钢铁企业循环冷却水处理站总体设计
来源：谷腾水网 阅读：2636 更新时间：2010-03-18 21:50
摘要 在钢铁企业中，大型工业循环水处理站更是具有占地面积大、用电能耗高、建设费用高等特点，是项目在前期规划中必须重视的一个重要方面，对于整个项目的工艺布置和厂区布局有着很大的影响。本文对钢铁企业大型工业循环冷却水处理站总体设计在项目前期规划阶段中的重要性以及总体设计的具体内容和方法进行了初步的分析和探讨，可作为相似工程中设计的借鉴和参考。
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-总体设计的意义
在钢铁企业中，有大量的循环冷却水用户，循环冷却水系统具有系统复杂、用户多、水量大、循环水介质种类多等特点，循环冷却水系统如同主工艺生产的生命线，对于正常的生产和维护设备的安全起着至关重要的作用。工业循环冷却水处理站承担着工业循环冷却水水质处理、降温冷却的任务，是循环冷却水系统的核心。
大型工业循环水处理站更是具有占地面积大、用电能耗高、建设费用高等特点。根据统计，炼铁、炼钢、连铸、热轧、制氧、自备电厂等各单元的工业循环水处理站的占地面积也基本为整个单元项目用地的20~30%，用电负荷约占整个单元项目用电量的20~30%，总投资约为整个单元项目的5~10%左右。因此，工业循环水处理站是项目在前期规划中必须重视的一个重要方面，对于整个项目的工艺布置和厂区布局有着很大的影响。
工业循环冷却水处理站的总体设计，就是在项目建设的前期规划阶段，合理的确定工业循环水处理站的地址、循环水处理站的规模、循环水处理工艺的初步选择、水处理站的形式、总平面布置、预估其用电量指标等，对于项目的前期规划特别是大型项目具有很重要的意义。
本文针对工业循环冷却水处理站总体设计的内容和方法进行了初步的分析和探讨，可作为相似工程中设计的借鉴和参考。
2.工业循环冷却水处理站的选址
首先，工业循环冷却水处理站是为工厂生产主工艺服务的，因此在条件许可的情况下，工业循环冷却水处理站的选址首先要尽量贴近主工艺、紧邻主要用户布置。
其优点在于：①贴近主工艺、紧邻主要用户布置可以缩短供水回水管路，使管路布置相对简捷，提高供水的安全可靠性；②大型工业企业常设有地下工业水管廊、架空工业水管廊或高架流槽等，这些设施的造价较高，每米单价可达数万元，供回水管路短，可以降低工程造价；③供水回水管路短，管道的水头损失就小，可以适当的降低供水水泵的电机功率，在长期的运行中可节约能源，以一座循环水量为10000m3/h的工业净循环水处理站为例，每缩短100m的供回水管路，约可节约用电40kW左右；④在工业企业中，主工艺往往也是最大的电力用户，而工业循环冷却水处理站，特别是大型工业循环冷却水处理站，其用电量也是非常高的，将用电量集中的用户集中最一起，对全厂供配电设计如总降变电所、变压器室、电缆隧道、电缆沟等，也是非常有利的；⑤供水回水管路短，系统保有水量就小，对检修的影响也相应变小。
其次，工业循环冷却水处理站内水处理设备众多，有水泵、阀门、冷却塔、换热器、搅拌机等等，循环水处理站常有药剂、水处理所产生的污泥也需大量运输，因此循环水处理站宜设在厂区主干道路旁侧，以便于生产运输的要求。
再者，循环水处理站一般有室内泵场和露天泵场两种布置方式，当采用露天泵场时，特别是对于大型循环水泵场，建议不要设置于厂区边缘靠近居民区的地方，以减小水泵群噪声对周边的影响。
另外，工业循环水处理站，尽量不要靠近除尘系统设置，以避免散放的灰尘影响敞开式净循环水水质。
3.循环水处理站的规模
循环水处理站的规模主要是确定循环水量。在项目的前期规划阶段，很难统计出精确的循环用水量。因此，在确定循环水处理站总体设计的规模时，主要是参照相关行业以往类似工程的数据以及当前经济技术条件下对于该工艺对于循环水量的指标值等。该项工作需要做大量的调研工作。
