鐵合金循環冷卻水系統節能降耗的探討

謝朝暉

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南昆明650051)

鐵合金循環冷卻水系統節能降耗的探討

謝朝暉

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南昆明650051)

針對鐵合金行業循環冷卻水系統長期運行存在的主要問題，提出在工程設計和今后生產運行中應采取適當的措施，以達到節能降耗、穩定運行的目的。

鐵合金;循環冷卻水系統;節能降耗

0 引言

云南建水錳礦有限責任公司是我國12個重點錳礦之一，位于云南省建水縣臨安鎮，屬云南冶金集團股份有限公司控股公司。按照云南冶金集團股份有限公司“十一五”錳產業發展目標，公司20萬t/a錳系合金一二期節能減排技改項目已于2009年4月1日開工建設，一期9萬t硅錳合金項目已于2010年11月投產，二期11萬t錳系合金項目正在建設中。并計劃在“十二五”期間完成3萬t/a高錳酸鉀項目和第二個30萬t/a錳系合金節能新技術新裝備示范項目建設，實現安全環保節能錳業的集群發展，達到年銷售收入44.1億，實現利稅6.5億元。

項目一期工程將建設25 MW電爐2臺、二期工程將建設50 MW電爐1臺，配套建設相應的余熱鍋爐、除鹽水站等輔助設施。

企業一、二期總用水量為187 556 m3/d，其中凈循環冷卻水量166 656 m3/d，濁循環冷卻水量9 600 m3/d，二次利用水量2 542 m3/d，軟水量3 600 m3/d，新水量5 158 m3/d，損失消耗水量8 758 m3/d，全廠供水循環利用率為95.3%，而損失消耗水量中有7 600 m3/d是在循環冷卻水系統中損失消耗的。

可見，該項目用水量大，而其中絕大部分的用水量及損失消耗水量均在循環冷卻水系統中，這也是鐵合金行業存在的一個共同問題。

1 循環冷卻水系統的設置

該項目設置了以下系統:

(1)1×50 MW電爐主體冷卻循環水系統，采用軟水冷卻;

(2)2×25 MW電爐主體冷卻循環水系統，采用工業新水冷卻;

(3)電爐變壓器冷卻循環水系統，采用工業新水冷卻;

(4)余熱鍋爐冷卻循環水系統，采用工業新水冷卻;

(5)電爐沖渣冷卻循環水系統，采用二次利用水冷卻。

前4項為凈循環冷卻水系統(第1項為密閉循環系統，第2、3、4項為敞開式循環系統)，循環冷卻總水量166 656 m3/d，補充總水量6 000 m3/d，第5項為濁循環冷卻水系統，循環冷卻水量9 600 m3/d，補充水量1 600 m3/d。

凈循環冷卻水系統基本運行過程:設備冷卻后流出的熱水利用余壓進入冷卻塔，冷卻后的水流入冷卻循環水池，再由冷卻循環水泵加壓至設備冷卻水進水管，循環水總量的3%由旁濾水提升泵揚入過濾器進行旁濾，另在水泵吸水管上投加相應水質穩定劑，以改善循環水質。過濾器排污水經沉淀池沉淀后供沖渣系統做補充水。系統補充水由外部軟水或工業新水給水管網接支管供到循環冷卻水池中。

濁循環冷卻水系統基本運行過程:該系統主要指電爐沖渣水系統，沖渣后流出的熱水自流入沖渣循環水池，經自然冷卻和沉淀后，再由沖渣水泵提升供至沖渣給水點。系統補充水由外部二次利用水或工業新水給水管網接支管供到沖渣循環水池中。

2 循環冷卻水系統長期運行存在的主要問題

2.1 循環水量大，冷卻塔能耗高

循環冷卻水系統的直接運行成本主要是由電費和藥劑費組成，而電費又占了較大比例，電耗主要由包括循環供水主泵、旁濾泵及藥劑投加泵等在內的各種泵類及冷卻塔風機造成。各種水泵(如循環供水主泵)的運行參數由企業主體生產設備的工藝運行條件決定，一般不會有大的調整，而冷卻塔的運行參數會隨著不同季節氣候條件的變化而產生一定的波動。

