董 萍

(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)的設(shè)計(jì)

董 萍

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南昆明650051)

鐵合金在生產(chǎn)時(shí)，電爐產(chǎn)生大量熱量，需要大量水進(jìn)行冷卻。根據(jù)循環(huán)水系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行存在的問題，進(jìn)行鐵合金行業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到高效、節(jié)能、環(huán)保的目的。

鐵合金;循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

0 引言

按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，每人每年水供應(yīng)量在1 000 t以下就是缺水國(guó)家。目前，中國(guó)缺水在千億立方米以上，我國(guó)已被列為世界上貧水的國(guó)家之一。節(jié)約用水已經(jīng)成為我們國(guó)家的當(dāng)務(wù)之急，缺水問題也將嚴(yán)重制約我國(guó)本世紀(jì)的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，并將引起生態(tài)環(huán)境退化、人居環(huán)境惡化、爭(zhēng)水矛盾日益突出等社會(huì)和環(huán)境問題。

鐵合金企業(yè)是耗水耗電大戶。鐵合金冶煉為火法冶煉，生產(chǎn)過程中電爐內(nèi)部產(chǎn)生大量熱量，對(duì)冷卻用水的需求量非常大;生產(chǎn)過程中基本不產(chǎn)生水污染物。此類項(xiàng)目冷卻水的循環(huán)使用對(duì)用水量的影響非常大，而且對(duì)緩解鐵合金企業(yè)所在地區(qū)缺水矛盾有舉足輕重的作用。

1 鐵合金企業(yè)循環(huán)用水特點(diǎn)

鐵合金企業(yè)循環(huán)用水特點(diǎn):①循環(huán)用水量大;②電爐車間循環(huán)水溫度差在10℃左右，一般≥10℃;③單臺(tái)循環(huán)泵與輸水管線及電爐循環(huán)冷卻用水點(diǎn)工藝要求為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系;④電爐車間電爐主體運(yùn)行過程循環(huán)泵不能停止供水，要求循環(huán)泵供電為一級(jí)負(fù)荷;⑤發(fā)生意外事故停電時(shí)，使用高位水池內(nèi)儲(chǔ)存的電爐保安水量供15 min電爐冷卻水，使電爐冷卻，防止電爐發(fā)生爆炸事故。

此類項(xiàng)目的循環(huán)冷卻水為直接冷卻水(dircet cooling water)，即循環(huán)冷卻水與被冷卻物質(zhì)直接接觸換熱的冷卻水。循環(huán)冷卻過程中空氣由冷卻塔頂溢出時(shí)帶走水蒸氣，使循環(huán)水中離子含量增加，因此必須補(bǔ)充新鮮水(即補(bǔ)充水make－up water:指循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，由于蒸發(fā)、風(fēng)吹、滲漏和排污損失，而需不斷補(bǔ)充的水)，排出濃縮水，以維持含鹽量在一定濃度，從而保證整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行。循環(huán)水與補(bǔ)充水中含鹽量之比，即為該循環(huán)水系統(tǒng)的濃縮倍數(shù)。在一定的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，只要改變補(bǔ)充水的含鹽量，就可以改變循環(huán)水系統(tǒng)的濃縮倍數(shù)，而提高濃縮倍數(shù)是保證整個(gè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵。

2 循環(huán)冷卻水在生產(chǎn)運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)的問題

生產(chǎn)過程中冷卻水在循環(huán)系統(tǒng)中不斷循環(huán)使用，由于水溫升高、流速變化、蒸發(fā)、各種無(wú)機(jī)離子和有機(jī)物質(zhì)的濃縮，冷卻塔和冷卻水池在室外受到陽(yáng)光照射、風(fēng)吹雨淋、灰塵雜物的進(jìn)入以及設(shè)備的結(jié)構(gòu)和材料等多種因素的綜合作用，會(huì)產(chǎn)生以下問題。

(1)水垢附著

在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，碳酸氫鹽的濃度隨蒸發(fā)濃縮而增加。當(dāng)其濃度達(dá)到過飽和狀態(tài)，或經(jīng)過傳熱表面水溫升高時(shí)，會(huì)分解生成碳酸鹽沉積在傳熱表面，形成致密的微溶性鹽類水垢，其導(dǎo)熱性能很差[≤1.16 W/(m·K)，鋼材一般為45 W/(m·K)]。因此，水垢附著，輕則降低換熱傳熱效率，嚴(yán)重時(shí)，發(fā)生堵塞，系統(tǒng)阻力增大，水泵和冷卻塔效率下降，生產(chǎn)能耗增加，產(chǎn)量下降，加快局部腐蝕，甚至造成非正常停產(chǎn)。

(2)設(shè)備腐蝕

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，大量設(shè)備由金屬制造，長(zhǎng)期使用循環(huán)冷卻水會(huì)發(fā)生腐蝕穿孔。這是由多種因素造成的，主要有:冷卻水中溶解氧引起的電化學(xué)腐蝕;有害離子(Cl－和)引起的腐蝕;微生物(厭氧菌、鐵細(xì)菌)引起的腐蝕等。

