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浅层砂过滤器在钢铁企业炼钢精炼工艺浊循环水系统的应用

                 浅层砂过滤器在钢铁企业炼钢精炼工艺浊循环水系统的应用
                                               张霄磊1,2
    (1.同济大学,上海,200092;2.宝钢工程技术集团有限公司,上海,201900)
    【摘要】简要描述了钢铁冶金企业炼钢单元精炼工艺浊循环水系统的传统水处理方法,着重介绍了一种新型浅层过滤处理方法,对各种不同处理方法的优缺点进行了对比分析,对节水型浅层砂过滤器的特点及优势进行探讨,并结合其在工程实践中的应用实例,就如何进行精炼浊循环冷却水处理工艺设备的节水节能设计展开讨论。
    【关键词】浅层砂过滤器;斜板沉淀池;高速过滤器;精炼浊循环水;节水
    【中图分类号】TF085 【文献标识码】B 【文章编号】1006-6764(2013)06-0057-04
    1· 前言
    水是工业生产不可或缺的重要组成要素,对于钢铁企业尤为如此。钢铁企业炼铁、炼钢、连铸、热轧、制氧、自备电厂等各单元均有大量的工业循环冷却水用户, 工业循环冷却水系统如同主工艺生产的生命线, 对于正常的生产和维护设备的安全起着至关重要的作用。工业循环冷却水系统具有系统复杂、用户多、水量大、循环水介质种类多等特点。
    近年来,随着城市化水平和工业化程度的提高,水资源短缺和水污染加剧已成为亟待解决的全球性问题,水资源不足已经成为国民经济和社会发展的重要制约因素。作为工业生产用水的大户—钢铁行业也面临着严峻的用水危机,水资源问题已经成为我国钢铁工业发展的重要限制因素。
    努力提高水的循环使用率,研发先进的节水设备、工艺和技术,最大程度减少新水消耗,已成为钢铁行业清洁生产以及实现可持续发展的重要组成因素。运行有效的循环冷却水系统能切实有效地实现环境、经济的双赢。
    本文以钢铁冶金企业炼钢单元精炼工艺浊循环水处理系统一种节水型浅层砂过滤器的应用为例,就如何进行精炼浊循环冷却水处理工艺设备的节水节能设计展开讨论,可作为实际工程的借鉴和参考。
    2· 炼钢单元精炼工艺浊循环水系统传统处理方式分类及简介
    2.1 炼钢单元精炼工艺浊循环水系统简介
    国内钢铁企业炼钢单元常见精炼工艺有LF、VD、VOD、RH 等炉外精炼技术,精炼技术的主要功能有脱氢、脱氧、脱碳、脱硫、非金属夹杂物的形态控制、成分调整(添加合金)、钢液成分及温度的微调及均匀化、脱氮、脱磷等,但对于各生产厂家具体使用哪种精炼设备,他们会综合考虑冶炼的钢种、生产量、粗/精炼的组合等,选择最适合的炉外精练法。
    无论是哪种精炼法,其浊循环冷却水系统的主要水质污染物均是SS,水中一般不含油。每一个精炼周期SS 增量平均为100 mg/L,最大增量不超过150 mg/L。在工厂设计时,精炼浊环水用水控制要求一般SS≤30 mg/L,回水SS≤200 mg/L。
    2.2 炼钢单元精炼工艺浊循环水系统传统处理方式分类
    对于炼钢单元精炼工艺浊循环水处理系统,传统的回水处理方式为斜板沉淀池法和高速过滤器法两种。通过沉淀或过滤作用,去除回水中大多数SS,处理后的出水SS≤30 mg/L,可以满足浊环用水控制指标,利用循环供水泵加压供给用户循环使用。
    2.3 理体制炼钢单元精炼工艺浊循环水系统传统处理方式简介
    2.3.1 斜板沉淀池法
