熊 斐，楊 浩，金曉蓉

（寶武水務(wù)科技有限公司，上海 201900）

鋼鐵工業(yè)用水主要包含工藝用水、鍋爐用水、循環(huán)冷卻用水和清洗用水等。其中循環(huán)冷卻用水約占工業(yè)用水總量的90%〔1〕，是鋼鐵工業(yè)水系統(tǒng)重要的組成部分，在生產(chǎn)和維護設(shè)備安全方面起到至關(guān)重要的作用，主要用于冷卻設(shè)備或產(chǎn)品，冷卻效果直接影響生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量。

循環(huán)冷卻水的補充水中含有大量的物質(zhì)，經(jīng)過長時間的累計易導(dǎo)致循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中各項水質(zhì)指標超標，因此不同的補水來源將會對生產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)生不同的影響〔2〕，須嚴格控制補充水水質(zhì)，通過制定補充水水質(zhì)標準并在補充水進入循環(huán)水前進行適當(dāng)預(yù)處理，包括過濾、加藥等措施，確保循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的循環(huán)水水況處于安全可控的區(qū)間〔3〕，當(dāng)前鋼鐵循環(huán)水補水重要來源有3 種，包括地下水、市政中水、河流水。

常見的循環(huán)水水質(zhì)引起的設(shè)備兩大問題主要是腐蝕與結(jié)垢，而不同補水來源將直接影響循環(huán)水水質(zhì)，過高的濃縮倍數(shù)將增加設(shè)備腐蝕或結(jié)垢的風(fēng)險，過低的濃縮倍數(shù)將造成水資源的浪費。筆者對比不同地區(qū)3 種常見的補水來源水質(zhì)特點，識別了引起水質(zhì)變化的主要環(huán)境因子，并根據(jù)Langelier 指數(shù)（L.S. I）、Ryzna 穩(wěn)定指數(shù)（R. S. I）與Packorius 結(jié)垢系數(shù)（P. S. I）分析補水水質(zhì)結(jié)垢或腐蝕傾向，確定合適的循環(huán)水濃縮倍數(shù)，進一步優(yōu)化加藥方案，從而確保循環(huán)水水質(zhì)穩(wěn)定受控。

1 鋼鐵循環(huán)水系統(tǒng)

1.1 研究區(qū)域概況

筆者選擇了5 個地區(qū)的間冷開式循環(huán)水系統(tǒng)及其補充水水質(zhì)進行分析研究，分別為福建寧德、廣東珠海、湖南衡陽、陜西韓城和內(nèi)蒙古烏海，分別位于中國的東南部、中部和東北部，陜西韓城與內(nèi)蒙古烏海循環(huán)水補水水源均為地下水，福建寧德與廣東珠海循環(huán)水補水水源為市政中水，湖南衡陽為河流水。

對于補充水，主要監(jiān)控指標為pH、電導(dǎo)率、總硬度、鈣硬度、總堿度、氯離子、總鐵和濁度8 個指標。因各地域補充水水質(zhì)不同，通過監(jiān)控上述數(shù)據(jù)并針對各地域水質(zhì)提出特定水處理方案可有效保證循環(huán)水系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。

1.2 循環(huán)水系統(tǒng)概況

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要可分為密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)〔4〕。密閉循環(huán)水系統(tǒng)由密閉冷卻水池、熱水換熱器、工藝熱流體換熱器和循環(huán)水泵組成，一般用于循環(huán)水水質(zhì)和水壓要求較高的設(shè)備，該水系統(tǒng)中主要使用純水作為循環(huán)水系統(tǒng)補水，一般會添加除氧劑〔5〕；敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要依靠水的蒸發(fā)帶走熱量來降低水溫。水分的蒸發(fā)會導(dǎo)致冷卻水中鹽分濃度增大。為了防止鹽分濃度過高導(dǎo)致結(jié)垢，需要補充新水進行稀釋，敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)又分為凈循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、濁循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和集塵循環(huán)水系統(tǒng)。

