高爐沖渣水余熱利用的現(xiàn)狀及技術(shù)發(fā)展分析

陳 軍 武國(guó)峰 雷震東 吳坪楊

1.前言

隨著能源與環(huán)境問(wèn)題的日益突出，我國(guó)鋼鐵企業(yè)對(duì)節(jié)能降耗的重視程度進(jìn)一步提高。充分挖掘企業(yè)內(nèi)余熱余能的回收潛能，降低產(chǎn)品成本，創(chuàng)造新的經(jīng)濟(jì)效益，成為新形勢(shì)下鋼鐵企業(yè)的重要工作之一。高爐沖渣水作為一種低溫廢熱源，具有溫度穩(wěn)定、流量大的特點(diǎn)，如何讓沖渣水發(fā)揮余熱利用的效益，也逐漸成為一個(gè)研究課題。

目前我國(guó)高爐爐渣處理工藝主要是水淬渣工藝方式。高爐內(nèi)1400℃-1500℃的高溫爐渣，經(jīng)渣口流出，在經(jīng)渣溝進(jìn)入沖渣流槽時(shí)，以一定的水量、水壓及流槽坡度，使水與熔渣流成一定的交角，沖擊淬化成合格的水渣。

在煉鐵工序中，沖渣消耗的新水占新水總耗的50%以上。沖制1噸水渣大約消耗新水1-1.2噸，循環(huán)用水量約為10噸左右。按照我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)產(chǎn)量5億噸，按350千克渣比計(jì)算，僅用于沖渣的新水消耗就超過(guò)1.5億噸，占鋼鐵工業(yè)新水消耗的4%。由沖渣水帶走的高爐渣的物理熱量占煉鐵能耗的8%左右，大約相當(dāng)于21千克/標(biāo)煤（按350千克/噸鐵計(jì)算）。循環(huán)水池的水溫范圍60℃-85℃，屬于工業(yè)低溫廢熱源，如果不加以利用，這部分能量就會(huì)被白白浪費(fèi)。

2.目前我國(guó)高爐沖渣水利用現(xiàn)狀

2.1 高爐沖渣水余熱利用現(xiàn)狀

目前對(duì)高爐沖渣水的余熱加以利用的鋼鐵廠主要集中在北方，余熱利用的方式也主要是直接將顯熱利用于北方冬季采暖系統(tǒng)，這種利用方式的特點(diǎn)是：(1)技術(shù)簡(jiǎn)單，設(shè)備投資低；(2)主要是利用沖渣水的顯熱，利用效率低；(3)受季節(jié)性影響較大，冬季用于采暖，夏季不能利用；(4)直接將沖渣水送至采暖管網(wǎng)，容易造成管網(wǎng)堵塞，且由于管網(wǎng)系統(tǒng)龐大，清洗工作量大。

國(guó)內(nèi)采用高爐沖渣水供冬季采暖的單位有：鞍鋼[1]、河南安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)[2]、濟(jì)鋼[3]、阿鋼等。

2.2 高爐沖渣水用于冬季采暖

高爐沖渣水進(jìn)入水渣池沉淀后，進(jìn)入平流沉淀池進(jìn)一步沉淀。沉淀后的水自流到普通快濾池進(jìn)行過(guò)濾，過(guò)濾后的水進(jìn)入采暖泵房吸水池，通過(guò)供水泵組加壓送至采暖區(qū)供采暖循環(huán)使用。采暖回水進(jìn)入反沖洗水塔及沖渣水泵房吸水池，供高爐水力沖渣及普通快濾池反沖洗使用。其中普通快濾池的反沖洗排水排入旋流沉淀池，通過(guò)提升泵提升到?jīng)_渣池進(jìn)行沖渣使用，沉渣用抓斗抓出。

3.高爐沖渣水余熱利用新技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.目前沖渣水余熱利用存在問(wèn)題

目前對(duì)于高爐沖渣水的余熱利用，主要還是直接利用顯熱提供冬季采暖，這種利用方式技術(shù)簡(jiǎn)單、改造成本很低，但存在一些問(wèn)題：(1)沖渣水水量大，蘊(yùn)含的熱量很大，而一般廠區(qū)辦公樓的采暖負(fù)荷較小，不能夠?qū)_渣水的余熱能力完全發(fā)揮出來(lái)；(2)采暖只適用于北方的城市冬季使用，夏季不需要，而南方城市一年四季都不需要采暖，因此這種方式存在局限性；(3)沖渣水含有大量的雜質(zhì)，進(jìn)入管網(wǎng)后易造成堵塞，且供熱管網(wǎng)系統(tǒng)龐大，清洗難度很高。因此，研究高爐沖渣水余熱利用的新技術(shù)，最大程度是回收高爐沖渣水的余熱。

