高爐沖渣余熱利用分析和展望

陶壽松,謝其湘，張新華

(1.寶武集團(tuán)廣東韶關(guān)鋼鐵有限公司，廣東韶關(guān) 51200；2.湖南華菱湘潭鋼鐵集團(tuán)有限公司，湖南湘潭 411100)

前言

高爐沖渣是煉鐵冶煉過程中最末端的工藝，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，這一過程中能夠產(chǎn)生大量熱水和蒸汽[1,2]。為保證沖渣水的循環(huán)利用效果，需將沖渣水降溫再次循環(huán)沖渣，沖渣能量和淡水浪費嚴(yán)重。

我國2017年鋼鐵產(chǎn)量約為8.3億t，按照350 kg渣/t鐵和60 kg標(biāo)煤顯熱/t渣計算，鋼鐵行業(yè)高爐沖渣顯熱高達(dá)0.174億t標(biāo)煤，如果全部回收利用，相當(dāng)于減排二氧化碳0.453億t，減排二氧化硫41.8萬t，減排氮氧化物12.2萬t[3]。

近年來我國政府對于節(jié)能減排日益重視，綠色發(fā)展已經(jīng)成為行業(yè)共識，對沖渣余熱的充分利用也成為鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排的重要舉措之一，由此也帶動了此方面的技術(shù)研發(fā)和工程推廣投入[4-6]。

1 沖渣余熱利用方式回顧

現(xiàn)在的沖渣余熱利用主要集中在沖渣水余熱利用領(lǐng)域，其研究和利用方式主要集中在采暖、泳池、發(fā)電等領(lǐng)域。沖渣水中雜質(zhì)和固體顆粒物多，濁度大，含鹽量高，降溫易結(jié)垢，因而高爐沖渣水利用對于預(yù)處理和換熱器要求高，在實際工程案列中也都得到特別重視[7,8]。通常采用過濾后間接換熱的方式進(jìn)行余熱利用[9]，也有文獻(xiàn)提及利用熱管換熱、真空相變換熱、納米涂層、非金屬換熱材料等技術(shù)進(jìn)行余熱利用。

1.1 余熱采暖

現(xiàn)在對于高爐沖渣水余熱利用一般集中在北方鋼鐵廠的冬季采暖領(lǐng)域，相對于其他利用方式更加簡便且經(jīng)濟性最好。

安鋼實施的沖渣水余熱采暖改造工程，已供應(yīng)14萬m2采暖面積，預(yù)期在未來增加少量蒸氣的情況下增加沖渣水余熱供給量，滿足安鋼156萬m2的廠區(qū)和住宅區(qū)供暖，減少高品質(zhì)蒸汽的采暖消耗[10]。河北涉縣天津鐵廠利用沖渣水余熱，對廠區(qū)周邊30萬m2生活區(qū)供暖，替代原蒸汽供暖系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計，4個月采暖季節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1.2萬t，減少二氧化碳排放量約3.1萬t，直接經(jīng)濟效益1000余萬元[11]。山鋼股份萊蕪分公司煉鐵廠，實施高爐沖渣水余熱回收利用工程后，年節(jié)約生活蒸汽熱量12.76萬GJ，節(jié)約蒸汽成本510.59萬元[12]。東北特鋼廠的高紅紅分析某鋼廠沖渣水余熱回收進(jìn)行采暖和提供生活熱水工程，一個采暖期可以為該公司節(jié)約蒸汽5.4萬t，節(jié)約標(biāo)煤5130 t，節(jié)省采暖成本逾千萬元，該余熱回收利用系統(tǒng)總投資約380萬元，當(dāng)年即可收回投資[13]。濟鋼沖渣水余熱供暖系統(tǒng)供熱50萬m2，冬季供熱總負(fù)荷為25000 kW，實際運行時耗電功率為1200 kW，余熱回收供熱1kWh的熱量的電費約為0．03元，對比燃煤和燃?xì)忮仩t供暖，年節(jié)約供暖費用540萬元和1860萬元。太鋼高爐沖渣水余熱回用于市政供熱工程，采暖季余熱回收量為91.325萬GJ，折合標(biāo)準(zhǔn)煤約3.117萬t。每年可減排二氧化硫約865 t，減少粉塵排放約1730 t。該項目實施后在供暖期加上蒸汽調(diào)峰供熱面積可達(dá)到400萬m2。