    斜板沉淀池是利用根据浅池理论发展起来的水处理设备。即在沉淀池容积一定的条件下,池深越浅,沉淀面积越大,悬浮颗粒去除率越高。其在水处理中得到了较为广泛的应用。它具有沉淀效果好、出水水质稳定、运行费用及检修费用低和减少环境污染、节约能源等特点。正是基于这些优点,斜板沉淀池在炼钢单元精炼工艺的浊循环水处理中,得到了较为广泛的应用。
    2.3.2 高速过滤器法
    所谓高速过滤器是压力式滤料过滤器的一种,因其过滤速度达到20~40 m/h,称其为高速过滤器。高速过滤器设备一般做成直立圆柱形,滤料层厚度较大,一般不小于1.2 m,常采用砂滤料。高速过滤器在原水悬浮物较多的情况下能确保出水水质的高质量,具有过滤速度高、处理水量大、占地面积小、操作简单省力、不易出现故障等优点,并能实现单台或多台过滤器系统PC 自控。[1]高速过滤器法也普遍应用于炼钢单元精炼工艺的浊循环水处理。
    3· 浅层砂过滤器法概述
    近年来,作为一种不同于传统水处理方式的设备—浅层砂过滤器,正在逐步进入炼钢单元精炼工艺的浊循环水处理工程应用中,并体现出一些明显优势。
    3.1 设备组成
    浅层砂过滤器设备由多个标准罐体根据所需过滤流量组和而成,滤料多为均质滤砂,采用有压式以全自动方式运行。系统中的过滤器按顺序反洗,每次只反洗一个,其余过滤器继续正常过滤,从而保证出水的稳定。过滤器壳体常采用碳钢材质或复合材料,碳钢罐体内壁做防腐处理并做外壳涂装。单个罐体尺寸较小,有卧式罐和立式罐之分,因而可根据外部空间条件,灵活调整排列方式。[2]浅层砂过滤器的设备组成包括:进水口、介质加入孔、配水盘、砂床、进水帽、配水盘、砂床和检修孔等。
    3.2 工作原理
    浅层砂过滤器的工作原理,与给水处理中的砂滤池类似。其过滤介质就是一定粒径的砂子,堆积一定的厚度,待过滤的水流过砂层,杂质被拦截在砂层表面或者不同深度处,干净的水从砂层的另一侧流出。浅层砂过滤器的过滤机理主要包括:机械筛分、惯性沉淀、接触絮凝等方式。浅层砂过滤器配有反冲洗装置,采用自身滤后出水反洗,无需外接水源。[3]
    4 ·斜板沉淀池法、高速过滤器法与浅层砂过滤器法的优缺点比较
    与传统的斜板沉淀池、高速过滤器法相比,在炼钢单元精炼工艺的浊循环水处理工程应用中,在同样的处理水量、同样的水质要求条件下,浅层过滤器有很多前面二者都不具备的特点及优势。
    以下以国内某钢铁厂RH 精炼浊环水处理为例,对斜板沉淀池法、高速过滤器法与浅层砂过滤器法的优缺点进行比较。该浊环水系统设计处理水量2200 m3/h,水质控制指标:在进水SS≤200 mg/L 的条件下,要求出水SS≤30 mg/L。
    4.1 工程造价比较
    4.1.1 斜板沉淀池法
    参照相似条件下的RH 浊环水处理运行经验确定,斜板沉淀池的表面负荷采用4~6 m3/m2·h,斜板沉淀池的清水区面积约440 m2,采用6 台斜板沉淀设备组合,单台斜板设备参数:平面尺寸12m×6m,处理能力360~380 m3/h。根据目前市场价格,斜板沉淀设备总价420 万元左右,由于占地面积较大,设备运行重量较大,一次性建成土建及安装费用较高,在100 万元左右。
    4.1.2 高速过滤器法
    同样参照相似条件下的运行经验,采用4 台直径5 m 的高速过滤器,单台处理水量700 m3/h。正常过滤状态时,4 台同时使用;反冲洗时,仅1 台反洗,另外3 台在反冲洗期间可以保证过滤水质。每台过滤器配套5 只气动阀门,5 只手动阀门。过滤器需配置PLC 柜及现场操作箱,为保证气水反冲洗效果,还需要配套反冲洗水泵及鼓风设备,总占地面积约20m×12m。根据目前市场价格,高速过滤器法成套设备总价320 万元左右,一次性建成土建、安装费用30 万元左右。