2.2 循環水質逐漸惡化，影響系統穩定運行，增加系統運行成本

在循環冷卻水系統的運行過程中，水不斷被蒸發，水中的各種無機物和有機物被不斷濃縮，并且，在運行過程中，熱水和空氣產生對流時，也會將灰塵、泥沙、微生物等雜質帶入系統。隨著濃縮倍數的不斷提高，在陽光、溫度和氧份適宜時，會產生腐蝕、結垢、沉積、滋生細菌藻類微生物等一系列問題，而任何一種問題的加劇都會導致其他問題的惡化，使系統穩定運行的可靠性逐漸降低。

(1)腐蝕:一般分為3種情況。

1)鐵(或銅等金屬)材質與水中溶解氧作用而腐蝕，其反應如下:

當在中性或堿性水中:陽極反應:

陰極反應:

當在酸性水中:

2)當微生物繁殖時，其微生物體的分泌物與冷卻水中有機物、無機物聚積而形成的粘泥沉積在系統中時，將造成沉積物下部的金屬腐蝕。

3)2種不同金屬互相接觸時，因金屬間電位差而造成流電腐蝕，例如熱交換器內的銅管與碳鋼端板，其接觸部分的鋼鐵材質會因此加速腐蝕。

4)當循環水的濃縮倍數提高，水中溶解性固體濃度也不斷提高，使得水中電導率不斷提升，造成與水接觸的金屬管道或設備表面的電位腐蝕。

5)其它影響腐蝕的因素還有:水的pH值、溫度、流速及氟氯氧化劑等。

(2)結垢及沉積。由于在循環水中不同程度的存在鈣、鎂、鐵、錳、重金屬、氟、氯、碳酸氫根、硫酸根、硅酸根、磷酸根等離子以及懸浮物、有機物、油脂等物質(隨不同水源補充水的水質及循環冷卻水系統運行工藝條件的不同而有所區別)，各種離子在適宜的條件下均有可能相互反應生成新的物質，而不同物質又存在著不同的溶解度、飽和度，在水的pH值、溶解性固體濃度、溫度、流速等因素的作用下，容易在循環水管道系統內壁和設備冷卻水接觸表面的高溫、低流速處形成沉積，出現以下問題:①降低熱傳效率或傳熱不均;②設備腐蝕;③增加管道水頭損失及系統電力消耗;④減低腐蝕抑制劑效果。

(3)微生物。微生物可分為細菌、真菌及藻類，其散布在自然界的各個角落，而冷卻水的溫度、pH值、營養等因素經常處于適合微生物繁衍的范圍內，若不加以控制，微生物將不斷繁殖，產生黏泥而堵塞熱交換器，且在黏泥沉積地方造成沉積物下部金屬腐蝕，導致設備損壞。

以上問題不僅會使系統運行成本增加、運行可靠性降低、日常維護管理難度提高，還將直接造成系統水冷卻效率下降。長此以往，將威脅到企業生產的正常進行。

3 循環冷卻水系統的設計及運行的思考和建議

3.1 針對循環水量大、冷卻塔能耗高的問題，筆者考慮采用以下措施:

(1)多風機配置。冷卻塔能耗高的主要原因在于其數量配置不合理。根據循環水量的大小，可適當增加風機的配置數量，并設置水溫在線檢測設備。根據不同季節氣溫、補充水溫度及循環水溫度，自動調整風機的運行臺數和轉數，夏季氣溫水溫高時，自動增加風機運行臺數和轉數，冬季氣溫水溫低時，自動減少風機運行臺數和轉數，從而充分利用自然氣候條件，達到節能的目的。

(2)設置自然冷卻水池。接合廠址實際自然地理條件，建設一定容積的自然冷卻水池與冷卻塔系統配合使用，這樣可充分利用自然條件，進行冷卻水的自然冷卻，建少能耗，同時應充分考慮周圍的環境因素，盡量避免灰塵等雜質對循環水質造成二次污染。

該項目在配置滿足正常負荷的冷卻塔的基礎上，設置了總容積2.5萬m3的自然冷卻循環水池，可根據當時的實際情況，夏季時，減少冷卻塔風機的開啟數量，冬季時，少開或不開啟冷卻塔風機。

循環水池還同時具備廠區蓄水、消防、景觀、保安水池等功能。

3.2 循環水處理系統

針對存在的問題，筆者建議可從以下兩方面加以解決:

(1)系統設置。在各循環水系統中均設置旁濾系統，從循環水池中，將總循環水量的3% ～5%單獨設泵抽至過濾器，過濾后水仍流回循環水池。旁濾水進入過濾器之前投加適量的混凝劑，以強化過濾效果，循環水中雜質得以大量去除，同時單獨設沉淀池將過濾器反沖排水處理后，送電爐沖渣循環水系統作為補充水，使之得以二次利用，減少排污或不排污。

