短流程鋼廠水處理工藝及集控設(shè)計(jì)探討

林女玉

（中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 400013）

電爐短流程鋼廠主要以廢鋼為原料來(lái)源，通常只有電爐、連鑄、連軋等主體工藝生產(chǎn)線，工藝流程非常緊湊[1]，是相對(duì)于以鐵礦石為主要原料，含采礦-原料場(chǎng)-燒結(jié)-球團(tuán)-焦化-煉鐵-煉鋼-連鑄-軋鋼等常規(guī)的全流程鋼廠而言的。電爐短流程鋼廠占地面積小、建設(shè)周期短、總投資低，在環(huán)保、市場(chǎng)適應(yīng)性等方面有較明顯的優(yōu)勢(shì)，也一直受到鋼企的重視和關(guān)注。但電爐生產(chǎn)中耗電量高、廢鋼加工成本高、耗水大，在一定程度上制約了電爐的發(fā)展。目前，我國(guó)電爐短流程鋼鐵廠并未大規(guī)模發(fā)展，2015年我國(guó)短流程煉鋼占比為6.41%，僅為全球平均水平的1/4。近年來(lái)，鐵礦石的短缺成為鋼企生產(chǎn)的致命環(huán)節(jié)，隨著綠色高效電爐的研究取得了實(shí)質(zhì)性的成果、廢鋼市場(chǎng)的不斷成熟，以及全廠集控要求不斷提高，我國(guó)電爐煉鋼又受到大量鋼企的青睞。

水作為鋼鐵廠必不可少的生產(chǎn)介質(zhì)，在生產(chǎn)過(guò)程中的作用無(wú)可替代。在短流程鋼廠中，大量的水用于工藝設(shè)備的冷卻，約占全廠總用水量的90%以上。同時(shí)，鋼廠對(duì)水的品質(zhì)要求也高，均需建設(shè)自成體系的一套給排水系統(tǒng)。鋼廠水處理一般含3個(gè)板塊的內(nèi)容，即單元內(nèi)部循環(huán)水處理、全廠管網(wǎng)、中央水處理廠，其最終的目的均是為工藝生產(chǎn)提供合格的水源，并將生產(chǎn)帶入水中的熱量、廢油、雜質(zhì)從系統(tǒng)中去除，從而提高水資源的重復(fù)利用率。

一直以來(lái)，鋼鐵企業(yè)致力于鋼企整體解決方案的研究，近年來(lái)，智能制造、“一鍵操作”等對(duì)工藝流程及輔助設(shè)施的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。本文的短流程鋼廠水處理設(shè)計(jì)，是以現(xiàn)代綠色高效電爐短流程智能化鋼廠為服務(wù)對(duì)象，并將傳統(tǒng)的中央水處理、全廠管網(wǎng)、單元循環(huán)水處理融合設(shè)計(jì)，把合理利用場(chǎng)地、優(yōu)化物流路線、提高水資源的重復(fù)利用率、廢水零排放當(dāng)作目標(biāo)。

水處理設(shè)計(jì)作為短流程鋼廠整體智能化設(shè)計(jì)的重要組成部分，它以全廠智能化為依托，主體架構(gòu)需緊密結(jié)合鋼廠工藝生產(chǎn)的需求。因此，水處理設(shè)計(jì)的目的是為智能制造服務(wù)，在水處理工藝設(shè)計(jì)，需要與工藝設(shè)備的總體設(shè)計(jì)要求處于統(tǒng)一的平臺(tái)上，與主體生產(chǎn)流程協(xié)同開(kāi)發(fā)，最終得到既能適應(yīng)生產(chǎn)需求，又符合水處理操作習(xí)慣和發(fā)展趨勢(shì)的短流程鋼廠水處理設(shè)計(jì)方法。

1 短流程鋼廠給排水工藝設(shè)計(jì)背景

常規(guī)鋼廠的給排水設(shè)施是個(gè)分散復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)，由于系統(tǒng)比較分散，操作人員無(wú)法兼顧，人力成本也一直居高一下。各單元之間也難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的水量平衡。生產(chǎn)廢水的收集路線長(zhǎng)、廢水流行過(guò)程中增加不少污染，同時(shí)由于用戶分散，廢水回用的輸送成本也高。最重要的是分散的水處理系統(tǒng)，給全廠集中控制及正在蓬勃發(fā)展的智能化也帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。

