淺議鋼鐵企業濁循環冷卻水系統濃縮倍數選擇
摘要:濃縮倍數是循環冷卻水的含鹽濃度與補充水的含鹽濃度之比值。它是敞開式循環冷卻水系統日常運行中需要控制的一個很重要的控制和管理指標。《工業循環冷卻水處理設計規范》中關于濃縮倍數的要求僅適用于常規凈循環水系統，本文就鋼鐵企業濁循環冷卻水系統濃縮倍數的選擇進行了分析和探討，可作為相似工程中設計的借鑒和參考。
關鍵詞:鋼鐵企業 濁循環冷卻水系統 濃縮倍數 補充水 排污水
1.概述
濃縮倍數是循環冷卻水的含鹽濃度與補充水的含鹽濃度之比值。它是敞開式循環冷卻水系統日常運行中需要控制的一個很重要的控制和管理指標。濃縮倍數低，耗水量就大，排污水量也大，循環水相對不易結垢，水質穩定藥劑耗量低；反之，濃縮倍數高，耗水量就小，排污水量也小，循環水相對容易結垢，水質穩定藥劑耗量高。濃縮倍數大小的選擇對于實際工程中補充水量、排污水量的計算和設計具有指導意義。
鋼鐵企業濁循環冷卻水系統常用于煉鐵、煉鋼、連鑄、熱軋等單元的煤氣清洗、火焰切割、噴霧冷卻、精煉除塵等。濁循環冷卻水系統回水經加藥、混凝、沉淀、過濾處理后冷卻，不斷循環使用。冷卻水通過沉淀池構筑物、冷卻塔時不斷蒸發，循環水中的鹽類不斷被濃縮，含鹽量不斷增加。
在《工業循環冷卻水處理設計規范》中明確提出，敞開式系統循環冷卻水的設計濃縮倍數不宜小于3.0。根據以往的工程實際經驗，對于一般含鹽量的補充水，國內鋼鐵企業敞開式凈循環冷卻水的濃縮倍數一般控制在2~3之間，少數可達到4。但《工業循環冷卻水處理設計規范》中關于濃縮倍數的要求僅適用于常規凈循環水系統，不能適用于濁循環水系統。
本文通過對鋼鐵企業濁循環冷卻水系統的分析，對濁循環冷卻水系統的濃縮倍數的選擇進行了探討，可作為相似工程中設計的借鑒和參考。
2.濁循環冷卻水系統常規控制水質指標和濃縮倍數計算參照指標
在進行濃縮倍數的選擇時，首先要選取最重要的水質指標參數作為設定和計算濃縮倍數的參照值。
鋼鐵企業濁循環冷卻水系統常規控制水質指標包括懸浮物、pH、總硬度、堿度、Cl-、SO42+、全鐵、電導率、溫度等。考慮到濁循環水處理系統主要是去除在生產過程中進入水體的懸浮物并控制管道和設備的結垢，所以濁循環水系統一般以懸浮物和總硬度作為與濃縮倍數相關聯的最重要的水質指標參數。在以往實際工程濁循環水系統濃縮倍數的選擇和計算時，通常以懸浮物含量作為計算的指標。
本文在介紹濃縮倍數的具體計算時，也均以循環水懸浮物作為參照值。
3.濁循環冷卻水系統的特點及分析
與敞開式凈循環冷卻水系統相比，濁循環冷卻水系統具有以下特點：
第一，濁循環供水水質要求低于凈循環供水水質要求，供水懸浮物含量高于凈循環水。煤氣清洗、火焰切割、噴霧冷卻、精煉除塵等經沉淀處理后的濁循環供水的懸浮物含量約為20~150mg/L，而一般鋼鐵企業工業凈循環水控制懸浮物含量為20mg/L。供水水質要求低，如果采用相同的補水，則相對而言可以采用較高的濃縮倍數。因此，如果均以工業新水作為選擇和計算濃縮倍數的基準，濁循環水系統的濃縮倍數必然遠高于敞開式凈循環水系統。
第二，濁循環冷卻水系統不僅是一個降溫冷卻的過程，它也是一個水處理物理變化過程。通過對濁循環回水的加藥、混凝、沉淀、過濾等處理，將在生產過程中進入濁循環水體的大量懸浮物以污泥形式加以去除，以滿足生產的要求。而對于敞開式凈循環水系統而言，少量水中懸浮物的增加主要來源于空氣中的塵埃，往往可通過旁濾的手段加以去除，循環水系統本身可以認為是一個降溫冷卻的過程。濁循環水系統相對凈循環水系統，系統更為復雜，可變因素也多，所以不能以原先適用于敞開式凈循環水系統的濃縮倍數來直接應用于濁循環水系統。
