转炉钢渣热闷循环水水质稳定技术研究.pdf

转炉钢渣热闷循环水水质稳定技术研究 高康乐 1 钱雷 1 王海东 1 程小鸥 1 罗在祥 2 1. 中冶建筑研究总院有限公司， 中国京冶工程技术有限公司， 北京100088; 2. 九江中冶环保资源开发有限公司， 江西 九江332500 摘要 由于转炉钢渣热闷循环水具有“高水温、 高硬度、 高碱度、 高 pH 和高蒸发” 的工艺特点， 系统出现了严重的结垢 问题。探讨采用 CO2处理钢渣热闷循环水达到水质稳定的可行性。结果表明 采用液态 CO2， 穿孔管曝气器， 平流沉 淀池作为主要的反应工艺， 控制 pH 在 8. 5 ～ 10. 0 之间， 可以使出水总硬降到 150 mg/L 以 CaCO3计 以下， 结垢现象 得到明显的缓解。 关键词 钢渣热闷; 循环水; 结垢 STUDY ON THE STABILIZATION TECHNOLOGY OF CIRCULATING WATER QUALITY FROM PYROLYSIS OF CONVERTER STEEL SLAG Gao Kangle1Qian Lei1Wang Haidong1Cheng Xiaoou1Luo Zaixiang2 1. Central Research Institute of Building and Construction Co． ，Ltd，MCC ＆ China Jingye Engineering Co． ，Ltd， Beijing 100088，China;2. Jiujiang Environmental Resources Development Co． ，Ltd，Jiujiang 332500，China AbstractSerious scalings can occur in the system of circulating water from pyrolysis of converter steel slag due to the fact that this water features high temperature， high hardness， high alkalinity， high pH and high evaporation rate． This article discusses the feasibility of using CO2process to treat the circulating water of steel slag pyrolysis． The results indicated that liquid CO2， perforated diffusers and horizontal sedimentation tank are used as a main process， which can control pH between 8. 5 to 10. 0， and total hardness of the effluent can be reduced to 150 mg/L by CaCO3below and the scaling problem can be obviously mitigated． Keywordssteel slag pyrolysis;circulating water;scaling 0引言 钢渣处理与利用是钢铁工业可持续发展必须解 决的关键问题之一， 钢渣前处理对钢渣的进一步利用 具有决定性作用。熔融钢渣热闷处理工艺是近几年 大力推广的钢渣处理方法， 它能够很好地破碎和分离 不同粒级的钢渣， 能有效地消解尾渣中的游离 CaO、 MgO， 大大改善了钢渣处理的卫生条件， 提高了钢渣 资源的利用效率， 节省了电力消耗 ［1］。 熔融钢渣热闷处理循环水系统 见图 1 中钢渣 热闷用水蒸发量大 蒸发量占 60 ～ 70 ， 钢渣中 的游离 CaO 消解进入循环水， 导致钢渣热闷出水水 温、 硬度、 碱度、 pH 升高， 为极易结垢型水质， 如不加 以处理可导致循环水系统结垢， 影响正常生产 ［2］。 1钢渣热闷循环水系统结垢机理分析 九江钢渣热闷“零排放” 处理工程出现了严重循 环水系统结垢问题。此钢渣热闷处理工程总用水量 为 1000 m3/d 左右， 其中热闷回水量 300 m3/d 左右， 补充水量 700 m3/d 左右。补充新水、 热闷出水和水 泵出水水质分析数据见表 1。结垢主要发生在离心 泵叶轮和管道中， 一般水泵运行半个月后必须停机人 工清洗水垢沉积物， 叶轮上垢的堆积厚度达 1 ～ 2 mm， 其垢样分析数据见表 2。 钢渣热闷的处理工艺决定了钢渣热闷循环水出 水的特性。在钢渣热闷过程中， 水作为介质一方面起 到冷却的 作 用， 另 一 方 面 和钢渣中的游离 CaO 和 MgO 反应使钢渣稳定。在喷入的水中， 大部分转化 为水蒸气蒸发， 少部分通过钢渣热闷池池底的排水孔 排出。热闷回水温度高， 可以达到 80 ～ 100 ℃ ， 并带 有大量水蒸气， pH 为 12 左右， 碱度和硬度高， 其中 OH － 碱度约 600 mg/L， 总硬度 760 mg/L。