另外，就是要求主工艺专业提交主要的循环用水量的参考值。用各专业提供的水量参考值的合计水量作为循环水处理站总循环水量时，一般要加上5~15%的富裕量，一方面作为安全系数，另一方面也要考虑到当出现系统内部水量不平衡时可做调节用。系统用户多、循环水量大时取富裕量也大，系统用户单一、循环水量小时取富裕量小。
4.循环水处理工艺流程的初步选择
按循环水介质分类，通常可分为以下几类：纯水(或软水)密闭式循环水处理系统、敞开式工业净循环水处理系统、浊循环水处理系统、污泥处理系统。
初步确定循环水处理站内所采用的循环水处理工艺流程，对于总体设计中最终确定循环水处理站的总平面布置具有很重要的作用。常见的工业循环水处理工艺流程及适用对象如下[1][2]。
4.1纯水(或软水)密闭式循环水系统
纯水(或软水)密闭式循环水系统常用于关键设备的间接冷却。纯水(或软水)密闭式循环水系统内循环水基本与外界隔绝，以确保水质。
常用的纯水(或软水)密闭式循环水系统的工艺流程如下：
1).水处理站循环供水泵出水→工艺设备→板式换热器→回水至水处理站循环供水泵；
2).水处理站循环供水泵出水→工艺设备→蒸发空冷器→回水至水处理站循环供水泵。
4.2敞开式工业净循环水系统
敞开式工业净循环水系统常用于一般设备的间接冷却及作为换热器的冷媒水。工业净循环水系统为敞开式系统，也是最常见的循环水系统。
工业净循环水系统常用的工艺流程为：
1).水处理站循环供水泵出水→自清洗过滤器→工艺设备→冷却塔→冷水池→水处理站循环供水泵吸水；
2).换热器冷媒水出水(温度升高)→冷却塔→冷水池→换热器循环供水泵→自清洗过滤器→换热器冷媒水进水。
4.3浊循环水系统
浊循环水系统常用于冶金行业的炼铁、炼钢、连铸、热轧等单元的煤气清洗、冲渣、火焰切割、喷雾冷却、淬火冷却、精炼除尘等。
浊循环水系统常用的工艺流程如下：
1).煤气清洗浊循环水：废水→高架流槽→粗颗粒分离器→辐流式沉淀池→热水池→冷却塔→冷水池→回水至用户；
2).冲渣浊循环水：冲渣水→铁皮沟→旋流池→平流沉淀池(带撇油装置)→高速过滤器→冷却塔→冷水池→回水至用户；
3).淬火冷却浊循环水：用户回水→铁皮沟→热水池→部分水过滤→部分水上冷却塔→冷水池→与未冷却、过滤的水混合→回水至用户；
4).火焰切割与喷雾冷却浊循环水：用户回水→铁皮沟→旋流池→平流沉淀池(带撇油装置)或化学除油沉淀器→热水池→冷却塔→冷水池→高速过滤器→回水至用户；
5).精炼除尘浊循环水：用户回水→热井罐或热水池→混合池→反应池→平流沉淀池(或斜板沉淀池)→热水池→冷却塔→冷水池→回水至用户
4.4污泥处理系统污泥处理系统主要用于工业循环水处理系统所产生的污泥回收及再利用。
常用的工艺流程为：含泥废水→调节池→混合池→反应池→污泥浓缩池→污泥槽→污泥压滤机压滤→泥饼外运
5.水处理站形式
确定工业循环水处理站的形式，主要是确定循环水处理站是采用泵房还是露天泵场的形式。
采用泵房，水处理设备设于室内，便于今后日常运行管理及设备的维护、检修和保养。采用露天泵场，便于设备和管道的布置，并可节约土建的造价，一般工业循环水处理站总的土建造价约为整个站房的40~50%，大型泵房可占土建总投资的30~40%；但设备处于室外露天条件，日晒雨淋对设备本身不利，另外运行管理及设备的维护、检修和保养等工作条件较差。目前在国内大型工业企业中采用泵房或是采用露天泵场的形式都存在。
6.水处理站总平面布置
6.1总体布置原则