設(shè)備管壁腐蝕穿孔，會(huì)形成滲漏，冷卻水滲入工藝介質(zhì)，影響產(chǎn)品質(zhì)量，造成經(jīng)濟(jì)損失，影響安全生產(chǎn)。

(3)微生物的滋生與粘泥

在循環(huán)水中，由于養(yǎng)分的濃縮，水溫升高和日光照射，給細(xì)菌和藻類的迅速繁殖創(chuàng)造了條件。細(xì)菌分泌的黏液使水中漂浮的灰塵雜質(zhì)和化學(xué)沉淀物等黏附在一起，形成沉積物附著在傳熱表面，即生物粘泥或軟垢。粘泥附著會(huì)引起腐蝕，冷卻水流量減少，進(jìn)而降低冷卻效率;嚴(yán)重時(shí)會(huì)堵死管道，迫使停產(chǎn)清洗。

綜上所述，冷卻水長(zhǎng)期循環(huán)使用后，會(huì)帶來(lái)結(jié)垢、腐蝕和微生物滋生問題。在鐵合金企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)置中解決好這些問題才能穩(wěn)定生產(chǎn)、節(jié)約資源與能源，從而減少環(huán)境污染，提高經(jīng)濟(jì)效益。

3 常規(guī)循環(huán)水水質(zhì)穩(wěn)定的處理方法

(1)降低補(bǔ)充水的碳酸鹽硬度

降低補(bǔ)充水碳酸鹽硬度的方法之一是對(duì)補(bǔ)充水進(jìn)行軟化處理，這樣可大大降低循環(huán)水系統(tǒng)中的碳酸鹽硬度，有利于系統(tǒng)的水質(zhì)穩(wěn)定。循環(huán)水系統(tǒng)中常用的降低補(bǔ)充水碳酸鹽硬度的方法有軟化法和酸化法。軟化法即用石灰軟化或氫、鈉離子交換去除補(bǔ)充水中的致垢鹽分，該法可以有效地防止產(chǎn)生碳酸鹽垢，但軟化法不能阻止由塵土和微生物帶來(lái)的泥垢和粘垢的產(chǎn)生，而氫、鈉離子交換法的基建及運(yùn)行費(fèi)用都很高，所以該法已經(jīng)很少采用。酸化法是將補(bǔ)充水的碳酸鹽硬度經(jīng)過加酸處理后使之變成非碳酸鹽硬度，從而降低補(bǔ)充水的碳酸鹽硬度，其反應(yīng)式如下:

加酸處理的缺點(diǎn)是水的腐蝕性較強(qiáng)，系統(tǒng)中的循環(huán)冷卻構(gòu)筑物如冷卻塔等均需要考慮防腐處理，近年來(lái)伴隨著其它方法的產(chǎn)生，酸化法很少采用。

(2)排污法

當(dāng)補(bǔ)充水的碳酸鹽硬度較低時(shí)，可以用限制循環(huán)水的濃縮倍數(shù)的方法，使循環(huán)水的碳酸鹽硬度＜極限碳酸鹽硬度，即可防止結(jié)垢。如果不考慮系統(tǒng)中的滲漏損失，則循環(huán)水進(jìn)行連續(xù)排污時(shí)，為防垢所需的排污量可用下式求出:

式中:P1——循環(huán)水系統(tǒng)的蒸發(fā)損失占循環(huán)水量的比值(%);

P2——冷卻塔風(fēng)吹損失占循環(huán)水量的比值(%);

P3——為防垢所必需的連續(xù)排污量占循環(huán)水量的比值(%);

H碳——補(bǔ)充水的碳酸鹽硬度(meq/L);

H極—補(bǔ)充水的極限碳酸鹽硬度(meq/L)。

濃縮倍數(shù)與排污量的關(guān)系為:

式中:N——循環(huán)水的濃縮倍數(shù);

P——循環(huán)水的補(bǔ)充水量占循環(huán)水量的比值(%)。

若要使循環(huán)冷卻水穩(wěn)定，不發(fā)生CaCO3沉淀，則N≤H極/H碳，由此可以得出:P≥H極P1/(H極－H碳)。該式說明，在P1范圍大致確定的情況下，補(bǔ)充水的H極與H碳差值越小，則所需補(bǔ)充水量越大，反之越小。式中P3的計(jì)算結(jié)果如果為負(fù)值，則不需要排污，計(jì)算結(jié)果為正值時(shí)排污量一般不超過3%～5%為宜。該法主要用于暫時(shí)硬度較低的水質(zhì)及水資源較豐富的地區(qū)。在實(shí)際中僅靠排污法不能解決循環(huán)冷卻水的水質(zhì)問題，尚需要結(jié)合其它措施。