1.2 浴池加熱和制取熱水

杭鋼通過沖渣水余熱回收制造熱水提供周邊企業(yè)，改造工程投資約200余萬元。據(jù)統(tǒng)計1～5月份運行累計生產(chǎn)商品熱水 72884 t，水溫平均溫升50℃，累計回收熱量15233GJ,折合標(biāo)煤520t，收取熱能使用費22萬元[16]。

唐山不銹鋼有限責(zé)任公司通過改造將加熱廠區(qū)生活用水的熱源由蒸汽改為沖渣水余熱，節(jié)約的蒸汽用于發(fā)電年創(chuàng)造效益可達(dá)471.7萬元，項目總投資約380萬元，10個月可收回成本[17]。

1.3 海水淡化

唐鋼不銹鋼公司軟水站制備采用超濾+反滲透制水工藝，超濾要求進(jìn)水溫度為20℃，但唐山地區(qū)冬季平均氣溫在2℃左右，利用沖渣水換熱后將超濾進(jìn)水的溫度由2℃提高到25℃以上，制水能力提髙了近3倍，毎年可節(jié)約萬噸標(biāo)煤[18]。首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司建設(shè)了當(dāng)時全國最大的海水淡化工程，一期建設(shè)規(guī)模5萬t/d，計劃采用高爐沖渣水余熱回收代替蒸汽熱源，預(yù)期年效益863.2萬元，沖渣余熱換熱系統(tǒng)2年收回成本。

文獻(xiàn)對基于高爐渣沖渣水余熱為熱源的海水淡化應(yīng)用分析，如果將沿海鋼鐵企業(yè)高爐沖渣水的低溫余熱回收作為海水淡化的熱源，則理論可回收余熱折合標(biāo)煤72萬t/a，同時生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)淡水750萬t/a，海水淡化綜合成本能降低20%以上。

1.4 其他利用方式的研究

周泳等對沖渣水余熱兩種發(fā)電方式閃蒸發(fā)電和ORC發(fā)電進(jìn)行了對比分析[19]。在高爐沖渣水量為2600 t/h，溫度為90℃時閃蒸和ORC發(fā)電的發(fā)電功率分別為4000 kW和3200 kW。陳軍等介紹了ORC發(fā)電和溫差發(fā)電[3]，認(rèn)為受到目前技術(shù)條件的制約，在沖渣水余熱利用項目采用這兩種技術(shù)的利用效率和經(jīng)濟性還較低。

呂永鵬利用等效電的概念，計算了典型條件下高爐沖渣水余熱用于吸收式制冷的等效電耗，并與常規(guī)的電壓縮式制冷系統(tǒng)能耗進(jìn)行了對比，得出了特定工況下的高爐沖渣水余熱吸收式制冷系統(tǒng)節(jié)能運行的臨界條件，為沖渣水余熱制冷提供參考。

2 沖渣余熱利用系統(tǒng)展望

現(xiàn)在的沖渣余熱利用研究和應(yīng)用主要集中在沖渣水方面，而對于沖渣蒸汽的利用尚未有見到相關(guān)研究和示范。實際運行過程中，沖渣余熱的能量大部分被蒸汽帶走，同時蒸汽排放帶走大量水分，是沖渣的主要耗水部分。韓洪森等對濟鋼高爐渣顯熱分析表明，高爐渣顯熱31920 kW，沖渣水帶走熱量8620 kW，沖渣蒸汽帶走熱量23300 kW[14]。

