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:

заводы черной металлургии , водное хозяйство , отстойник-флокулятор , глубокая очистка оборотной воды , гравитационное обезвоживание осадка

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.

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].

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 ВВ_t 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.

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

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

Поле изолиний остаточного содержания взвешенных веществ (ВВ_t) 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 (ВВ_t = 60 мг/дм³) соответствуют величины G₂ = = 12,5 с^–1 и T₂ = 14 мин в точке C. Заданным техническим требованиям (ВВ_t = 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 ВВ_t 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.

В присутствии стабилизаторов дисперсных систем – фосфатов (15 мг/дм³) – флокуляционное перемешивание способствует снижению остаточного содержания взвешенных веществ ВВ_tдо 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.

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.

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.

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).

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.