of EPS and the requirements of regeneration technique, a full -automatic regenerator was de - signed, by which the foamed refuses could be converted to polystyrene granulaswith a small volume and high density. The process flow of crush - ing, thawing, cooling and granula -cutting was used for the device. According to automatic demands, a self-controlling system was also developed using PLC and touchable technology . Its automation was realize after actual debugging, whose productivity was up to 50～ 80 kg h with product meeting requirements. Keywords EPS regnerative device PLC THE STUDY ON SIMULATIONMATHEMATICAL MODEL OF ELECTROSTATIC PRECIPITATOR - BAG DUST REMOVER IN POWER PLANTHu Manyin Zhang Ruiying 54 Abstract Taking a 300MW electric precipitator andthe cloth sack dust remover system as the object of study, through researching mecha - nism of system, a series of corresponding mathematic simulationmodelswere established , including flue -gasparameter mode, the electric precipi- tator local design parameter model, electric precipitator perance parameter model, the bag dust remover local design parameter model, the bag dust remover perance parameter model and that of total dedusting efficiency of the precipitator -bag dust remover etc. Based on the simulation models, the simulation software was designed and developed.The references for the system running, system maintenance and personnel training can be provided. Keywords electrostatic precipitator -bag dust remover mathematical model simulation THE NUMERICAL STUDY ON THE CHARACTERISTICS OF INSIDE FLOW FIELD OF A DOWN AIR INLET BAG FILTERGao Guangde Zhang Yanting 58 Abstract The FLUENT6. 3 software isused to simulate the inside flow fieldof the two down air inlets bag filters, i. e. straight tube inlet and quadrangular inlet.It is analyzed the characteristics of the inside field of two kinds of bag filters based on the result of numerical simulation. On the basis of which, it is compared the field property of the two kinds of bag filters, and the simulation resultmay be a reference for the design of a bag -type collector. Keywords bag filter numerical simulation flow field A NEW DUST REMOVAL TO REMOVE DUST FROM SUB-PACKAGING AND PAC - KAGING OF DRUGSChai Yusheng Zhang Qi Zhang Heng et al 60 Abstract In order to remove dust contamination during pharmaceutical production, sub-packaging and packaging, a set of automatic de - dusters were developed. It could control completely the direction of dust flow and collect them in the fixed places.By which a separation of dust from people was realized. Keywords automatic cabinet of dust removal purification of air circulation gravimetric determination of inhalable particulate concentration DESIGN OF WATER SYSTEM BALANCE OF IRON AND STEEL INDUSTRY Hui Kegang Wang Ling Meng Yanxiao 62 Abstract It is described that the center, emphasis and core problems of water -saving and pollutant reduction of iron and steel industry at present, as well as major contents and requirements of the design of water system balance of iron and steel enterprises. It is pointed out that mak - ing a good job in quantity balance ofwater, temperature balance and suspended solid balance is the best choice to realize water -saving and pollut - ant reduction of iron and steel enterprises. Keywords iron and steel industry balance of water system design and research DISCUSSION ON APERTURE -VARIED OPENING OF PERFORATED DISTRIBUTING WATER PIPEYang Haitao Wan Yanhua Wang Zhifang et al 65 Abstract Aiming atthe problem of the uneven distributing water and the higher energy consumption on the perforatedpipe distributing water at present, it is analysed the feasibility of aperture -varied opening of perforated distributing water pipe on the basis of sharp -edge orifice outflow principle, and deduced the ula of hydraulic calculation of aperture -varied opening orifice.Considering the actual problems in engi- neering application, it is also put forward the calculation of segment-equidistant aperture -varied opening on perforated pipe. A set of new schemes for the application of perforated pipe in practical project are proposed. Keywords aperture -varied perforated pipe hydraulic calculation segmental opening 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 5,October, 2008