转炉烟气净化污水处理系统设计探讨

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简介： 本文结合该工程实例及投产后的运行实测数据，通过了解主体工艺的重要性、污水处理系统工艺流程、设备的设置与设计要点等几方面对转炉烟气净化污水处理系统设计进行探讨。
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　　 本文结合该工程实例及投产后的运行实测数据，通过了解主体工艺的重要性、污水处理系统工艺流程、设备的设置与设计要点等几方面对转炉烟气净化污水处理系统设计进行探讨。

　　 1 工程简介

　　 1.1 烟气净化设施对用水的要求

　　 给水水量：400m³/h·炉×2炉

　　 给水水压：0.4MPa

　　 给水水温：≤50℃

　　 给水水质：悬浮物<100mg/l、PH=6.5～8.5、硬度<10dH

　　 给水制度: 连续

　　 1.2 烟气净化后排水的特性

　　 排水水压：无压

　　 排水水温：≌62℃

　　 排水含尘：～35g/kg

　　 1.3 烟气净化污水处理系统工艺流程

　　 1.4 污水处理设备设计参数

　　 高架流槽采用钢制圆底矩形流槽，B=800mm，i=0.015，v=2.20m/s，h/B=0.26。

　　 粗颗粒分离机采用2台，型号为CFJ-600，单台最大处理水量Q=1332m³/h，转速1.8～8.5r/min，功率N=11kW。

　　 斜板沉淀池采用8格，型号为HB-250，单台沉淀面积为35m²，设计表面负荷q=3m³/m²·h，设计出水悬浮物≤100mg/l。斜板沉淀池螺旋输泥机直径Φ600mm，转速n=5.2r/min，电机功率N=5.5kW。排泥采用气力提升，排泥能力0.8m³/min（含水率60～70%），压缩空气耗量8m³/min，压缩空气压力0.6MPa。

　　 水泵采用3台，型号为10SAP-6A，单台流量Q=400m³/h，扬程H=86m。配JS126-4型电机，功率N=225kW。

　　 加药装置采用4套，分别为FYZ-2/10/2/50-1型粉体（PAM）加药装置1套，JYW-3B型液体（阳离子）加药装置1套，JYW-3A型固体（Na₂CO₃）加药装置1套，JYW-2H型液体加药装置1套，均配有溶解槽或配制槽、储液槽、主要附件、计量泵或药剂投加泵。

　　 1.5 污水处理系统运行实测数据

　　 目前两座转炉生产，实测给水水量810～880m³/h，给水水压0.85～0.82MPa，给水水温40℃左右。粗颗粒分离机分离出的粗颗粒为污水中总烟尘含量的18～20%(重量比)。斜板沉淀池进水悬浮物2000～3000mg/l（较少瞬时8000mg/l），出水悬浮物40～50mg/l（较少瞬时>100mg/l）。一文排水水温68～75℃，二文排水水温58～65℃。系统中投加了PAM混凝剂和SN-103缓蚀阻垢剂。

　　 从以上运行数据看，该工程转炉烟气净化污水处理系统设计是成功的，工艺流程是合理的，达到了设计的预期目标。但烟气净化污水处理在工程设计中被认为是钢铁厂所有污水处理难度较大的一种，主要是转炉烟气净化污水的水质与冶炼钢种、铁水含碳量的高低、加料情况、吹氧强度、吹炼时间、烟气净化方式等因素有关，在转炉冶炼和烟气净化过程中，污水含尘量、温度、烟尘粒度等也就不断变化而增加了污水的处理难度。因此要成功地做好污水处理系统设计，确定合理的工艺流程和设备设计参数，还要对主体工艺生产过程深入了解。

　　 2 转炉烟气净化主体工艺生产过程

　　 2.1 转炉烟气的产生与回收价值

　　 转炉烟气的产生主要来自转炉的吹炼过程铁水中碳的氧化而产生的大量气体，在吹炼中还要加入造渣剂如石灰及冷却剂等。一般设计参考资料上表明，转炉烟气中CO的含量约为70%左右，含尘量为金属炉料的1～2%，其主要成分是FeO、Fe₂O₃，颗粒粒径大部分为10～30μm。而CO可通过净化回收成为可燃烧的转炉煤气，氧化铁粉可送烧结厂作高炉原料或采用炭化成球法作转炉的冷却剂，这就是转炉烟气净化与回收的主要原因。

　　 转炉烟气净化与回收既变废为宝、回收能源，也是减少环境污染的重要措施。据国内生产实测数据，一般转炉每炼一吨钢，可回收CO含量60%左右的转炉煤气60nm³，含铁量60%的氧化铁粉尘10～20kg，蒸汽60～70kg。

　　 2.2 转炉烟气净化的方式

　　 转炉烟气净化的方式有燃烧法和未燃法。燃烧法是将烟气充分燃烧后净化放散处理。未燃法是设法用可以升降的活动烟罩和控制抽气量的调节装置，使烟气在收集过程中尽量不燃烧或燃烧量处于低限，以回收煤气，综合利用。现在转炉烟气净化的方式一般采用未燃法。