設計還考慮設置至少2套一體化自動加藥裝置，1套投加混凝劑，1套投加其它水質穩定處理劑，并配套相應的在線檢測及自動投加控制系統。

(2)選擇合適的水質穩定處理劑。在今后的長期運行過程中，還可根據實際水質情況進行藥劑配置及投加方案的調整，常用的藥劑及技術要求如下:

1)緩蝕阻垢劑。主要用于碳酸鈣阻垢等，減緩沉積作用:①在一定的濃度下，同時具有阻垢和緩蝕作用，可加強緩蝕效果;②在中性和堿性條件下，都能發揮良好的阻垢效果;③能耐受較高的溫度，并有較長的半衰期，能長時間的發揮效果;④能耐鹵素如氯系氧化劑的分解作用，有利于系統穩定;⑤根據環保要求和循環水質的實際情況，選擇低磷或無磷、無重金屬和任何示蹤劑，更加綠色環保的產品。

2)分散劑。主要用于分散懸浮物、磷酸鹽、鋅鹽、鐵鹽等，減緩沉積作用。①在中性和堿性條件下，都能發揮良好的分散效果;②能耐受較高的溫度和雜質濃度;③能耐鹵素如氯系氧化劑的分解作用，有利于系統穩定;④能通過離線或在線的方法測試出其活性成分在冷卻水中的含量，正確指導加藥;⑤根據環保要求和循環水質的實際情況，選擇低磷或無磷、無重金屬和任何示蹤劑，更加綠色環保的產品。

此外，還有銅緩蝕劑(當冷卻水系統管道或設備含有銅材質時使用)、非氧化性及氧化性殺菌劑等。

該項目循環冷卻水系統的補充水源為廠區附件綿羊沖水庫水，經檢測其鈣、鎂硬度及總堿度(以 CaCO3計)均低于200 mg/L，pH 值7～9，電導率低于400 μs/cm，濁度24 NTU。

通過對補充水水質的分析，可以看出該水體為弱堿性水，水中的鈣、鎂硬度以及堿度相對較高，使水體具有較強的結垢傾向。當提高冷卻水的濃縮倍數后，其結垢的傾向將更為明顯。

建議采用堿性化學處理方案，通過多方案比較，選擇合適的緩蝕阻垢劑、分散劑、殺菌劑等，根據在線或離線監測獲得的實際水質參數，進行單一或多種藥劑高低組合的自動投加。

根據水質實際參數、系統運行實際條件及用戶實際要求，藥劑也可選擇單一配方產品或增效復配產品，藥劑選擇及投加方案還應根據企業今后長期實際的運行情況進行調整。

根據其它類似項目的實際運行經驗，若藥劑及投加方案的選擇和實施得當，濃縮倍數提高到8～10倍以上，新水補充量節約10% ～15%以上，朗格利爾指數保持1.5～2.0以上不結垢，是有可能做到的。

4 結語

鐵合金行業用水量大，絕大部分的用水量及損失消耗水量均在循環冷卻水系統中，該系統耗水量大、運行成本高，在長期運行過程中，還會出現腐蝕、結垢、沉積、滋生細菌藻類微生物等多種不良現象，以上問題若不及時有效地處理，將會使系統運行成本增加、運行可靠性降低、日常維護管理難度提高，同時造成系統水冷卻效率下降，威脅到企業的正常生產。

通過合理的系統設計和建設，合理的水處理藥劑選擇及投加，可以有效地提高循環水的濃縮倍數，提高朗格利爾指數，可避免以上不良現象的產生，保障企業正常生產的長期穩定進行。

Probe on Saving Energy and Reducing Consumption for Circulating Cooling Water System in Ferroalloy Project

XIE Zhao－Hui
(Kunming Engineering ＆ Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.Ltd，Kunming 650051，China)

Based on main problems existed in long－term running of circulating cooling water system in ferroalloy industry，suitable measures which should be taken in engineering design and running for future production were put forward so as to achieve saving energy，reducing consumption and stabilizing operation.

Ferroalloy;circulating cooling water system;saving energy and reducing consumption

TF085

A

1004－2660(2011)04－0043－04

2011－04－09.

謝朝暉(1969－)，男，云南人，高級工程師.主要研究方向:給排水專業設計.