非自然pH值水质稳定技术在高炉循环水处理中的应用

刘光峰(石横特钢集团有限公司，山东 肥城 271612)

0 引言

节能减排是整个国家的战略目标，钢铁工业作为重点能耗行业之一，是节能减排的重点。根据统计显示，2017年中钢协会员单位钢铁企业水耗平均2.87 m3/t钢，虽较2016年下降5.27%，但较国外先进指标差距仍然比较显著，且各钢铁企业间水耗差距也比较巨大。我国水资源严重匮乏，作为用水大户的钢铁企业，节约用水，减少污水排放，在用水方面实现减量化、再利用、再循环(3R)的循环经济运行模式，是钢铁行业发展面临的越来越紧迫的任务，更是其水系统所追求的目标。

目前国内各钢铁企业均在积极研究、采取多种措施来加强节水和用水的管理，主要采取措施有：采用先进工艺技术装备，如：应用焦化干法熄焦技术、高炉软水密闭循环冷却技术、高炉煤气及转炉煤气干法除尘技术、轧钢加热炉蒸汽冷却技术、喷雾型冷却塔等；研究企业内部工序用水、排水水质和废水再利用的节水平衡点，实施阶梯型用水，实现生产废水循环利用；通过投加水质稳定药剂提高循环水系统浓缩倍数，从而减少循环水系统补充新水量和排污水量等。石横特钢集团有限公司(石横特钢)，也立足于企业实际，各部门均积极投入到节水研究工作当中，以期达到节约用水、降低成本的目的。

1 循环水系统概述

石横特钢炼铁厂2#高炉于2005年1月份正式投产，主要设备为450 m3高炉一座，年产铁水能力72万t/a。其高炉循环水系统分为高压供水系统和常压供水系统，开式循环设计，其中高压供水系统主要供应高炉风口小套、炉顶无料钟气密箱等设备的冷却用水，常压供水系统供应高炉本体冷却设备、热风炉燃烧阀、热风阀等各冶金阀门等设备的冷却用水。因高炉本体冷却设备、风口设备、热风炉燃烧阀、热风阀等各阀门为高炉关键设备，高炉循环水的正常供应及水质指标的稳定，对于高炉生产的安全稳定运行起着关键作用，特别是风口设备及冷却壁设备，一旦水质指标不稳定或水量供应不足，将会出现造成频繁烧损风口设备、冷却设备漏水造成炉凉、损坏炉缸耐火材料甚至会造成炉况严重失常重大恶性生产事故的发生。

2 原水处理工艺存在问题

石横特钢2#高炉循环水处理原采用传统水处理方式，即用阻垢缓蚀剂控制循环水中钙加碱含量，控制结垢，同时辅以杀菌灭藻粘泥剥离剂抑制水中菌藻类的滋生。随着企业循环水补充水质的不断恶化，以及随着水资源日益紧张、节能减排已成为企业可持续发展的需求时，该传统水处理方式已不能满足企业实际发展要求。

石横特钢循环水补充水水质不断恶化，补充水钙加碱已达600～700 mg/L，按照循环冷却水国标要求钙加碱≤1 100 mg/L时，水处理药剂才能有较好的发挥效果，因此浓缩倍数只能控制在1.5～1.8倍。浓缩倍数偏低，循环水排补水量大，如果排补水不及时浓缩倍数高极易导致循环水系统结垢。受限于2#高炉循环水设计为开式循环，设备、管道不断老化，高炉循环水浊度指标不断攀升；另受公司水处理承包方式影响，承包水处理费用偏低，没有对水处理厂家节水指标进行考核，导致水处理承包厂家考虑自身成本因素较多，水处理效果较差，风口小套结垢比较严重，导致风口小套烧损比较严重，特别是从2017年11月30日至12月26日近1个月时间，2#高炉更换了18个风口小套(其中有2个未烧损，为工艺调整原因更换)。针对该问题，石横特钢炼铁厂经与水处理厂家山东大禹水处理有限公司研究、探讨，合作引进了非自然pH值水质稳定技术(即自动加酸水处理工艺)，以期达到提高循环水浓缩倍数、控制循环水系统结垢、减少系统补排水量、实现节能降耗。

3 非自然pH值水质稳定技术概述

该技术以自然pH值水质稳定技术为基础，通过自动投加硫酸来改变循环水的pH值，从而改变循环水的结垢指数，增加钙容忍度，使钙容忍度提高到2 000以上，达到既防止设备腐蚀结垢、保证水质稳定运行目的。同时通过提高浓缩倍数，达到降低补排水、节约新水资源的目的。