要进行水处理站的总平面布置，首先要确定水处理站的总体布置原则。一般大型工业循环水处理站内包含一个或多个循环水处理系统，如纯水(或软水)密闭式循环水系统、敞开式工业净循环水系统、浊循环水系统以及污泥处理系统等。水处理站总体布置方式包括集中式和分散式两种。集中式就是将所有的循环水处理系统集中设置在一座循环水处理站内。分散式，就是在工业循环水处理站内部划区域按照不同的循环水处理系统分别建设不同的二级水处理站。确定是集中建设站房，还是分别建设二级水处理站，这是必须明确的原则。
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采取分散式原则，相对每座水处理站功能简单、站房和管道布置便利、运行维护方便；总的占地面积大但每座二级水处理站的占地面积小。采用集中式原则设置集中统一的循环水处理站，特别是大型工业循环水处理站，水处理站功能复杂、站房和管道布置较难，但集中运行，便于统一管理；总的占地面积可以节约，但是以单座站房而言，占地面积较大。从投资上来分析，两者投资相差不大。
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在进行总体布置时，有一点必须注意，循环水处理站总体布置不仅要从水处理站内部进行分析，还必须与全厂的统一规划相一致。在全厂总图规划中，如果有一整块面积较大的用地，可以优先考虑建设统一的循环水处理站；如果总图规划中无法提供整块面积较大的用地，则应该采取分散的原则，根据不同的循环水系统建设多个二级循环水处理站。附图1的大型工业循环水处理站采用的是集中式布置方式。附图2采用的就是分散式布置方式，内设3座循环水处理站，每座水处理站都拥有自己独立的道路和进出口。
6.2总平面布置
在进行工业循环水处理站的总平面布置设计时，通常可以采取以下两种方法进行，经验法和汇图法。
6.2.1经验法
所谓经验法，就是参照相关行业以往类似工程的数据和资料，对即将开展的项目的工业循环水处理站进行总平面布置。本文不做重点介绍。
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6.2.2绘图法
所谓汇图法，就是根据所选常规水处理工艺流程、循环水处理规模、已经确定的总平面布置原则，通过对水处理中占地面积最大最主要的几个构筑物、建筑物或水处理设备进行放样，绘制出一张简单的水处理平面布置简图。
1).单个循环水处理工艺平面布置简图
(1).敞开式工业净循环水处理
从前文所展示的流程来看，敞开式工业净循环水处理主要的构筑物、建筑物或水处理设备包括冷却塔、冷却塔下冷水池、循环水泵场以及附属用房等。冷却塔的占地面积根据所处理的水量及水质可以计算确定也可以由选型获得，冷却塔一般为多台布置，冷却塔下为冷水池。由此，可以基本确定冷却塔、冷水池的平面尺寸。循环水泵场一般紧贴塔水池设置，循环水泵场长度方向与冷却塔、冷水池一致，平面尺寸可选择与冷却塔相同，泵场的宽度方向按10~15m计，循环水量大的泵场宽度尺寸选大值，循环水量小的泵场宽度尺寸选小值。附属用房包括加药间、值班室、电气室等，其面积和平面尺寸可按常规确定。
在上述参数均确定的情况下，敞开式工业净循环水处理的平面布置简图便可完成。附图3为典型的敞开式工业净循环水处理平面布置。
(2).浊循环水处理
浊循环水处理主要的构筑物、建筑物或水处理设备包括冷却塔、冷却塔下水池、循环水泵场、沉淀池以及附属用房等。冷却塔、冷却塔下水池、循环水泵场、以及附属用房等的确定方法基本与敞开式工业净循环水处理相同。但循环水泵场要注意的是，由于浊循环水处理有沉淀池，因此它的循环水泵场有送用户的浊循环给水泵、也有将沉淀池中水送上冷却塔的水泵，可能会有两个泵场。冷却塔下水池也包括了冷水池和热水池。