凈循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的特點是冷卻水不會與被冷卻物料直接接觸，換熱后水不會被污染，但需要維持循環(huán)水量和水質(zhì)、進行加藥處理和定時補充新水。濁循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中冷卻水會與冷卻物料直接接觸，冷卻水中帶有大量的污垢和雜質(zhì)等。由于濁循環(huán)冷卻水中雜質(zhì)含量高，甚至含有油潰，所以除了對循環(huán)水水質(zhì)進行調(diào)節(jié)外，還需要對循環(huán)水進行沉淀、除油等操作。集塵循環(huán)冷卻水系統(tǒng)也屬于直接冷卻水系統(tǒng)，其與濁循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的不同之處在于循環(huán)水除了直接冷卻物料外還兼有淋洗、吸附物料中雜質(zhì)的作用。由于渾濁度較高，這類循環(huán)水需要進一步處理后利用〔6〕。

1.3 水質(zhì)分析

筆者依據(jù)南北5 個地區(qū)3 種不同補水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析研究3 種不同補水水質(zhì)情況以及循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運行方案。通過水質(zhì)現(xiàn)狀對比，分析3 種補水水質(zhì)特征，利用主成分分析方法識別主導(dǎo)3 種補水水質(zhì)變化的環(huán)境因子〔7-9〕。

2 結(jié)果與討論

2.1 循環(huán)水補充水

2.1.1 補水水質(zhì)現(xiàn)狀

循環(huán)水系統(tǒng)主要受到補充水水質(zhì)、氣溫和環(huán)境濕度等因素的影響，其中補充水水質(zhì)的影響最為直接。補充水水質(zhì)檢測頻率為1 周1 次，進行了維持5個月的水質(zhì)摸排，本次研究分析主要選取了6 種水質(zhì)指標進行分析，包括pH、總硬度、堿度、鈣硬度、氯離子、電導(dǎo)率。為減小檢測誤差等潛在因素對數(shù)據(jù)準確性的影響，采用平均值分析補充水水質(zhì)的時空差異。循環(huán)水補充水不同地域各類水質(zhì)指標對比如圖1 所示。

由圖1 可知，通過6 種水質(zhì)指標的測定發(fā)現(xiàn)，3種補水水源pH 維持在正常水平（6～9），其中地下水電導(dǎo)率、硬度、堿度均遠高于其他兩股補水來源，地表河流水與市政水水質(zhì)較為接近，水質(zhì)狀況較好。

2.1.2 補水水質(zhì)分析

為了進一步深入研究南北地區(qū)循環(huán)水補充水水質(zhì)的分布特征，采用主成分分析方法提取引起循環(huán)水補充水水質(zhì)變化的主導(dǎo)因素并加以分析〔10-11〕，再利用重復(fù)測量方差分析判別各地域空間類別上有顯著性差異的水質(zhì)指標，并對影響水質(zhì)因子時空差異的潛在因素進行探索分析。

首先用SPSS 軟件對原始數(shù)據(jù)和平均值數(shù)據(jù)進行了KMO 和Bartlett 球度檢驗，將5 個地區(qū)的補水水質(zhì)數(shù)據(jù)在SPSS 軟件中進行KMO 檢驗和巴萊特球形檢驗，得出KMO 統(tǒng)計量為0.660（＞0.600），Bartlett 球形檢驗小于0.001，表明這些數(shù)據(jù)存在較強的相關(guān)性，主成分法有較好的適用性，研究數(shù)據(jù)符合主成分分析的要求。

用Origin 軟件對各地域循環(huán)水補充水月度標準化平均值做主成分分析，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 各地域循環(huán)水補充水質(zhì)指標PCA 分析雙序圖Fig.2 Double-sequence diagram of PCA analyses of recycled water replenishment quality indicators by geographical region

由圖2 可知，1）循環(huán)冷卻水水質(zhì)存在明顯的空間地域分布，湖南衡陽與廣東珠海代表的市政水分布在第三象限，內(nèi)蒙古烏海與陜西韓城代表的地下水主要分布在第四象限，福建寧德代表的河流水在第二象限，由此可以看出3 種補充水水質(zhì)空間性差異明顯；2）水質(zhì)指標的箭頭越長表示該指標載荷越大，對排序的貢獻也越大，箭頭間的夾角表示補充水水質(zhì)指標間的相關(guān)性，夾角越小表示相關(guān)性越高〔12-13〕；圖中箭頭較長的水質(zhì)指標在排序空間中分成濁度、總鐵和電導(dǎo)率、鈣硬度、總硬度、氯離子、總堿度兩簇排列，主導(dǎo)著補水水質(zhì)空間性差異，除pH外，其余兩簇環(huán)境因子間夾角小，各指標間相關(guān)性強；3）從圖中可看出電導(dǎo)率、鈣硬度、總硬度、氯離子水質(zhì)指標主導(dǎo)地下水補充水水質(zhì)變化，與已有的研究結(jié)論一致〔14〕；總鐵和濁度主導(dǎo)地表河流水水質(zhì)變化。

