謝朝暉

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南昆明650051)

鐵合金循環(huán)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能降耗的探討

謝朝暉

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南昆明650051)

針對鐵合金行業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)長期運(yùn)行存在的主要問題，提出在工程設(shè)計(jì)和今后生產(chǎn)運(yùn)行中應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧?，以達(dá)到節(jié)能降耗、穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

鐵合金;循環(huán)冷卻水系統(tǒng);節(jié)能降耗

0 引言

云南建水錳礦有限責(zé)任公司是我國12個重點(diǎn)錳礦之一，位于云南省建水縣臨安鎮(zhèn)，屬云南冶金集團(tuán)股份有限公司控股公司。按照云南冶金集團(tuán)股份有限公司“十一五”錳產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo)，公司20萬t/a錳系合金一二期節(jié)能減排技改項(xiàng)目已于2009年4月1日開工建設(shè)，一期9萬t硅錳合金項(xiàng)目已于2010年11月投產(chǎn)，二期11萬t錳系合金項(xiàng)目正在建設(shè)中。并計(jì)劃在“十二五”期間完成3萬t/a高錳酸鉀項(xiàng)目和第二個30萬t/a錳系合金節(jié)能新技術(shù)新裝備示范項(xiàng)目建設(shè)，實(shí)現(xiàn)安全環(huán)保節(jié)能錳業(yè)的集群發(fā)展，達(dá)到年銷售收入44.1億，實(shí)現(xiàn)利稅6.5億元。

項(xiàng)目一期工程將建設(shè)25 MW電爐2臺、二期工程將建設(shè)50 MW電爐1臺，配套建設(shè)相應(yīng)的余熱鍋爐、除鹽水站等輔助設(shè)施。

企業(yè)一、二期總用水量為187 556 m3/d，其中凈循環(huán)冷卻水量166 656 m3/d，濁循環(huán)冷卻水量9 600 m3/d，二次利用水量2 542 m3/d，軟水量3 600 m3/d，新水量5 158 m3/d，損失消耗水量8 758 m3/d，全廠供水循環(huán)利用率為95.3%，而損失消耗水量中有7 600 m3/d是在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中損失消耗的。

可見，該項(xiàng)目用水量大，而其中絕大部分的用水量及損失消耗水量均在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，這也是鐵合金行業(yè)存在的一個共同問題。

1 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的設(shè)置

該項(xiàng)目設(shè)置了以下系統(tǒng):

(1)1×50 MW電爐主體冷卻循環(huán)水系統(tǒng)，采用軟水冷卻;

(2)2×25 MW電爐主體冷卻循環(huán)水系統(tǒng)，采用工業(yè)新水冷卻;

(3)電爐變壓器冷卻循環(huán)水系統(tǒng)，采用工業(yè)新水冷卻;

(4)余熱鍋爐冷卻循環(huán)水系統(tǒng)，采用工業(yè)新水冷卻;

(5)電爐沖渣冷卻循環(huán)水系統(tǒng)，采用二次利用水冷卻。

前4項(xiàng)為凈循環(huán)冷卻水系統(tǒng)(第1項(xiàng)為密閉循環(huán)系統(tǒng)，第2、3、4項(xiàng)為敞開式循環(huán)系統(tǒng))，循環(huán)冷卻總水量166 656 m3/d，補(bǔ)充總水量6 000 m3/d，第5項(xiàng)為濁循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，循環(huán)冷卻水量9 600 m3/d，補(bǔ)充水量1 600 m3/d。

凈循環(huán)冷卻水系統(tǒng)基本運(yùn)行過程:設(shè)備冷卻后流出的熱水利用余壓進(jìn)入冷卻塔，冷卻后的水流入冷卻循環(huán)水池，再由冷卻循環(huán)水泵加壓至設(shè)備冷卻水進(jìn)水管，循環(huán)水總量的3%由旁濾水提升泵揚(yáng)入過濾器進(jìn)行旁濾，另在水泵吸水管上投加相應(yīng)水質(zhì)穩(wěn)定劑，以改善循環(huán)水質(zhì)。過濾器排污水經(jīng)沉淀池沉淀后供沖渣系統(tǒng)做補(bǔ)充水。系統(tǒng)補(bǔ)充水由外部軟水或工業(yè)新水給水管網(wǎng)接支管供到循環(huán)冷卻水池中。

