冶金行業(yè)給排水的節(jié)能設(shè)計(jì)思考

胡順利

（河鋼承鋼能源事業(yè)部，河北 承德 067100）

高污染、高能耗是冶金行業(yè)的典型特征。在倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展的背景下，通過冶金工藝改革、水資源循環(huán)利用等手段及措施，對(duì)冶金行業(yè)進(jìn)行改革，從源頭上進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，降低冶金行業(yè)的用水量，響應(yīng)國家節(jié)能減排政策，同時(shí)也有利于減少金屬冶煉造成的環(huán)境污染。

1 冶金行業(yè)給排水節(jié)能設(shè)計(jì)的作用

冶金行業(yè)采用排水節(jié)能技術(shù)，提升了水的可利用性，資源的浪費(fèi)問題得到有效解決。在我國大力發(fā)展工業(yè)生產(chǎn)情況下，水資源供需情況不容樂觀，節(jié)水技術(shù)向集中化發(fā)展。通過加強(qiáng)冶金業(yè)供排水系統(tǒng)的能效技術(shù)，減少用水負(fù)擔(dān)，呼吁企業(yè)節(jié)約用水。除在排水中使用節(jié)能技術(shù)外，節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用能緩解水資源不可再生問題。

想要實(shí)現(xiàn)冶金業(yè)的節(jié)能減排，最重要的部分就是設(shè)計(jì)工作，在冶金業(yè)中節(jié)能設(shè)計(jì)發(fā)揮著重要作用，冶金行業(yè)一方面重視開發(fā)新工藝，同時(shí)也很重視改造原有工藝，并通過這樣的方式在提高節(jié)能水平、工藝水平、設(shè)計(jì)水平的同時(shí)實(shí)現(xiàn)能耗的降低，進(jìn)而最終達(dá)到合理、科學(xué)的節(jié)能目標(biāo)。例如，在具體實(shí)踐中，高爐本體循環(huán)冷卻水、轉(zhuǎn)爐氧槍冷卻水、VD精煉爐、RH精煉爐等設(shè)施的冷卻水均應(yīng)用的是軟水閉路循環(huán)系統(tǒng)，不僅節(jié)約了大量電能資源，而且有效減少了水能損失。此類設(shè)計(jì)理念同節(jié)能理念非常符合，也能受到大多數(shù)冶金企業(yè)的歡迎。比如，2500m3的高爐爐體冷卻水系統(tǒng)一小時(shí)需要的水量是5000m3，用戶有0.6MPa的接點(diǎn)供水壓力；若使用的是傳統(tǒng)開式循環(huán)水系統(tǒng)，則供水水泵揚(yáng)程應(yīng)達(dá)到75m，且補(bǔ)水量大概是10%，也就是有500m3/h的水耗量；若通過設(shè)置補(bǔ)水定壓系統(tǒng)，使冷卻水系統(tǒng)成為閉式壓力循環(huán)，則此時(shí)循環(huán)供水泵揚(yáng)程僅需達(dá)到40m，通過對(duì)比，兩個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)水泵揚(yáng)程之差約為35m；并且系統(tǒng)補(bǔ)水量也下降到1%(50m3/h)以下，水耗量降到十分之一。據(jù)此可知，閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)的節(jié)能效果更突出，通過對(duì)比兩種方式，則人們會(huì)更加青睞于節(jié)能設(shè)計(jì)，并且業(yè)界行業(yè)中的節(jié)能設(shè)計(jì)也深受人們廣泛青睞。

2 冶金行業(yè)給排水工程設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)意義

冶金行業(yè)與其他行業(yè)不同，其跨越了原材料及開采等方面，具有一定的特殊性，所以與一般工程相比，冶金行業(yè)給排水工程設(shè)計(jì)更加重視排污方面，為順利開展冶金工作提供充足的保障。