2.2 循環(huán)水系統(tǒng)運營方案

循環(huán)水系統(tǒng)運營方案受補水水質(zhì)影響，筆者選用2021 年4—8 月不同補水來源水質(zhì)數(shù)據(jù)平均值作為基準，分別計算了R. S. I、L. S. I 飽和指數(shù)、P. S.I〔15〕，以此判斷不同濃縮倍數(shù)下，循環(huán)水的腐蝕或結(jié)垢傾向，為循環(huán)水系統(tǒng)運行及藥劑投加提供指導(dǎo)。

2.2.1 地下水補水運行方案

陜西韓城與內(nèi)蒙古循環(huán)水補充水為地下水，北方地下水的特點是硬度與堿度較高，其電導(dǎo)率、鈣硬度、總硬度、氯離子和總堿度遠高于其他地域，但水質(zhì)波動較小，主要是因為地下水中礦物質(zhì)含量較高，同時受雨水和地表水水質(zhì)影響較小。以陜西韓城為例，通過R. S. I、L. S. I、P. S. I 計算得出結(jié)垢與腐蝕程度，結(jié)果如表1 所示。

表1 地下水不同濃縮倍數(shù)下循環(huán)水各指數(shù)對比Table 1 Comparison of indices for recycled water at different concentration levels in groundwater

由表1 可知，當(dāng)補水為地下水時，隨著濃縮倍數(shù)的升高，結(jié)垢傾向更為嚴重。當(dāng)濃縮倍數(shù)為≥2 時，鈣硬度+總堿度＞1 100 mg/L，需要考慮采用加酸方案降低結(jié)垢風(fēng)險。當(dāng)濃縮倍數(shù)為≥5 時，系統(tǒng)有嚴重的結(jié)垢傾向。當(dāng)濃縮倍數(shù)處于1.5～3 時，其排污水量、補充水量呈明顯的下降趨勢，而濃縮倍數(shù)在3.0～5.0 的范圍變化很小。因此適當(dāng)提高濃縮倍數(shù)可以有效地降低排污水量，提高水的重復(fù)利用率。

但當(dāng)濃縮倍數(shù)≥3，系統(tǒng)耗水量增加較少，而系統(tǒng)的結(jié)垢傾向加大，同時氯離子質(zhì)量濃度高到1 220 mg/L 左右加大系統(tǒng)腐蝕傾向，導(dǎo)致系統(tǒng)化學(xué)處理難度和費用明顯提高。因此綜合考慮，本系統(tǒng)水處理方案的濃縮倍數(shù)需控制在3 左右。

本系統(tǒng)補充水為高硬高堿度類型，屬于結(jié)垢型水質(zhì)，同時水中氯離子和濁度等腐蝕因子含量較高，隨著濃縮倍數(shù)的升高又會使循環(huán)水系統(tǒng)呈現(xiàn)腐蝕傾向。因此藥劑投加方案偏重于對結(jié)垢的控制，兼顧防腐，同時加強對微生物的整體控制。

本系統(tǒng)阻垢分散劑的投加量應(yīng)遠多于緩蝕劑，可選用主要成分為聚環(huán)氧琥珀酸的環(huán)境友好型阻垢分散劑，充分利用其在高堿度、高硬度、高溫條件下有良好阻垢分散能力的同時可以很好地與氯離子相容，不受系統(tǒng)內(nèi)氯離子濃度的影響。雖然聚磷酸有良好的阻垢和緩蝕作用，但因其水解生成正磷酸鹽易與鈣離子反應(yīng)生成磷酸鈣垢，不適于在本系統(tǒng)內(nèi)使用。

緩蝕劑可選用陰極型緩蝕劑，可有效在碳鋼、不銹鋼等表面形成均勻致密的氧化物保護膜，同時還可配合使用陰極抑制型緩蝕劑以形成良好的緩蝕協(xié)同作用降低氯離子對設(shè)備表面產(chǎn)生的點腐蝕。

