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科技新进展:分盐结晶的废水零排放技术

发布时间:2022/10/18

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一、研究的背景与问题

钢铁行业是国民经济的重要支柱产业,在经济发展中具有重要作用,支撑了大量的基础设施建设,为我国经济的快速发展奠定了坚实基础,在此过程中我国钢铁行业也得到了长足的发展,已经连续24年是世界上最大的钢铁生产国。

钢铁冶炼过程需要消耗大量的能源及水资源,耗水量约占我国全部工业用水消耗的10%,废水排放量约占全部工业废水排放量的14%,是典型的高耗水行业。我国高度重视钢铁行业的用水节水,经过20多年的发展,目前钢铁企业的平均吨钢新水耗量约2.5m3/t,平均吨钢废水排放量约0.5~0.6m3/t,仅分别为20年前的1/10及1/20,均已达到国际先进水平,但总量依然巨大。以2020年全国粗钢产量10亿吨计,当年新水消耗约25.7亿m3,废水排放量约6亿m3。此外,钢铁企业大量使用水作为冷却介质,经过蒸发后的废水中富集了大量盐分,盐浓度可达新水的数十倍以上,直接排放将对生态环境、人类健康和安全造成极大的危害,也会造成盐资源的损失。因此,实现钢铁行业的废水零排放,回收水资源与盐资源,已然成为践行习近平生态文明思想、推动钢铁行业绿色发展的当务之急。

然而,当前钢铁行业的废水零排放却受制于分盐结晶这一关键性技术。分盐结晶是指通过热法或者膜法,将工业废水中的不同盐组分(如NaCl、Na2SO4、KCl等)分离,然后通过结晶的方式实现水与单质盐的分离,过程中的冷凝水回用,盐晶作为其他行业的原材料,实现新水用量降低、废水零排放的目的,过程中常用的膜分离技术、蒸发浓缩/结晶技术均属于成熟技术,已在不同领域中成功应用。但是在钢铁行业探索废水分盐结晶技术应用的过程中,由于水系统设计缺少对钢厂水质水量的系统性精准预测,常规废水预处理技术缺乏智能化精细控制,水系统管理方式落后等原因,致使目前我国钢铁企业的大多数废水零排放系统均无法高效稳定运行,运行成本高、故障率高、盐品质低,影响企业水资源的利用效率和废水零排放成效。因此,亟需从水盐平衡、预处理精细化管理、水系统智能化管控等角度攻克分盐结晶技术应用过程中存在的诸多问题。

二、解决问题的思路与技术方案

钢铁企业的废水零排放表面上看是要做到水的平衡,但实质是盐的平衡问题,因此核心是膜系统的高效稳定需要,需要通过更加智能高效的预处理技术进行保证。

中冶赛迪系列成套分盐结晶技术,以水盐平衡的精确测算为抓手,支撑废水分盐结晶零排放的顶层设计;以智能化高效预处理技术为基础,实现对废水处理过程的精细化管理;以数字化管控系统为平台,保证水系统的高效稳定运行,保障废水分盐结晶零排放技术稳定运行。

水盐平衡计算模型为中冶赛迪自主研发的一套专用软件,辅助设计师在水系统规划设计之初就可根据预期生产工况对废水产生量,废水中盐种类、盐浓度等进行准确测算,根据测算结果灵活设计、整合适用的废水处理及分盐结晶技术,提前规划,而非在系统运行过程中对技术方案修修改改,避免出现“头痛医头、脚痛医脚”的现象。

水盐平衡模型可指导企业水系统设计,但是运行过程中就必须依赖智能化数字平台对全厂多单元的水系统进行协同管控,实现单元用水量最优,排水量明确,并根据分盐结晶系统的承载能力,灵活调整全厂水系统的运行,实现“用水”、“排水”过程的有效管控,为分盐结晶零排放提供良好的应用环境。

过程中通过智能化预处理工艺技术,奠定废水零排放底层逻辑。针对水质特点,选择合适的处理工艺,有效控制对膜分离系统有严重结垢污堵影响的硬度、硅、药剂残留,对蒸发系统有严重腐蚀的氟离子,以及对蒸发结晶系统有起泡影响的有机物,保证分盐结晶系统的高效稳定运行。

三、主要创新性成果

1、水盐平衡技术

水盐平衡是全厂的水量平衡和盐量平衡的总称,用于规划并指导水处理设施的具体设计。水盐平衡的系统性精准预测及设计对于钢铁企业水处理工艺选择起着至关重要的作用,也是废水零排放成功的关键。分盐结晶系统对进水水质水量要求很高,既要在前期设计阶段准确预测水质水量,同时还要保证其运行过程的进水稳定性。

中冶赛迪水盐平衡设计具有独特优势和先进理念,对全厂取水、物料洗涤、处理加药等主要环节带入系统的污染物进行了细致研究,并且运用大数据算法,对国内数十家钢铁企业的实际运行数据进行挖掘与分析,独创了水盐平衡计算模型,能准确预测了全厂水系统运行产生的废水的关键水质和主要成分参数,为工艺设计提供了科学依据。

以中天绿色精品钢项目中央水处理厂工程为例,水盐平衡计算模型精准预测了水系统的用水量,辅以先进的雨水收集利用系统,进一步减少钢厂实际取水量,最终将全厂吨钢耗水量精确到2.43m3/t,远低于水利部发布的先进值(3.2m3/t)要求。针对天绿色精品钢项目的实际情况,还提出了“三粒盐”分治理念(Na、K、Ca分而治之)的对策,实际生产的NaCl纯度达99%,满足工业干盐一级标准。