3.1 设计原理

目前石横特钢循环水结垢主要以碳酸钙形式存在，因而钙离子含量及碳酸盐碱度是影响结垢的主要因素，虽然循环水中钙离子含量受补充水质和浓缩倍数决定，但pH值可以改变碳酸盐碱度的形式和数量，因而水的结垢倾向是可以由pH值调整的，在钙离子含量和水温一定条件下，pH值和碱度就成为影响腐蚀或结垢的主要因素。在使用碱性自然运行水处理技术的原有药剂时，系统pH值无需控制，pH值自然运行在9.0左右，浓缩倍数在1.5～1.8倍之间，系统钙硬加碱度较高，若继续提高循环水浓缩倍数势必会使系统结垢趋势加重。为解决这一问题，通过加硫酸降低碱度，可提高浓缩倍数达到节水效果，但在加酸工艺中，pH值稳定控制是关键，若pH值控制低于7.4，循环水系统会发生氢漂移，导致系统腐蚀，pH值高于控制指标，将会导致系统结垢。传统人工加酸工艺pH值控制忽高忽低，容易影响系统安全运行，也不能稳定提高浓缩倍数，根本无法满足这一要求。因此，若采用加酸工艺，必须配备良好自动加酸控制装置，即良好的加酸泵和pH值控制仪严格控制pH，精确计量加酸量，满足安全稳定生产的需要[1]。

3.2 现场自动加酸工艺系统配置

该工艺应用即加酸控制系统主要由浓硫酸贮罐、酸罐、加酸计量泵、pH值控制器及探头、管道系统和供电系统组成，其中pH值控制器为具有微处理机功能的可编程控制器，可实现参数的自动控制。在高碱度循环水系统中，为进一步提高浓缩倍数，需向系统中加入定量的酸来降低总碱度，为此必须对系统pH值进行精确控制。pH值控制过程如下：由pH仪在线连续测量循环水的pH值，并将信号送入pH控制器，当循环水pH值大于设定值时，pH控制器给出信号自动开启酸计量泵向系统加酸，等pH值回到控制范围时，计量泵停止运行，以实现自动控制pH值的目的。同时为保证系统长期稳定，安装两台计量泵，开一备一。

4 应用实践情况及效益分析

石横特钢2#高炉循环水从2018年1月16日正式开始改用非自然pH值水质稳定技术，经过几年的实际应用，目前系统运行稳定，达到了预期效果，可创造直接和间接经济效益42.76万元，具体如下：

(1)循环水pH值稳定降低，循环水浓缩倍数得到有效提高。循环水pH值由8.8左右降至8.0～8.2之间，循环水浓缩倍数由改用加酸工艺前的1.5左右提高至了目前的2.5～2.8之间，如表1所示。

(2)循环水水质得到有效改善，风口小套结垢情况明显减轻。通过2018年2月25日对调整下线的风口小套(未烧损)进行解剖，发现小套内腔结垢现象明显减轻，证明循环水水质指标良好，水质结垢倾向得到了有效控制。改用加酸工艺后，2018年2—12月2#高炉共烧损风口小套46个，平均4.18个/月，较2017年6月—2018年1月份7.25月/个减少3.07个/月，扣除工艺操作原因影响，每月按减少烧损1.5个计算，每年可节约小套备件费用12.6万元；每年可减少更换小套工艺停机时间10 h，增加铁水产量708 t，增加经济效益14.16万元[2]。

(3)节水效果完成指标较好。根据石横特钢2017年7月至2018年8月2#高炉循环水实际补水量统计情况(表2)，改用加酸工艺后，2#高炉循环水系统新水消耗量降低约30%，每年可降低新水消耗8万m3以上，年至少可节约新水成本16万元。

表1 石横特钢2#高炉循环水加酸工艺实施前后水质指标统计表

表2 石横特钢2#高炉循环水补水量统计表

5 主要存在问题及改进建议

由于石横特钢2#高炉循环水系统为开式循环系统，高炉平台敞口地方较多，高炉燃烧、放料、休风等过程产生的大量粉尘及铁粉极易进入循环水系统，导致循环水浊度明显偏高，而浊度太高容易管道上形成黏泥垢，影响系统换热效果，特别是夏季高温季节，导致降温补水消耗新水明显偏高，影响循环水浓缩倍数有效提高。下一步措施为在循环水系统上安装循环水旁滤过滤器设施，并配合加药处理，以更有效地去除水体循环系统内的杂质，达到减少循环水排放量、进一步提高浓缩倍数、降低运行成本的目的。

6 结语

经过近几年的实践应用，石横特钢2#高炉循环水应用该非自然pH值水质稳定技术后系统运行稳定，循环水pH值控制稳定，循环水浓缩倍数得到了有效提高，并且水质指标稳定，风口小套结垢、烧损数量明显减少，产生的直接和间接经济效益比较可观，证明该技术值得推广和应用。