本文中所述短流程鋼廠是一座擬建的年產(chǎn)150萬(wàn)年噸鋼材的電爐-連鑄-棒材短流程鋼廠，工藝設(shè)備主要包括1座150t高效電爐+1座150tLF爐、1臺(tái)5機(jī)5流小方坯連鑄機(jī)、1條直軋式棒材軋制生產(chǎn)線，配套設(shè)施有智能化廢鋼料場(chǎng)、制氧站、空壓站、除塵設(shè)施、水處理設(shè)施。水處理系統(tǒng)主要為該生產(chǎn)線及公輔設(shè)施提供合格的冷卻水，并將產(chǎn)生的污廢水處理后回用。設(shè)備用水量需求見(jiàn)表1、表2。

表1 電爐連鑄工藝設(shè)備用水量表

表2 軋鋼工藝設(shè)備用水量表

根據(jù)上表中各工藝設(shè)備的用水要求，擬從廠外引入2路市政給水作為水源，并在新建的廠內(nèi)設(shè)有間接冷卻水系統(tǒng)、直接冷卻水系統(tǒng)、廢水處理及回用系統(tǒng)、污泥處理系統(tǒng)、安全供水系統(tǒng)以及相應(yīng)的供排水管網(wǎng)。各系統(tǒng)的處理規(guī)模詳見(jiàn)表3。

表3 水處理系統(tǒng)處理規(guī)模

循環(huán)水系統(tǒng)的循環(huán)率為98%，全廠補(bǔ)充新水平均為287m3/h，年工作時(shí)間為7200h，產(chǎn)品耗新水量為1.38m3/t.鋼材。

2 水處理工藝設(shè)計(jì)研究

2.1 工藝設(shè)計(jì)措施

該短流程鋼廠水處理采取下列技術(shù)措施，以達(dá)到短流程鋼廠節(jié)能、環(huán)保、智能生產(chǎn)的總體目標(biāo)。

（1）在全廠范圍內(nèi)集中設(shè)置一處水處理中心，該水處理中心涵蓋了煉鋼-連鑄-軋鋼各主體工藝所需的循環(huán)水處理、生產(chǎn)廢水處理及回用，僅需從廠外接入二路市政給水，廠內(nèi)所需的高品質(zhì)水由水處理中心制備，并實(shí)現(xiàn)廢水零排放。水處理工藝及控制全廠統(tǒng)一規(guī)劃、集中布置。

（2）連鑄、軋鋼鐵皮溝匯總后共用一座旋流池，后續(xù)的濁環(huán)水設(shè)施合并設(shè)置。濁環(huán)水處理采用旋流池和承壓式一體化濁水凈化裝置組合的工藝，不設(shè)中間水池提升。

（3）采用串級(jí)給水，濁環(huán)水系統(tǒng)接受凈環(huán)水系統(tǒng)的全部排污水，濁環(huán)排污水排入廢水處理，減少系統(tǒng)補(bǔ)充新水量。

（4）直接冷卻水系統(tǒng)的排污水經(jīng)過(guò)預(yù)處理、超濾及反滲透處理后回用至連鑄除鹽水循環(huán)系統(tǒng)。

（5）反滲透產(chǎn)生的濃鹽水經(jīng)過(guò)二級(jí)反滲透減量后回用至電爐爐渣處理及電爐除塵灰加濕，實(shí)現(xiàn)廢水零排放。

（6）系統(tǒng)中設(shè)水質(zhì)穩(wěn)定智能加藥裝置，根據(jù)水質(zhì)、水量、管道腐蝕程度等自動(dòng)投加水質(zhì)穩(wěn)定劑；濁環(huán)水系統(tǒng)設(shè)自動(dòng)加藥裝置和智能礬花視鏡，根據(jù)水力混合罐中礬花的狀態(tài)自動(dòng)投加PAC、PAM。

（7）各水池水位、供水泵組流量、壓力、水溫、水質(zhì)設(shè)有在線監(jiān)測(cè)儀表，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均可上傳至集控中心。