2、基于智能加药控制的智能高效预处理工艺

分盐结晶零排放系统的核心工艺环节是膜分离系统,通过不同孔径、不同级数的膜组件有机组合,对废水中的盐分进行分离。但是膜系统对污染物的耐受性很弱,特别容易受到悬浮物、Ca2+、Mg2+、SiO2、残留药剂等因子的污堵,严重影响使用效果及寿命,常规做法是通过混凝沉淀工艺去除水中的对应污染物。

混凝沉淀工艺的关键在于如何有效及时的控制药剂投加量,一般需要专业人员定期巡检,根据肉眼观察和经验判断加药计量,但存在出水水质波动、药剂过量等情况。为解决传统工艺控制手段的不足,中冶赛迪自主研发了钢铁行业首套矾花视境®图像识别智能加药系统,利用人工智能和大数据技术,内置pH、温度、电导率、水力梯度等关键特征参数,对水中的矾花进行图像识别和自学习计算,以智能算法取代传统人工决策过程,实现不间断的精准药剂量控制,协同处理水中的悬浮物、硬度、硅、氟离子、COD等污染因子。该技术产品不仅节约了药剂成本和人工成本,还保障了出水水质的稳定性,有效降低了后续膜系统的污堵与结垢风险。该产品目前已在湛江钢铁、中天绿色精品钢项目等多个钢厂使用,并进入市政领域。

3、水系统智能化管控技术

在运行管理中,对水质水量及时性、准确性的反馈是钢厂废水零排放长期稳定运行的关键。对水质水量变化反应不及时会带来预料之外的冲击负荷,难以保证出水水质,进而影响分盐结晶系统运行的稳定性。目前,绝大多数钢铁企业水系统均为单元自行控制,缺少统一的整合调度,难以调配多个单元的供排水需求,导致水系统管网流量压力波动巨大,水质波动严重,对整个废水处理系统带来了十分不利的影响。

针对以上问题,中冶赛迪在行业率先开发了全厂水系统全流程集中智能管控平台,2019年在宝钢湛江钢铁成功建设了全球首座钢铁企业智慧水控中心,打造行业最高标准的全流程废水零排放管控新模式,大幅提高劳动生产率。突破了钢铁企业传统水系统工序间“数据孤岛”,打通了数据流,连接“取水制备-供给输送-循环利用-废水排放-处理回用”全流程,实现水系统全流程“生产监控一幅图、水量平衡一张表、操作管理一间屋”的一体化管控。以湛江钢铁为例,通过集中管控,减少水系统运行维护人员减少72人,降低水量损耗10%以上,输水能耗降低5%以上,年节约直接经营成本约1959万元。

四、应用情况与效果

2022年5月19日,中冶赛迪总承包建设的国内首个一步到位建成的分盐结晶废水零排放项目在中天(南通)绿色精品钢基地(以下简称中天南通钢铁)投入运行,真正实现废水零排放、固废不出厂,以一个钢厂的生动实践,诠释了“绿水青山就是金山银山”,树立了未来钢铁高质量发展的绿色生态标杆。中冶赛迪水盐平衡模型在设计阶段即可实现对钢铁企业水量、水质的精准预估,是实现中天钢铁项目“投产即零排”的基础。通过智能化预处理工艺技术与数字化管控系统赋能,在运行阶段提供了有效保证水质、水量的精准性,也降低了系统在运行维护方面的难度。

信息来源:中冶赛迪工程技术股份有限公司

中冶赛迪凭借60余年的钢铁工程经验和丰富的数据积淀,在建设规划之初成功预测了中天钢铁全厂水系统运行产生的废水的关键水质和主要成分参数。根据废水来源及水质的不同,将全厂废水、洗氯灰废水、脱硫废水进行独立分盐结晶。这既避免了高盐废水远距离输送的危险性和污染泄漏,也有利于控制分盐结晶系统的进水水质,提升盐晶品质、降低运行成本。通过分盐结晶,不仅每年可以减排废水量1200万吨,还可以实现全厂水系统100%资源化利用。目前实际生产的NaCl纯度达99%,超过国家一级标准,成为行业内首个高精度预测水质的成功案例,解决了钢铁行业零排放最大的技术障碍。

过去,专业人员要定期到现场巡检,根据肉眼观察和经验判断加药剂量,但在水质波动大的时候,无法精准计算药剂的使用量,造成药剂的浪费,也无法保证水质的稳定达标。中天钢铁项目通过采用矾花视境智能加药系统,实现了30%以上的药剂量节约,并保证出水水质100%稳定达标,水浊度稳定在1NTU以下,硬度稳定在150mg/L以下,保证了后续膜系统和分盐结晶系统的高效稳定运行。

中冶赛迪将原本分散在全厂数十个孤立的水系统、十多万个数据点全部集中到水系统大数据平台,对数据进行高效集成应用、全流程实时管控,大幅提高了劳动效率,实现系统减量,避免废水排放,降低生产成本。在中天钢铁项目,中冶赛迪结合客户需要,实施了一系列的智慧管控手段,同样人数可以完成过去两倍以上的工作量,而且能更全面地了解全厂水系统情况。以生产单元补水排水监控为例,按照行业用水定额的先进值,对全厂各生产单元补水排水进行限额限质,并通过流量监控仪、水质监控仪实时监控单元补水排水情况。当用水量或水质超过冗余指标时,数据将直接传回中央水厂智控中心并自动报警,在生产运行阶段保障用水的合理性和科学性。此项措施避免了厂内大补大排现象,也减小了后续废水处理工艺的压力,最终保证了钢厂废水零排放的长期稳定运行。

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