鋼鐵企業循環冷卻水處理站總體設計
來源：谷騰水網 閱讀：2653 更新時間：2010-03-18 21:50
摘要 在鋼鐵企業中，大型工業循環水處理站更是具有占地面積大、用電能耗高、建設費用高等特點，是項目在前期規劃中必須重視的一個重要方面，對于整個項目的工藝布置和廠區布局有著很大的影響。本文對鋼鐵企業大型工業循環冷卻水處理站總體設計在項目前期規劃階段中的重要性以及總體設計的具體內容和方法進行了初步的分析和探討，可作為相似工程中設計的借鑒和參考。
Abstract In steelworks, the cooling circulating water treatment is very important. The planning and design methods are discussed. It can be used for reference in the similar engineering.
Keywords cooling circulating water treatment planning and design planning indirect cooling water system direct cooling water system
1.概述-總體設計的意義
在鋼鐵企業中，有大量的循環冷卻水用戶，循環冷卻水系統具有系統復雜、用戶多、水量大、循環水介質種類多等特點，循環冷卻水系統如同主工藝生產的生命線，對于正常的生產和維護設備的安全起著至關重要的作用。工業循環冷卻水處理站承擔著工業循環冷卻水水質處理、降溫冷卻的任務，是循環冷卻水系統的核心。
大型工業循環水處理站更是具有占地面積大、用電能耗高、建設費用高等特點。根據統計，煉鐵、煉鋼、連鑄、熱軋、制氧、自備電廠等各單元的工業循環水處理站的占地面積也基本為整個單元項目用地的20~30%，用電負荷約占整個單元項目用電量的20~30%，總投資約為整個單元項目的5~10%左右。因此，工業循環水處理站是項目在前期規劃中必須重視的一個重要方面，對于整個項目的工藝布置和廠區布局有著很大的影響。
工業循環冷卻水處理站的總體設計，就是在項目建設的前期規劃階段，合理的確定工業循環水處理站的地址、循環水處理站的規模、循環水處理工藝的初步選擇、水處理站的形式、總平面布置、預估其用電量指標等，對于項目的前期規劃特別是大型項目具有很重要的意義。
本文針對工業循環冷卻水處理站總體設計的內容和方法進行了初步的分析和探討，可作為相似工程中設計的借鑒和參考。
2.工業循環冷卻水處理站的選址
首先，工業循環冷卻水處理站是為工廠生產主工藝服務的，因此在條件許可的情況下，工業循環冷卻水處理站的選址首先要盡量貼近主工藝、緊鄰主要用戶布置。
其優點在于：①貼近主工藝、緊鄰主要用戶布置可以縮短供水回水管路，使管路布置相對簡捷，提高供水的安全可靠性；②大型工業企業常設有地下工業水管廊、架空工業水管廊或高架流槽等，這些設施的造價較高，每米單價可達數萬元，供回水管路短，可以降低工程造價；③供水回水管路短，管道的水頭損失就小，可以適當的降低供水水泵的電機功率，在長期的運行中可節約能源，以一座循環水量為10000m3/h的工業凈循環水處理站為例，每縮短100m的供回水管路，約可節約用電40kW左右；④在工業企業中，主工藝往往也是最大的電力用戶，而工業循環冷卻水處理站，特別是大型工業循環冷卻水處理站，其用電量也是非常高的，將用電量集中的用戶集中最一起，對全廠供配電設計如總降變電所、變壓器室、電纜隧道、電纜溝等，也是非常有利的；⑤供水回水管路短，系統保有水量就小，對檢修的影響也相應變小。
其次，工業循環冷卻水處理站內水處理設備眾多，有水泵、閥門、冷卻塔、換熱器、攪拌機等等，循環水處理站常有藥劑、水處理所產生的污泥也需大量運輸，因此循環水處理站宜設在廠區主干道路旁側，以便于生產運輸的要求。
