钢铁循环水补水水质及系统运行方案优化

熊 斐，杨 浩，金晓蓉

（宝武水务科技有限公司，上海 201900）

钢铁工业用水主要包含工艺用水、锅炉用水、循环冷却用水和清洗用水等。其中循环冷却用水约占工业用水总量的90%〔1〕，是钢铁工业水系统重要的组成部分，在生产和维护设备安全方面起到至关重要的作用，主要用于冷却设备或产品，冷却效果直接影响生产产品质量。

循环冷却水的补充水中含有大量的物质，经过长时间的累计易导致循环冷却水系统中各项水质指标超标，因此不同的补水来源将会对生产设备产生不同的影响〔2〕，须严格控制补充水水质，通过制定补充水水质标准并在补充水进入循环水前进行适当预处理，包括过滤、加药等措施，确保循环冷却水系统中的循环水水况处于安全可控的区间〔3〕，当前钢铁循环水补水重要来源有3 种，包括地下水、市政中水、河流水。

常见的循环水水质引起的设备两大问题主要是腐蚀与结垢，而不同补水来源将直接影响循环水水质，过高的浓缩倍数将增加设备腐蚀或结垢的风险，过低的浓缩倍数将造成水资源的浪费。笔者对比不同地区3 种常见的补水来源水质特点，识别了引起水质变化的主要环境因子，并根据Langelier 指数（L.S. I）、Ryzna 稳定指数（R. S. I）与Packorius 结垢系数（P. S. I）分析补水水质结垢或腐蚀倾向，确定合适的循环水浓缩倍数，进一步优化加药方案，从而确保循环水水质稳定受控。

1 钢铁循环水系统

1.1 研究区域概况

笔者选择了5 个地区的间冷开式循环水系统及其补充水水质进行分析研究，分别为福建宁德、广东珠海、湖南衡阳、陕西韩城和内蒙古乌海，分别位于中国的东南部、中部和东北部，陕西韩城与内蒙古乌海循环水补水水源均为地下水，福建宁德与广东珠海循环水补水水源为市政中水，湖南衡阳为河流水。

对于补充水，主要监控指标为pH、电导率、总硬度、钙硬度、总碱度、氯离子、总铁和浊度8 个指标。因各地域补充水水质不同，通过监控上述数据并针对各地域水质提出特定水处理方案可有效保证循环水系统的长期稳定运行。

1.2 循环水系统概况

循环冷却水系统主要可分为密闭式循环冷却水系统和敞开式循环冷却水系统〔4〕。密闭循环水系统由密闭冷却水池、热水换热器、工艺热流体换热器和循环水泵组成，一般用于循环水水质和水压要求较高的设备，该水系统中主要使用纯水作为循环水系统补水，一般会添加除氧剂〔5〕；敞开式循环冷却水系统主要依靠水的蒸发带走热量来降低水温。水分的蒸发会导致冷却水中盐分浓度增大。为了防止盐分浓度过高导致结垢，需要补充新水进行稀释，敞开式循环冷却水系统又分为净循环冷却水系统、浊循环冷却水系统和集尘循环水系统。

净循环冷却水系统的特点是冷却水不会与被冷却物料直接接触，换热后水不会被污染，但需要维持循环水量和水质、进行加药处理和定时补充新水。浊循环冷却水系统中冷却水会与冷却物料直接接触，冷却水中带有大量的污垢和杂质等。由于浊循环冷却水中杂质含量高，甚至含有油溃，所以除了对循环水水质进行调节外，还需要对循环水进行沉淀、除油等操作。集尘循环冷却水系统也属于直接冷却水系统，其与浊循环冷却水系统的不同之处在于循环水除了直接冷却物料外还兼有淋洗、吸附物料中杂质的作用。由于浑浊度较高，这类循环水需要进一步处理后利用〔6〕。

1.3 水质分析

笔者依据南北5 个地区3 种不同补水水质监测数据，分析研究3 种不同补水水质情况以及循环冷却水系统运行方案。通过水质现状对比，分析3 种补水水质特征，利用主成分分析方法识别主导3 种补水水质变化的环境因子〔7-9〕。

2 结果与讨论

2.1 循环水补充水

2.1.1 补水水质现状

循环水系统主要受到补充水水质、气温和环境湿度等因素的影响，其中补充水水质的影响最为直接。补充水水质检测频率为1 周1 次，进行了维持5个月的水质摸排，本次研究分析主要选取了6 种水质指标进行分析，包括pH、总硬度、碱度、钙硬度、氯离子、电导率。为减小检测误差等潜在因素对数据准确性的影响，采用平均值分析补充水水质的时空差异。循环水补充水不同地域各类水质指标对比如图1 所示。