    4.1.3 浅层砂过滤器法
    同理,采用40 台浅层砂过滤器,单台最大处理能力55 m3/h。40 台过滤器分成5 组,每组8 台布置,总占地面积约16m×10m。浅层砂过滤器成套设备为机电一体品。根据目前市场价格,高速过滤器法成套设备总价280 万元左右,由于占地面积小,设备运行重量小,一次性建成土建、安装费用较低,在5万元左右。
    由以上比较得出,浅层砂过滤器法造价较低。
    4.2 运行成本比较
    4.2.1 斜板沉淀池法
    采用斜板沉淀池法处理RH 浊环水,需要投加药剂增强混凝沉淀效果,才能保证出水水质指标:SS≤30 mg/L。常规投加药剂种类有:2‰浓度的PAM、5%浓度的PAC,每年药剂费合计约80 万元。此外,为保证斜板底部排泥,还需采用6 台螺旋输泥机或排泥泵,单台排泥设备用电功率约11 kW,根据现场运行经验,单台斜板每天需要排泥2 次,每次5 min,年耗电量4×103kWh,电费1 万元。
    4.2.2 高速过滤器法
    高速过滤器法配套的气动阀的耗能较少,但过滤器反洗时,反洗水泵、鼓风装置会消耗电能、新水。
    反洗水泵及鼓风机用电功率约90 kW,单次反洗时间10 min,单次反洗耗新水量约130 m3,按过滤器每天反洗2 次计。年反洗耗电量1.1×104kWh,电费2.2 万;年反洗耗新水量9.5×104m3,水费19 万。此外,根据实际经验,由于高速过滤器滤料易板结、为保证出水水质,一般每年需要更换一次滤料180 t,购买滤料费用及人工费用合计50 万。
    4.2.3 浅层砂过滤器法
    浅层砂过滤器耗电量较少,据统计,单台浅层砂过滤器年耗电量约182.5 kWh,40 台,年耗电量7.3×103kWh,电费1.5 万元;浅层砂过滤器反洗利用自产水反冲洗,无需消耗新水。
    由以上数据对比容易发现,浅层砂过滤器法运行成本较低。
    4.3 处理效果比较
    斜板沉淀法、高速过滤器法、浅层砂过滤器法都能满足RH 精炼浊环水处理的出水水质要求,但根据现场实际使用反馈,高速过滤器法在运行一段时间后,滤料易板结,滤料办结后水质难以保证,此时必须更换滤料。
    5· 浅层砂过滤器法的特点及优势
    5.1 占地面积小
    浅层砂过滤器的占地面积小,浅层砂过滤器占地比斜板沉淀池可少2/3,比高速高滤器占地可少1/3 左右。浅层砂过滤器还可竖向双层布置,从而再减少一半占地面积。这样可以实现在一定的占地面积下,提供较大的过滤面积。从而有效解决了斜板沉淀池和高速过滤器占地面积较大的问题。5.2 土建、安装费用低浅层过滤器体积小、重量轻,不需特殊土建处理,直接放置在一般水泥地面即可;安装简易,无须大型装卸设备。而斜板、高速过滤器的混凝土基础一般要打桩,且需要大型吊装机械配合安装,一次性建设投资较高。
    5.3 出水水质好,滤料更换周期长(5 年)
    浅层砂过滤器由于滤料层较浅,通常滤料层厚度不大于0.4 m,结构设计更加合理,在布水、收水方式上比传统过滤器有改进,采用双向反冲洗系统,故反冲洗效率高,反冲洗较为彻底,可达到理想的反冲洗清洁程度,从而保持较佳的滤料性能,且不容易跑料、漏料、板结,故出水水质好,滤料更换周期长,一般可达5 年。
    5.4 不用投加药剂、节省用电