當(dāng)前，我國一些冶金行業(yè)從發(fā)展情況而言，給排水工程設(shè)計(jì)仍有一些缺陷，導(dǎo)致在排放污水時(shí)對(duì)周圍水源及環(huán)境造成了不同程度的污染，對(duì)生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。所以，冶金行業(yè)在實(shí)際設(shè)計(jì)給排水工程時(shí)，既要滿足保護(hù)水資源與環(huán)境的需求，還要滿足冶金業(yè)務(wù)的開展需求。在新時(shí)期背景下，冶金行業(yè)要緊跟時(shí)代發(fā)展步伐，做到與時(shí)俱進(jìn)，做好給排水節(jié)能設(shè)計(jì)，這樣才能實(shí)現(xiàn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。合理的給排水節(jié)能設(shè)計(jì)，有利于企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提升，進(jìn)一步節(jié)約企業(yè)成本，減少用水量，降低排污治污對(duì)環(huán)境的影響，滿足冶金行業(yè)的用水需求。

3 冶金給排水設(shè)計(jì)的應(yīng)用現(xiàn)狀

（1）除鹽水冷卻循環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)前，社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，為更好地適應(yīng)社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展需要，提高生產(chǎn)率、降低能耗，對(duì)冶金行業(yè)的冶煉強(qiáng)度和產(chǎn)品質(zhì)量提出了更高的要求，目前，我國冶金行業(yè)常用的是除鹽水冷卻循環(huán)系統(tǒng)，其流程見圖1。

圖1 除鹽水冷卻循環(huán)系統(tǒng)

根據(jù)圖1可發(fā)現(xiàn)，在該系統(tǒng)中，回水的勢能未得到有效利用，致使水能浪費(fèi)，這種浪費(fèi)在生產(chǎn)中雖細(xì)微，但卻在一定程度上影響了系統(tǒng)的性能。另外，在換熱設(shè)備方面，與板式換熱器相比，蒸發(fā)冷卻設(shè)備價(jià)格昂貴，生產(chǎn)成本的考慮也是重要的一方面。冶金企業(yè)為降低生產(chǎn)成本，在除鹽水冷卻循環(huán)系統(tǒng)換熱設(shè)備選擇上通常以板式換熱器為主，這種降低成本消耗的做法為大多數(shù)冶金企業(yè)所采用。然而由于板式換熱器系統(tǒng)耗電量大，因此，在系統(tǒng)運(yùn)行中又易出現(xiàn)電能浪費(fèi)問題。這種矛盾的出現(xiàn)給節(jié)能設(shè)計(jì)又出了一個(gè)難題。另外，我國北方的高爐沖渣水在冬季并不進(jìn)入冷卻塔，這就導(dǎo)致沖渣水的余熱浪費(fèi)，增加了燃煤用量，加劇了環(huán)境污染。沖渣水若能得以有效利用，不僅不會(huì)浪費(fèi)余熱，還能在一定程度上減少燃煤用量，進(jìn)而使環(huán)境污染問題得到緩解。在節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，這些方面的問題都要充分考慮進(jìn)去。

（2）高爐和轉(zhuǎn)爐除塵供水系統(tǒng)。對(duì)高爐和轉(zhuǎn)爐除塵供水系統(tǒng)來說，其供水方式以并聯(lián)為主，使冷卻用水量在不斷上漲，與之相關(guān)的建設(shè)費(fèi)用、設(shè)備購置費(fèi)也會(huì)上漲，而且導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)用費(fèi)用也會(huì)出現(xiàn)上漲的情況。由于冷卻水量的上漲，使與之相關(guān)的費(fèi)用不斷增長，其與冶金行業(yè)在給排水設(shè)計(jì)中節(jié)能理念并不相符，由于成本的上漲，使其成為當(dāng)前企業(yè)急需解決的另一重要問題。

（3）軟水閉路冷卻循環(huán)系統(tǒng)。對(duì)軟水閉路冷卻循環(huán)系統(tǒng)來說，這一系統(tǒng)較為封裝，在系統(tǒng)中，物質(zhì)自成循環(huán)體系，其與汽化冷卻循環(huán)系統(tǒng)的水蒸發(fā)損失不同，從理論來看，它只是由于工藝制造中的瑕疵而使水流失，例如管道接口不足，使泄漏出現(xiàn)，所以這一系統(tǒng)的用水量不多，在給水系統(tǒng)的流量設(shè)計(jì)方面要求要少一些，作業(yè)時(shí)平均每小時(shí)的補(bǔ)水量，不高于其循環(huán)水量的1%，比工業(yè)開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)的5%要少很多。