由图1 可知，通过6 种水质指标的测定发现，3种补水水源pH 维持在正常水平（6～9），其中地下水电导率、硬度、碱度均远高于其他两股补水来源，地表河流水与市政水水质较为接近，水质状况较好。

2.1.2 补水水质分析

为了进一步深入研究南北地区循环水补充水水质的分布特征，采用主成分分析方法提取引起循环水补充水水质变化的主导因素并加以分析〔10-11〕，再利用重复测量方差分析判别各地域空间类别上有显著性差异的水质指标，并对影响水质因子时空差异的潜在因素进行探索分析。

首先用SPSS 软件对原始数据和平均值数据进行了KMO 和Bartlett 球度检验，将5 个地区的补水水质数据在SPSS 软件中进行KMO 检验和巴莱特球形检验，得出KMO 统计量为0.660（＞0.600），Bartlett 球形检验小于0.001，表明这些数据存在较强的相关性，主成分法有较好的适用性，研究数据符合主成分分析的要求。

用Origin 软件对各地域循环水补充水月度标准化平均值做主成分分析，结果如图2 所示。

图2 各地域循环水补充水质指标PCA 分析双序图Fig.2 Double-sequence diagram of PCA analyses of recycled water replenishment quality indicators by geographical region

由图2 可知，1）循环冷却水水质存在明显的空间地域分布，湖南衡阳与广东珠海代表的市政水分布在第三象限，内蒙古乌海与陕西韩城代表的地下水主要分布在第四象限，福建宁德代表的河流水在第二象限，由此可以看出3 种补充水水质空间性差异明显；2）水质指标的箭头越长表示该指标载荷越大，对排序的贡献也越大，箭头间的夹角表示补充水水质指标间的相关性，夹角越小表示相关性越高〔12-13〕；图中箭头较长的水质指标在排序空间中分成浊度、总铁和电导率、钙硬度、总硬度、氯离子、总碱度两簇排列，主导着补水水质空间性差异，除pH外，其余两簇环境因子间夹角小，各指标间相关性强；3）从图中可看出电导率、钙硬度、总硬度、氯离子水质指标主导地下水补充水水质变化，与已有的研究结论一致〔14〕；总铁和浊度主导地表河流水水质变化。

2.2 循环水系统运营方案

循环水系统运营方案受补水水质影响，笔者选用2021 年4—8 月不同补水来源水质数据平均值作为基准，分别计算了R. S. I、L. S. I 饱和指数、P. S.I〔15〕，以此判断不同浓缩倍数下，循环水的腐蚀或结垢倾向，为循环水系统运行及药剂投加提供指导。

2.2.1 地下水补水运行方案

陕西韩城与内蒙古循环水补充水为地下水，北方地下水的特点是硬度与碱度较高，其电导率、钙硬度、总硬度、氯离子和总碱度远高于其他地域，但水质波动较小，主要是因为地下水中矿物质含量较高，同时受雨水和地表水水质影响较小。以陕西韩城为例，通过R. S. I、L. S. I、P. S. I 计算得出结垢与腐蚀程度，结果如表1 所示。

表1 地下水不同浓缩倍数下循环水各指数对比Table 1 Comparison of indices for recycled water at different concentration levels in groundwater

由表1 可知，当补水为地下水时，随着浓缩倍数的升高，结垢倾向更为严重。当浓缩倍数为≥2 时，钙硬度+总碱度＞1 100 mg/L，需要考虑采用加酸方案降低结垢风险。当浓缩倍数为≥5 时，系统有严重的结垢倾向。当浓缩倍数处于1.5～3 时，其排污水量、补充水量呈明显的下降趋势，而浓缩倍数在3.0～5.0 的范围变化很小。因此适当提高浓缩倍数可以有效地降低排污水量，提高水的重复利用率。

但当浓缩倍数≥3，系统耗水量增加较少，而系统的结垢倾向加大，同时氯离子质量浓度高到1 220 mg/L 左右加大系统腐蚀倾向，导致系统化学处理难度和费用明显提高。因此综合考虑，本系统水处理方案的浓缩倍数需控制在3 左右。

本系统补充水为高硬高碱度类型，属于结垢型水质，同时水中氯离子和浊度等腐蚀因子含量较高，随着浓缩倍数的升高又会使循环水系统呈现腐蚀倾向。因此药剂投加方案偏重于对结垢的控制，兼顾防腐，同时加强对微生物的整体控制。

