非自然pH值水質(zhì)穩(wěn)定技術(shù)在高爐循環(huán)水處理中的應用

劉光峰(石橫特鋼集團有限公司，山東 肥城 271612)

0 引言

節(jié)能減排是整個國家的戰(zhàn)略目標，鋼鐵工業(yè)作為重點能耗行業(yè)之一，是節(jié)能減排的重點。根據(jù)統(tǒng)計顯示，2017年中鋼協(xié)會員單位鋼鐵企業(yè)水耗平均2.87 m3/t鋼，雖較2016年下降5.27%，但較國外先進指標差距仍然比較顯著，且各鋼鐵企業(yè)間水耗差距也比較巨大。我國水資源嚴重匱乏，作為用水大戶的鋼鐵企業(yè)，節(jié)約用水，減少污水排放，在用水方面實現(xiàn)減量化、再利用、再循環(huán)(3R)的循環(huán)經(jīng)濟運行模式，是鋼鐵行業(yè)發(fā)展面臨的越來越緊迫的任務，更是其水系統(tǒng)所追求的目標。

目前國內(nèi)各鋼鐵企業(yè)均在積極研究、采取多種措施來加強節(jié)水和用水的管理，主要采取措施有：采用先進工藝技術(shù)裝備，如：應用焦化干法熄焦技術(shù)、高爐軟水密閉循環(huán)冷卻技術(shù)、高爐煤氣及轉(zhuǎn)爐煤氣干法除塵技術(shù)、軋鋼加熱爐蒸汽冷卻技術(shù)、噴霧型冷卻塔等；研究企業(yè)內(nèi)部工序用水、排水水質(zhì)和廢水再利用的節(jié)水平衡點，實施階梯型用水，實現(xiàn)生產(chǎn)廢水循環(huán)利用；通過投加水質(zhì)穩(wěn)定藥劑提高循環(huán)水系統(tǒng)濃縮倍數(shù)，從而減少循環(huán)水系統(tǒng)補充新水量和排污水量等。石橫特鋼集團有限公司(石橫特鋼)，也立足于企業(yè)實際，各部門均積極投入到節(jié)水研究工作當中，以期達到節(jié)約用水、降低成本的目的。

1 循環(huán)水系統(tǒng)概述

石橫特鋼煉鐵廠2#高爐于2005年1月份正式投產(chǎn)，主要設(shè)備為450 m3高爐一座，年產(chǎn)鐵水能力72萬t/a。其高爐循環(huán)水系統(tǒng)分為高壓供水系統(tǒng)和常壓供水系統(tǒng)，開式循環(huán)設(shè)計，其中高壓供水系統(tǒng)主要供應高爐風口小套、爐頂無料鐘氣密箱等設(shè)備的冷卻用水，常壓供水系統(tǒng)供應高爐本體冷卻設(shè)備、熱風爐燃燒閥、熱風閥等各冶金閥門等設(shè)備的冷卻用水。因高爐本體冷卻設(shè)備、風口設(shè)備、熱風爐燃燒閥、熱風閥等各閥門為高爐關(guān)鍵設(shè)備，高爐循環(huán)水的正常供應及水質(zhì)指標的穩(wěn)定，對于高爐生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運行起著關(guān)鍵作用，特別是風口設(shè)備及冷卻壁設(shè)備，一旦水質(zhì)指標不穩(wěn)定或水量供應不足，將會出現(xiàn)造成頻繁燒損風口設(shè)備、冷卻設(shè)備漏水造成爐涼、損壞爐缸耐火材料甚至會造成爐況嚴重失常重大惡性生產(chǎn)事故的發(fā)生。

2 原水處理工藝存在問題

石橫特鋼2#高爐循環(huán)水處理原采用傳統(tǒng)水處理方式，即用阻垢緩蝕劑控制循環(huán)水中鈣加堿含量，控制結(jié)垢，同時輔以殺菌滅藻粘泥剝離劑抑制水中菌藻類的滋生。隨著企業(yè)循環(huán)水補充水質(zhì)的不斷惡化，以及隨著水資源日益緊張、節(jié)能減排已成為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需求時，該傳統(tǒng)水處理方式已不能滿足企業(yè)實際發(fā)展要求。