2.利用雙工質(zhì)發(fā)電技術(shù)回收沖渣水余熱

（1）系統(tǒng)工作原理。高爐沖渣水排出時(shí)溫度大約85℃，經(jīng)過(guò)沉淀除雜預(yù)處理后進(jìn)入特殊設(shè)計(jì)的換熱器，在此將熱量傳遞給工質(zhì)，溫度降到50℃左右，再送到高爐供沖渣之用，從而回收了一定量的余熱。工質(zhì)在換熱器內(nèi)吸收熱量后變成80℃的過(guò)熱蒸氣，然后進(jìn)入氣輪機(jī)膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)外輸出電能。做功后的工質(zhì)變成低壓過(guò)熱蒸氣，低壓過(guò)熱蒸氣進(jìn)入冷凝器放出熱量，變成低溫低壓的液體工質(zhì)，然后由工質(zhì)泵送到熱交換器中吸熱，再次變成過(guò)熱蒸氣去推動(dòng)氣輪機(jī)做功。如此連續(xù)循環(huán)，將熱水中的熱量源源不斷的提取出來(lái)，生成高品位的電能[4]。

雙工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)中循環(huán)工質(zhì)主要為低沸點(diǎn)的工質(zhì)，目前常用在低溫發(fā)電系統(tǒng)中的工質(zhì)有：低沸點(diǎn)有機(jī)物（如：氯乙烷、正戊烷、異戊烷等）、氟利昂工質(zhì)（如：R134a、R123、R142b、R600等）[4][5][6]。

（2）沖渣水利用雙工質(zhì)發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性估算。以2000m3的高爐為例，各項(xiàng)基本參數(shù)均按常規(guī)考慮，采用雙工質(zhì)發(fā)電技術(shù)將其沖渣水的余熱回收發(fā)電，其經(jīng)濟(jì)性估算如表1。

表1 采用雙工質(zhì)發(fā)電技術(shù)回收沖渣水余熱經(jīng)濟(jì)性效益

從經(jīng)濟(jì)性估算來(lái)看，該方案的投資回收期為3.8年，可以將沖渣水的溫度降低20℃左右，余熱的綜合利用效率只有3%，但是通過(guò)這種方法可以獲得更高品位的電能，具有進(jìn)一步研究的前景。

（3）沖渣水利用雙工質(zhì)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。目前在其他行業(yè)（如水泥行業(yè)余熱回收、地?zé)岚l(fā)電項(xiàng)目）中，已經(jīng)有雙工質(zhì)發(fā)電技術(shù)的成熟應(yīng)用，系統(tǒng)工作溫度都在100℃以上。而高爐沖渣水屬于較低溫的余熱源，其利用溫度只有70℃-80℃，因此該項(xiàng)技術(shù)仍在研究階段。今后發(fā)展方向主要在：①尋找適合沖渣水溫度的工作介質(zhì)：在該工作溫度區(qū)間內(nèi)要求具有較大的焓降；不燃、不爆、環(huán)保、無(wú)毒、廉價(jià)、來(lái)源豐富、進(jìn)排氣壓力適中；②改善現(xiàn)有技術(shù)，使之適合用于沖渣水的特殊條件。如沖渣水特殊的化學(xué)性質(zhì)，以及含有大量的懸浮雜質(zhì)等。在這些條件下如何提高沖渣水余熱的綜合利用效率。

3.利用溫差發(fā)電技術(shù)回收沖渣水余熱

采用雙循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行發(fā)電，其發(fā)電效率在3%左右，且系統(tǒng)復(fù)雜，可以考慮采用溫差發(fā)電技術(shù)。目前最普通、最便宜的溫差發(fā)電模塊，其發(fā)電效率可達(dá)到4%左右，而且溫差發(fā)電模塊的發(fā)電效率隨著納米技術(shù)的應(yīng)用以及使用溫度的提高在逐步增加。

（1）溫差發(fā)電原理：熱電效應(yīng)：將兩個(gè)不同的導(dǎo)體A、B兩端連接，組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接頭端溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電流。這種效應(yīng)被稱(chēng)為塞貝克效應(yīng)。兩端的電壓一般只與兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)。