對于高爐沖渣水余熱回收采暖方式，受制于采暖季的影響，總余熱回收利用率非常低。為提高利用率，必須推廣使用更多的更廣泛時間使用的余熱利用技術(shù)?；趨侵偃A教授“溫度對口、梯級利用”的原則，提出了溫度由高到低分別進(jìn)行發(fā)電、制冷/采暖、干燥、洗浴的理想高爐沖渣利用系統(tǒng)。為更好設(shè)計新系統(tǒng)，對鋼廠沖渣參數(shù)進(jìn)行設(shè)計測量，并做溫度和流量參數(shù)隨時間變化曲線，如圖1所示。

由圖1可見，對比回水溝溫度高爐沖渣時塔內(nèi)溫度較高。而現(xiàn)在的余熱利用主要應(yīng)用回水溝余熱，如果回收蒸汽余熱，則余熱品質(zhì)和數(shù)量都得到極大提高。同時，通過蒸汽余熱冷凝回收利用可以產(chǎn)生大量冷凝水，減少沖渣用水量。

為更好的利用沖渣余熱進(jìn)行節(jié)能減排，提出理想的全年回收余熱的綜合梯級利用系統(tǒng)。基于100℃的沖渣余熱蒸汽溫度，間接換熱產(chǎn)生90℃的飽和蒸汽，而自身冷凝降低到90～95℃，通過單效吸收式制冷機組制冷后自身溫度降低到80℃（或者按照需求進(jìn)行采暖），然后與回水溝的熱源一起進(jìn)行干燥作業(yè)，最后進(jìn)行熱交換提供洗浴熱量。

圖1 鋼廠沖渣參數(shù)隨時間變化圖

對比豐順單級閃蒸低溫發(fā)電系統(tǒng)的參數(shù)（如表1）設(shè)計計算90℃飽和蒸汽發(fā)電量，吸熱量計算值為濟鋼沖渣蒸汽帶走熱量的90%，計算參數(shù)值如表2所示。將冷凝水與沖渣水混合后進(jìn)行下一級余熱回收利用，不同利用方式和計算參數(shù)如表3所示，其中干燥量計算基于被干燥物品含水率從90%干燥到80%。

表3 理想下一級余熱利用方式參數(shù)

表1 豐順單級閃蒸低溫發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)

表2 蒸汽余熱回收發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)

3 理想利用方式和經(jīng)濟性分析

新設(shè)計的綜合梯級利用系統(tǒng)中，采暖、洗浴系統(tǒng)的投資回收期一般在1年內(nèi)，而余熱發(fā)電系統(tǒng)因為采用蒸汽回收發(fā)電，發(fā)電效率提高到10%左右，投資回收期提高到2～3年，吸收制冷的投資回收期主要考慮到制冷時長和制冷需求，如果在南方滿負(fù)荷運行3000 h的話，其投資回收期在2年左右，余熱干燥系統(tǒng)投資回收期與干燥利用時長和對比熱源種類有關(guān)，如果與蒸汽熱源對比其投資回收期一般較短。

由以上分析可見，新沖渣蒸汽和沖渣水聯(lián)合余熱回收利用系統(tǒng)可以實現(xiàn)全年余熱回收利用，系統(tǒng)投資回收期短，經(jīng)濟性和節(jié)能環(huán)保效果好。

4 結(jié)論

高爐沖渣余熱排放量大且耗水多，隨著政府對節(jié)能環(huán)保要求的提高，沖渣余熱回收得到重視。對現(xiàn)有高爐沖渣水余熱回收利用方式進(jìn)行分類說明，并介紹了相關(guān)的案列和實際運行狀況，對一些理論利用技術(shù)進(jìn)行總結(jié)?；谟酂崤欧诺哪芰糠植?，提出一種理想的全年回收余熱的梯級利用系統(tǒng)，通過沖渣蒸汽和沖渣水聯(lián)合余熱回收，進(jìn)行發(fā)電、制冷、采暖、干燥和洗浴的梯級利用，并以某個鋼廠的實測參數(shù)為基準(zhǔn)計算其中各個余熱利用環(huán)節(jié)的設(shè)計參數(shù)。