濁循環(huán)冷卻水系統(tǒng)基本運(yùn)行過程:該系統(tǒng)主要指電爐沖渣水系統(tǒng)，沖渣后流出的熱水自流入沖渣循環(huán)水池，經(jīng)自然冷卻和沉淀后，再由沖渣水泵提升供至沖渣給水點(diǎn)。系統(tǒng)補(bǔ)充水由外部二次利用水或工業(yè)新水給水管網(wǎng)接支管供到?jīng)_渣循環(huán)水池中。

2 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)長期運(yùn)行存在的主要問題

2.1 循環(huán)水量大，冷卻塔能耗高

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的直接運(yùn)行成本主要是由電費(fèi)和藥劑費(fèi)組成，而電費(fèi)又占了較大比例，電耗主要由包括循環(huán)供水主泵、旁濾泵及藥劑投加泵等在內(nèi)的各種泵類及冷卻塔風(fēng)機(jī)造成。各種水泵(如循環(huán)供水主泵)的運(yùn)行參數(shù)由企業(yè)主體生產(chǎn)設(shè)備的工藝運(yùn)行條件決定，一般不會有大的調(diào)整，而冷卻塔的運(yùn)行參數(shù)會隨著不同季節(jié)氣候條件的變化而產(chǎn)生一定的波動。

2.2 循環(huán)水質(zhì)逐漸惡化，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，增加系統(tǒng)運(yùn)行成本

在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，水不斷被蒸發(fā)，水中的各種無機(jī)物和有機(jī)物被不斷濃縮，并且，在運(yùn)行過程中，熱水和空氣產(chǎn)生對流時(shí)，也會將灰塵、泥沙、微生物等雜質(zhì)帶入系統(tǒng)。隨著濃縮倍數(shù)的不斷提高，在陽光、溫度和氧份適宜時(shí)，會產(chǎn)生腐蝕、結(jié)垢、沉積、滋生細(xì)菌藻類微生物等一系列問題，而任何一種問題的加劇都會導(dǎo)致其他問題的惡化，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的可靠性逐漸降低。

(1)腐蝕:一般分為3種情況。

1)鐵(或銅等金屬)材質(zhì)與水中溶解氧作用而腐蝕，其反應(yīng)如下:

當(dāng)在中性或堿性水中:陽極反應(yīng):

陰極反應(yīng):

當(dāng)在酸性水中:

2)當(dāng)微生物繁殖時(shí)，其微生物體的分泌物與冷卻水中有機(jī)物、無機(jī)物聚積而形成的粘泥沉積在系統(tǒng)中時(shí)，將造成沉積物下部的金屬腐蝕。

3)2種不同金屬互相接觸時(shí)，因金屬間電位差而造成流電腐蝕，例如熱交換器內(nèi)的銅管與碳鋼端板，其接觸部分的鋼鐵材質(zhì)會因此加速腐蝕。

4)當(dāng)循環(huán)水的濃縮倍數(shù)提高，水中溶解性固體濃度也不斷提高，使得水中電導(dǎo)率不斷提升，造成與水接觸的金屬管道或設(shè)備表面的電位腐蝕。

5)其它影響腐蝕的因素還有:水的pH值、溫度、流速及氟氯氧化劑等。

(2)結(jié)垢及沉積。由于在循環(huán)水中不同程度的存在鈣、鎂、鐵、錳、重金屬、氟、氯、碳酸氫根、硫酸根、硅酸根、磷酸根等離子以及懸浮物、有機(jī)物、油脂等物質(zhì)(隨不同水源補(bǔ)充水的水質(zhì)及循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行工藝條件的不同而有所區(qū)別)，各種離子在適宜的條件下均有可能相互反應(yīng)生成新的物質(zhì)，而不同物質(zhì)又存在著不同的溶解度、飽和度，在水的pH值、溶解性固體濃度、溫度、流速等因素的作用下，容易在循環(huán)水管道系統(tǒng)內(nèi)壁和設(shè)備冷卻水接觸表面的高溫、低流速處形成沉積，出現(xiàn)以下問題:①降低熱傳效率或傳熱不均;②設(shè)備腐蝕;③增加管道水頭損失及系統(tǒng)電力消耗;④減低腐蝕抑制劑效果。