由于上述特點的存在，在進行濁循環冷卻水系統濃縮倍數的選擇時，必須考慮上述因素的影響，不能簡單的套用《工業循環冷卻水設計規范》中關于濃縮倍數的要求。
4.濁循環冷卻水濃縮倍數的選擇
4.1物料平衡設定和水量平衡設定
濁循環水系統歷經加藥、混凝、沉淀、過濾等處理過程，在進行濁循環冷卻水系統濃縮倍數的選擇時，在不考慮補充水、排污水和蒸發等因素的前提下，須先做如下兩個設定：物料平衡和水量平衡。
4.1.1物料平衡
常規濁循環冷卻水系統的工藝流程為：濁循環回水至濁循環冷卻水處理站，經混凝、沉淀、過濾后，再經冷卻塔冷卻，最后將水重新送往用戶。在生產過程中進入濁循環水體的大量懸浮物以污泥形式加以去除。
在實際運行過程中，隨污泥排出的懸浮物、雜質、鹽類等的含量不可能做到與生產過程中產生的這部分量完全平衡，有的時間段可能是前者大于后者，有的時間段也可能是后者大于前者。但在進行濃縮倍數的選擇時，設定隨污泥排出的懸浮物、雜質、鹽類等的含量與生產過程中產生的這部分量相等，即在整個濁循環水系統中基本沒有這就是物料平衡假設。這樣，在設計計算時所要分析的對象就可以大為簡化，參與濃縮倍數計算的對象僅為經處理后符合生產要求的濁循環水的含鹽量。另外，從常年平均的角度考慮，這種假設也是可靠的。
4.1.2水量平衡假設
在濁循環冷卻水系統中，隨污泥排出部分水量。污泥再經濃縮、脫水后，泥餅外運，在濃縮、脫水過程中所產生的清水回流至濁循環水系統。考慮到真正隨泥餅損失的水量較少，在進行濃縮倍數的選擇時，設定隨泥餅損失的水量忽略不計，則濁循環系統內的水量也是穩定的，這就是水量平衡假設。通過水量平衡的假設，使設計計算時所要分析的對象也得到簡化，另外，根據以往工程的實際經驗，該部分水量約占整個濁循環系統排污水量的5%以下，因此在設計計算時確實可以忽略。
4.2濁循環冷卻水補充水水質的選擇
采用何種水質作為濁循環水系統的補充水，對于濁循環水系統的濃縮倍數的選擇也有很大影響。濁循環水可采用廠區工業新水、回用水、凈循環水系統強制排污水。濁循環補充水通常采用凈循環水的強制排污水或其它循環水系統的串接排水等。凈循環水系統一般采用廠區內工業新水作為其補充水源。因此濁循環補充水的水質指標要遠低于凈循環水系統。濃縮倍數與補充水的含鹽濃度密切相關，濁循環補充水含鹽量高，濃縮倍數相對數值必然有所降低，但如果均以工業新水作為計算基準，濁循環水濃縮倍數仍應高于敞開式凈循環水系統。
4.3濁循環冷卻水濃縮倍數的選擇
4.3.1濁循環冷卻水濃縮倍數的計算分析
濁循環冷卻水系統的補充水通常采用敞開式凈循環冷卻水的強制排污水或其它循環水系統的串接排水等。現按以敞開式凈循環冷卻水的強制排污水作為濁循環冷卻水系統的補充水和以工業新水作為濁循環水系統的補充水做計算分析如下。
1).以凈循環水作為濁循環補充水的濁循環濃縮倍數計算分析
由于在實際工程中，常以相關凈循環水系統的強制排污水作為濁循環冷卻水系統的補充水，因此在進行濁循環水系統濃縮倍數的選擇時，應結合相關的凈循環水系統做整體計算。
在進行濁循環水濃縮倍數的計算前，先設定如下參數：以經處理后的濁循環水懸浮物含量A為濁循環濃縮倍數計算的參照量，濁循環濃縮倍數值設定為N2；相關凈循環冷卻水系統浮物含量B為20mg/L（鋼鐵企業工業凈循環水常用懸浮物控制指標），凈循環水系統濃縮倍數值N1設定為2(國內大型鋼鐵企業實際控制指標，可從各大鋼鐵企業的工廠設計統一技術規定中獲取該數值)；凈循環冷卻水系統補充水采用廠區工業新水，工業新水懸浮物含量C為10mg/L(國內大型鋼鐵企業實際控制指標)。
