某鋼管生產(chǎn)線循環(huán)水系統(tǒng)旋流沉淀池的設(shè)計(jì)

閆文琪，惠娟，王亞星

（太原重工工程技術(shù)有限公司，太原 030024）

1 引言

鋼管熱軋過程中，含氧化鐵皮的污水，以重力流方式沿切線方向進(jìn)入旋流沉淀池。污水在池內(nèi)旋轉(zhuǎn)下降，然后穩(wěn)流上升，大塊鐵皮進(jìn)入沉淀池后，立即下沉。其他顆粒隨著水流的旋轉(zhuǎn)和上升被卷入沉淀池中央，大部分沉降，小部分較細(xì)顆粒被水流帶出。沉淀的顆粒用抓斗抓出。旋流沉淀池具有清渣方便、節(jié)約用地、沉淀效率高的優(yōu)勢，在許多軋鋼廠中均有應(yīng)用[1-6]。旋流沉淀池深度大，土建成本較高，因而合理設(shè)計(jì)旋流池的深度、內(nèi)徑等尺寸，滿足使用的同時(shí)，可以盡可能地降低一次投資，為業(yè)主帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。

某企業(yè)新建一條φ114 mm 連軋管生產(chǎn)線需配套新建循環(huán)水系統(tǒng)，采用旋流沉淀池作為循環(huán)水處理的一個(gè)環(huán)節(jié)，去除其中的大量氧化鐵皮，滿足后續(xù)水處理工藝及生產(chǎn)線水質(zhì)需求。

2 設(shè)計(jì)處理水量及要求

根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，設(shè)計(jì)水量為1 510 m3/h，進(jìn)水氧化鐵皮含量為1 000 mg/L，出水氧化鐵皮含量為50 mg/L，處理效率為95%。經(jīng)旋流沉淀池處理后的水一部分由泵組1 返送回沖渣溝沖渣使用，另一部分經(jīng)泵組2 送至濁環(huán)水處理系統(tǒng)進(jìn)一步除油、除鐵、降溫，達(dá)到循環(huán)水水質(zhì)要求后供生產(chǎn)線使用。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算與設(shè)備選型

根據(jù)GB 50721—2011《鋼鐵企業(yè)給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，沉淀池表面負(fù)荷q=20 m3/(m2h)，沉淀時(shí)間t=10 min，沉渣斗容積按1 d 抓取1 次考慮。根據(jù)旋流沉淀池進(jìn)水流向，其構(gòu)造形式可分為上旋式和下旋式，按進(jìn)水位置可分為中心筒進(jìn)水、外旋式進(jìn)水。可根據(jù)需要選用帶斜管除油式[7]。通過比較各個(gè)旋流沉淀池的優(yōu)劣及項(xiàng)目處理水量等實(shí)際情況，此次設(shè)計(jì)選用中心筒進(jìn)水、下旋式旋流井。下旋式旋流沉淀池包括中心筒旋流區(qū)、外環(huán)沉淀區(qū)及吸水井和泵站3 部分。

3.1 主要尺寸

3.1.1 中心筒直徑

中心筒直徑由抓渣斗最大張開尺寸加安全距離確定。該設(shè)計(jì)選取0.5 m3抓斗，中心筒直徑取3.5 m。

3.1.2 沉淀面積及沉淀池內(nèi)徑

沉淀池面積由中心筒面積和外環(huán)面積組成。

式中，F(xiàn) 為沉淀池總面積；F1為中心筒面積；Q 為進(jìn)水量，1 510 m3/h；q0為沉淀池表面負(fù)荷，20 m3/(m2·h)；φ 為布水不均勻系數(shù)，取0.6。

