№2|2010

ЭКОНОМИЯ РЕСУРСОВ

bbk 000000

УДК 628.335.1

Галкин Ю. А.

Разработка и применение отстойников-флокуляторов для очистки оборотной воды металлургических заводов России и Украины

Аннотация

Рассказано о разработке научно-проектной фирмой «ЭКО-ПРОЕКТ» и внедрении на металлургических предприятиях России и Украины серии компактных высокоэффективных отстойников-флокуляторов, предназначенных для очистки оборотной воды технологических агрегатов, промышленно-ливневых сточных вод и водоподготовки. Применение одноступенчатых схем глубокой очистки сточных вод вместо двухступенчатых на отстойниках-флокуляторах в комплексе с новой технологией гравитационного обезвоживания получаемого в них осадка позволяет принципиально улучшить все технико-экономические и экологические показатели водного хозяйства металлургических заводов.

Ключевые слова:

, , , ,

 

Скачать журнальную верстку статьи PDF

При модернизации предприятий черной металлургии применение высокотехнологичного оборудования обусловило значительное повышение требований к качеству потребляемой воды по содержанию механических примесей и растворимых компонентов, вплоть до использования «сверхчистой» воды в отдельных операциях.

В таблице приведены технические требования к качеству оборотной воды по нормативным документам Минчермета СССР [1] и технической литературе [2], а также по данным фирм – изготовителей металлургического оборудования «SMS Demag», «VAI-Siеmens», «Danieli» и др. Различия в уровне требований внутри одной группы агрегатов отражают особенности их конструкции и назначения, а также технической политики этих фирм.

Для достижения качества воды, удовлетворяющего повышенным требованиям, инжиниринговые фирмы стран Евросоюза, Китая, Украины, России начали разрабатывать и внедрять в проекты внецеховых очистных сооружений модифицированные двухступенчатые (отстаивание + фильтрование) и, значительно реже, одноступенчатые (фильтрование) технологии глубокой очистки оборотной воды. Для оборотных циклов станов горячей прокатки, машин непрерывного литья заготовок и термоотделов дополнительно предусматриваются внутрицеховые первичные отстойники – ямы для окалины.

02-02_tabl_01

Наличие осветлительных фильтров в модифицированных схемах требует создания инфраструктуры для их эксплуатации и переработки получаемых жидких отходов в обезвоженные продукты. Для одноступенчатых схем с фильтрованием необходимо также значительное увеличение объема внутрицеховой ямы для окалины глубиной 10–15 м, что влечет за собой повышение стоимости и сводит на нет их технико-экономические преимущества. В модифицированных схемах в большом количестве применяется сложное и дорогостоящее, преимущественно импортное, оборудование. Таким образом, обеспечение повышенного качества оборотной воды и других современных требований достигается путем значительного усложнения процесса, еще большего увеличения габаритов очистных сооружений, их стоимости и эксплуатационных затрат.

Более перспективным путем решения указанных задач является не увеличение в технологической цепи количества ступеней очистки, а создание качественно новых процессов и оборудования. В свете такого подхода автором разработаны аппараты новой конструкции – отстойники-флокуляторы [3–5], производство которых организовано в Научно-проектной фирме «ЭКО-ПРОЕКТ». Несмотря на лоббирование некоторыми российскими металлургическими предприятиями и холдингами интересов иностранных фирм, а также их поддержку национальными финансовыми организациями, в последние годы отстойники-флокуляторы все шире применяются в водном хозяйстве предприятий черной металлургии России и Украины. Аппараты используются преимущественно для глубокой одноступенчатой очистки оборотной воды большинства видов металлургических агрегатов (рис. 1), а также в технологиях обработки промышленных и ливневых сточных вод и водоподготовки [6; 7].

02-02_ris_02

Схема остойника-флокулятора показана на рис. 2. Отстойник имеет концентрически расположенные камеры флокуляции (хлопьеобразования), отстаивания и накопления осадка, параметры и конструктивные особенности которых изменяются в зависимости от технологического процесса очистки воды.