石橫特鋼循環(huán)水補充水水質(zhì)不斷惡化，補充水鈣加堿已達600～700 mg/L，按照循環(huán)冷卻水國標要求鈣加堿≤1 100 mg/L時，水處理藥劑才能有較好的發(fā)揮效果，因此濃縮倍數(shù)只能控制在1.5～1.8倍。濃縮倍數(shù)偏低，循環(huán)水排補水量大，如果排補水不及時濃縮倍數(shù)高極易導致循環(huán)水系統(tǒng)結(jié)垢。受限于2#高爐循環(huán)水設(shè)計為開式循環(huán)，設(shè)備、管道不斷老化，高爐循環(huán)水濁度指標不斷攀升；另受公司水處理承包方式影響，承包水處理費用偏低，沒有對水處理廠家節(jié)水指標進行考核，導致水處理承包廠家考慮自身成本因素較多，水處理效果較差，風口小套結(jié)垢比較嚴重，導致風口小套燒損比較嚴重，特別是從2017年11月30日至12月26日近1個月時間，2#高爐更換了18個風口小套(其中有2個未燒損，為工藝調(diào)整原因更換)。針對該問題，石橫特鋼煉鐵廠經(jīng)與水處理廠家山東大禹水處理有限公司研究、探討，合作引進了非自然pH值水質(zhì)穩(wěn)定技術(shù)(即自動加酸水處理工藝)，以期達到提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)、控制循環(huán)水系統(tǒng)結(jié)垢、減少系統(tǒng)補排水量、實現(xiàn)節(jié)能降耗。

3 非自然pH值水質(zhì)穩(wěn)定技術(shù)概述

該技術(shù)以自然pH值水質(zhì)穩(wěn)定技術(shù)為基礎(chǔ)，通過自動投加硫酸來改變循環(huán)水的pH值，從而改變循環(huán)水的結(jié)垢指數(shù)，增加鈣容忍度，使鈣容忍度提高到2 000以上，達到既防止設(shè)備腐蝕結(jié)垢、保證水質(zhì)穩(wěn)定運行目的。同時通過提高濃縮倍數(shù)，達到降低補排水、節(jié)約新水資源的目的。

3.1 設(shè)計原理

目前石橫特鋼循環(huán)水結(jié)垢主要以碳酸鈣形式存在，因而鈣離子含量及碳酸鹽堿度是影響結(jié)垢的主要因素，雖然循環(huán)水中鈣離子含量受補充水質(zhì)和濃縮倍數(shù)決定，但pH值可以改變碳酸鹽堿度的形式和數(shù)量，因而水的結(jié)垢傾向是可以由pH值調(diào)整的，在鈣離子含量和水溫一定條件下，pH值和堿度就成為影響腐蝕或結(jié)垢的主要因素。在使用堿性自然運行水處理技術(shù)的原有藥劑時，系統(tǒng)pH值無需控制，pH值自然運行在9.0左右，濃縮倍數(shù)在1.5～1.8倍之間，系統(tǒng)鈣硬加堿度較高，若繼續(xù)提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)勢必會使系統(tǒng)結(jié)垢趨勢加重。為解決這一問題，通過加硫酸降低堿度，可提高濃縮倍數(shù)達到節(jié)水效果，但在加酸工藝中，pH值穩(wěn)定控制是關(guān)鍵，若pH值控制低于7.4，循環(huán)水系統(tǒng)會發(fā)生氫漂移，導致系統(tǒng)腐蝕，pH值高于控制指標，將會導致系統(tǒng)結(jié)垢。傳統(tǒng)人工加酸工藝pH值控制忽高忽低，容易影響系統(tǒng)安全運行，也不能穩(wěn)定提高濃縮倍數(shù)，根本無法滿足這一要求。因此，若采用加酸工藝，必須配備良好自動加酸控制裝置，即良好的加酸泵和pH值控制儀嚴格控制pH，精確計量加酸量，滿足安全穩(wěn)定生產(chǎn)的需要[1]。