抓斗0.5 m3，中心筒直徑取3.5 m，則F=1510/20/0.6+3.14×3.52/4=135.5 m2。

3.1.3 沉淀池高度/深度

式中，q 為沉淀池表面負(fù)荷，20 m3/ (m2·h)；t 為沉淀時(shí)間，10 min。

式中，D 為沉淀池內(nèi)徑。

沉渣高度需首先確定每天的沉渣量、清渣周期和清渣設(shè)備的工作時(shí)間。按照進(jìn)出水氧化鐵皮含量之差乘以處理水量確定，按照每天清渣一次考慮，則沉渣高度即為24 h 氧化鐵皮沉淀堆積形成的高度h3=3.00 m。

入口標(biāo)高作用水頭h4=0.5 m。

則從沖渣溝入口到沉淀池內(nèi)底的深度為h=h1+h2+h3+h4=3.33+2.03+3+0.5=8.86 m。

根據(jù)主廠房內(nèi)沖渣溝設(shè)計(jì)坡度，旋流池入口處沖渣溝內(nèi)底標(biāo)高為-5.30 m，則沉淀池內(nèi)底高度為-14.16 m，取-14.6 m。

3.1.4 水泵間地坪標(biāo)高

水泵間地坪標(biāo)高由旋流池工作水位、停電后形成的水位高度、保護(hù)高度決定。由于沖渣溝入口標(biāo)高為-5.3 m，最高水位為-5.7 m，正常工作水位為-6.2 m。根據(jù)設(shè)計(jì)手冊，泵房地面應(yīng)高出旋流沉淀池工作水位2 m。則泵房地面高度確定為-4.2 m。

3.1.5 吸水井容積

吸水井設(shè)置在旋流池內(nèi)，吸水井容積應(yīng)滿足5 min 處理水量要求。根據(jù)系統(tǒng)水量平衡，吸水井最小容積為1 510/60×5=125.83 m3，實(shí)際尺寸為3.14/4×(8.52-42)×(8.6-5.7)=128.05 m3。其中-8.6 m 為滿足水泵最大吸上真空高度的最低水位，-5.7 m為最高水位，8.5 m 和4 m 為吸水井外環(huán)和內(nèi)環(huán)直徑。

旋流沉淀池剖面圖如圖1 所示。

圖1 旋流沉淀池剖面圖

3.2 細(xì)節(jié)尺寸

3.2.1 吊裝孔

吊物孔尺寸應(yīng)按需起吊最大部件外形尺寸每邊放0.2 m以上。故按照水泵尺寸及布置，在泵房頂設(shè)計(jì)吊裝孔，滿足水泵安裝、檢修需要。

3.2.2 出水堰

沉淀區(qū)進(jìn)入吸水區(qū)的出水堰采用鋸齒形溢流堰板，使出水配水均勻。出水堰負(fù)荷取2.5 L/（m·s）。

3.2.3 檢修人孔

考慮到檢修吸水井和沉淀池的需要，設(shè)計(jì)內(nèi)、外2 個(gè)檢修人孔及相應(yīng)安全爬梯。

3.2.4 錐形池底斜度、導(dǎo)流板及護(hù)底鋼板

沉渣斗底部水平夾角不得小于50°[8]，設(shè)計(jì)手冊建議錐形池底斜度為50°～60°[9]。本次設(shè)計(jì)取55°。為使沉淀時(shí)的水流分布更加均勻，以及作為吸水井的結(jié)構(gòu)支撐，在旋流池底部設(shè)計(jì)8 片均布的導(dǎo)流板。同時(shí)為保護(hù)池底混凝土防止抓渣時(shí)對池底及周圍區(qū)域的損壞，在池底設(shè)護(hù)底鋼板。

3.2.5 入口格柵

入口格柵設(shè)于旋流池沖渣溝入口處，可以攔截大塊鐵皮和雜物，需安排工作人員定期巡檢和清理。入口格柵還可作為安全設(shè)施，防止不慎墜入沖渣溝，保護(hù)人員安全。設(shè)計(jì)進(jìn)水溝寬為600 mm，設(shè)計(jì)水深0.3 m，坡度i=0.04，設(shè)計(jì)流速v=4.0 m/s。滿足進(jìn)水管（渠）流速3～6 m/s 的要求。

