某鋼管生產線循環水系統旋流沉淀池的設計

閆文琪，惠娟，王亞星

（太原重工工程技術有限公司，太原 030024）

1 引言

鋼管熱軋過程中，含氧化鐵皮的污水，以重力流方式沿切線方向進入旋流沉淀池。污水在池內旋轉下降，然后穩流上升，大塊鐵皮進入沉淀池后，立即下沉。其他顆粒隨著水流的旋轉和上升被卷入沉淀池中央，大部分沉降，小部分較細顆粒被水流帶出。沉淀的顆粒用抓斗抓出。旋流沉淀池具有清渣方便、節約用地、沉淀效率高的優勢，在許多軋鋼廠中均有應用[1-6]。旋流沉淀池深度大，土建成本較高，因而合理設計旋流池的深度、內徑等尺寸，滿足使用的同時，可以盡可能地降低一次投資，為業主帶來更大的經濟效益。

某企業新建一條φ114 mm 連軋管生產線需配套新建循環水系統，采用旋流沉淀池作為循環水處理的一個環節，去除其中的大量氧化鐵皮，滿足后續水處理工藝及生產線水質需求。

2 設計處理水量及要求

根據生產工藝要求，設計水量為1 510 m3/h，進水氧化鐵皮含量為1 000 mg/L，出水氧化鐵皮含量為50 mg/L，處理效率為95%。經旋流沉淀池處理后的水一部分由泵組1 返送回沖渣溝沖渣使用，另一部分經泵組2 送至濁環水處理系統進一步除油、除鐵、降溫，達到循環水水質要求后供生產線使用。

3 設計計算與設備選型

根據GB 50721—2011《鋼鐵企業給水排水設計規范》，沉淀池表面負荷q=20 m3/(m2h)，沉淀時間t=10 min，沉渣斗容積按1 d 抓取1 次考慮。根據旋流沉淀池進水流向，其構造形式可分為上旋式和下旋式，按進水位置可分為中心筒進水、外旋式進水。可根據需要選用帶斜管除油式[7]。通過比較各個旋流沉淀池的優劣及項目處理水量等實際情況，此次設計選用中心筒進水、下旋式旋流井。下旋式旋流沉淀池包括中心筒旋流區、外環沉淀區及吸水井和泵站3 部分。

3.1 主要尺寸

3.1.1 中心筒直徑

中心筒直徑由抓渣斗最大張開尺寸加安全距離確定。該設計選取0.5 m3抓斗，中心筒直徑取3.5 m。

3.1.2 沉淀面積及沉淀池內徑

沉淀池面積由中心筒面積和外環面積組成。

式中，F 為沉淀池總面積；F1為中心筒面積；Q 為進水量，1 510 m3/h；q0為沉淀池表面負荷，20 m3/(m2·h)；φ 為布水不均勻系數，取0.6。

抓斗0.5 m3，中心筒直徑取3.5 m，則F=1510/20/0.6+3.14×3.52/4=135.5 m2。

3.1.3 沉淀池高度/深度

式中，q 為沉淀池表面負荷，20 m3/ (m2·h)；t 為沉淀時間，10 min。

式中，D 為沉淀池內徑。

沉渣高度需首先確定每天的沉渣量、清渣周期和清渣設備的工作時間。按照進出水氧化鐵皮含量之差乘以處理水量確定，按照每天清渣一次考慮，則沉渣高度即為24 h 氧化鐵皮沉淀堆積形成的高度h3=3.00 m。

入口標高作用水頭h4=0.5 m。

則從沖渣溝入口到沉淀池內底的深度為h=h1+h2+h3+h4=3.33+2.03+3+0.5=8.86 m。

根據主廠房內沖渣溝設計坡度，旋流池入口處沖渣溝內底標高為-5.30 m，則沉淀池內底高度為-14.16 m，取-14.6 m。

3.1.4 水泵間地坪標高

水泵間地坪標高由旋流池工作水位、停電后形成的水位高度、保護高度決定。由于沖渣溝入口標高為-5.3 m，最高水位為-5.7 m，正常工作水位為-6.2 m。根據設計手冊，泵房地面應高出旋流沉淀池工作水位2 m。則泵房地面高度確定為-4.2 m。

3.1.5 吸水井容積

吸水井設置在旋流池內，吸水井容積應滿足5 min 處理水量要求。根據系統水量平衡，吸水井最小容積為1 510/60×5=125.83 m3，實際尺寸為3.14/4×(8.52-42)×(8.6-5.7)=128.05 m3。其中-8.6 m 為滿足水泵最大吸上真空高度的最低水位，-5.7 m為最高水位，8.5 m 和4 m 為吸水井外環和內環直徑。

