組合式錐斗沉淀池的設(shè)計與優(yōu)化

劉 偉，農(nóng)理敏，方 凌，范世力

（廣西柳州鋼鐵股份有限公司煉鐵廠，廣西柳州 545002）

前言

在高爐渣處理領(lǐng)域，水沖渣仍然是渣處理工藝的主流方法，在各種水沖渣渣處理工藝中，沖渣水的水質(zhì)、沖渣水中細渣含量直接影響渣處理工藝的穩(wěn)定性和渣處理設(shè)備的使用壽命。因此提高沖渣水水質(zhì)一直是大家關(guān)注的重點和努力的方向。

各種渣處理工藝中，渣水分離設(shè)備相對成熟，效果穩(wěn)定，但受高爐原燃料質(zhì)量、冶煉操作技術(shù)以及設(shè)備日常管理與維護的影響，細渣、浮渣的增多會直接影響渣處理系統(tǒng)的渣水分離效果和系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，為了提高沖渣水水質(zhì)，需要在主要渣水分離流程后面增加沉淀池，進行渣水二次分離。

柳鋼建廠于1958年，是目前西南地區(qū)最大的鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，2000 年以前，以500 m3以下小高爐為主，配套使用渣池法渣處理工藝。2000 年以后，柳鋼為了提高煉鐵廠高爐配套渣處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性和機械化、自動化程度，陸續(xù)使用了明特法、嘉恒法、INBA 法渣處理工藝。由于渣水分離效果不好，沖渣水中細渣含量高，造成沖渣水管路及水泵、刀閘閥等設(shè)備磨損嚴重，多年來一直故障率非常高，各沉淀池、水池、水溝積渣、堵塞嚴重，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性差，崗位維護工作量非常大，也無法滿足高爐穩(wěn)定、高效生產(chǎn)需求。為了給高爐提供穩(wěn)定的沖渣水，必須提高沖渣水水質(zhì)，為此陸續(xù)嘗試使用了旋砂分離器、過濾器、平流沉淀池、錐斗沉淀池［1］等措施，通過不斷地吸取教訓，總結(jié)經(jīng)驗，逐步改進，取得了很大的進步。從運行效果來看，錐斗沉淀池的效果最顯著。

1 渣處理系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)高爐煉鐵工藝配套使用的水淬法渣?；到y(tǒng)，主要有底濾法、渣池法、明特法、嘉恒法及INBA 法等5 種工藝，其主要渣水分離設(shè)備、原理及特點對比如表1所示。

表1 渣處理工藝設(shè)備及特點對比表

柳鋼煉鐵廠地處中國的南方，本地屯秋礦品位低、有害元素含量高，高品質(zhì)礦產(chǎn)、煤炭資源貧乏，生產(chǎn)的原燃料全靠外地采購，且很大程度上依賴進口。近幾年來，由于大宗原燃料價格大幅上漲，在高成本壓力下，為保障企業(yè)效益，公司優(yōu)先采購性價比高的低成本原料，入爐品位長期保持在54%左右。近兩年，入爐原料質(zhì)量有大幅提升，入爐品位也僅保持在57%左右。

由于原料品種多，成分變化大，導致高爐操作困難，爐況的波動，導致熔渣溫度變化大，沖制后形成的水渣質(zhì)量不穩(wěn)定，對應(yīng)渣處理系統(tǒng)中細渣含量也高。在用的成熟渣處理工藝，均沒有機械化、自動化細渣沉淀、分離工藝和設(shè)施。INBA法渣處理工藝的再循環(huán)泵和明特法渣處理工藝的攔渣型過濾器，雖然能避免部分細渣進入后續(xù)熱水池及管路，但不能有效分離和排出，大量細渣在渣?；到y(tǒng)內(nèi)部循環(huán)、富集，對設(shè)備、管路造成嚴重磨損。在沖渣水系統(tǒng)運行過程中，細渣在重力作用下沉淀，造成系統(tǒng)水池、水溝、水管積渣堵塞，結(jié)渣清理困難，在沒有備用設(shè)施的情況下，在線清理難度大、清理時間長，停機清理成本高，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性差。為了保障生產(chǎn)連續(xù)性、穩(wěn)定性，需增加備用沉淀池，但占地面積大，投資成本非常高。