在运行过 24 环境工程 2011 年 8 月第 29 卷第 4 期 图 1钢渣热闷循环水处理系统 表 1九江钢渣热闷循环水水质分析数据 项目水温 /℃pH 电导率 / μscm － 1 TDS/ mgL － 1 总硬 / mgL － 1 钙硬 / mgL － 1 ρ SO2 － 4 / mgL － 1 补充新水20 ～ 257. 05349216137. 693. 164. 4 热闷回水80 ～ 10012. 003 800862760. 3740. 575. 2 水泵出水30 ～ 4511. 711 532328318. 8318. 868. 4 项目 OH － 碱度 / mgL － 1 CO2 － 3 碱度 / mgL － 1 HCO － 3 碱度 / mgL － 1 总碱度 / mgL － 1 可溶性 SiO2/ mgL － 1 悬浮物 / mgL － 1 补充新水0089. 889. 89. 75 热闷回水584215. 60799. 6134150 水泵出水242. 644. 90287. 52163 注 总硬、 钙硬、 OH － 碱度、 CO2 － 3 碱度、 HCO － 3 碱度、 总碱度均以 CaCO3计。 表 2九江钢渣热闷循环水水泵结垢垢样分析数据 成分水分有机物CO2 － 3 Ca2 Mg2 Fe2 PO3 － 4 Cu2 Zn2 质量分数2. 122. 6456. 5629. 630. 490. 040. 090. 020. 13 程中， 空气中的 CO2进入水中， 必然引起碳酸钙的沉 积。主要反应机理如下 1 钢渣中含有较多的游离 CaO 和游离 MgO， 在 喷水热闷的过程中发生如下反应 CaO H2O→Ca OH 2 MgO H2O→Mg OH 2 这是钢渣粉碎和稳定的主要反应， 反应生成的 Ca OH 2部分进入回水， 使得回水碱度和硬度增高， Mg OH 2溶解度低， 大部分留在了钢渣中。 2 在运行过程中， 空气中的 CO2进入热闷回水， 生产碳酸钙沉淀， 导致结垢。 Ca OH 2 CO2→CaCO3 H2O 钢渣热闷循环水水质不稳定的主要原因是热闷 回水中含有的高浓度成垢离子与空气中的 CO2反 应。这与一般的循环水冷却系统沉积结垢的机理不 同。一般的循环水系统结垢是因为随着加热的进行， 水中的 CO2排出， 重碳酸盐转化为碳酸盐而沉积。 因此， 传统的石灰软化法， 离子交换法和膜法不适合 此类水的处理; 同时因为系统补充新水水量占总量的 60 以上， 单纯利用缓蚀阻垢剂的方法也不能起到好 的效果 ［3］。本文针对钢渣热闷工艺的水质特点， 结 合原循环水处理工艺， 探讨用 CO2处理钢渣热闷回 水的可行性。 2用 CO2处理钢渣热闷循环水试验 2. 1试验材料和方法 现场试验取钢渣热闷回水井水作为原水， 用穿孔 管曝气器作为气液反应的主要装置， 分别配套相应的 液态 CO2钢瓶、 减压阀、 气体流量计和离心泵， 试验 流程见图 2。试验期间， 原水的 pH 和总硬度见图 3。 由图 3， 钢渣热闷回水的 pH 值在 11. 7 ～ 12. 1 之 间， 均值为 12. 0， 总硬度 以 CaCO3计 在 700 ～ 900 mg/L 之间， 均值为 800 mg/L， 温度为 50 ～ 70℃ ， 均值 为 63℃ 。 2. 2试验结果和讨论 2. 2. 1不同 CO2流量对出水水质的影响 固定钢渣热闷水量为 38 L/min， 通过调节气体流 34 环境工程 2011 年 8 月第 29 卷第 4 期 图 2CO2处理钢渣热闷循环水试验流程 图 3原水 pH 和总硬度 量计， 调节 CO2流量， 在反应稳定后取样进行分析。 得出 CO2流量对出水 pH 和总硬 以 CaCO3 计 的影 响， 见图 4。 图 4不同 CO2流量对出水 pH 和总硬的影响 随着反应的进行， 钢渣热闷水中的总硬、 总碱度、 总溶固、 电导率都随着 CO2通入量的增加而下降， 在 pH 为 10 时达到最小值， 继而又有所增加。这主要是 在水中发生了如下两个反应 Ca OH 2 CO2→CaCO3↓ H2O CaCO3 CO2 H2O→Ca HCO3 2 在反应过程中应该控制 CO2的通入量， 尽可能 使其总硬达到较低水平， 但如果出水总硬太低， 有可 能引起管道的腐蚀。因此， 控制 CO2通入量使其出 水总硬在合理范围内， 既不至于引起管道腐蚀， 处理 费用也相对比较低。 随着钢渣热闷水中 CO2通入量的增大， pH 刚开 始缓慢降低， 随着 CO2不断通入， pH 会迅速下降， 在 pH 降到 8. 5 以下时， pH 的降低又变得很缓慢。pH 作为反应的表征， 对于控制反应起着重要的作用 ［4］。 2. 2. 2pH 与总硬的关系 总结所有试验数据， 钢渣热闷回水在通入不同量 CO2过程中， pH 和总硬 以 CaCO3计 的变化见图 5。 图 5总硬与 pH 关系 由图 5 可得 当 pH 在 8. 5 ～ 10 之间， 总硬度比较 低， 低于 150mg/L。所以可以把 pH 作为系统控制的指 标， 用在线 pH 计实时监控水质的 pH， 通过比例调节和 反馈调节 CO2通入量就能保证出水达到需要的指标。 