再者，循環水處理站一般有室內泵場和露天泵場兩種布置方式，當采用露天泵場時，特別是對于大型循環水泵場，建議不要設置于廠區邊緣靠近居民區的地方，以減小水泵群噪聲對周邊的影響。
另外，工業循環水處理站，盡量不要靠近除塵系統設置，以避免散放的灰塵影響敞開式凈循環水水質。
3.循環水處理站的規模
循環水處理站的規模主要是確定循環水量。在項目的前期規劃階段，很難統計出精確的循環用水量。因此，在確定循環水處理站總體設計的規模時，主要是參照相關行業以往類似工程的數據以及當前經濟技術條件下對于該工藝對于循環水量的指標值等。該項工作需要做大量的調研工作。
另外，就是要求主工藝專業提交主要的循環用水量的參考值。用各專業提供的水量參考值的合計水量作為循環水處理站總循環水量時，一般要加上5~15%的富裕量，一方面作為安全系數，另一方面也要考慮到當出現系統內部水量不平衡時可做調節用。系統用戶多、循環水量大時取富裕量也大，系統用戶單一、循環水量小時取富裕量小。
4.循環水處理工藝流程的初步選擇
按循環水介質分類，通常可分為以下幾類：純水(或軟水)密閉式循環水處理系統、敞開式工業凈循環水處理系統、濁循環水處理系統、污泥處理系統。
初步確定循環水處理站內所采用的循環水處理工藝流程，對于總體設計中最終確定循環水處理站的總平面布置具有很重要的作用。常見的工業循環水處理工藝流程及適用對象如下[1][2]。
4.1純水(或軟水)密閉式循環水系統
純水(或軟水)密閉式循環水系統常用于關鍵設備的間接冷卻。純水(或軟水)密閉式循環水系統內循環水基本與外界隔絕，以確保水質。
常用的純水(或軟水)密閉式循環水系統的工藝流程如下：
1).水處理站循環供水泵出水→工藝設備→板式換熱器→回水至水處理站循環供水泵；
2).水處理站循環供水泵出水→工藝設備→蒸發空冷器→回水至水處理站循環供水泵。
4.2敞開式工業凈循環水系統
敞開式工業凈循環水系統常用于一般設備的間接冷卻及作為換熱器的冷媒水。工業凈循環水系統為敞開式系統，也是最常見的循環水系統。
工業凈循環水系統常用的工藝流程為：
1).水處理站循環供水泵出水→自清洗過濾器→工藝設備→冷卻塔→冷水池→水處理站循環供水泵吸水；
2).換熱器冷媒水出水(溫度升高)→冷卻塔→冷水池→換熱器循環供水泵→自清洗過濾器→換熱器冷媒水進水。
4.3濁循環水系統
濁循環水系統常用于冶金行業的煉鐵、煉鋼、連鑄、熱軋等單元的煤氣清洗、沖渣、火焰切割、噴霧冷卻、淬火冷卻、精煉除塵等。
濁循環水系統常用的工藝流程如下：
1).煤氣清洗濁循環水：廢水→高架流槽→粗顆粒分離器→輻流式沉淀池→熱水池→冷卻塔→冷水池→回水至用戶；
2).沖渣濁循環水：沖渣水→鐵皮溝→旋流池→平流沉淀池(帶撇油裝置)→高速過濾器→冷卻塔→冷水池→回水至用戶；
3).淬火冷卻濁循環水：用戶回水→鐵皮溝→熱水池→部分水過濾→部分水上冷卻塔→冷水池→與未冷卻、過濾的水混合→回水至用戶；
4).火焰切割與噴霧冷卻濁循環水：用戶回水→鐵皮溝→旋流池→平流沉淀池(帶撇油裝置)或化學除油沉淀器→熱水池→冷卻塔→冷水池→高速過濾器→回水至用戶；
5).精煉除塵濁循環水：用戶回水→熱井罐或熱水池→混合池→反應池→平流沉淀池(或斜板沉淀池)→熱水池→冷卻塔→冷水池→回水至用戶
4.4污泥處理系統污泥處理系統主要用于工業循環水處理系統所產生的污泥回收及再利用。
常用的工藝流程為：含泥廢水→調節池→混合池→反應池→污泥濃縮池→污泥槽→污泥壓濾機壓濾→泥餅外運
5.水處理站形式
確定工業循環水處理站的形式，主要是確定循環水處理站是采用泵房還是露天泵場的形式。
采用泵房，水處理設備設于室內，便于今后日常運行管理及設備的維護、檢修和保養。采用露天泵場，便于設備和管道的布置，并可節約土建的造價，一般工業循環水處理站總的土建造價約為整個站房的40~50%，大型泵房可占土建總投資的30~40%；但設備處于室外露天條件，日曬雨淋對設備本身不利，另外運行管理及設備的維護、檢修和保養等工作條件較差。目前在國內大型工業企業中采用泵房或是采用露天泵場的形式都存在。