2005 年，針對渣處理系統(tǒng)細渣含量高的缺陷，首先嘗試安裝使用了旋砂分離器。其基本原理是含有細渣的沖渣水進入旋砂分離器后形成旋流，產(chǎn)生離心力，在離心力的作用下，大顆粒的水渣聚集在旋砂分離器外圍，單獨排出。由于系統(tǒng)水量非常大、旋砂分離器處理能力有限，加上沖渣水中主要是細渣，比重與水相近，旋砂分離效果非常差，設(shè)備使用壽命非常短，旋砂分離設(shè)備及前后管路經(jīng)常出現(xiàn)堵塞、磨損、穿漏情況，需要人工應(yīng)急處置、清理，崗位職工清理、維護工作量大，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性也非常低，被逐步淘汰。

2 錐斗沉淀池的應(yīng)用

錐斗沉淀池的剖面示意圖如圖1所示。其工作原理為：含有大量細渣的沖渣水從進水溝流入錐斗沉淀池，在沉淀池內(nèi)，由于過流面積加大，流速降低，在重力的作用下，細渣向錐斗沉淀池底部沉積、濃縮［2］。細渣沉淀分離后，較干凈的沖渣水經(jīng)出水溝流出沉淀池。錐斗沉淀池底部為斜坡，濃縮、沉淀在錐斗沉淀池底部的高濃度細渣滑落、聚集在錐斗沉淀池底部中心區(qū)域，再經(jīng)氣力提升泵提取，經(jīng)提渣管輸送到上方的小攪籠進行渣水分離。

圖1 錐斗沉淀池剖面示意圖

從2007年開始，柳鋼4#、8#高爐開始建設(shè)，高爐設(shè)計爐容1 250 m3，配套渣處理系統(tǒng)分別采用嘉恒法、明特法工藝，8#高爐采用嘉恒法渣處理工藝，為了分離沖渣水中的細渣，脫水器出水口設(shè)置了兩格錐斗沉淀池，效果明顯。4#高爐選用明特法渣處理工藝，由于場地限制，設(shè)計初期沒有沉淀池。投產(chǎn)初期細渣含量非常高，設(shè)備故障率非常高，無法滿足高爐穩(wěn)定生產(chǎn)要求，后來借鑒嘉恒法系統(tǒng)的成功經(jīng)驗，在熱風爐旁邊增設(shè)了2格錐斗沉淀池，投用后效果非常明顯。

最初的錐斗沉淀池，為了提高沉淀效果，需要延長沉淀路徑，即加大錐斗沉淀池的平面尺寸，但在使用過程中，由于沉淀池平面尺寸過大，池底坡度降低，導致細渣在錐斗上部四周沉積、結(jié)硬，清理難度大，而且沖渣水在流經(jīng)沉淀池時，主要是從入口流向出口，難以流到沉淀池底部，出現(xiàn)短流現(xiàn)象，降低了沉淀效果。為了提高沉淀效果，需設(shè)置3～4個錐斗沉淀池串聯(lián)使用，在使用過程中，某個沉淀池氣力提升泵損壞、結(jié)渣堵塞后，無法離線清理、維修，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性差。

3 組合式錐斗沉淀池的設(shè)計與應(yīng)用

錐斗沉淀池的應(yīng)用，解決了高爐渣粒化沖渣水系統(tǒng)中水質(zhì)差、細渣不能機械化、自動分離，系統(tǒng)易積渣堵塞，清理困難的問題，但設(shè)備的穩(wěn)定性、維護的便捷性等方面還有待提高［3］。