（8）主要用電設(shè)備設(shè)有電流、溫度、振動(dòng)等檢測(cè)點(diǎn)，數(shù)據(jù)均可遠(yuǎn)傳。

（9）建立水量平衡模型，對(duì)生產(chǎn)用水狀態(tài)進(jìn)行模擬，調(diào)節(jié)水量平衡。

2.2 工藝設(shè)計(jì)方案

（1）間接冷卻水系統(tǒng)。間接冷卻水系統(tǒng)包括連鑄除鹽水循環(huán)系統(tǒng)和凈環(huán)水系統(tǒng)。根據(jù)電爐、連鑄、軋鋼同時(shí)生產(chǎn)的特點(diǎn)，在間接冷卻水工藝設(shè)計(jì)中，除連鑄結(jié)晶器除鹽水系統(tǒng)外，將電爐煉鋼、連鑄、軋鋼、配套的制氧及空壓站設(shè)備間接冷卻水集中建一套凈環(huán)水系統(tǒng)，并根據(jù)用戶對(duì)壓力的要求，共設(shè)置2組供用戶的水泵及管路，一組的供水壓力為0.5MPa，另一組為0.35MPa。回水管、冷卻塔、凈環(huán)水的冷水池等設(shè)施共用。通過(guò)組合水泵數(shù)量、管道量均大大減少。與常規(guī)分用戶設(shè)供水泵組對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 凈環(huán)水系統(tǒng)配置對(duì)比表

運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)建立水量平衡模型，凈環(huán)水系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)補(bǔ)水、循環(huán)水供水水質(zhì)調(diào)整凈環(huán)系統(tǒng)的濃縮倍數(shù)，使凈環(huán)水系統(tǒng)能根據(jù)循環(huán)水質(zhì)自動(dòng)補(bǔ)水及排污，凈環(huán)水系統(tǒng)的排污水作為直接冷卻水系統(tǒng)的補(bǔ)水。

（2）直接冷卻水系統(tǒng)。連鑄、軋鋼集中設(shè)置一套直接冷卻水處理系統(tǒng)。連鑄鑄坯二次噴淋冷卻水及設(shè)備直接冷卻水、軋鋼設(shè)備直接冷卻水先回至各自的鐵皮溝，再匯集到一個(gè)旋流沉淀池進(jìn)行沉淀。旋流沉淀池處理后的水用泵送至承壓式濁環(huán)水一體化處理裝置進(jìn)行處理，處理后的水冷卻后存入冷水池，再泵送用戶循環(huán)使用。旋流池與冷水池不設(shè)中間水池及加壓環(huán)節(jié)。在旋流池投加PAC藥劑，在承壓一體化處理裝置的水力混合罐投加PAM，并設(shè)礬花視鏡，運(yùn)行中根據(jù)礬花的狀態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)PAC、PAM的投加量。直接冷卻水系統(tǒng)接收凈環(huán)水系統(tǒng)的全部排污水，并根據(jù)在線檢測(cè)的新水補(bǔ)水、凈環(huán)排污水水質(zhì)，調(diào)整直接冷卻水系統(tǒng)的濃縮倍數(shù)，設(shè)定直接冷卻水系統(tǒng)排污水質(zhì)限值，使直接冷卻水系統(tǒng)根據(jù)循環(huán)水水質(zhì)自動(dòng)排污。

（3）廢水處理及回用。廢水預(yù)處理及回用主要包括預(yù)處理和深度處理，廢水預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)置于直接冷卻水系統(tǒng)附近，以便就近接收直接冷卻水系統(tǒng)的排污水。廢水深度處理系統(tǒng)采用“超濾+反滲透”工藝，其產(chǎn)水大部分供給連鑄除鹽水循環(huán)系統(tǒng)補(bǔ)水，剩余補(bǔ)入凈環(huán)水系統(tǒng)。廢水反滲透產(chǎn)生的濃水采用濃水反滲透、SW反滲透進(jìn)一步處理，產(chǎn)水進(jìn)入除鹽水池，最終產(chǎn)生的濃水送至電爐渣處理、電爐除塵灰處理等用戶回用消納，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)廢水零排放。由于直接冷卻水排污廢水集中排放，且無(wú)需設(shè)置管網(wǎng)收集，廢水預(yù)處理僅需設(shè)置機(jī)械攪拌澄清池、中間水池及提升泵站、多介質(zhì)過(guò)濾單元，無(wú)需設(shè)置格柵、調(diào)節(jié)池及一級(jí)提升泵站。

廢水深度處理產(chǎn)品出水滿足連鑄除鹽水系統(tǒng)的補(bǔ)水要求，當(dāng)直接冷卻水系統(tǒng)排污量不能滿足除鹽水產(chǎn)水要求時(shí)，需向中間水池補(bǔ)充生產(chǎn)新水，以實(shí)現(xiàn)全廠水量平衡。此時(shí)濃鹽水可選擇不進(jìn)行SW反滲透處理。SW反滲透產(chǎn)生的濃鹽水設(shè)置調(diào)節(jié)池儲(chǔ)存，不設(shè)置提升泵站及管網(wǎng)，定時(shí)或根據(jù)電爐渣、電爐除塵灰處理系統(tǒng)的需求用罐車(chē)送至用戶使用。