　　 未燃法净化与回收煤气，不是在转炉整个吹炼期都能回收，在吹炼初期即前烧期和吹炼末期既后烧期的数分钟内，烟气发生量少且CO含量低，回收时间只取中间的一段既回收期，前后两段烟气与一定比例的空气混合燃烧后净化放散。

　　 未燃法产生的污水由于烟气中CO₂难溶于水，对污水PH值影响较小，但冶炼中加入石灰粉料，使PH值增高呈碱性，烟尘粒度相对较粗，污水呈黑褐色，难以沉淀。

　　 2.3 转炉烟气净化的过程

　　 在转炉烟气净化的生产过程中，文氏管起着降低烟气温度与除去烟气含尘的作用，是主要用水点。一级文氏管也称降温文氏管，主要是蒸发降温和除去较粗的尘粒，使烟气温度从900℃降至72℃。二级文氏管也称除尘文氏管，主要是喷水雾化除去细尘和冷凝降温，为满足除尘风机的运行要求，烟气温度需从65℃降至53℃。

　　 从以上叙述不难得出，转炉烟气净化污水处理中必须解决的关键问题：一是污水中含尘量即悬浮物的去除，二是污水温度的降低，三是水质稳定。

　　 3 污水处理系统工艺流程探讨

　　 3.1 设置粗颗粒分离机的必要性

　　 转炉烟气净化污水中含有一定量的粒径较大的颗粒，据有关资料记载，有些颗粒粒径大于1mm。下表为污水中悬浮物颗粒粒径组成分析：

粒径(μm)_{>100100-6060-4040-3030-2020-10<10}%(重量)_871015242016

　　 粗颗粒分离机运用先是在某工程中从国外引进，主要去除污水中悬浮物粒径≥60μm的颗粒，表中这部分颗粒占15%以上，运行实测数据也证实了这一点。

　　当然，在有的转炉烟气净化污水处理工程中没有使用粗颗粒分离机，如合肥钢铁公司转炉工程其实测出水悬浮物为50～72mg/l，处理效果也很好。但不去除粒径≥60μm的这部分颗粒，将对后续沉淀设施增加了处理负荷，也增加了污泥脱水处理量，影响了沉淀设施出水水质和增大了污泥处理系统的运行费用。

　　 3.2 沉淀设施型式的选择与污泥气力提升

　　 去除转炉烟气净化污水中的悬浮物可采用竖流式沉淀池、辐射式沉淀池、斜板沉淀池。

　　 竖流式沉淀池直径不宜过大，处理负荷较低，适应小水量处理，这种池型对水质、水量变化的适应性也较差，实际工程中一般较少使用。辐射式沉淀池耐冲击负荷，出水水质相对比较稳定，但处理负荷也较低，圆形池体直径较大，易受占地的限制，一般2个辐射式沉淀池中1个池子检修时，另1个池子要承担100%的处理水量，使出水水质下降。辐射式沉淀池沉淀下来的污泥含水率在80～95%之间，一般需经浓缩池浓缩后方可进行污泥脱水处理，显然增加了工程投资。从目前国内有关转炉烟气净化污水处理中采用这两种池型的运行情况看，处理效果均不够理想。

　　 斜板沉淀池的基本原理是应用了浅池沉淀理论，具有停留时间短（一般为8min）、沉淀效率高（一般为98%以上）、沉淀面积小、适应原水水质变化范围大、便于维护管理等优点。斜板沉淀池外形为矩形，可单格或多格组合使用，有适应因处理水量变化而产生冲击负荷的承受能力。斜板沉淀池沉淀下来的污泥，其含水率一般在60～70%之间或更低，不需经过浓缩池浓缩，可直接送污泥处理系统进行脱水处理。对于改造工程，斜板沉淀池更有占地小的优越性。

　　 对于斜板沉淀池的排泥问题，一直是实际工程使用中和工程设计时争论的焦点问题。在平炉改转炉工程中斜板沉淀池通过螺旋输泥机和气力提升器排泥并送到高位贮泥罐，经调试测定和实际运行已取得了良好的效果和经验。气力提升器所使用的压缩空气压力并不是越高越好，一般在0.4MPa即可，而污泥的提升量与所供给的压缩空气量有着直接的关系。采用气力提升可使斜板沉淀池的排泥达到自动控制的要求。

　　 3.3 烟气净化污水处理系统中是否设置冷却塔

　　 转炉烟气净化污水处理系统中是否设置冷却塔是工艺流程设计中的重要环节。平炉改转炉工程中没有设置冷却塔，设计中考虑让污水在处理设备及构筑物中自然冷却来满足烟气净化给水温度的要求，从实测运行数据给水水温40℃左右看也的确满足了供水的要求，但在实际运行中加入了较大量的补充水。