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在浊循环水处理系统中主要考虑的对象是沉淀池。浊循环水处理沉淀池形式有平流式沉淀池、辐流式沉淀池、斜板沉淀池等。因此，先要根据水处理工艺流程确定沉淀池的形式，然后根据相关的水力负荷计算，确定基本的沉淀池平面尺寸。
通常情况下，简单的浊循环水处理的平面布置方式有两种，一是将冷却塔、冷却塔下水池、循环水泵场可集中设在一起，其旁侧可设置沉淀池；二是将冷却塔、冷却塔下水池、循环水泵场、沉淀池、附属用房等呈一字形设置。附图4为一般浊循环水处理平面布置。
(3)污泥处理
循环水处理站污泥处理的建筑物和构筑物包括污泥调节池、浓缩池、泵场及污泥脱水机房。污泥泵可设置在浓缩池边、架高浓缩池下或是在脱水机房内，因此在污泥处理的平面布置中，主要考虑的对象是污泥调节池、浓缩池和污泥脱水机房。
附图5是常见的污泥处理平面布置简图。
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污泥处理因占地面积较小，且污泥处理一般不独立设置，因此可按浊循环水处理占地面积的30%~50%设置。
2).多种循环水处理工艺的组合
水处理流程单一的循环水处理站总平面布置容易获得，关键的是要进行多种循环水处理工艺组合时的总平面布置。
在进行多种循环水处理工艺组合时的总平面布置，首先要明确的是，水处理站是统一的，但各系统的设备布置一般仍是相对独立的，所谓的独立不是地理位置的绝对分离，而是指系统、功能的分离。多种循环水处理工艺组合时的总平面布置，不是简单的将几个系统进行叠加，相同或类似的设备也可以集中放置在一起，以节省占地。
以附图6为例做分析，附图6的工业循环水处理站其实分为净循环、浊循环和污泥处理系统三部分。浊循环包括粗颗粒分离器、辐流式沉淀池、冷却塔、泵房，3座辐流式沉淀池和粗颗粒分离器呈品字形布置在附图上方；浊循环冷却塔与净循环水泵以及冷却塔下冷热水池等集中设置在一起，设在附图中央；浊循环水泵、净循环水泵集中设置在一起，在附图下方设置水泵房。
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在进行多系统工业循环冷却水处理站的总平面布置时，可先按照各系统独立设置水处理区域，然后再根据适当独立分开、局部集中的原则进行优化组合。
但必须注意，不宜将同一系统内的构筑物、建筑物或水处理设备分割开来，否则会使循环水处理流程不畅，不仅运行维护带来麻烦，对于管道施工也会增加难度。
7.水处理站用电能耗估算
工业循环冷却水处理站中主要的能耗设备是水泵，特别是大型循环冷却水处理站，水泵用电量占整个水处理设备用电总量的90%以上。因此在总体设计时，对于水处理站用电能耗估算主要是针对水泵。通常单台功率在200kW以上的水泵会使用高压电机，高压用电量和低压用电量的统计应该分别进行。一般情况下，大型工业循环水处理站高压电机的用电量约占总用电量的30%~40%。
对于水泵电机的功率可按照《给水排水设计手册》第3册中关于水泵功率计算的方式进行[3]。
8.结论
综上所述，工业循环冷却水处理站的总体设计是一项非常复杂的工作。它建立在详细周密的计算和广泛的收集基础资料的前提下，对于大型工业项目的前期规划有着很重要的作用，甚至会对主工艺产生影响。本文对此提出了一些看法和意见，供参考。
9.参考文献
1.《钢铁工业给水排水设计手册》 北京冶金工业出版社 2002.1
2.《冶金工业污水处理技术及工程实例》化学工业出版社 2003.6
3.《给水排水设计手册》第3册
作者简介：金亚飚(1975.12- )，男，汉族，籍贯江苏省常熟市，同济大学环境工程学院给水排水工程专业本科毕业，学士学位，高级工程师，中国水网咨询专家，《环境科学与技术》杂志特约编委、《科技创新导报》杂志特约编委、《给水排水》杂志通讯员，主要从事钢铁企业给排水设计和冶金环境保护研究工作。