溫差發(fā)電利用的是塞貝克效應(yīng)。最簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體溫差發(fā)電器由P型和N型半導(dǎo)體組件以及負(fù)載電阻R構(gòu)成，工作在高溫?zé)嵩碩H和低溫?zé)嵩碩C之間。發(fā)電器從高溫?zé)嵩赐ㄟ^(guò)換熱器吸收熱量，向低溫?zé)嵩赐ㄟ^(guò)換熱器釋放熱量。

溫差發(fā)電早在1962年的美國(guó)就已用在人造衛(wèi)星上。但是由于材料的特殊性，其發(fā)展速度很慢。今年隨著材料的性能提高，逐步開(kāi)始利用與低溫余熱回收領(lǐng)域。溫差發(fā)電直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，不需要機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，也不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，體積小重量輕，不泄漏，無(wú)環(huán)境污染，壽命長(zhǎng)，具有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

（2）溫差發(fā)電的系統(tǒng)組成：高溫?zé)嵩?、高溫端熱交換器、溫差發(fā)電模塊、低溫端熱交換器、低溫?zé)嵩?。此外，輸出的直流電壓一般還需要一個(gè)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電壓，供用戶使用。應(yīng)用在高爐沖渣水系統(tǒng)原理如圖1。

（3）沖渣水溫差發(fā)電性能及經(jīng)濟(jì)評(píng)估。目前用于低溫余熱回收的溫差發(fā)電效率約為4%-5%。下面以85℃的沖渣水為例，進(jìn)行溫差發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益的估算。見(jiàn)表2。

表2 沖渣水溫差發(fā)電經(jīng)濟(jì)評(píng)估

從表2可見(jiàn)，從經(jīng)濟(jì)性角度看，沖渣水直接溫差發(fā)電的投資回收期目前大約需要6-7年。從技術(shù)角度來(lái)看，由于溫差發(fā)電效率只在4%-5%，比雙工質(zhì)發(fā)電效率要高一點(diǎn)，但是仍有約96%的熱量散發(fā)到環(huán)境中去，余熱利用率還是不高。

溫差發(fā)電的余熱利用效率和經(jīng)濟(jì)性效益，主要是受熱點(diǎn)材料的性能制約。隨著技術(shù)的發(fā)展，如果能將熱電材料的性能提高，且將材料的價(jià)格大幅度降低，則可以將沖渣水低溫發(fā)電的投資回收期降低到3年以下，那就具有很強(qiáng)的吸引力了。

4.總結(jié)與展望

國(guó)內(nèi)高爐沖渣水余熱利用的現(xiàn)狀和沖渣水余熱回收的雙工質(zhì)發(fā)電和溫差發(fā)電技術(shù)利用這兩項(xiàng)新技術(shù)，都可以將低品位的沖渣水熱能，轉(zhuǎn)化成電能，也有經(jīng)濟(jì)效益。由于受到目前技術(shù)條件的制約，這兩種技術(shù)的利用效率和經(jīng)濟(jì)性還較低。但隨著科技的不斷發(fā)展和節(jié)能技術(shù)的不斷研究，應(yīng)該可以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提高余熱利用效率和經(jīng)濟(jì)性能，達(dá)到節(jié)能減排和降低鋼鐵企業(yè)成本的目的。

[1]李德英, 郝斌, 高雪飛, 任守紅.鞍山市余熱供暖技術(shù)改造方案及運(yùn)行管理.全國(guó)暖通空調(diào)制冷2004年學(xué)術(shù)年會(huì)資料摘要集(2).2004-08-01.

[2]王軍根.高爐沖渣水的余熱利用[J].工業(yè)用水與廢水, 2008, 39(2), 56-57.

[3]臧傳寶.高爐沖渣水余熱采暖的應(yīng)用[J].山東冶金,2001, 25(1), 22～23.

[4]耿景春, 李汛, 朱強(qiáng).高爐沖渣水發(fā)電項(xiàng)目可行性研究[J].節(jié)能技術(shù), 2005, 23(3), 228-231.

[5]張紅.低沸點(diǎn)工質(zhì)的有機(jī)朗肯循環(huán)純低溫余熱發(fā)電技術(shù)[J].水泥,2006，8.

[6]鄭宗和, 葛昕, 高金水, 牛寶聯(lián), 楊玉忠.利用低溫余熱的低沸點(diǎn)介質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)[J].煤氣與熱力, 2006, 26(4),74-76.