本系统阻垢分散剂的投加量应远多于缓蚀剂，可选用主要成分为聚环氧琥珀酸的环境友好型阻垢分散剂，充分利用其在高碱度、高硬度、高温条件下有良好阻垢分散能力的同时可以很好地与氯离子相容，不受系统内氯离子浓度的影响。虽然聚磷酸有良好的阻垢和缓蚀作用，但因其水解生成正磷酸盐易与钙离子反应生成磷酸钙垢，不适于在本系统内使用。

缓蚀剂可选用阴极型缓蚀剂，可有效在碳钢、不锈钢等表面形成均匀致密的氧化物保护膜，同时还可配合使用阴极抑制型缓蚀剂以形成良好的缓蚀协同作用降低氯离子对设备表面产生的点腐蚀。

长期使用一种杀生剂，微生物易产生抗药性，因此应采用几种杀生剂交替使用以保证杀生系统的有效性。考虑到补充水中氯离子质量浓度为400 mg/L左右，当浓缩倍数为3 时系统内氯离子质量浓度高于《工业用冷却水处理技术规范》（GB 50050—2017）内建议的氯离子质量浓度（1 000 mg/L），因此为减缓高浓度氯离子带来的腐蚀影响，建议选用溴系药剂作为主要的氧化性杀生剂，同时采用季铵盐作为辅助非氧化性杀生剂。其中非氧化性杀生剂采用大剂量、长间隔的投加方式以杀灭微生物；氧化性杀生剂采取低剂量、高频率的投加方式以抑制微生物的生长与繁殖。

2.2.2 市政水与河流水补水运行方案

通过上述水质分析研究发现，市政水与地表河流水水质接近，水中电导率、总硬度和氯离子浓度较低，因此市政水与地表河流水作为补水的循环水系统运营和药剂投加方案类似。选取广东珠海补充水水质作为南部区域循环水系统补充水对应的药剂投加方案，结果如表2 所示。

表2 市政水或河流水不同浓缩倍数下循环水各指数对比Table 2 Comparison of various indices of recycled water at different concentration levels for municipal or river water

由表2 可知，当补水为地表河流水或市政水，浓缩倍数＜5 时，循环冷却水系统腐蚀性明显，需着重考虑缓蚀问题；当浓缩倍数≥5 时，系统腐蚀性倾向降低，结垢倾向增加，需考虑阻垢问题，同时需考虑加酸方案降低结垢风险。随着浓缩倍数的升高，系统节水能力下降明显，同时会使循环冷却水中的硬度、碱度和浊度升得太高，水的结垢倾向增大很多，从而使结垢、腐蚀控制的难度变大，使水处理药剂在冷却水系统内的停留时间增长而水解，因此本系统水处理方案的浓缩倍数建议控制在5 左右。

在药剂运行方案中，地表河流水及市政水的总碱度和钙硬度较低，可选用性价比高的聚磷酸作为本系统阻垢分散剂，但其阻垢效率相比聚环氧琥珀酸偏低。 因系统内氯离子浓度较低，可选用次氯酸钠作为氧化性杀生剂，同时采用季铵盐作为辅助非氧化性杀生剂。因浓缩倍数高，本系统内细菌总量会相应升高，各类杀生剂的投加量均需增加。

3 结论

1）当循环水补充水为地下水时，其电导率、总碱度、总硬度、钙硬度和氯离子要远高于其他区域。当补充水浓缩倍数相同时补充水中总碱度和硬度远高于其他补水类型，根据结垢指数，其结垢倾向最高，为结垢型补充水。建议地下水作为补水来源时，浓缩倍数控制在3～4，同时可冲击性投加硫酸降低结垢风险，投加溴基氧化型杀生剂和聚环氧琥珀酸阻垢分散剂降低腐蚀风险。

2）当循环水补充水为城市市政水或地表河流水时，电导率、总碱度、总硬度、钙硬度和氯离子明显低于北部地域，根据结垢指数，其结垢倾向较低，为腐蚀型补充水。当市政水或河流水作为补水来源，水质较稳定，建议浓缩倍数控制在4～5 左右。在此状态下，可选用次氯酸钠作为氧化型杀生剂同时使用聚磷酸作为阻垢分散剂降低运行成本。本系统可选用次氯酸钠作为氧化型杀生剂和聚磷酸作为阻垢分散剂降低运行成本，还需冲击性投加一定量除铁剂，降低铁腐蚀风险。