由上面的計算可以得出以下推論：①在濁循環水水質滿足工藝生產要求的前提下，N2越高，A也越高，濁循環水系統需要補充的水也越是少，這說明應盡可能的降低濁循環水的水質要求(提高A值)以提高濃縮倍數從而減少補充水的耗量；②通常情況下A>C，理論計算上來說，當A/C<N1，則N2<1，當A/C>N1，則N2>1，但當N2<1時，濃縮倍數沒有意義；③一般敞開式凈循環水濃縮倍數N1>2，也就是說只有在濁循環水懸浮物含量A是工業新水懸浮物含量C的2倍以上時，濁循環水濃縮倍數才可能大于1，濁循環說濃縮倍數才有意義，反而言之，當濁循環水的懸浮物含量不是工業新水懸浮物含量的2倍以上時，不應使用凈循環強制排污水作為濁循環水系統的補充水，而應考慮采用水質更加好的工業新水；④根據煤氣清洗、火焰切割、噴霧冷卻、精煉除塵等經沉淀處理后的濁循環供水的懸浮物含量約為20~200mg/L，一般鋼鐵企業工業新水控制懸浮物含量為10mg/L，以及凈循環水濃縮倍數通常控制在2左右，濁循環水系統的有效濃縮倍數值應在1~10范圍內；⑤根據工藝生產要求，濁循環冷卻水水質在已經抵達上限即濁循環水水質恒定的前提下，凈循環強制排污水濃縮倍數N1越是高，則濁循環水濃縮倍數N2越是低，系統所須補充水量也越是大，也就是說凈循環水濃縮倍數的提高反而不利于濁循環水系統濃縮倍數的提高。
2).以工業新水作為濁循環補充水的濁循環濃縮倍數計算分析
仍先設定如下參數：以經處理后的濁循環水懸浮物含量A為濁循環濃縮倍數計算的參照量，濁循環濃縮倍數值設定為N2；濁循環冷卻水系統補充水采用廠區工業新水，工業新水懸浮物含量C設定為10mg/L，一般廠區內工業新水水質通常認為是不變的。
根據煤氣清洗、火焰切割、噴霧冷卻、精煉除塵等經沉淀處理后的濁循環供水的懸浮物含量約為20~150mg/L，一般鋼鐵企業工業新水控制懸浮物含量為10mg/L，濁循環水系統的有效濃縮倍數值應在2~15范圍內。
4.3.2濁循環冷卻水濃縮倍數的選擇
按照節水環保、廢水串接使用的原則，應當優先以凈循環水強制排污水作為濁循環水系統的補充水，當凈循環強制排污水量不能滿足濁循環補充水量要求時，直接采用工業新水作為濁循環補充水。
當濁循環水懸浮物含量小于或等于工業新水懸浮物含量2倍時，也就意味著濁循環要求的水質與凈循環水質相近，再以凈循環強制排污水作為濁循環補充水已經沒有意義了。應以工業新水作為濁循環水系統強制排污水，濃縮倍數一般為2 (該濃縮倍數值以工業新水懸浮物含量為基準)。
當濁循環水懸浮物含量大于工業新水懸浮物含量2倍以上時，應以凈循環水強制排污水作為濁循環系統的補充水，濃縮倍數一般為1~10(該濃縮倍數值以凈循環強制排污水的懸浮物含量為基準)。
下表是鋼鐵企業常規濁循環水系統的濃縮倍數，可供實際工程中參考。
表1 鋼鐵企業常規濁循環水系統濃縮倍數
5.結論
綜上所述，鋼鐵企業濁循環水系統不僅是個降溫冷卻的過程，其中還存在著混凝、沉淀、過濾的水處理流程，在進行濃縮倍數的選擇和計算時必須進行周密的考慮和計算。
作者簡介：金亞飚(1975.12- )，男，漢族，籍貫江蘇省常熟市，同濟大學環境工程學院給水排水工程專業本科畢業，學士學位，工程師，主要從事鋼鐵企業給排水設計工作。
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