（4）污泥處理系統(tǒng)。直接冷卻水系統(tǒng)中承壓式一體化處理裝置排泥水、廢水預(yù)處理排泥水合并設(shè)置一套污泥處理系統(tǒng)。污泥脫水選擇離心分離或帶式壓濾機(jī)，能接受含水率~98%泥漿進(jìn)行脫水，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)作及無(wú)人值守。

3 水處理集中控制設(shè)計(jì)

水處理系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)主要包括物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、視聯(lián)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、設(shè)施監(jiān)控以及云平臺(tái)的設(shè)計(jì)，集中控制是智能化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。水處理集控包括設(shè)施實(shí)時(shí)監(jiān)控、能耗監(jiān)控、水量平衡監(jiān)控等三方面的內(nèi)容。設(shè)施監(jiān)控主要是通過(guò)對(duì)水處理流程中流量、壓力、水質(zhì)的檢測(cè)、水池液位及系統(tǒng)中藥劑濃度等檢測(cè)，監(jiān)控各供水泵組、污染物去除設(shè)備、加藥設(shè)備等的運(yùn)行狀態(tài)，并以數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)傳輸給控制層，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

能耗監(jiān)控主要是通過(guò)對(duì)用電設(shè)備的電流、運(yùn)行效率、單耗進(jìn)行分析，對(duì)藥劑的耗量與水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而指導(dǎo)優(yōu)化泵房機(jī)組的搭配，減少藥劑的投加，從而降低整體能耗。

水量平衡監(jiān)控主要是通過(guò)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)、環(huán)境溫度實(shí)施監(jiān)測(cè)、間冷和直冷系統(tǒng)的排污量及補(bǔ)水量數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，建立廢水排污及水量平衡模型，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)水量。由于系統(tǒng)中設(shè)備用戶點(diǎn)多、配管復(fù)雜，設(shè)備及管網(wǎng)漏損、冷卻塔的蒸發(fā)飄散等水量的真實(shí)詳情很難了解，同時(shí)循環(huán)水溫度、系統(tǒng)的蒸發(fā)量受環(huán)境溫度的變化影響很大，系統(tǒng)損失的水量通常也無(wú)法準(zhǔn)確估算。水量平衡模型可采用系統(tǒng)考核表法、設(shè)定濃縮倍數(shù)法等進(jìn)行分系統(tǒng)的水量平衡分析，以查明不同系統(tǒng)的漏損量、蒸發(fā)量及設(shè)備損耗水量。比如，對(duì)于除鹽水閉路循環(huán)，損失的水量主要為管網(wǎng)與設(shè)備的漏損；對(duì)于凈環(huán)水和濁環(huán)水系統(tǒng)，除管網(wǎng)和設(shè)備的漏損，系統(tǒng)損失的水量主要為冷卻塔蒸發(fā)和飄水、產(chǎn)品接觸水后帶走的水、滲漏和排污四種。

4 結(jié)論與展望

本文所述短流程鋼廠水處理工藝設(shè)計(jì)，規(guī)避了常規(guī)鋼廠水處理設(shè)計(jì)的一些缺點(diǎn)，也密切結(jié)合了電爐短流程鋼廠自身的特點(diǎn)。通過(guò)前文的論述可見(jiàn)，對(duì)于電路短流程鋼廠，將全廠所有工藝設(shè)備所需的間接冷卻水處理系統(tǒng)、直接冷卻水處理系統(tǒng)、污泥處理系統(tǒng)、廢水處理及回用集中至廠內(nèi)合理的位置統(tǒng)一處理是可行的。該工藝設(shè)計(jì)方法在縮短水處理工藝流程、提高水資源的重復(fù)利用、實(shí)現(xiàn)廢水零排放、節(jié)約用地、實(shí)現(xiàn)全廠集中控制及智能化、節(jié)省工程投資等方面優(yōu)勢(shì)明顯，適用于建設(shè)在城市或工業(yè)園區(qū)內(nèi)的電爐短流程鋼鐵廠水處理新建、改造項(xiàng)目。

另外，水處理集控是短流程鋼廠智能制造整體解決方案中不可或缺的組成部分，推進(jìn)水處理系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)是技術(shù)發(fā)展必然趨勢(shì)，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)和可行性也是不言而喻的。