(3)循環(huán)水系統(tǒng)的殺菌滅藻

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的殺菌滅藻，主要是針對(duì)于敞開式循環(huán)水系統(tǒng)。敞開式循環(huán)水系統(tǒng)中異氧菌數(shù)量宜＜5×105個(gè)/mL;粘泥量宜＜4 mL/m3。該系統(tǒng)微生物的控制應(yīng)根據(jù)水質(zhì)、菌藻種類、穩(wěn)定劑的特性及環(huán)境污染等因素，經(jīng)過綜合比較后確定。其控制方法有以下幾種:①補(bǔ)充水的前處理，改善補(bǔ)充水水質(zhì)。經(jīng)過處理的補(bǔ)充水，不僅可以去除懸浮物，而且可以去除部分細(xì)菌;②采用旁濾方法。部分循環(huán)水經(jīng)過旁濾裝置，可以除去系統(tǒng)中的懸浮物及藻類;③投加殺生劑。這是目前抑制微生物的通用方法。通常選用廣譜高效、pH值適用范圍較廣、與冷卻水中使用的穩(wěn)定劑互不干擾、易于降解、藥物價(jià)格較低及操作方便的殺生劑。常用的殺生劑有:氯、次氯酸鈉、二氧化氯、臭氧、硫酸銅及季胺鹽等。

(4)污垢的控制

控制污垢，可從下面幾個(gè)方面努力:①對(duì)補(bǔ)充水進(jìn)行預(yù)處理，降低濁度;②做好循環(huán)水水質(zhì)處理;③投加分散劑，可將粘合在一起的泥團(tuán)雜質(zhì)等分散成微粒懸浮于水中，隨水流流動(dòng)而不沉積，從而減少污垢對(duì)傳熱的影響，部分懸浮物還可隨排污排出;④增加旁濾設(shè)備(旁流side stream:從循環(huán)冷卻水中充分流出來(lái)，經(jīng)適當(dāng)處理后，再返回系統(tǒng);旁流過濾side－dtream filtration對(duì)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的旁流水進(jìn)行過濾處理)

如果在系統(tǒng)中增設(shè)旁濾設(shè)備，控制好旁流量和進(jìn)、出旁流設(shè)備的濁度，就可保持系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下的濁度在控制指標(biāo)內(nèi)，減少污垢形成。

綜上所述，在鐵合金企業(yè)工程實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)原水水質(zhì)、循環(huán)水水量及溫升、補(bǔ)水水質(zhì)和價(jià)格、使用循環(huán)水的換熱設(shè)備材質(zhì)和型式以及其他工況條件等實(shí)際情況，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，選擇適宜的除垢、防腐、控制微生物的方法結(jié)合在一起，制定出經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、可行的循環(huán)水處理方案才能實(shí)現(xiàn)鐵合金企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)合理運(yùn)行。

4 鐵合金企業(yè)循環(huán)用水設(shè)計(jì)實(shí)例

龍陵工業(yè)硅項(xiàng)目的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)流程如圖1。

鐵合金企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)企業(yè)的具體情況來(lái)綜合考慮，盡量達(dá)到高效、易于管理、經(jīng)濟(jì)及環(huán)保的目的。任何水質(zhì)穩(wěn)定技術(shù)，只要被合理的采用，都可以達(dá)到較為理想的效果。以龍陵工業(yè)硅項(xiàng)目為例:水源水硬度低，水質(zhì)較好，在循環(huán)系統(tǒng)采取旁濾及排污法來(lái)穩(wěn)定循環(huán)水質(zhì)。

圖1 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow Chart of Circulating Cooling Water System

龍陵工業(yè)硅項(xiàng)目循環(huán)給水的冷卻設(shè)備采用機(jī)械通風(fēng)冷卻塔、旁濾設(shè)備采用重力式無(wú)閥過濾器。

鐵合金企業(yè)除電爐車間需要循環(huán)冷卻水外，還有制氧站、風(fēng)機(jī)及倒?fàn)t機(jī)等處需要少量循環(huán)冷卻水，這部分循環(huán)冷卻水量較小，且為密閉循環(huán)，水質(zhì)無(wú)污染。因此，將制氧站、風(fēng)機(jī)及倒?fàn)t機(jī)密閉出水利用設(shè)備出口的余壓直接進(jìn)入循環(huán)水池二次利用，做為電爐循環(huán)泵站循環(huán)水池的補(bǔ)充水。

5 結(jié)語(yǔ)

鐵合金行業(yè)的循環(huán)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要根據(jù)實(shí)際情況，全面考慮，選擇適合的系統(tǒng)，以期達(dá)到高效、易于管理、節(jié)能及環(huán)保的目的。

[1]中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)化工分會(huì).GB50050－2007工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2007.

[2]王笏曹等.鋼鐵工業(yè)給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2002.

Design of Circulating Cooling Water System for Ferroalloy Industry

DONG Ping
(Kunming Engineering ＆ Reaserch Institute of Nonferrous Metallurgy Co.Ltd，Kunming 650051，China)

During ferroalloy production，a lot of heat generated by submerged arc furnace needs a large amount of water for cooling.According to existing problems in long－term running of circulating cooling water system and its solution，design of circulating cooling water system in ferroalloy industry was carried out to realize high efficiency，energy saving，environmental protection.

Ferroalloy;circulating cooling water system

TF702+.4

A

1004－2660(2011)04－0040－03

2011－10－21.

董萍(1975－)，女，云南人，工程師.主要研究方向:給水排水設(shè)計(jì).