4 廢水處理設(shè)計(jì)

近年來，節(jié)水已成為世界各國的共同呼聲。作為人類必需的能源，需求與儲(chǔ)備的矛盾越發(fā)突出，從而使冶金工業(yè)廢水處理變得十分關(guān)鍵，需通過合理的措施進(jìn)一步減少冶金工業(yè)廢水的排放，切實(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。冶金生產(chǎn)廢水種類繁多，成分復(fù)雜，污染物含量高。根據(jù)冶煉金屬的不同，主要有三種廢水處理方法：生物法、化學(xué)法、物理法。

物理處理法與廢水性質(zhì)變化無關(guān)，主要應(yīng)用過濾、吸附、離心等方法或按雜質(zhì)不同沸點(diǎn)、結(jié)晶點(diǎn)來分類廢水中雜質(zhì)?；瘜W(xué)處理法，其中有相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，利用置換、氧化化學(xué)反應(yīng)法，為了實(shí)現(xiàn)廢水凈化，將雜質(zhì)轉(zhuǎn)化為離子態(tài)，生成固體化合物。生物處理方法與化學(xué)和物理等處理方法相比，其環(huán)保性強(qiáng)，生物處理法需應(yīng)用較長時(shí)間，想要使廢水處理速度提升，必須加強(qiáng)目標(biāo)微生物的代謝。而生物處理只處理廢水中的有機(jī)雜質(zhì)，其局限性明顯。

5 冶金行業(yè)給排水節(jié)能措施

（1）優(yōu)化冷卻循環(huán)系統(tǒng)。相比于早期應(yīng)用的開式循環(huán)水系統(tǒng)，軟水密閉循環(huán)系統(tǒng)本身有著多方面優(yōu)勢存在，不僅實(shí)踐效果好，還有著較高的節(jié)能水平。正是由于該原因，早期系統(tǒng)由于能耗相對(duì)較高從而被人們所完全拋棄。所以，若企業(yè)基本條件能得到滿足，自然需選擇最新的密閉循環(huán)系統(tǒng)。而在換熱器方面，若氣象條件可達(dá)到預(yù)期，理應(yīng)盡可能采用蒸發(fā)冷卻器，以此大幅提升節(jié)能水平，為之后的產(chǎn)品優(yōu)化提供多方面幫助。早期在換熱時(shí)，通常都會(huì)采取板式換熱器，這種設(shè)備主要依靠介質(zhì)的顯熱完成處理。在實(shí)際傳遞中，經(jīng)常會(huì)有大量熱能出現(xiàn)流失，因此整體效率低。而蒸發(fā)冷卻器在傳熱時(shí)，主要通過水管外部粘貼水膜，以此對(duì)潛熱展開消化。由于潛熱高于顯熱，所以該設(shè)備的整體應(yīng)用效果要比傳統(tǒng)設(shè)備要好。正是通過這樣的對(duì)比，從而給人們一種直觀的感受，促使人們合理把握其優(yōu)勢所在。對(duì)蒸發(fā)冷卻器來說，自身主要具備兩方面優(yōu)點(diǎn)。首先，節(jié)能效果，尤其是冷媒水方面，實(shí)際需求量低，基本上只有早期板式系統(tǒng)的31%～42%左右，從而能減少水資源利用。其次，在水泵的揚(yáng)程方面，蒸發(fā)冷卻器的實(shí)際應(yīng)用效果只有原本板式設(shè)備的45%。同時(shí)冷媒水的實(shí)際損耗，也會(huì)得到大幅降低。究其原因主要是在蒸發(fā)冷卻器的內(nèi)部，融水冷、空冷、傳熱及傳質(zhì)工作全部融為一體，因此工作人員不再需額外設(shè)置冷卻塔，進(jìn)而減少了成本投入。正是因這些因素存在，蒸發(fā)冷卻器的節(jié)能高效果更為明顯。但凡企業(yè)的基本條件能達(dá)到，都需采用這種設(shè)備。