3.3 主要設(shè)備

3.3.1 水泵選型

根據(jù)水量平衡及循環(huán)水處理工藝設(shè)計(jì)方案，泵房內(nèi)設(shè)2組水泵，泵組1 為沖渣水供水泵，泵組2 為濁環(huán)水處理供水泵。沖渣水泵1 用1 備，濁環(huán)水泵2 用1 備?？紤]水泵的工作環(huán)境，需選用耐磨耐腐蝕的材料以及IP55 等級的電機(jī)。備選的水泵類型有自吸泵、潛水泵和立式長軸泵?？紤]運(yùn)行穩(wěn)定及檢修方便，選擇自吸泵。

3.3.2 沖洗水管與排泥閥

旋流池長期使用后，吸水井會累積塵泥，因此，從沖渣水出水管接旁路沖洗水管，定期沖洗塵泥，并開啟排泥閥。設(shè)4個(gè)排泥閥及相應(yīng)啟閉機(jī)，定期清淤，保證出水水質(zhì)。

3.3.3 抓斗與起重設(shè)備

抓斗按沉渣量、清渣周期及時(shí)間，選擇0.5 m3抓斗。起重設(shè)備選擇門式桁架起重機(jī)配吊鉤、抓斗，起重量應(yīng)考慮抓斗自重、氧化鐵皮重量及抓斗出水瞬間的水面張力，綜合考慮選擇10 t 起重量。吊車規(guī)定至地面高度需合理確定，滿足抓斗出旋流池中心筒轉(zhuǎn)運(yùn)至渣池，并將渣池內(nèi)干渣裝至運(yùn)輸車輛。

3.3.4 事故排水閥

因沖渣溝在進(jìn)入旋流池時(shí)，渣溝頂與泵房地面標(biāo)高一致。為保障事故及在雨季極端天氣下泵房不被水淹沒，故設(shè)計(jì)事故排水閥及排出管。在泵組2 出水管設(shè)計(jì)旁路排出管，并采用與水位聯(lián)動的電動排水閥，當(dāng)水位上升至報(bào)警水位時(shí)，開啟泵組2 的備用泵，同時(shí)開啟旁路電動排水閥，將水及時(shí)排出至事故水系統(tǒng)，防止淹沒泵房。

3.4 其他附屬設(shè)施

3.4.1 渣池

渣池是配合沉淀池使用的重要構(gòu)筑物，用抓斗將沉淀池中的氧化鐵皮渣抓入渣池潷水。然后再定期用抓斗將瀝干的渣，抓入貨車外運(yùn)回用。

3.4.2 電氣室

電氣室可設(shè)在泵房上，也可以與其他給排水設(shè)施電氣室合建。設(shè)在泵房上時(shí)，為與旋流池保持外形一致，可設(shè)計(jì)為半圓形或圓形。本次設(shè)計(jì)與循環(huán)水泵房電氣室合建。

4 結(jié)語

本工程設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)范及手冊選擇參數(shù)，并根據(jù)其他學(xué)者的研究結(jié)論在細(xì)節(jié)方面進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)沖渣溝頂與泵房地面標(biāo)高一致，使沖渣溝檢修、清渣更方便，同時(shí)也考慮了沖渣溝的安全措施，能夠保證該旋流沉淀池安全、高效地運(yùn)行，保證生產(chǎn)線的用水水質(zhì)。因濁環(huán)水處理后續(xù)工藝采用化學(xué)除油罐，故旋流池設(shè)計(jì)時(shí)未考慮除油設(shè)施，今后工程項(xiàng)目可根據(jù)需要在沉淀區(qū)上部設(shè)置斜板除油等設(shè)施。還可將吸水井取消，增設(shè)吸水管支架與穿孔板，解決吸水井積泥問題[10]。

此外，旋流沉淀技術(shù)因其良好的沉淀效果與水流形態(tài)，在市政雨水處理、生活污水排水管件等方面已逐步應(yīng)用。