В двухступенчатой цилиндроконической камере флокуляции за счет использования энергии струй воды, подаваемой через сопла, осуществляется процесс флокуляционного перемешивания, приводящий к агрегированию дисперсной фазы. С целью оптимизации величины градиента скорости флокуляционного перемешивания и критерия Кэмпа на подводах воды к соплам установлена запорная арматура. Это дает возможность выбора количества работающих сопел для изменения скорости ввода воды в камеру флокуляции без изменения нагрузки на аппарат. Кольцевая камера отстаивания состоит либо из одной секции с тонкослойными элементами для улавливания осаждающихся или всплывающих частиц дисперсной фазы, либо из двух последовательно работающих секций, если в воде одновременно присутствуют примеси обоих видов. Аппарат оборудован устройством для адгезионного съема с поверхности воды всплывающих нефтепродуктов.

В нижней части корпуса расположена камера, предназначенная для накопления и первичного гравитационного сгущения осадка и оборудованная скребковым механизмом. Аппараты имеют достаточно плотное перекрытие над зеркалом воды, что позволяет свести к минимуму выбросы паров воды, нефтепродуктов и других загрязнений в атмосферу. Важной особенностью отстойников-флокуляторов является стабильность процесса очистки воды при значительных колебаниях температуры (до ± 8 С/ч) и расхода (до ± 30 %/ч), достигнутая при коагуляционной обработке цветной маломутной поверхностной воды Верх-Исетского водохранилища для Свердловской ТЭЦ.

Традиционно аппараты размещаются вне здания, на нулевой отметке, без обваловки. В условиях холодного климата стало экономически обоснованным, вследствие компактности и относительной герметичности, устанавливать аппараты в отапливаемых помещениях. В таком варианте стоимость узла отстаивания значительно ниже затрат на сооружение обычных отстойников вне здания, а тепло, излучаемое стенками и перекрытием аппарата, используется для отопления помещения.

Разработка и освоение производства отстойников-флокуляторов позволили создать одноступенчатые схемы внецеховых очистных сооружений для глубокой очистки оборотной воды до качества, указанного в таблице. В зависимости от уровня требований и технологических свойств воды применяются реагентные или безреагентные технологии, варьируются виды и дозы реагентов D, режимы их смешивания с водой (средний градиент скорости G1 и продолжительность T1) и флокуляционного перемешивания (то же, G2 и T2), гидравлическая крупность дисперсной фазы U0 и другие технологические параметры. Их значение определяется на лабораторных и пилотных установках и используется при расчете и конструировании отстойников-флокуляторов для конкретного технологического процесса.

Технико-экономическая целесообразность применения отстойников-флокуляторов в безреагентных технологиях определяется значительной способностью дисперсной фазы оборотной воды металлургических агрегатов к самопроизвольной ортокинетической (градиентной и гравитационной) агрегации, происходящей при перемешивании в камере флокуляции аппарата, и последующим эффективным разделением фаз в зонах седиментации. Так, на рис. 3 приведена полученная на лабораторном флокуляторе зависимость остаточного содержания взвешенных веществ ВВt от параметровG2 и T2 для оборотной воды газоочистки доменной печи Серовского металлургического завода при отстаивании с U0= 0,3 мм/с от исходного содержания взвеси ВВ0 =  1348 мг/дм3.

02-02_ris_03

Функциональная зависимость ВВt = f(G2, T2) имеет экстремальный характер и аппроксимируется полиномом второго порядка:

BBt = 413,5 – 43,63T2 – 11,46G2 +
+ 1,32T22 + 0,59T2G2 + 0,14G22.

Поле изолиний остаточного содержания взвешенных веществ (ВВt) делится радиусами из точки минимума C на четыре сектора. В секторах Iи III характер изолиний эффективности очистки воды близок к зависимости, выражаемой критерием Кэмпа: К = GT. При росте значения критерия Кэмпа в секторе I эффективность отстаивания воды однозначно увеличивается, а в секторе III, наоборот, уменьшается вследствие возрастания факторов диспергирования дисперсной фазы. В секторах II и IV эта зависимость имеет переходный характер.

