組合式錐斗沉淀池的設計與優化

劉 偉，農理敏，方 凌，范世力

（廣西柳州鋼鐵股份有限公司煉鐵廠，廣西柳州 545002）

前言

在高爐渣處理領域，水沖渣仍然是渣處理工藝的主流方法，在各種水沖渣渣處理工藝中，沖渣水的水質、沖渣水中細渣含量直接影響渣處理工藝的穩定性和渣處理設備的使用壽命。因此提高沖渣水水質一直是大家關注的重點和努力的方向。

各種渣處理工藝中，渣水分離設備相對成熟，效果穩定，但受高爐原燃料質量、冶煉操作技術以及設備日常管理與維護的影響，細渣、浮渣的增多會直接影響渣處理系統的渣水分離效果和系統運行穩定性，為了提高沖渣水水質，需要在主要渣水分離流程后面增加沉淀池，進行渣水二次分離。

柳鋼建廠于1958年，是目前西南地區最大的鋼鐵聯合企業，2000 年以前，以500 m3以下小高爐為主，配套使用渣池法渣處理工藝。2000 年以后，柳鋼為了提高煉鐵廠高爐配套渣處理系統的穩定性和機械化、自動化程度，陸續使用了明特法、嘉恒法、INBA 法渣處理工藝。由于渣水分離效果不好，沖渣水中細渣含量高，造成沖渣水管路及水泵、刀閘閥等設備磨損嚴重，多年來一直故障率非常高，各沉淀池、水池、水溝積渣、堵塞嚴重，系統運行穩定性差，崗位維護工作量非常大，也無法滿足高爐穩定、高效生產需求。為了給高爐提供穩定的沖渣水，必須提高沖渣水水質，為此陸續嘗試使用了旋砂分離器、過濾器、平流沉淀池、錐斗沉淀池［1］等措施，通過不斷地吸取教訓，總結經驗，逐步改進，取得了很大的進步。從運行效果來看，錐斗沉淀池的效果最顯著。

1 渣處理系統現狀

目前國內高爐煉鐵工藝配套使用的水淬法渣粒化系統，主要有底濾法、渣池法、明特法、嘉恒法及INBA 法等5 種工藝，其主要渣水分離設備、原理及特點對比如表1所示。

表1 渣處理工藝設備及特點對比表

柳鋼煉鐵廠地處中國的南方，本地屯秋礦品位低、有害元素含量高，高品質礦產、煤炭資源貧乏，生產的原燃料全靠外地采購，且很大程度上依賴進口。近幾年來，由于大宗原燃料價格大幅上漲，在高成本壓力下，為保障企業效益，公司優先采購性價比高的低成本原料，入爐品位長期保持在54%左右。近兩年，入爐原料質量有大幅提升，入爐品位也僅保持在57%左右。

由于原料品種多，成分變化大，導致高爐操作困難，爐況的波動，導致熔渣溫度變化大，沖制后形成的水渣質量不穩定，對應渣處理系統中細渣含量也高。在用的成熟渣處理工藝，均沒有機械化、自動化細渣沉淀、分離工藝和設施。INBA法渣處理工藝的再循環泵和明特法渣處理工藝的攔渣型過濾器，雖然能避免部分細渣進入后續熱水池及管路，但不能有效分離和排出，大量細渣在渣粒化系統內部循環、富集，對設備、管路造成嚴重磨損。在沖渣水系統運行過程中，細渣在重力作用下沉淀，造成系統水池、水溝、水管積渣堵塞，結渣清理困難，在沒有備用設施的情況下，在線清理難度大、清理時間長，停機清理成本高，系統運行穩定性差。為了保障生產連續性、穩定性，需增加備用沉淀池，但占地面積大，投資成本非常高。

2005 年，針對渣處理系統細渣含量高的缺陷，首先嘗試安裝使用了旋砂分離器。其基本原理是含有細渣的沖渣水進入旋砂分離器后形成旋流，產生離心力，在離心力的作用下，大顆粒的水渣聚集在旋砂分離器外圍，單獨排出。由于系統水量非常大、旋砂分離器處理能力有限，加上沖渣水中主要是細渣，比重與水相近，旋砂分離效果非常差，設備使用壽命非常短，旋砂分離設備及前后管路經常出現堵塞、磨損、穿漏情況，需要人工應急處置、清理，崗位職工清理、維護工作量大，系統運行穩定性也非常低，被逐步淘汰。