（2）依水質(zhì)需要串級(jí)用水。串級(jí)用水是指根據(jù)冶煉作業(yè)不同環(huán)節(jié)對(duì)水質(zhì)高低的需求，將符合下級(jí)水質(zhì)需求的廢水直接利用，減少廢水排放和處理成本的用水方式，串級(jí)用水的最大特點(diǎn)是對(duì)上級(jí)用水不需經(jīng)處理而直接使用。這用節(jié)能措施必須以上級(jí)用水產(chǎn)生的雜質(zhì)中不存在影響下級(jí)用水需求的物質(zhì)，對(duì)上級(jí)用水中存在有害于下級(jí)用水的物質(zhì)，不能直接串級(jí)用水，必須經(jīng)處理后才能循環(huán)使用，避免作業(yè)設(shè)備的使用年限縮短及生產(chǎn)隱患的積累。

（3）變頻器的應(yīng)用。因一臺(tái)連鑄機(jī)可生產(chǎn)多種斷面，不同斷面對(duì)應(yīng)不同用水量，為滿足用戶要求，對(duì)用水量變化較大的連鑄機(jī)，可設(shè)變頻器以適應(yīng)生產(chǎn)要求，從而達(dá)到節(jié)能目的。

因冷卻設(shè)施是按濕球溫度頻率統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算的頻率為5%～10%日平均氣象條件進(jìn)行考慮，因此在大部分時(shí)間內(nèi)，冷卻設(shè)施的冷卻能力富裕，所以可將冷卻塔風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻，在保障供水溫度的情況下實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。

（4）設(shè)置冷卻回水旁通管。由于濕球溫度是冷卻設(shè)施設(shè)計(jì)的依據(jù)，對(duì)其他季節(jié)而言，設(shè)置旁通管，降低冷卻塔水流量，可不用對(duì)回水冷卻，這樣能減少對(duì)風(fēng)機(jī)數(shù)量的需求，特別是在冬季，節(jié)能效果更為顯著。在無壓回水系統(tǒng)中，設(shè)置旁通管，根據(jù)具體情況讓回水完全或部分直接流入冷水池，能減少對(duì)水泵數(shù)量的需求，從而達(dá)到節(jié)能目的。水泵數(shù)量的減少自然會(huì)減少相關(guān)的費(fèi)用成本等，這樣完全符合節(jié)能設(shè)計(jì)理念。

（5）水泵的選擇。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)使水泵處于高效段內(nèi)工作，然而在實(shí)際中會(huì)遇到根據(jù)計(jì)算的水泵工況，很難選到合適水泵，在這種情況下，經(jīng)常采用比工況大一些的水泵，造成水泵不在高效段內(nèi)工作或在生產(chǎn)中通過閥門的開啟度消耗多余的揚(yáng)程，使能耗增加。因此為減少該情況的發(fā)生，可將水泵工況點(diǎn)提給水泵制造商，由制造商通過對(duì)葉輪的切削或模型的改變來實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

（6）利用高爐沖渣水余熱。高爐冶煉中爐渣溫度高達(dá)1500℃，所以冷卻渣沖洗水含大量熱能，這些熱能的回收利用可作為給排水設(shè)計(jì)的一個(gè)重要節(jié)能方向。但會(huì)有很多雜質(zhì)存在洗渣水中，無法直接利用。因此應(yīng)實(shí)施換熱處理，處理后，居民可用這部分熱能取暖，也可用于發(fā)電，換熱后的水可持續(xù)當(dāng)做沖渣水，進(jìn)而形成較完整的循環(huán)，有效實(shí)現(xiàn)高爐余熱的充分利用。對(duì)于高爐渣，其余的熱量趨勢有兩部分，首先，利用沖渣水蒸發(fā)。其次，利用水的蒸發(fā)帶入大氣。高爐換熱處理后，會(huì)使余熱始終保持在穩(wěn)定情況下，并使沖渣水流出高爐溫度適中不改變。