6.水處理站總平面布置
6.1總體布置原則
要進行水處理站的總平面布置，首先要確定水處理站的總體布置原則。一般大型工業循環水處理站內包含一個或多個循環水處理系統，如純水(或軟水)密閉式循環水系統、敞開式工業凈循環水系統、濁循環水系統以及污泥處理系統等。水處理站總體布置方式包括集中式和分散式兩種。集中式就是將所有的循環水處理系統集中設置在一座循環水處理站內。分散式，就是在工業循環水處理站內部劃區域按照不同的循環水處理系統分別建設不同的二級水處理站。確定是集中建設站房，還是分別建設二級水處理站，這是必須明確的原則。
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采取分散式原則，相對每座水處理站功能簡單、站房和管道布置便利、運行維護方便；總的占地面積大但每座二級水處理站的占地面積小。采用集中式原則設置集中統一的循環水處理站，特別是大型工業循環水處理站，水處理站功能復雜、站房和管道布置較難，但集中運行，便于統一管理；總的占地面積可以節約，但是以單座站房而言，占地面積較大。從投資上來分析，兩者投資相差不大。
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在進行總體布置時，有一點必須注意，循環水處理站總體布置不僅要從水處理站內部進行分析，還必須與全廠的統一規劃相一致。在全廠總圖規劃中，如果有一整塊面積較大的用地，可以優先考慮建設統一的循環水處理站；如果總圖規劃中無法提供整塊面積較大的用地，則應該采取分散的原則，根據不同的循環水系統建設多個二級循環水處理站。附圖1的大型工業循環水處理站采用的是集中式布置方式。附圖2采用的就是分散式布置方式，內設3座循環水處理站，每座水處理站都擁有自己獨立的道路和進出口。
6.2總平面布置
在進行工業循環水處理站的總平面布置設計時，通常可以采取以下兩種方法進行，經驗法和匯圖法。
6.2.1經驗法
所謂經驗法，就是參照相關行業以往類似工程的數據和資料，對即將開展的項目的工業循環水處理站進行總平面布置。本文不做重點介紹。
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6.2.2繪圖法
所謂匯圖法，就是根據所選常規水處理工藝流程、循環水處理規模、已經確定的總平面布置原則，通過對水處理中占地面積最大最主要的幾個構筑物、建筑物或水處理設備進行放樣，繪制出一張簡單的水處理平面布置簡圖。
1).單個循環水處理工藝平面布置簡圖
(1).敞開式工業凈循環水處理
從前文所展示的流程來看，敞開式工業凈循環水處理主要的構筑物、建筑物或水處理設備包括冷卻塔、冷卻塔下冷水池、循環水泵場以及附屬用房等。冷卻塔的占地面積根據所處理的水量及水質可以計算確定也可以由選型獲得，冷卻塔一般為多臺布置，冷卻塔下為冷水池。由此，可以基本確定冷卻塔、冷水池的平面尺寸。循環水泵場一般緊貼塔水池設置，循環水泵場長度方向與冷卻塔、冷水池一致，平面尺寸可選擇與冷卻塔相同，泵場的寬度方向按10~15m計，循環水量大的泵場寬度尺寸選大值，循環水量小的泵場寬度尺寸選小值。附屬用房包括加藥間、值班室、電氣室等，其面積和平面尺寸可按常規確定。
在上述參數均確定的情況下，敞開式工業凈循環水處理的平面布置簡圖便可完成。附圖3為典型的敞開式工業凈循環水處理平面布置。
(2).濁循環水處理
濁循環水處理主要的構筑物、建筑物或水處理設備包括冷卻塔、冷卻塔下水池、循環水泵場、沉淀池以及附屬用房等。冷卻塔、冷卻塔下水池、循環水泵場、以及附屬用房等的確定方法基本與敞開式工業凈循環水處理相同。但循環水泵場要注意的是，由于濁循環水處理有沉淀池，因此它的循環水泵場有送用戶的濁循環給水泵、也有將沉淀池中水送上冷卻塔的水泵，可能會有兩個泵場。冷卻塔下水池也包括了冷水池和熱水池。