長期使用一種殺生劑，微生物易產(chǎn)生抗藥性，因此應(yīng)采用幾種殺生劑交替使用以保證殺生系統(tǒng)的有效性?？紤]到補充水中氯離子質(zhì)量濃度為400 mg/L左右，當(dāng)濃縮倍數(shù)為3 時系統(tǒng)內(nèi)氯離子質(zhì)量濃度高于《工業(yè)用冷卻水處理技術(shù)規(guī)范》（GB 50050—2017）內(nèi)建議的氯離子質(zhì)量濃度（1 000 mg/L），因此為減緩高濃度氯離子帶來的腐蝕影響，建議選用溴系藥劑作為主要的氧化性殺生劑，同時采用季銨鹽作為輔助非氧化性殺生劑。其中非氧化性殺生劑采用大劑量、長間隔的投加方式以殺滅微生物；氧化性殺生劑采取低劑量、高頻率的投加方式以抑制微生物的生長與繁殖。

2.2.2 市政水與河流水補水運行方案

通過上述水質(zhì)分析研究發(fā)現(xiàn)，市政水與地表河流水水質(zhì)接近，水中電導(dǎo)率、總硬度和氯離子濃度較低，因此市政水與地表河流水作為補水的循環(huán)水系統(tǒng)運營和藥劑投加方案類似。選取廣東珠海補充水水質(zhì)作為南部區(qū)域循環(huán)水系統(tǒng)補充水對應(yīng)的藥劑投加方案，結(jié)果如表2 所示。

表2 市政水或河流水不同濃縮倍數(shù)下循環(huán)水各指數(shù)對比Table 2 Comparison of various indices of recycled water at different concentration levels for municipal or river water

由表2 可知，當(dāng)補水為地表河流水或市政水，濃縮倍數(shù)＜5 時，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)腐蝕性明顯，需著重考慮緩蝕問題；當(dāng)濃縮倍數(shù)≥5 時，系統(tǒng)腐蝕性傾向降低，結(jié)垢傾向增加，需考慮阻垢問題，同時需考慮加酸方案降低結(jié)垢風(fēng)險。隨著濃縮倍數(shù)的升高，系統(tǒng)節(jié)水能力下降明顯，同時會使循環(huán)冷卻水中的硬度、堿度和濁度升得太高，水的結(jié)垢傾向增大很多，從而使結(jié)垢、腐蝕控制的難度變大，使水處理藥劑在冷卻水系統(tǒng)內(nèi)的停留時間增長而水解，因此本系統(tǒng)水處理方案的濃縮倍數(shù)建議控制在5 左右。

在藥劑運行方案中，地表河流水及市政水的總堿度和鈣硬度較低，可選用性價比高的聚磷酸作為本系統(tǒng)阻垢分散劑，但其阻垢效率相比聚環(huán)氧琥珀酸偏低。 因系統(tǒng)內(nèi)氯離子濃度較低，可選用次氯酸鈉作為氧化性殺生劑，同時采用季銨鹽作為輔助非氧化性殺生劑。因濃縮倍數(shù)高，本系統(tǒng)內(nèi)細菌總量會相應(yīng)升高，各類殺生劑的投加量均需增加。

3 結(jié)論

1）當(dāng)循環(huán)水補充水為地下水時，其電導(dǎo)率、總堿度、總硬度、鈣硬度和氯離子要遠高于其他區(qū)域。當(dāng)補充水濃縮倍數(shù)相同時補充水中總堿度和硬度遠高于其他補水類型，根據(jù)結(jié)垢指數(shù)，其結(jié)垢傾向最高，為結(jié)垢型補充水。建議地下水作為補水來源時，濃縮倍數(shù)控制在3～4，同時可沖擊性投加硫酸降低結(jié)垢風(fēng)險，投加溴基氧化型殺生劑和聚環(huán)氧琥珀酸阻垢分散劑降低腐蝕風(fēng)險。

2）當(dāng)循環(huán)水補充水為城市市政水或地表河流水時，電導(dǎo)率、總堿度、總硬度、鈣硬度和氯離子明顯低于北部地域，根據(jù)結(jié)垢指數(shù)，其結(jié)垢傾向較低，為腐蝕型補充水。當(dāng)市政水或河流水作為補水來源，水質(zhì)較穩(wěn)定，建議濃縮倍數(shù)控制在4～5 左右。在此狀態(tài)下，可選用次氯酸鈉作為氧化型殺生劑同時使用聚磷酸作為阻垢分散劑降低運行成本。本系統(tǒng)可選用次氯酸鈉作為氧化型殺生劑和聚磷酸作為阻垢分散劑降低運行成本，還需沖擊性投加一定量除鐵劑，降低鐵腐蝕風(fēng)險。