淺析高爐沖渣水余熱利用

文 _ 王曉東 胡蘭輝 劉顏軍 魏國(guó)順 秦皇島首秦金屬材料有限公司

淺析高爐沖渣水余熱利用

文 _ 王曉東 胡蘭輝 劉顏軍 魏國(guó)順 秦皇島首秦金屬材料有限公司

1 前言

高爐沖渣池是冶煉過程中最末端工藝，高爐煉鐵后產(chǎn)生的大量高溫爐渣通過沖渣水進(jìn)行冷卻，在這個(gè)過程中能夠產(chǎn)生大量溫度在70～85℃的熱水。高爐沖渣水低溫余熱具有熱源溫度較低、流量大的特點(diǎn)，將其回收利用既能節(jié)約能源，又能保護(hù)環(huán)境。

2 高爐沖渣水余熱利用方式

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)沖渣水余熱的回收方式主要有兩種：一是利用沖渣水采暖或洗浴用水；二是沖渣水余熱發(fā)電。利用沖渣水采暖或洗浴用水，已廣泛被一些北方的鋼廠采用，并帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。而沖渣水余熱發(fā)電技術(shù)目前還處于研究實(shí)驗(yàn)階段。

2.1 采暖

高爐沖渣水采暖是國(guó)內(nèi)比較成熟的技術(shù)，其基本工藝流程為：高爐沖渣水通過沖渣水泵輸送至換熱站，然后經(jīng)過沖渣水過濾器將沖渣水中的固體顆粒和懸浮物過濾，再通過換熱器與采暖水換熱回到?jīng)_渣池中。

另外，該項(xiàng)技術(shù)還需考慮高爐檢修的情況，需備用蒸汽-水換熱器或者鍋爐用于應(yīng)對(duì)高爐檢修情況下的居民供暖，保證供暖質(zhì)量的穩(wěn)定。

2.1.1 沖渣水采暖需要解決的問題

高爐沖渣水余熱用于采暖主要面臨兩個(gè)問題：一是沖渣水中含有CaO、SiO2、MgO、Al2O3以及少量的 Fe2O3，pH值大于7，顯弱堿性，水渣雜質(zhì)在沖渣水中以固體顆?；驊腋∥锏男问酱嬖?，日積月累，將會(huì)使采暖系統(tǒng)中的管道、閥門、散熱器發(fā)生大面積堵塞， 所以高爐沖渣水作為采暖熱源不適于直接使用，需要通過間接換熱的形式用于供暖，并且需要采用沖渣水專用的換熱器，防止結(jié)垢和堵塞。二是根據(jù)化驗(yàn)結(jié)果，首秦高爐沖渣水中Cl-1含量235ppm，對(duì)換熱器材質(zhì)的抗腐蝕性要求較高，需采用特殊材質(zhì)的換熱器保證設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定使用。

對(duì)于沖渣水中的雜質(zhì)，通常的做法是在換熱器前安裝過濾器，過濾水中的固體顆粒和懸浮物；有的企業(yè)還研發(fā)了阻垢儀，防止過濾器、換熱器和管道的結(jié)晶結(jié)垢；也有將換熱器置于沖渣汲水井中，可免去沖渣水泵和過濾器，在沖渣池中直接進(jìn)行熱交換。

目前，沖渣水換熱器主要有以下幾種：

①螺旋扁管換熱器。目前該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)多家鋼鐵企業(yè)應(yīng)用，該換熱器管子的截面為橢圓形，其管內(nèi)外流道均呈螺旋狀?？砂葱枰瞥刹煌瑝罕舛?、螺距的螺旋扁管，更不受管徑、壁厚、材質(zhì)的限制。該換熱器除了具有壓降小、傳熱效率高、不易結(jié)垢的特點(diǎn)，更具有在換熱介質(zhì)高污物的環(huán)境下不污堵且維護(hù)簡(jiǎn)易等特性。

②板式換熱器。采用板式換熱器，換熱效率高，但板式換熱器對(duì)水質(zhì)要求較高，否則容易堵塞，所以需要配套安裝過濾器和阻垢儀。

③高分子聚合物換熱器。該換熱器采用高分子聚合物為材質(zhì)，對(duì)沖渣水具有極強(qiáng)的抗腐蝕能力；且該換熱器可將換熱器單元浸沒在沖渣水池內(nèi)，沖渣水不進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，開放空間流動(dòng)換熱，從根本上避免了堵塞。

高爐沖渣水采暖目前主要受地域和時(shí)間的限制，只有北方冬季才能開展，而且到了夏季只能用于洗浴使用，能源回收受到限制。

2.1.2 高爐沖渣水采暖運(yùn)行方式

高爐沖渣水采暖一般采用高爐沖渣水專用換熱器、采暖水循環(huán)泵、補(bǔ)水泵、沖渣水過濾器、沖渣水供水泵、儀器儀表等設(shè)備，高爐沖渣水在渣水池中通過沖渣水供水泵輸送至沖渣水過濾器過濾，經(jīng)沖渣水換熱器與供暖用軟水進(jìn)行換熱后，回到渣水池中，采暖水通過采暖水循環(huán)泵經(jīng)過換熱器和用戶循環(huán)使用。