旋流沉淀池剖面圖如圖1 所示。

圖1 旋流沉淀池剖面圖

3.2 細節尺寸

3.2.1 吊裝孔

吊物孔尺寸應按需起吊最大部件外形尺寸每邊放0.2 m以上。故按照水泵尺寸及布置，在泵房頂設計吊裝孔，滿足水泵安裝、檢修需要。

3.2.2 出水堰

沉淀區進入吸水區的出水堰采用鋸齒形溢流堰板，使出水配水均勻。出水堰負荷取2.5 L/（m·s）。

3.2.3 檢修人孔

考慮到檢修吸水井和沉淀池的需要，設計內、外2 個檢修人孔及相應安全爬梯。

3.2.4 錐形池底斜度、導流板及護底鋼板

沉渣斗底部水平夾角不得小于50°[8]，設計手冊建議錐形池底斜度為50°～60°[9]。本次設計取55°。為使沉淀時的水流分布更加均勻，以及作為吸水井的結構支撐，在旋流池底部設計8 片均布的導流板。同時為保護池底混凝土防止抓渣時對池底及周圍區域的損壞，在池底設護底鋼板。

3.2.5 入口格柵

入口格柵設于旋流池沖渣溝入口處，可以攔截大塊鐵皮和雜物，需安排工作人員定期巡檢和清理。入口格柵還可作為安全設施，防止不慎墜入沖渣溝，保護人員安全。設計進水溝寬為600 mm，設計水深0.3 m，坡度i=0.04，設計流速v=4.0 m/s。滿足進水管（渠）流速3～6 m/s 的要求。

3.3 主要設備

3.3.1 水泵選型

根據水量平衡及循環水處理工藝設計方案，泵房內設2組水泵，泵組1 為沖渣水供水泵，泵組2 為濁環水處理供水泵。沖渣水泵1 用1 備，濁環水泵2 用1 備。考慮水泵的工作環境，需選用耐磨耐腐蝕的材料以及IP55 等級的電機。備選的水泵類型有自吸泵、潛水泵和立式長軸泵。考慮運行穩定及檢修方便，選擇自吸泵。

3.3.2 沖洗水管與排泥閥

旋流池長期使用后，吸水井會累積塵泥，因此，從沖渣水出水管接旁路沖洗水管，定期沖洗塵泥，并開啟排泥閥。設4個排泥閥及相應啟閉機，定期清淤，保證出水水質。

3.3.3 抓斗與起重設備

抓斗按沉渣量、清渣周期及時間，選擇0.5 m3抓斗。起重設備選擇門式桁架起重機配吊鉤、抓斗，起重量應考慮抓斗自重、氧化鐵皮重量及抓斗出水瞬間的水面張力，綜合考慮選擇10 t 起重量。吊車規定至地面高度需合理確定，滿足抓斗出旋流池中心筒轉運至渣池，并將渣池內干渣裝至運輸車輛。

3.3.4 事故排水閥

因沖渣溝在進入旋流池時，渣溝頂與泵房地面標高一致。為保障事故及在雨季極端天氣下泵房不被水淹沒，故設計事故排水閥及排出管。在泵組2 出水管設計旁路排出管，并采用與水位聯動的電動排水閥，當水位上升至報警水位時，開啟泵組2 的備用泵，同時開啟旁路電動排水閥，將水及時排出至事故水系統，防止淹沒泵房。

3.4 其他附屬設施

3.4.1 渣池

渣池是配合沉淀池使用的重要構筑物，用抓斗將沉淀池中的氧化鐵皮渣抓入渣池潷水。然后再定期用抓斗將瀝干的渣，抓入貨車外運回用。

3.4.2 電氣室

電氣室可設在泵房上，也可以與其他給排水設施電氣室合建。設在泵房上時，為與旋流池保持外形一致，可設計為半圓形或圓形。本次設計與循環水泵房電氣室合建。

4 結語

本工程設計嚴格按照設計規范及手冊選擇參數，并根據其他學者的研究結論在細節方面進行了優化，設計沖渣溝頂與泵房地面標高一致，使沖渣溝檢修、清渣更方便，同時也考慮了沖渣溝的安全措施，能夠保證該旋流沉淀池安全、高效地運行，保證生產線的用水水質。因濁環水處理后續工藝采用化學除油罐，故旋流池設計時未考慮除油設施，今后工程項目可根據需要在沉淀區上部設置斜板除油等設施。還可將吸水井取消，增設吸水管支架與穿孔板，解決吸水井積泥問題[10]。

此外，旋流沉淀技術因其良好的沉淀效果與水流形態，在市政雨水處理、生活污水排水管件等方面已逐步應用。