Наибольшей эффективности очистки воды (ВВt = 60 мг/дм3) соответствуют величины G2 = = 12,5 с–1 и T2 = 14 мин в точке C. Заданным техническим требованиям (ВВt = 100 мг/дм3) удовлетворяет множество значений пар этих параметров, находящихся на соответствующей изолинии, например, G2 = 25 с–1 и T2 = 5 мин в точке M сектора I. Использование режимов в секторах II, IIIи IV также технически возможно,но экономически не целесообразно. Конкретное значение параметров выбирается из технико-экономических соображений. Таким образом, высокая степень зависимости результатов очистки воды от параметра G2 подтверждает целесообразность оснащения отстойников-флокуляторов системой регулирования скорости тангенциальной подачи воды в камеру флокуляции.

Результаты этих исследований позволили оптимизировать технические решения по отстойникам-флокуляторам для оборотных циклов доменных газоочисток Серовского металлургического завода, Новолипецкого металлургического комбината и Енакиевского металлургического завода.

При безреагентной очистке окалиномаслосодержащих вод в оборотных циклах водоснабжения агрегатов горячей прокатки и машин непрерывного литья заготовок преобладающим механизмом агрегации дисперсной фазы является гидрофобная флокуляция, поскольку нефтепродукты и продукты их окисления, содержащие аполярные углеводороды и гетерополярные соединения, играют роль флокулянта [8]. Окалиномаслосодержащие воды формируются при адгезии и сорбции в водной фазе большого количества минеральных масел и смазок окалиной, образующейся при разливке и прокатке металла. Содержание нефтепродуктов в дисперсной фазе составляет обычно от 5 до 15%, в редких случаях – до 50%. Таким образом, окалиномаслосодержащие воды представляют собой трехфазные микрогетерогенные системы.

В развитие существующей классификации гетерогенных систем подобные сточные воды (а также некоторые другие техногенные продукты), которые нельзя отнести ни к суспензиям, ни к эмульсиям, предлагается выделить в отдельную группу и назвать эмульсионно-суспензионными системами [9]. Окалиномаслосодержащие воды и получаемые при их очистке осадки относятся к прямым эмульсионно-суспензионным системам классов А.I и B.I, поскольку минеральные масла сорбированы всей или б льшей частью неоднородной поверхности твердой фазы. На рис. 4 показана зависимость ВВt от параметров флокуляционного перемешивания для окалиномаслосодержащих вод группы трубопрокатных станов Первоуральского Новотрубного завода при отстаивании (ВВ0 = 720 мг/дм3, U0= 0,3 мм/с) в отсутствие реагентной обработки.

02-02_ris_04

В присутствии стабилизаторов дисперсных систем – фосфатов (15 мг/дм3) – флокуляционное перемешивание способствует снижению остаточного содержания взвешенных веществ ВВtдо уровня 100 мг/дм3, в то время как отстаивание только при гравитационной флокуляции (G2, T2 = 0) – лишь до 150–200 мг/дм3. При более высоких требованиях к показателям оборотной воды, учете ее сложного химического состава и необходимости увеличения удельной гидравлической нагрузки на отстойники-флокуляторы целесообразно применение синтетических флокулянтов, поскольку они технологически эффективны и не приводят к увеличению солесодержания оборотной воды, а принципы их использования достаточно четко разработаны [10; 11].

Поскольку омасленная поверхность дисперсной фазы окалиномаслосодержащих вод имеет отрицательный электрический заряд, наиболее эффективными при их очистке являются катионные флокулянты, чаще всего Praestol 650, Servei FL1, реже – ВПК 402. Последний из них более эффективен при очистке окалиномаслосодержащих вод трубопрокатных агрегатов, имеющих наиболее сложный химический состав, в частности, содержащих фосфаты, а также большое количество нефтепродуктов НП0. По-видимому, наряду с необходимостью устранения электростатического и других факторов устойчивости дисперсной системы существует также значимое химическое взаимодействие компонентов окалиномаслосодержащих вод и флокулянта ВПК 402 с образованием водонерастворимых комплексов. При этом в сравнении с флокулянтом Praestol 650 обычно требуются меньшие значения величинG1 и G2, бльшие значенияT1 и T2 и более сниженные значения U0 (около 0,3 вместо 0,7–1 мм/с). Для флокулянта Praestol 650 роль оптимального проведения процесса смешивания с водой в достижении наибольшей эффективности очистки выше, чем влияние параметров флокуляционного перемешивания и отстаивания.