(3)微生物。微生物可分為細(xì)菌、真菌及藻類，其散布在自然界的各個角落，而冷卻水的溫度、pH值、營養(yǎng)等因素經(jīng)常處于適合微生物繁衍的范圍內(nèi)，若不加以控制，微生物將不斷繁殖，產(chǎn)生黏泥而堵塞熱交換器，且在黏泥沉積地方造成沉積物下部金屬腐蝕，導(dǎo)致設(shè)備損壞。

以上問題不僅會使系統(tǒng)運(yùn)行成本增加、運(yùn)行可靠性降低、日常維護(hù)管理難度提高，還將直接造成系統(tǒng)水冷卻效率下降。長此以往，將威脅到企業(yè)生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

3 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行的思考和建議

3.1 針對循環(huán)水量大、冷卻塔能耗高的問題，筆者考慮采用以下措施:

(1)多風(fēng)機(jī)配置。冷卻塔能耗高的主要原因在于其數(shù)量配置不合理。根據(jù)循環(huán)水量的大小，可適當(dāng)增加風(fēng)機(jī)的配置數(shù)量，并設(shè)置水溫在線檢測設(shè)備。根據(jù)不同季節(jié)氣溫、補(bǔ)充水溫度及循環(huán)水溫度，自動調(diào)整風(fēng)機(jī)的運(yùn)行臺數(shù)和轉(zhuǎn)數(shù)，夏季氣溫水溫高時(shí)，自動增加風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺數(shù)和轉(zhuǎn)數(shù)，冬季氣溫水溫低時(shí)，自動減少風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺數(shù)和轉(zhuǎn)數(shù)，從而充分利用自然氣候條件，達(dá)到節(jié)能的目的。

(2)設(shè)置自然冷卻水池。接合廠址實(shí)際自然地理?xiàng)l件，建設(shè)一定容積的自然冷卻水池與冷卻塔系統(tǒng)配合使用，這樣可充分利用自然條件，進(jìn)行冷卻水的自然冷卻，建少能耗，同時(shí)應(yīng)充分考慮周圍的環(huán)境因素，盡量避免灰塵等雜質(zhì)對循環(huán)水質(zhì)造成二次污染。

該項(xiàng)目在配置滿足正常負(fù)荷的冷卻塔的基礎(chǔ)上，設(shè)置了總?cè)莘e2.5萬m3的自然冷卻循環(huán)水池，可根據(jù)當(dāng)時(shí)的實(shí)際情況，夏季時(shí)，減少冷卻塔風(fēng)機(jī)的開啟數(shù)量，冬季時(shí)，少開或不開啟冷卻塔風(fēng)機(jī)。

循環(huán)水池還同時(shí)具備廠區(qū)蓄水、消防、景觀、保安水池等功能。

3.2 循環(huán)水處理系統(tǒng)

針對存在的問題，筆者建議可從以下兩方面加以解決:

(1)系統(tǒng)設(shè)置。在各循環(huán)水系統(tǒng)中均設(shè)置旁濾系統(tǒng)，從循環(huán)水池中，將總循環(huán)水量的3% ～5%單獨(dú)設(shè)泵抽至過濾器，過濾后水仍流回循環(huán)水池。旁濾水進(jìn)入過濾器之前投加適量的混凝劑，以強(qiáng)化過濾效果，循環(huán)水中雜質(zhì)得以大量去除，同時(shí)單獨(dú)設(shè)沉淀池將過濾器反沖排水處理后，送電爐沖渣循環(huán)水系統(tǒng)作為補(bǔ)充水，使之得以二次利用，減少排污或不排污。

設(shè)計(jì)還考慮設(shè)置至少2套一體化自動加藥裝置，1套投加混凝劑，1套投加其它水質(zhì)穩(wěn)定處理劑，并配套相應(yīng)的在線檢測及自動投加控制系統(tǒng)。

(2)選擇合適的水質(zhì)穩(wěn)定處理劑。在今后的長期運(yùn)行過程中，還可根據(jù)實(shí)際水質(zhì)情況進(jìn)行藥劑配置及投加方案的調(diào)整，常用的藥劑及技術(shù)要求如下:

1)緩蝕阻垢劑。主要用于碳酸鈣阻垢等，減緩沉積作用:①在一定的濃度下，同時(shí)具有阻垢和緩蝕作用，可加強(qiáng)緩蝕效果;②在中性和堿性條件下，都能發(fā)揮良好的阻垢效果;③能耐受較高的溫度，并有較長的半衰期，能長時(shí)間的發(fā)揮效果;④能耐鹵素如氯系氧化劑的分解作用，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定;⑤根據(jù)環(huán)保要求和循環(huán)水質(zhì)的實(shí)際情況，選擇低磷或無磷、無重金屬和任何示蹤劑，更加綠色環(huán)保的產(chǎn)品。