2 錐斗沉淀池的應用

錐斗沉淀池的剖面示意圖如圖1所示。其工作原理為：含有大量細渣的沖渣水從進水溝流入錐斗沉淀池，在沉淀池內，由于過流面積加大，流速降低，在重力的作用下，細渣向錐斗沉淀池底部沉積、濃縮［2］。細渣沉淀分離后，較干凈的沖渣水經出水溝流出沉淀池。錐斗沉淀池底部為斜坡，濃縮、沉淀在錐斗沉淀池底部的高濃度細渣滑落、聚集在錐斗沉淀池底部中心區域，再經氣力提升泵提取，經提渣管輸送到上方的小攪籠進行渣水分離。

圖1 錐斗沉淀池剖面示意圖

從2007年開始，柳鋼4#、8#高爐開始建設，高爐設計爐容1 250 m3，配套渣處理系統分別采用嘉恒法、明特法工藝，8#高爐采用嘉恒法渣處理工藝，為了分離沖渣水中的細渣，脫水器出水口設置了兩格錐斗沉淀池，效果明顯。4#高爐選用明特法渣處理工藝，由于場地限制，設計初期沒有沉淀池。投產初期細渣含量非常高，設備故障率非常高，無法滿足高爐穩定生產要求，后來借鑒嘉恒法系統的成功經驗，在熱風爐旁邊增設了2格錐斗沉淀池，投用后效果非常明顯。

最初的錐斗沉淀池，為了提高沉淀效果，需要延長沉淀路徑，即加大錐斗沉淀池的平面尺寸，但在使用過程中，由于沉淀池平面尺寸過大，池底坡度降低，導致細渣在錐斗上部四周沉積、結硬，清理難度大，而且沖渣水在流經沉淀池時，主要是從入口流向出口，難以流到沉淀池底部，出現短流現象，降低了沉淀效果。為了提高沉淀效果，需設置3～4個錐斗沉淀池串聯使用，在使用過程中，某個沉淀池氣力提升泵損壞、結渣堵塞后，無法離線清理、維修，系統運行穩定性差。

3 組合式錐斗沉淀池的設計與應用

錐斗沉淀池的應用，解決了高爐渣粒化沖渣水系統中水質差、細渣不能機械化、自動分離，系統易積渣堵塞，清理困難的問題，但設備的穩定性、維護的便捷性等方面還有待提高［3］。

2012 年度，柳鋼2#高爐建設過程中，創新設計了組合式錐斗沉淀池。其平面布置如圖2所示。

圖2 組合式錐斗沉底池平面示意圖

相比于原有錐斗沉淀池，組合式錐斗沉淀池在以下3個方面進行了改進和提高［4］：

（1）錐斗沉淀池兩邊設置有水溝，水溝、池壁上設置有閘板閥，在生產、維修過程中，能夠通過閘板閥的操作，實現多個錐斗沉淀池的串聯、并聯切換或實現單個錐斗沉淀池的離線清理、維修。

正常生產條件下，含有大量細渣的沖渣水經水溝流入第一格錐斗沉淀池，依次串聯經過后續3 格錐斗池，此時沉淀路徑最長，沉淀效果最好，此運行模式下可以實現最好水質。由于第一格細渣含量最大，磨損最嚴重，當第一格氣力提升泵出現故障時，關閉進、出水閘板閥，通過水溝內閘板閥的切換，可以實現沖渣水跳過第一格，從第二格進水，實現錐斗沉淀池的離線清理，不影響正常生產。正常生產時，還能實現第一格至第四格的并聯運行，分攤負荷，延緩設備磨損，提高系統穩定運行率。

（2）錐斗沉底池入口處設置隔墻（見圖3）。沖渣水經進水溝流入錐斗沉淀池后，在隔墻的阻擋下，轉向下方流動，在重力和慣性的雙重作用下，細渣在錐斗沉淀池底部沉積、濃縮。細渣分離出來后，較干凈的沖渣水再轉向上方流動，從出水溝流出沉淀池。此設計將沉淀路徑由原來的沉淀池寬度延長至沉淀池寬度與2 倍的沉淀池深度之和，細渣的沉淀路徑達到原來的3 倍以上，沉淀效果大幅提升。沉淀效果提升后，在相同效果下，可大幅減小錐斗沉淀池平面尺寸，降低土建成本，增加沉淀池底部錐斗坡度，避免結渣。

圖3 新型錐斗沉淀池剖面示意圖

（3）錐斗沉淀池底部由方錐斗改為圓錐斗并設置鋼板內襯。原來方錐斗的四個角落，角度較大，細渣容易在此硬結，導致沉淀池結渣。改為圓錐斗，且設置鋼板內襯后，整個錐斗沉淀池內壁更為圓滑、光亮，細渣不易沉積、硬結，堵塞情況明顯減少，降低了清理、維修工作量。