2. 2. 3理想情况下总硬去除率和 CO2利用率 在中试试验中， 通过控制钢渣热闷回水的流量， 用 pH 来控制 CO2的通入量， 得出总硬去除率和 CO2 利用率， 见表 3。调节 pH 可使出水的总硬控制在 100 mg/L 以下。通过理论的 CO2通入量和实际加入量 相比较， 得出管道混合器通入 CO2的利用率在 45 ～ 50 之间。 表 3理想情况下总硬去除率和 CO 2利用率 水流量 / Lmin － 1 气体流量 / Lmin － 1 水气比 原水总硬 / mgL － 1 处理后总硬 / mgL － 1 总硬去除率 / CO2利用率 / 38103. 80612. 5176. 0887. 5845. 53 42113. 82620. 5262. 0690. 0047. 62 2473. 43740. 6484. 0888. 6550. 27 50163. 13720. 6280. 0888. 8944. 70 注 原水总硬、 处理后总硬以 CaCO3计。 44 环境工程 2011 年 8 月第 29 卷第 4 期 3结论 1 利用 CO2处理转炉钢渣热闷循环水可以有效 降低水中的碱度和硬度， 降低出水 pH， 从而减缓管道 的结垢， 提高钢渣处理的品质。 2 可以用 pH 作为反应控制的指标， 通入 CO2 后， 钢渣热闷循环水的 pH 宜控制在 8. 5 ～ 10. 0 之 间， 此时钢渣热闷水中的碱度和硬度维持在 150 mg/ L 以下。 3 气液混合采用穿孔管曝气器能达到预期的效 果， 反应时间短， 系统改造比较容易实现。 4 钢铁企业在烧结、 焦化、 石灰锻烧等过程中会 排出大量的烟气， 烟气中 CO2含量大于 10 。因此， 设法采用烟气中的 CO2处理钢渣热闷回水， 可以节 省处理成本， 达到真正的节能减排的目的。 5 采用液态 CO2－ 穿孔管曝气器 － 絮凝沉淀 － 平流沉淀池处理钢渣热闷循环水在技术和经济上都 具有可行性。 6 用 CO2处理钢渣热闷循环水达到水质的稳定 目前只进行了中试试验， 还没有实际运行的工程实 例， 部分参数有待在实际工程中再探索。 参考文献 ［ 1］朱桂林，杨景玲，孙树杉． 发展循环经济， 科学选择钢渣处理工 艺及综合利用途径实现钢铁渣“零” 排放［J］． 冶金环境保护， 2006 4 28- 33． ［ 2］刘楠薇， 赵盟． 钢渣热闷工艺循环水处理［J］． 中国环保产业， 2010 7 23- 25． ［ 3］王绍文， 钱雷， 邹元龙， 等． 钢铁工业废水资源回用技术与应用 ［M］． 北京 冶金工业出版社， 200847- 57． ［ 4］LawrenceKWang， YungTseHung， NazihKShammas． Recarbonationandsoftening ［M］/ /PhysicochemicalTreatment Processes， Totowa Humana Press，2005199- 228． 作者通信处高康乐100088北京市海淀区西土城路 33 号 8 号楼 406 电话 010 82227635 E- mailgaokangle gmail． com 2010 － 11 － 03 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 25 页 盐混凝 剂 优 于 铝 盐 和 PAC， 铁 盐 投 加 量 宜 控 制 ＜ 20 mg/L， 铝盐混凝剂宜控制小于10 mg/L， 此时对 微生物活性的影响较小。因此， 建议北区污水厂分配 井处原投加的 PAC 药剂， 改成铁盐或者铝铁混合混 凝剂。 3 微絮凝过滤工艺中未设反洗污水沉淀池时， 反冲洗污水 包括混合液、 上清液、 沉淀污泥 排入生 化系统对微生物无直接的抑制作用， 主要原因在于混 凝剂与磷酸盐等形成了稳定的沉淀物， 水体中游离的 铝离子浓度较低。 4 反冲洗污水排入生化系统造成生化系统活性 污泥中的无机组分比例增加， 从而降低单位浓度的微 生物活性， 北区厂 VSS/SS 由深度处理前的 0. 65 降低 至 0. 54。当采取物化措施大量用于除磷时， 物化污 泥越多， VSS/SS 越低， 为了防止单位浓度微生物活性 降低， 可以根据泥龄周期， 通过调整排泥方式、 置换新 鲜活性污泥的方式解决。 参考文献 ［1］潘军航， 金承涛， 王闻哲， 等． 微生物铝毒和耐铝机制的研究现 状［J］． 微生物学报， 2004，44 5 698- 702． ［2］赵春禄， 张明明， 马文林， 等． 铝絮凝剂对活性污泥中微生物活 性的影响研究［J］． 环境工程， 2000，18 5 28- 31． ［3］鲍林林， 程庆锋， 李冬， 等． 污水深度处理工艺化学强化除磷单 元药剂选择及优化［J］． 给水排水， 2010，36 增刊 144- 147. 作者通信处陈亚松100192北京市朝阳区域清街 2 号院 9北侧 电话 010 64932999 E- mailchenyasong bceed． net 2011 － 01 － 09 收稿 54 环境工程 2011 年 8 月第 29 卷第 4 期