2012 年度，柳鋼2#高爐建設(shè)過程中，創(chuàng)新設(shè)計了組合式錐斗沉淀池。其平面布置如圖2所示。

圖2 組合式錐斗沉底池平面示意圖

相比于原有錐斗沉淀池，組合式錐斗沉淀池在以下3個方面進行了改進和提高［4］：

（1）錐斗沉淀池兩邊設(shè)置有水溝，水溝、池壁上設(shè)置有閘板閥，在生產(chǎn)、維修過程中，能夠通過閘板閥的操作，實現(xiàn)多個錐斗沉淀池的串聯(lián)、并聯(lián)切換或?qū)崿F(xiàn)單個錐斗沉淀池的離線清理、維修。

正常生產(chǎn)條件下，含有大量細渣的沖渣水經(jīng)水溝流入第一格錐斗沉淀池，依次串聯(lián)經(jīng)過后續(xù)3 格錐斗池，此時沉淀路徑最長，沉淀效果最好，此運行模式下可以實現(xiàn)最好水質(zhì)。由于第一格細渣含量最大，磨損最嚴重，當?shù)谝桓駳饬μ嵘贸霈F(xiàn)故障時，關(guān)閉進、出水閘板閥，通過水溝內(nèi)閘板閥的切換，可以實現(xiàn)沖渣水跳過第一格，從第二格進水，實現(xiàn)錐斗沉淀池的離線清理，不影響正常生產(chǎn)。正常生產(chǎn)時，還能實現(xiàn)第一格至第四格的并聯(lián)運行，分攤負荷，延緩設(shè)備磨損，提高系統(tǒng)穩(wěn)定運行率。

（2）錐斗沉底池入口處設(shè)置隔墻（見圖3）。沖渣水經(jīng)進水溝流入錐斗沉淀池后，在隔墻的阻擋下，轉(zhuǎn)向下方流動，在重力和慣性的雙重作用下，細渣在錐斗沉淀池底部沉積、濃縮。細渣分離出來后，較干凈的沖渣水再轉(zhuǎn)向上方流動，從出水溝流出沉淀池。此設(shè)計將沉淀路徑由原來的沉淀池寬度延長至沉淀池寬度與2 倍的沉淀池深度之和，細渣的沉淀路徑達到原來的3 倍以上，沉淀效果大幅提升。沉淀效果提升后，在相同效果下，可大幅減小錐斗沉淀池平面尺寸，降低土建成本，增加沉淀池底部錐斗坡度，避免結(jié)渣。

圖3 新型錐斗沉淀池剖面示意圖

（3）錐斗沉淀池底部由方錐斗改為圓錐斗并設(shè)置鋼板內(nèi)襯。原來方錐斗的四個角落，角度較大，細渣容易在此硬結(jié)，導致沉淀池結(jié)渣。改為圓錐斗，且設(shè)置鋼板內(nèi)襯后，整個錐斗沉淀池內(nèi)壁更為圓滑、光亮，細渣不易沉積、硬結(jié)，堵塞情況明顯減少，降低了清理、維修工作量。

2013 年，為了對比各渣處理系統(tǒng)水質(zhì)，委托技術(shù)中心對各渣處理系統(tǒng)水質(zhì)指標進行檢測，主要檢測項目為總殘渣，檢測結(jié)果如表2所示。

表2 柳鋼渣處理系統(tǒng)水質(zhì)指標檢測表 mg/L

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，相同工況下，使用組合式錐斗沉淀池的2#高爐渣處理系統(tǒng)，細渣含量明顯低于使用傳統(tǒng)錐斗沉淀池的渣處理系統(tǒng)。沖渣間隙時，2#爐渣處理系統(tǒng)的沖渣水接近澄清，與渣池法系統(tǒng)的水質(zhì)相近。沖渣水水質(zhì)提升后，系統(tǒng)設(shè)備故障率大幅降低。柳鋼煉鐵廠2#高爐組合式錐斗沉淀池，自2012 年投用已達10 年，投產(chǎn)初期，由于第一格沉淀池細渣量大，負荷較重，使用約4年后出現(xiàn)了氣力提升泵下泵頭磨損、沉淀池結(jié)渣情況，安排清理了一次，后來經(jīng)過調(diào)整，高濃度渣水分配到第一格、第二格，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和效果明顯提升。