    相较斜板沉淀池,浅层砂过滤器不用投加混凝剂等化学药剂。浅层砂过滤器采用双向自动反冲洗水力阀,单套过滤器用电功率小于1 kW,耗电量低。
    5.5 节约新水,反洗耗水量小
    浅层砂过滤器的反洗耗水量小,单套过滤器单次反冲洗水量0.8~1.0 m3/min,反冲洗时间仅需1.5~3 min,反洗耗水量小。且系统利用自产水反冲洗,无需提供反冲洗水泵和压缩空气,节约新水。
    5.6 自动化程度高,日常运行管理方便
    浅层砂过滤器为机电一体设备,全自动运行,无需人工操作。反冲洗有三种模式,即:手动控制、时间控制、压差控制等。由于其自动化程度高,因而日常运行管理方便。
    6· 浅层砂过滤器法应用案例
    国内某炼钢厂2011 年建设一套RH 精炼装置,其配套浊循环冷却水系统,设计循环水量1330 m3/h,水质控制指标:在进水SS≤150mg/L 的条件下,要求出水SS≤30 mg/L。当时可利用的设备占地面积非常有限,平面尺寸仅11m×8m,若采用斜板沉淀池法,无法满足设备占地面积要求;若采用高速过滤器法,虽能满足占地面积要求,但土建处理费用高,且每年需要更换滤料,反冲洗排水量大,配套反冲洗水泵耗电明显,设备故障检修率高,经过技术经济比较,决定采用浅层砂过滤器法。
    共采用浅层砂过滤器20 台,每5 台为1 组,共计4 组,每组砂滤器平面尺寸为5m×2m ,考虑到设备进出水管路需要,及留有充足的检修通道,4 组砂滤器总平面尺寸为10m×7.5m。单台砂滤器过滤面积1.25 m2,滤速30~40 m/h,处理水量50~70 m3/h。
    设备投运至今已1 年有余,出水水质稳定达标,有时出水甚至好于设计要求,可达到SS≤10 mg/l,没有出现滤料板结或短流问题;据粗略统计,反冲洗排水量<500 m3/d,与高速过滤器法相比,节水2/3,节电4/5,共计节约运行成本50 万元/年;设备完全为自动运行模式,没有进行过人为干预或检修,设备运行效果良好。
    7· 浅层砂过滤器的应用前景
    浅层砂过滤器具有占地面积小、工程造价低、出水水质好、节能节水、自动化程度高、维护简单和可靠性高等诸多优点,其在近几年逐渐得到了推广应用。可以预见, 随着钢铁行业对循环冷却水利用率和节约用水要求的不断提高, 浅层砂过滤器将在钢铁企业炼钢单元精炼工艺浊循环水处理领域得到更加广泛采用。但对于已经建成斜板沉淀池和高速过滤器的钢铁企业,如改建会花费较大的一笔费用,可能在经济上造成一定的压力,故其应用会主要集中在新建精炼工艺浊循环水处理项目中。
    8· 结语
    对于钢铁冶金企业炼钢单元精炼工艺浊循环水处理工艺,主要水质污染物为SS,且SS 上限值不高,可通过加药沉淀或过滤方法去除。浅层砂过滤器作为一种过滤设备,与传统的斜板沉淀法、高速过滤器法比较而言,具备诸多优点,在精炼工艺浊循环水处理领域有一定应用前景。但浅层砂过滤器并不适用于所有水处理过滤工艺,例如污水中SS较高或含油时,用浅层砂过滤器处理效果不好,故浅层过滤器的应用有其局限性,遇到具体的工程实例欲采用浅层砂过滤器时,最好提前做小范围水处理试验。
[参考文献]
[1]冯海斌.高速过滤器的改进及运行效果[J].冶金动力,2011,3:68-70.
[2]金亚飚.余压过滤系统在工业循环水系统中的应用[J].中国环保产业,2011,7:43-46.
[3]张向锋, 王保良. 浅层砂过滤器在生产中的应用[J]. 广东化工,2011,38(12):110-111.


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