02-02_ris_05

На рис. 5 отражено существенное влияние параметров смешивания окалиномаслосодержащих вод G1 и T1 с раствором флокулянта Praestol 650 (доза 1 мг/дм3) на результаты отстаивания сU0= 0,6 мм/с для оборотного цикла непрерывного трубопрокатного агрегата Первоуральского Новотрубного завода при близких к оптимальным значениям параметрах флокуляции (G2 = 70 с–1 и T2 = 5 мин). Исходная концентрация фосфатов – 25 мг/дм3, взвешенных веществ – 489 мг/дм3, нефтепродуктов – 42 мг/дм3. Значение параметров смешивания выбирается исходя из технико-экономических и конструктивных соображений.

02-02_ris_06

Типичными являются результаты производственного эксперимента (рис. 6) на запроектированном фирмой «ЭКО-ПРОЕКТ» по одноступенчатой схеме оборотном цикле мелкосортного стана горячей прокатки «150/250» Нижнесергинского метизно-металлургического завода с тремя отстойниками-флокуляторами ОФ1, ОФ2, ОФ3 диаметром 10 м. Условия эксперимента: общий расход воды в цикле Q = 2000 м3/ч,G1 = 78,5 с–1, T1 = 4,25 мин. Параметры работы ОФ1: Q= 1000 м3/ч,

G2 = 75 с–1, T2 = 5 мин; ОФ2:

Q = 700 м3/ч, G2 = 51 с–1,

T2 = 7 мин; ОФ3: Q = 300 м3/ч, G2 = 23 с–1, T2 = 17 мин.

Окалиномаслосодержащий осадок из аппаратов откачивается циклично насосами на разработанную фирмой «ЭКО-ПРОЕКТ» установку нового типа для его гравитационного обезвоживания без использования флокулянта [8]. Созданный при этом комплекс очистки воды и обезвоживания осадка управляется АСУ ТП. Окалиномаслосдержащие воды подаются на внецеховые очистные сооружения насосами после двух внутрицеховых первичных отстойников ПО № 1 и ПО № 2. С целью исключения влияния предшествующей реагентной обработки воды перед началом эксперимента цикл был переведен на трехсуточный безреагентный режим гидрофобной флокуляции. В конце этого периода содержание взвешенных веществ после аппаратов соответственно было равно 48; 39 и 31 мг/дм3. В начале эксперимента доза флокулянта Praestol 650в течение 23 часов составляла 0,05 мг/дм3, после чего была изменена – 0,2 мг/дм3 в течение 15 часов.

Качество очищенной воды на каждом отстойнике-флокуляторе значительно выше установленного техническими требованиями (20 мг/дм3) и различается несущественно из-за близкой величины критерия Кэмпа режима работы камер флокуляции и большого фактического значения U0. Аналогичные результаты были получены и при испытаниях с использованием флокулянта катионного типа Servei FL1, производимого Химической группой «Основа».

На разных объектах работает около 70 отстойников-флокуляторов производительностью от 6 до 1200 м3/ч. Разработан технический проект аппарата диаметром 14 м производительностью до 2400 м3/ч. По результатам лабораторных и опытно-промышленных испытаний, пусконаладки и эксплуатации оборотных систем фирма «ЭКО-ПРОЕКТ» разрабатывает технологические регламенты для собственного проектного отдела, для институтов «Гипромез» России и Украины и других проектных организаций. Большинство запроектированных объектов построены и успешно эксплуатируются. Высокая эффективность отстойников-флокуляторов (производство фирмы «ЭКО-ПРОЕКТ») позволила отменить запланированное на Магнитогорском металлургическом комбинате строительство фильтровальной станции производительностью 4,5 тыс. м3/ч, стоимостью 0,3 млрд. руб. для доочистки оборотной воды сортовых станов.