4 組合式錐斗沉淀池的持續(xù)優(yōu)化

柳鋼2#高爐使用的組合式錐斗沉淀池，雖然沉淀效果達到了預期，為了方便組合式錐斗沉淀池的檢查和清理，上方一般加蓋鍍鋅鋼格板蓋板。在使用過程中，由于南方濕度大、氣壓低，特別是在冬季，渣處理區(qū)域蒸汽非常大，崗位職工在現(xiàn)場作業(yè)、點檢時，視線受阻，同時鍍鋅鋼格板長期處在高溫、高濕度環(huán)境下，腐蝕非?？?，存在很大的安全隱患。

2018 年至2022 年，為了改善現(xiàn)場環(huán)境，減少蒸汽量，結(jié)合改造項目，在設(shè)計、施工時，陸續(xù)對組合式錐斗沉淀池進行了持續(xù)的優(yōu)化和改進。

在防城港鋼鐵基地、玉林中金項目施工時，首先確定了沉淀池尺寸，經(jīng)過水力優(yōu)化計算，最終確定的最優(yōu)尺寸為L×B×H=8 m×8 m×8.2 m。其次對沉淀池內(nèi)隔墻尺寸加大的同時，再對稱增加一堵隔墻，在原來基礎(chǔ)上能再提高30%的沉淀路徑，沉淀效果進一步提升，但增加隔墻后，隔墻轉(zhuǎn)角處易結(jié)渣，清理難度增大。最后對沉淀池頂部進行加蓋密封，整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土池頂，僅預留氣力提升泵設(shè)備上下的孔洞和一個檢查、清渣口，建設(shè)投產(chǎn)后，現(xiàn)場蒸汽排放量比本部2#高爐明顯減少。

在本部4#高爐渣處理系統(tǒng)改造時，為了進一步減少蒸汽量，提出了對氣力提升泵預留孔洞加蓋、清渣口、回水溝鍍鋅鋼格板蓋板增加玻璃鋼或不銹鋼蒸汽擋板的要求。用作蒸汽擋板的鍍鋅鋼格板蓋板如圖4所示。此蓋板是將玻璃鋼板卡扣在鍍鋅鋼格板上，或者將不銹鋼板點焊在鍍鋅鋼格板上，綜合了鍍鋅鋼格板的輕便和不銹鋼、玻璃鋼耐腐蝕的雙重優(yōu)點，經(jīng)濟實惠。4#爐渣處理錐斗沉淀池區(qū)域加蓋蓋板后，現(xiàn)場基本沒有明顯蒸汽，現(xiàn)場環(huán)境大幅改善。

圖4 防蒸汽鍍鋅鋼格板蓋板

2022 年10 月10 日，對3#、4#高爐（原新1#、新2#高爐）渣處理系統(tǒng)沖渣水進行取樣分析，數(shù)據(jù)如表3 所示。從表3 中數(shù)據(jù)可以看出，4#爐渣處理系統(tǒng)組合式錐斗沉淀池，在入口懸浮物僅66 mg/L 的情況下，仍能達到很好的沉淀效果，出口懸浮物僅50 mg/L，沖渣水濁度僅43 NTU，接近凈環(huán)水系統(tǒng)控制的20 NTU的標準，再次刷新了柳鋼煉鐵廠沖渣水水質(zhì)的記錄。

表3 柳鋼沖渣水化學分析檢驗數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

針對原有渣處理沉淀池系統(tǒng)存在的不足和缺陷，經(jīng)過生產(chǎn)廠專業(yè)技術(shù)人員、設(shè)計院及施工方專家的共同調(diào)研、討論、改進，組合式錐斗沉淀池于2012 年10 月在柳鋼煉鐵廠2#高爐渣處理系統(tǒng)投用，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、高效，細渣分離效果好，沖渣系統(tǒng)自動化程度高，水質(zhì)好，日常維修工作量和勞動強度大幅降低［5］。