2)分散劑。主要用于分散懸浮物、磷酸鹽、鋅鹽、鐵鹽等，減緩沉積作用。①在中性和堿性條件下，都能發(fā)揮良好的分散效果;②能耐受較高的溫度和雜質(zhì)濃度;③能耐鹵素如氯系氧化劑的分解作用，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定;④能通過離線或在線的方法測試出其活性成分在冷卻水中的含量，正確指導(dǎo)加藥;⑤根據(jù)環(huán)保要求和循環(huán)水質(zhì)的實(shí)際情況，選擇低磷或無磷、無重金屬和任何示蹤劑，更加綠色環(huán)保的產(chǎn)品。

此外，還有銅緩蝕劑(當(dāng)冷卻水系統(tǒng)管道或設(shè)備含有銅材質(zhì)時(shí)使用)、非氧化性及氧化性殺菌劑等。

該項(xiàng)目循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的補(bǔ)充水源為廠區(qū)附件綿羊沖水庫水，經(jīng)檢測其鈣、鎂硬度及總堿度(以 CaCO3計(jì))均低于200 mg/L，pH 值7～9，電導(dǎo)率低于400 μs/cm，濁度24 NTU。

通過對補(bǔ)充水水質(zhì)的分析，可以看出該水體為弱堿性水，水中的鈣、鎂硬度以及堿度相對較高，使水體具有較強(qiáng)的結(jié)垢傾向。當(dāng)提高冷卻水的濃縮倍數(shù)后，其結(jié)垢的傾向?qū)⒏鼮槊黠@。

建議采用堿性化學(xué)處理方案，通過多方案比較，選擇合適的緩蝕阻垢劑、分散劑、殺菌劑等，根據(jù)在線或離線監(jiān)測獲得的實(shí)際水質(zhì)參數(shù)，進(jìn)行單一或多種藥劑高低組合的自動投加。

根據(jù)水質(zhì)實(shí)際參數(shù)、系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際條件及用戶實(shí)際要求，藥劑也可選擇單一配方產(chǎn)品或增效復(fù)配產(chǎn)品，藥劑選擇及投加方案還應(yīng)根據(jù)企業(yè)今后長期實(shí)際的運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)其它類似項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，若藥劑及投加方案的選擇和實(shí)施得當(dāng)，濃縮倍數(shù)提高到8～10倍以上，新水補(bǔ)充量節(jié)約10% ～15%以上，朗格利爾指數(shù)保持1.5～2.0以上不結(jié)垢，是有可能做到的。

4 結(jié)語

鐵合金行業(yè)用水量大，絕大部分的用水量及損失消耗水量均在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，該系統(tǒng)耗水量大、運(yùn)行成本高，在長期運(yùn)行過程中，還會出現(xiàn)腐蝕、結(jié)垢、沉積、滋生細(xì)菌藻類微生物等多種不良現(xiàn)象，以上問題若不及時(shí)有效地處理，將會使系統(tǒng)運(yùn)行成本增加、運(yùn)行可靠性降低、日常維護(hù)管理難度提高，同時(shí)造成系統(tǒng)水冷卻效率下降，威脅到企業(yè)的正常生產(chǎn)。

通過合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建設(shè)，合理的水處理藥劑選擇及投加，可以有效地提高循環(huán)水的濃縮倍數(shù)，提高朗格利爾指數(shù)，可避免以上不良現(xiàn)象的產(chǎn)生，保障企業(yè)正常生產(chǎn)的長期穩(wěn)定進(jìn)行。

Probe on Saving Energy and Reducing Consumption for Circulating Cooling Water System in Ferroalloy Project

XIE Zhao－Hui
(Kunming Engineering ＆ Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.Ltd，Kunming 650051，China)

Based on main problems existed in long－term running of circulating cooling water system in ferroalloy industry，suitable measures which should be taken in engineering design and running for future production were put forward so as to achieve saving energy，reducing consumption and stabilizing operation.

Ferroalloy;circulating cooling water system;saving energy and reducing consumption

TF085

A

1004－2660(2011)04－0043－04

2011－04－09.

謝朝暉(1969－)，男，云南人，高級工程師.主要研究方向:給排水專業(yè)設(shè)計(jì).