　　 某工程烟气净化污水处理系统中也没有设置冷却塔，但设计有调节池、大沉淀面积的辐射式沉淀池和大面积的敞开式吸水井。因为自然冷却是利用与空气接触，通过蒸发散热、对流传热、辐射传热等方式来降低水温的，采用自然冷却在工程设计中应详细计算。

　　 转炉烟气净化污水处理系统中是否设置冷却塔，关键还在于烟气净化主体工艺中除尘风机对温度的适应能力，以及贮气装置对回收的煤气温度的要求。某工程中除尘风机和贮气装置对温度有较强的适应能力，平炉改转炉工程中通风专业主体工艺没有充分考虑实际运用设备的适应能力而参照了某工程的模式，出现了上面叙述的问题。从此也得出污水处理系统工艺流程设计的成功与否和深入了解主体工艺有着密切的关系。

　　 目前，平炉改转炉工程烟气净化污水处理系统中正在考虑增加冷却塔的问题。在以往工程中设置了冷却塔，由于污水含尘量较大经长期运行后会发生冷却塔填料被堵塞而导致冷却塔不能使用的情况，现已设计出了无填料冷却塔解决了这个问题。

　　 3.4 烟气净化污水的水质稳定

　　 烟气净化污水的水质稳定是满足烟气净化设施的用水要求和使污水循环系统长期稳定地运行必不可少的重要环节。未燃法产生的污水由于烟气中CO₂难溶于水，溶于污水中的CaO多，使污水中硬度增高，而导致烟气净化设备和污水处理设备严重结垢，影响了生产的正常运行。

　　 在烟气净化污水中，投加Na₂CO₃使污水中钙硬度保持在1mg-N/l左右，生产运行实践证明是达到防垢目的和保证水质稳定的重要措施，其化学反应式如下：

　　 Ca(OH)₂+Na₂CO₃→CaCO₃↓+2NaOH

　　 2NaOH+CO₂→Na₂CO₃+H₂O

　　 Na₂CO₃+ CO₂+H₂O→2NaHCO₃

　　 Ca(OH)₂+2NaHCO₃→CaCO₃↓+Na₂CO₃+2H₂O

　　 从上面的化学反应式可以看出， Na₂CO₃能通过直接和间接两种方式吸收污水中CO₂，其本身只起中间作用，一次性投加就会有很好的运行效果。平炉改转炉工程烟气净化污水处理系统调试运行中根据系统总水量投加了Na₂CO₃，目前在系统中投加一定量的新型SN-103缓蚀阻垢剂，运行效果良好。

　　 4 设备的设置与设计要点

　　 4.1 粗颗粒分离机电机需变频调速

　　 在平炉改转炉工程中粗颗粒分离机调试时，由于电机转速过快，无轴螺旋体与U形槽体间摩擦力较大，又因减速机斜装内部润滑油不充满，致使粗颗粒分离机不能正常运行及减速机摩损较大，且分离出的粗颗粒含水率高。

　　 设计中曾考虑了粗颗粒分离机电机的变频调速，因工程投资问题被减掉。调试后，加装了日本YASKAWA公司的CIMR-G5A4011型电机变频调速装置，电压400v、功率11kW，生产运行正常。因此，粗颗粒分离机的电机必须有变频调速装置，且在运行过程中能更好地适应污水中含尘量及含尘粒径的变化。

　　 4.2 斜板沉淀池排泥总管的设计

　　 在目前国内有关转炉烟气净化工程和平炉改转炉工程转炉烟气净化的实际生产过程中，实测污水中含尘量已达到金属炉料的3%或更高，这就说明斜板沉淀池中沉淀下来的污泥量已增加，排泥周期缩短，对一根DN100的排泥总管已不能满足实际生产运行的要求。平炉改转炉工程中已增加了一根DN100的排泥总管。

　　 所以在以后类似工程的设计中应充分考虑烟气净化污水中含尘量的问题，这也是沉淀构筑物设计负荷确定的依据。

　　 4.3 供烟气净化设施水泵台数的确定

　　 转炉烟气净化污水处理系统的处理水量宜按工程最终规模时的转炉座数考虑。相应为使对烟气净化设施给水水量及压力的供给稳定，应尽量采用一炉一泵的原则。为了满足烟气净化设施用水量变化的要求，可采取流量调节的措施。

　　 5 主要结论

　　 水处理系统设计要对主体工艺生产过程进行深入了解，设计出的系统应真正对主体工艺的用水设施提供符合水量、水压、水温、水质要求的供水，并能满足其生产过程中复杂多变的状况。

　　 转炉烟气净化污水处理系统中设置粗颗粒分离机是必要的，其电机应采取变频调速措施。对于实际工程，斜板沉淀池设计负荷的确定要充分考虑污水中含尘量占金属炉料的比例，系统中是否设置冷却塔要根据烟气净化主体工艺的要求来考虑。对处理系统还应做好相应的技术经济分析和比较。