02-02_ris_07

Размещение компактных отстойников-флокуляторов оборотного цикла водоснабжения газоочисток доменных печей № 4 и 5 Енакиевского металлургического завода (Украина) на ограниченной территории рядом с водопотребляющими агрегатами (рис. 7) позволило отказаться от строительства эстакады с водоводами для циркуляции оборотной воды и снизить затраты энергии на этот процесс.

Замена трех радиальных отстойников диаметром 30 м тремя отстойниками-флокуляторами в проекте доменной печи № 7 Новолипецкого металлургического комбината позволила снизить более чем в 2 раза стоимость строительства очистных сооружений и уменьшить площадь занимаемой территории (рис. 8).

02-02_ris_08

Результаты расчета на примере оборотного цикла непрерывного трубопрокатного агрегата, намеченного к строительству на Урале, показывают, что при осуществлении процессов очистки и обезвоживания по технологии фирмы «ЭКО-ПРОЕКТ» (в основном за счет сил гравитации) удельные затраты энергии снижаются по сравнению с конкурентными предложениями европейских инжиниринговых фирм с 80·10–3 до 5·10–3 кВт·ч/м3.

Выводы

Научно-проектная фирма «ЭКО-ПРОЕКТ» разработала и активно внедряет на металлургических предприятиях России и Украины серию компактных высокоэффективных отстойников-флокуляторов, предназначенных для очистки оборотной воды технологических агрегатов, промышленно-ливневых сточных вод и водоподготовки. Применение одноступенчатых схем глубокой очистки сточных вод вместо двухступенчатых на отстойниках-флокуляторах в комплексе с новой технологией гравитационного обезвоживания получаемого в них осадка позволяет принципиально улучшить все технико-экономические и экологические показатели водного хозяйства металлургических заводов.

 

 

Список цитируемой литературы

  1. ОРД 14.397-2.02-87. Указания по проектированию объектов энергохозяйства металлургических предприятий. Т. 14. - М., Минчермет СССР, 1987.
  2. Левин Г. М., Пантелят Г. С., Вайнштейн И. А., Суп-рун Ю. М. Защита во-доемов от загрязнения сточными водами предприятий черной металлургии // Металлургия, 1988.
  3. Пат. 2182838, РФ. МКП B 01 D 21/08. Аппарат для осветления жидкости / Ю. А. Галкин // Изобретения. Полезные модели. 2001.
  4. Пат. 2234357, РФ. МКП B 01 D 21/08. Аппарат для осветления жидкости / Ю. А. Галкин // Изобретения. Полезные модели. 2001.
  5. Галкин Ю. А. Конструктивные особенности и технологические параметры от-стойников-флокуляторов / Под ред. Л. И. Эльпинера: Сб. докладов VIII Международного конгресса  - . - М., 2008.
  6. Галкин Ю. А. Технология глубокой очистки оборотной воды станов горячей прокатки и МНЛЗ на отстойниках-флокуляторах // Сталь. 2008. № 3.
  7. Галкин Ю. А., Сидорова И. А. Технология обезвоживания окалиномаслосодержащих осадков // Сталь. 2007. № 12.
  8. Галкин Ю. А., Рабинович А. Л., Березюк В. Г. Некоторые закономерности взаимодействия частиц дисперсной фазы окалиномаслосодержащих сточных вод // Химия и технология воды. 1989. Т. 11, № 5.
  9. Галкин Ю. А. Эмульси-онно-суспензионные микрогетерогенные системы и их классификация // Химия и технология воды. 1989. Т. 11, № 11.
  10. Гетманцев С. В., Нечаев И. А., Гандурина Л. В. Очистка производственных сточных вод коагулянтами и флокулянтами. - М.: Издательство АСВ, 2008.
  11. Аксенов В. И., Гандурина Л. В., Керин А. С. и др. Водное хозяйство промышленных предприятий. Кн. 6. Флокулянты. - М.: Теплотехник, 2008.

Российская ассоциация водоснабжения и водоотведения

Banner konferentciia itog 200x100

VAK2

bajkal forum 100x100

Трубопроводная арматура АБРАДОКС, АБРА, ABRADOX, ABRA

Авторизация

Внимание! Рекомендуется просматривать сайт максимально свежими версиями браузеров. Некоторые устаревшие версии (IE 8) не смогут корректно скачать материалы номеров журнала.