3.2 現(xiàn)場自動加酸工藝系統(tǒng)配置

該工藝應用即加酸控制系統(tǒng)主要由濃硫酸貯罐、酸罐、加酸計量泵、pH值控制器及探頭、管道系統(tǒng)和供電系統(tǒng)組成，其中pH值控制器為具有微處理機功能的可編程控制器，可實現(xiàn)參數(shù)的自動控制。在高堿度循環(huán)水系統(tǒng)中，為進一步提高濃縮倍數(shù)，需向系統(tǒng)中加入定量的酸來降低總堿度，為此必須對系統(tǒng)pH值進行精確控制。pH值控制過程如下：由pH儀在線連續(xù)測量循環(huán)水的pH值，并將信號送入pH控制器，當循環(huán)水pH值大于設(shè)定值時，pH控制器給出信號自動開啟酸計量泵向系統(tǒng)加酸，等pH值回到控制范圍時，計量泵停止運行，以實現(xiàn)自動控制pH值的目的。同時為保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定，安裝兩臺計量泵，開一備一。

4 應用實踐情況及效益分析

石橫特鋼2#高爐循環(huán)水從2018年1月16日正式開始改用非自然pH值水質(zhì)穩(wěn)定技術(shù)，經(jīng)過幾年的實際應用，目前系統(tǒng)運行穩(wěn)定，達到了預期效果，可創(chuàng)造直接和間接經(jīng)濟效益42.76萬元，具體如下：

(1)循環(huán)水pH值穩(wěn)定降低，循環(huán)水濃縮倍數(shù)得到有效提高。循環(huán)水pH值由8.8左右降至8.0～8.2之間，循環(huán)水濃縮倍數(shù)由改用加酸工藝前的1.5左右提高至了目前的2.5～2.8之間，如表1所示。

(2)循環(huán)水水質(zhì)得到有效改善，風口小套結(jié)垢情況明顯減輕。通過2018年2月25日對調(diào)整下線的風口小套(未燒損)進行解剖，發(fā)現(xiàn)小套內(nèi)腔結(jié)垢現(xiàn)象明顯減輕，證明循環(huán)水水質(zhì)指標良好，水質(zhì)結(jié)垢傾向得到了有效控制。改用加酸工藝后，2018年2—12月2#高爐共燒損風口小套46個，平均4.18個/月，較2017年6月—2018年1月份7.25月/個減少3.07個/月，扣除工藝操作原因影響，每月按減少燒損1.5個計算，每年可節(jié)約小套備件費用12.6萬元；每年可減少更換小套工藝停機時間10 h，增加鐵水產(chǎn)量708 t，增加經(jīng)濟效益14.16萬元[2]。

(3)節(jié)水效果完成指標較好。根據(jù)石橫特鋼2017年7月至2018年8月2#高爐循環(huán)水實際補水量統(tǒng)計情況(表2)，改用加酸工藝后，2#高爐循環(huán)水系統(tǒng)新水消耗量降低約30%，每年可降低新水消耗8萬m3以上，年至少可節(jié)約新水成本16萬元。

表1 石橫特鋼2#高爐循環(huán)水加酸工藝實施前后水質(zhì)指標統(tǒng)計表

表2 石橫特鋼2#高爐循環(huán)水補水量統(tǒng)計表

5 主要存在問題及改進建議

由于石橫特鋼2#高爐循環(huán)水系統(tǒng)為開式循環(huán)系統(tǒng)，高爐平臺敞口地方較多，高爐燃燒、放料、休風等過程產(chǎn)生的大量粉塵及鐵粉極易進入循環(huán)水系統(tǒng)，導致循環(huán)水濁度明顯偏高，而濁度太高容易管道上形成黏泥垢，影響系統(tǒng)換熱效果，特別是夏季高溫季節(jié)，導致降溫補水消耗新水明顯偏高，影響循環(huán)水濃縮倍數(shù)有效提高。下一步措施為在循環(huán)水系統(tǒng)上安裝循環(huán)水旁濾過濾器設(shè)施，并配合加藥處理，以更有效地去除水體循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的雜質(zhì)，達到減少循環(huán)水排放量、進一步提高濃縮倍數(shù)、降低運行成本的目的。

6 結(jié)語

經(jīng)過近幾年的實踐應用，石橫特鋼2#高爐循環(huán)水應用該非自然pH值水質(zhì)穩(wěn)定技術(shù)后系統(tǒng)運行穩(wěn)定，循環(huán)水pH值控制穩(wěn)定，循環(huán)水濃縮倍數(shù)得到了有效提高，并且水質(zhì)指標穩(wěn)定，風口小套結(jié)垢、燒損數(shù)量明顯減少，產(chǎn)生的直接和間接經(jīng)濟效益比較可觀，證明該技術(shù)值得推廣和應用。