2013 年，為了對比各渣處理系統水質，委托技術中心對各渣處理系統水質指標進行檢測，主要檢測項目為總殘渣，檢測結果如表2所示。

表2 柳鋼渣處理系統水質指標檢測表 mg/L

從表2中數據可以看出，相同工況下，使用組合式錐斗沉淀池的2#高爐渣處理系統，細渣含量明顯低于使用傳統錐斗沉淀池的渣處理系統。沖渣間隙時，2#爐渣處理系統的沖渣水接近澄清，與渣池法系統的水質相近。沖渣水水質提升后，系統設備故障率大幅降低。柳鋼煉鐵廠2#高爐組合式錐斗沉淀池，自2012 年投用已達10 年，投產初期，由于第一格沉淀池細渣量大，負荷較重，使用約4年后出現了氣力提升泵下泵頭磨損、沉淀池結渣情況，安排清理了一次，后來經過調整，高濃度渣水分配到第一格、第二格，系統運行穩定性和效果明顯提升。

4 組合式錐斗沉淀池的持續優化

柳鋼2#高爐使用的組合式錐斗沉淀池，雖然沉淀效果達到了預期，為了方便組合式錐斗沉淀池的檢查和清理，上方一般加蓋鍍鋅鋼格板蓋板。在使用過程中，由于南方濕度大、氣壓低，特別是在冬季，渣處理區域蒸汽非常大，崗位職工在現場作業、點檢時，視線受阻，同時鍍鋅鋼格板長期處在高溫、高濕度環境下，腐蝕非常快，存在很大的安全隱患。

2018 年至2022 年，為了改善現場環境，減少蒸汽量，結合改造項目，在設計、施工時，陸續對組合式錐斗沉淀池進行了持續的優化和改進。

在防城港鋼鐵基地、玉林中金項目施工時，首先確定了沉淀池尺寸，經過水力優化計算，最終確定的最優尺寸為L×B×H=8 m×8 m×8.2 m。其次對沉淀池內隔墻尺寸加大的同時，再對稱增加一堵隔墻，在原來基礎上能再提高30%的沉淀路徑，沉淀效果進一步提升，但增加隔墻后，隔墻轉角處易結渣，清理難度增大。最后對沉淀池頂部進行加蓋密封，整體現澆鋼筋混凝土池頂，僅預留氣力提升泵設備上下的孔洞和一個檢查、清渣口，建設投產后，現場蒸汽排放量比本部2#高爐明顯減少。

在本部4#高爐渣處理系統改造時，為了進一步減少蒸汽量，提出了對氣力提升泵預留孔洞加蓋、清渣口、回水溝鍍鋅鋼格板蓋板增加玻璃鋼或不銹鋼蒸汽擋板的要求。用作蒸汽擋板的鍍鋅鋼格板蓋板如圖4所示。此蓋板是將玻璃鋼板卡扣在鍍鋅鋼格板上，或者將不銹鋼板點焊在鍍鋅鋼格板上，綜合了鍍鋅鋼格板的輕便和不銹鋼、玻璃鋼耐腐蝕的雙重優點，經濟實惠。4#爐渣處理錐斗沉淀池區域加蓋蓋板后，現場基本沒有明顯蒸汽，現場環境大幅改善。

圖4 防蒸汽鍍鋅鋼格板蓋板

2022 年10 月10 日，對3#、4#高爐（原新1#、新2#高爐）渣處理系統沖渣水進行取樣分析，數據如表3 所示。從表3 中數據可以看出，4#爐渣處理系統組合式錐斗沉淀池，在入口懸浮物僅66 mg/L 的情況下，仍能達到很好的沉淀效果，出口懸浮物僅50 mg/L，沖渣水濁度僅43 NTU，接近凈環水系統控制的20 NTU的標準，再次刷新了柳鋼煉鐵廠沖渣水水質的記錄。

表3 柳鋼沖渣水化學分析檢驗數據

5 結語

針對原有渣處理沉淀池系統存在的不足和缺陷，經過生產廠專業技術人員、設計院及施工方專家的共同調研、討論、改進，組合式錐斗沉淀池于2012 年10 月在柳鋼煉鐵廠2#高爐渣處理系統投用，系統運行穩定、高效，細渣分離效果好，沖渣系統自動化程度高，水質好，日常維修工作量和勞動強度大幅降低［5］。