2.2 低溫余熱發(fā)電

高爐沖渣水具有余熱量大、品位低的特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)多家企業(yè)和科研單位在研究低溫余熱發(fā)電技術(shù)。對(duì)于低溫余熱發(fā)電，目前比較廣泛受到認(rèn)可的方式是利用低沸點(diǎn)工質(zhì)，和螺桿膨脹機(jī)進(jìn)行發(fā)電。

采用低沸點(diǎn)工質(zhì)是由于水在80℃不具有膨脹性。采用螺桿膨脹機(jī)是由于該設(shè)備具有熱源使用范圍廣、變工況能力優(yōu)越、維護(hù)費(fèi)用低和不存在重大安全隱患的特點(diǎn)，適合高爐沖渣水溫度不穩(wěn)定、溫度低的特性。

螺桿膨脹機(jī)發(fā)電做功流程為：高壓氣體由吸氣口進(jìn)入陰、陽(yáng)螺桿齒間膨脹推動(dòng)陰、陽(yáng)螺桿反向旋轉(zhuǎn)做功。具體工藝流程為：工質(zhì)通過換熱器與沖渣水換熱形成蒸汽，進(jìn)入螺桿膨脹機(jī)膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電，做功后工質(zhì)變成低壓蒸汽進(jìn)入冷凝器放出熱量，變成低溫低壓液體工質(zhì)，然后由工質(zhì)泵送至換熱器中吸熱，再次變成蒸汽進(jìn)入螺桿膨脹機(jī)做功，工質(zhì)在此循環(huán)過程中完成朗肯循環(huán)，將熱水中的熱量源源不斷地提取出來(lái)，生成高品位的電能。

但是低溫余熱發(fā)電目前最大的瓶頸在于發(fā)電效率低，建設(shè)成本高，每千瓦建設(shè)成本約需2萬(wàn)元，投資回收期長(zhǎng)，要大規(guī)模推廣此項(xiàng)技術(shù)，還需提高發(fā)電效率和降低建設(shè)成本。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

以首秦公司現(xiàn)有2座高爐為例，1#高爐1200m3，2#高爐1780m3，2座高爐日產(chǎn)生高溫爐渣量約2200t/日，渣溫1300℃左右，沖渣后渣水溫度在70～85℃,沖渣水可提供的流量?jī)勺郀t共2800t/h。

高爐渣的熱量：

式中：m渣為高爐渣量；h渣為高爐渣的焓值1700MJ/t，所以首秦高爐渣具有43287kW的熱量。

沖渣水的可用熱量：

式中：m水為沖渣水循環(huán)量，Δh為水在利用前后的焓變，考慮水的溫度變化為75～65℃計(jì)算，高爐沖渣水可用熱量約為32.6MW。

3.1 采暖效益分析

首秦高爐沖渣水的熱量按95% 的熱轉(zhuǎn)換效率，可以提供給采暖的換熱量31MW。由于周邊小區(qū)均采用地板輻射采暖方式，采暖熱指標(biāo)按60W/m2計(jì) ，約可供約50萬(wàn)m2居民住宅采暖。按照秦皇島市熱力采暖（6.97/m2/月）的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，供暖期5個(gè)月，可取得年收益1740萬(wàn)元，該項(xiàng)目投資約需1000萬(wàn)元，不到一個(gè)供暖期即可回收成本。

3.2 發(fā)電效益分析

目前采用螺桿發(fā)電的效率較低，按照80℃水溫的利用效率，國(guó)內(nèi)僅能達(dá)到7%的發(fā)電效率。按照沖渣水所具有的熱量，首秦公司沖渣水產(chǎn)生2.3MW電量，年電量1840萬(wàn)kWh，可獲年效益920萬(wàn)元，2.3MW低溫余熱發(fā)電項(xiàng)目投資約需4600萬(wàn)元，約需5年才能回收成本。

3.3 應(yīng)用建議

經(jīng)過以上分析可以看出，采暖的經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)大于發(fā)電，且投資回收期短。在經(jīng)濟(jì)允許的情況下兩個(gè)項(xiàng)目共同實(shí)施，采暖期供暖，非采暖期發(fā)電綜合采暖及發(fā)電的方式，形成沖渣水余熱綜合利用項(xiàng)目，可以克服沖渣水采暖的時(shí)間限制，又可利用采暖的高回報(bào)緩沖發(fā)電項(xiàng)目的長(zhǎng)回收期，可取得年經(jīng)濟(jì)效益2200萬(wàn)元，而兩個(gè)項(xiàng)目共同實(shí)施投資約5600萬(wàn)元，3年內(nèi)可回收成本。

4結(jié)論

結(jié)合以上經(jīng)濟(jì)效益分析，綜合高爐沖渣水采暖和發(fā)電兩個(gè)利用方向，可避免供暖利用時(shí)間的限制，又可避免單純發(fā)電投資回收期長(zhǎng)的缺陷，并取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益，在較短的時(shí)間內(nèi)回收成本，值得在鋼鐵行業(yè)推廣。