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在濁循環水處理系統中主要考慮的對象是沉淀池。濁循環水處理沉淀池形式有平流式沉淀池、輻流式沉淀池、斜板沉淀池等。因此，先要根據水處理工藝流程確定沉淀池的形式，然后根據相關的水力負荷計算，確定基本的沉淀池平面尺寸。
通常情況下，簡單的濁循環水處理的平面布置方式有兩種，一是將冷卻塔、冷卻塔下水池、循環水泵場可集中設在一起，其旁側可設置沉淀池；二是將冷卻塔、冷卻塔下水池、循環水泵場、沉淀池、附屬用房等呈一字形設置。附圖4為一般濁循環水處理平面布置。
(3)污泥處理
循環水處理站污泥處理的建筑物和構筑物包括污泥調節池、濃縮池、泵場及污泥脫水機房。污泥泵可設置在濃縮池邊、架高濃縮池下或是在脫水機房內，因此在污泥處理的平面布置中，主要考慮的對象是污泥調節池、濃縮池和污泥脫水機房。
附圖5是常見的污泥處理平面布置簡圖。
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污泥處理因占地面積較小，且污泥處理一般不獨立設置，因此可按濁循環水處理占地面積的30%~50%設置。
2).多種循環水處理工藝的組合
水處理流程單一的循環水處理站總平面布置容易獲得，關鍵的是要進行多種循環水處理工藝組合時的總平面布置。
在進行多種循環水處理工藝組合時的總平面布置，首先要明確的是，水處理站是統一的，但各系統的設備布置一般仍是相對獨立的，所謂的獨立不是地理位置的絕對分離，而是指系統、功能的分離。多種循環水處理工藝組合時的總平面布置，不是簡單的將幾個系統進行疊加，相同或類似的設備也可以集中放置在一起，以節省占地。
以附圖6為例做分析，附圖6的工業循環水處理站其實分為凈循環、濁循環和污泥處理系統三部分。濁循環包括粗顆粒分離器、輻流式沉淀池、冷卻塔、泵房，3座輻流式沉淀池和粗顆粒分離器呈品字形布置在附圖上方；濁循環冷卻塔與凈循環水泵以及冷卻塔下冷熱水池等集中設置在一起，設在附圖中央；濁循環水泵、凈循環水泵集中設置在一起，在附圖下方設置水泵房。
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在進行多系統工業循環冷卻水處理站的總平面布置時，可先按照各系統獨立設置水處理區域，然后再根據適當獨立分開、局部集中的原則進行優化組合。
但必須注意，不宜將同一系統內的構筑物、建筑物或水處理設備分割開來，否則會使循環水處理流程不暢，不僅運行維護帶來麻煩，對于管道施工也會增加難度。
7.水處理站用電能耗估算
工業循環冷卻水處理站中主要的能耗設備是水泵，特別是大型循環冷卻水處理站，水泵用電量占整個水處理設備用電總量的90%以上。因此在總體設計時，對于水處理站用電能耗估算主要是針對水泵。通常單臺功率在200kW以上的水泵會使用高壓電機，高壓用電量和低壓用電量的統計應該分別進行。一般情況下，大型工業循環水處理站高壓電機的用電量約占總用電量的30%~40%。
對于水泵電機的功率可按照《給水排水設計手冊》第3冊中關于水泵功率計算的方式進行[3]。
8.結論
綜上所述，工業循環冷卻水處理站的總體設計是一項非常復雜的工作。它建立在詳細周密的計算和廣泛的收集基礎資料的前提下，對于大型工業項目的前期規劃有著很重要的作用，甚至會對主工藝產生影響。本文對此提出了一些看法和意見，供參考。
9.參考文獻
1.《鋼鐵工業給水排水設計手冊》 北京冶金工業出版社 2002.1
2.《冶金工業污水處理技術及工程實例》化學工業出版社 2003.6
3.《給水排水設計手冊》第3冊
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，高級工程師，中國水網咨詢專家，《環境科學與技術》雜志特約編委、《科技創新導報》雜志特約編委、《給水排水》雜志通訊員，主要從事鋼鐵企業給排水設計和冶金環境保護研究工作。
