高爐沖渣水余熱回收技術(shù)

摘 要：通過對高爐沖渣水余熱回收利用的幾種方式的對比，分析了傳統(tǒng)換熱設(shè)備在余熱回收項(xiàng)目中的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出真空相變換熱技術(shù)在沖渣水余熱回收中的優(yōu)勢，其較好地解決了傳統(tǒng)沖渣水換熱器設(shè)備堵塞、耗損、腐蝕、結(jié)晶等一系列問題。真空相變換熱器有效地利用了此項(xiàng)技術(shù)，在鋼廠高爐沖渣水余熱回收利用中值得推廣利用，具有廣闊的應(yīng)用前景，可以實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保及社會效益。

關(guān)鍵詞：換熱器；真空相變；高爐沖渣水；余熱回收

1 概述

高溫熔渣作為高爐煉鐵的附屬產(chǎn)物，其經(jīng)過水淬工藝處理后將產(chǎn)生70～90℃的高溫沖渣水，這些具有大量余熱的沖渣水具有成分復(fù)雜、懸浮物多的特點(diǎn)，尤其是其中含有礦棉類纖維等成分，極易造成沉積鉤掛、堵塞，同時(shí)其渣粒也會造成管道的嚴(yán)重磨損。長期以來，人們采用直接或間接的換熱器來利用沖渣水的余熱，都達(dá)不到理想的換熱及運(yùn)行效果。高爐沖渣水若直接作為采暖熱水，會在采暖管道及散熱器中產(chǎn)生淤積、堵塞；若間接換熱，則同樣會在傳統(tǒng)的換熱器中發(fā)生堵塞、腐蝕、結(jié)晶、磨損等問題，無法長周期有效使用。綜上，如何全面、有效地利用高爐沖渣水便成了一個(gè)亟待解決的現(xiàn)實(shí)問題。

2 真空相變換熱技術(shù)簡介

由于水的沸點(diǎn)會隨著壓力的變化而相應(yīng)地變化，所以，通過降低水所在周圍環(huán)境的壓力大小，從而使水在低壓環(huán)境下沸騰，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為水蒸氣，這些水蒸氣便可以被我們充分利用與循環(huán)水進(jìn)行相變換熱，從而達(dá)到了余熱回收的目的。

2.1 高爐沖渣水的水質(zhì)分析

高爐沖渣水的余熱回收具有其鮮明的特點(diǎn)，有必要對其水質(zhì)進(jìn)行簡單地分析。高爐渣的主要成分為CaO、SiO2、AL2O3等物質(zhì)，沖渣水是高爐渣在1400℃左右的熔融狀態(tài)下水淬形成的，故在其水淬過程中會將高爐渣的一些成分溶解在水中，再加上沖渣水作為冷卻高爐渣的重復(fù)利用循環(huán)水，不斷往復(fù)地沖渣過程中沖渣水也不斷地被濃縮，從而使高爐渣中可以溶于水的物質(zhì)達(dá)到了一個(gè)飽和的狀態(tài)。

筆者從某鋼廠沖渣水提供的水質(zhì)報(bào)告得到以下數(shù)據(jù)。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)顯示，鋼廠高爐沖渣水中含有大量的可溶于水的易結(jié)晶物質(zhì)，而要利用這些高爐沖渣水就必然要使其與低溫的冷水進(jìn)行強(qiáng)制冷凝換熱，高溫狀態(tài)下的沖渣水經(jīng)過換熱冷凝，溫度降低的同時(shí)溶解在高爐渣中的以上成分就會呈現(xiàn)過飽和的狀態(tài)，從而以晶體的形式析出并附著在換熱壁表面上，造成換熱器傳熱系數(shù)的降低，甚至造成嚴(yán)重的堵塞。分析表中的數(shù)據(jù)可以看出，該鋼廠沖渣水中含有較高濃度的氯化物及硫酸鹽類物質(zhì)，而我們提取其余熱的換熱器和輸送沖渣水的金屬管道分別為不銹鋼和碳鋼材質(zhì)，這無疑增加了對換熱器和沖渣水輸送管道金屬壁面的化學(xué)腐蝕。

2.2 沖渣水傳統(tǒng)換熱設(shè)備的現(xiàn)狀及缺陷

在具體沖渣水余熱回收項(xiàng)目論證過程中，通過水質(zhì)分析及鋼廠類似項(xiàng)目的實(shí)測調(diào)研分析，傳統(tǒng)換熱設(shè)備主要有以下幾種類型：（1）板式；（2）螺旋板式；（3）殼管式；（4）污水專用換熱器。以上四種換熱設(shè)備在使用過程中都出現(xiàn)了不同程度的污染、堵塞，甚至嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象。

除此之外，一些項(xiàng)目中提出了使用纖維過濾器等凈化措施來降低堵塞以及腐蝕的危害，但是造成堵塞的原因是由于溶于沖渣水中的物質(zhì)冷卻后過飽和結(jié)晶析出，而非固體、懸浮物等可見的固體污染物質(zhì)，所以，效果不是很理想。

另外，新型的污水專用換熱器受到市場的關(guān)注，其具有一定的抗堵優(yōu)勢，尤其是在城市污水余熱回收項(xiàng)目中的應(yīng)用，它可以有效地阻截城市污水中的固體污染物質(zhì)，從而保證了污水熱源的水質(zhì)。但是還是同樣的問題，在高爐沖渣水余熱回收項(xiàng)目應(yīng)用過程中，無法有效地解決沖渣水過飽和而結(jié)晶、腐蝕的問題。

綜上分析可以看出，傳統(tǒng)的余熱回收裝置具有不可改良的弊端，在余熱回收的過程中，必須改變沖渣水與換熱器、管道等金屬壁面的接觸方式，才能清潔、高效地利用沖渣水這一水質(zhì)復(fù)雜的熱源。

2.3 真空相變換熱器的原理及優(yōu)勢

主要針對高爐沖渣水冷凝換熱易結(jié)晶和腐蝕金屬壁面的特點(diǎn)，真空相變換熱器應(yīng)運(yùn)而生，利用水在負(fù)壓環(huán)境下沸點(diǎn)降低的特性，在換熱器內(nèi)部人為地抽成一個(gè)負(fù)壓的環(huán)境，使得沖渣水在負(fù)壓容器（也稱真空容器）內(nèi)沸點(diǎn)降低，從而實(shí)現(xiàn)無需加熱，使部分沖渣水閃蒸、汽化，以清潔的水蒸氣攜帶大量的汽化潛熱與純凈的冷水進(jìn)行換熱，從而實(shí)現(xiàn)清潔、高效地提取沖渣水熱能的目的。

3 項(xiàng)目應(yīng)用

筆者對某鋼廠4、5號高爐沖渣水余熱利用項(xiàng)目進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研，通過實(shí)地測試得出4、5號高爐的沖渣水可資用的余熱量為57.1MW，考慮到供熱量的保證率，故將余熱量以50MW設(shè)計(jì)，若按傳統(tǒng)的采暖建筑熱指標(biāo)估計(jì)，則冬季可以大約滿足100萬平米的建筑進(jìn)行區(qū)域供暖。

在某鋼廠的4、5號高爐余熱利用項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)共選取了10臺單臺制熱能力為5MW的JTZH-5.0-500-0.1/0.1-0.1的真空相變換熱機(jī)組，既可以單獨(dú)運(yùn)行，也可以并聯(lián)運(yùn)行，10臺設(shè)備考慮互為備用。

經(jīng)過實(shí)地調(diào)研，10臺制熱機(jī)組共占地450m2，沖渣水的最大設(shè)計(jì)用量約為240m3/h，沖渣水的溫降約為18℃，制出65℃循環(huán)水的流量約為215m3/h。整個(gè)真空相變換熱系統(tǒng)的耗電量約為400kW，其中，單臺設(shè)備的輸入功率約為37.5kW，單臺設(shè)備的耗電量包括：沖渣水的排水泵30kW、真空泵7.5kW、冷凝水排水泵2kW。如表2所示。

4 運(yùn)行效果總結(jié)

本真空相變換熱系統(tǒng)投產(chǎn)于2014年11月中旬到2016年1月份已經(jīng)安全運(yùn)行約兩年有余，整體的供暖效果良好。經(jīng)過實(shí)地調(diào)研分析，真空相變換熱系統(tǒng)的換熱量以及傳熱溫差等關(guān)鍵參數(shù)均達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。值得指出的是，在沖渣水側(cè)并未檢測到明顯的結(jié)晶、結(jié)垢及腐蝕等惡劣換熱現(xiàn)象，在完全滿足100萬平方米的供暖指標(biāo)的前提下，連續(xù)兩個(gè)采暖期內(nèi)無需清理維護(hù)，達(dá)到了較高的水質(zhì)水平。

在耗電量和供熱量方面，經(jīng)過實(shí)際測量計(jì)算，筆者隨機(jī)選取了2016年元月15日8：50分開始，進(jìn)行了一次為期72小時(shí)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，本系統(tǒng)10臺真空相變換熱機(jī)組在72小時(shí)內(nèi)累計(jì)輸出熱量達(dá)到4903.5GJ；累計(jì)耗電量：217506kW·h（包含采暖系統(tǒng)的各類水泵、照明燈日常用電量，優(yōu)于原來的換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)、高效的換熱效果。

5 結(jié)束語

筆者通過對高爐沖渣水余熱潛力和水質(zhì)的分析，得出了高爐沖渣水是一種具有大量潛熱可資利用的熱源，但是水質(zhì)的復(fù)雜性卻很難高效地將其中的熱量轉(zhuǎn)換出來供采暖等項(xiàng)目使用。而使用真空相變換熱技術(shù)來改變原有的換熱系統(tǒng)，可以有效地避開沖渣水冷凝易結(jié)晶的問題，可以實(shí)現(xiàn)較為高效的余熱利用。