高爐沖渣水余熱利用探討

陳蓉華

(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 401122)

鋼鐵企業(yè)是工業(yè)生產(chǎn)耗能大戶,國(guó)家統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)鋼鐵工業(yè)總能耗占工業(yè)總能耗的23%，占全國(guó)總能耗的16.3%[1]。鋼鐵企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的余熱資源占全部生產(chǎn)能耗的60%左右,可回收的余熱資源十分豐富。隨著鋼鐵節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，鋼鐵企業(yè)中品質(zhì)較高且穩(wěn)定的余熱資源如各類剩余煤氣、高溫?zé)煔庥酂岬饶壳耙呀?jīng)得到較為充分的回收利用，而低品味余熱資源如高爐沖渣水余熱利用率還較低。做好高爐沖渣水余熱回收工作，既能節(jié)約能源，又能保護(hù)周邊環(huán)境，具有重要的實(shí)際意義。

1 高爐沖渣水余熱資源特點(diǎn)

1.1 余熱利用潛力巨大

高爐沖渣池是冶煉過(guò)程中最末端工藝，高爐煉鐵后產(chǎn)生的大量高溫爐渣通過(guò)沖渣水來(lái)進(jìn)行冷卻。其工藝流程為：在主鐵溝與鐵水分離后的熔渣在渣溝末端被沖制箱噴出的高速水流水淬粒化，粒化后的渣水混合物經(jīng)脫水過(guò)濾后送至水渣堆場(chǎng)，脫出的水進(jìn)入熱水池，產(chǎn)生了大量70～85 ℃的沖渣熱水，為了保證沖渣水的循環(huán)利用效果，需要將這部分沖渣熱水在沉淀過(guò)濾后引入空冷塔，降溫到60 ℃以下通過(guò)粒化泵站再次送至沖制點(diǎn)循環(huán)沖渣，或進(jìn)行自然降溫后繼續(xù)循環(huán)沖渣，這一過(guò)程中大量的熱量被白白浪費(fèi)，既造成了能源的浪費(fèi)，又對(duì)環(huán)境造成了熱污染。高爐沖渣水低溫余熱的一個(gè)顯著特點(diǎn)是：熱源溫度較低，但其流量卻相當(dāng)大。以年產(chǎn)生鐵量250萬(wàn)t的3 000 m3級(jí)高爐為例，其循環(huán)沖渣熱水量就高達(dá)2 200 m3/h，沖渣水熱負(fù)荷約40 MW，高爐沖渣循環(huán)水水量巨大，余熱利用潛力大。

1.2 腐蝕性強(qiáng)

隨著環(huán)保要求的不斷提高，很多鋼鐵廠為了降低廢水的排放量，將焦化、脫硫、燒結(jié)、酸洗等工序產(chǎn)生的含鹽量較高的廢水送至高爐用于沖渣，導(dǎo)致高爐沖渣水中的含鹽量持續(xù)升高，高爐沖渣水中磷酸根離子、氯離子等大量聚集，沖渣水中磷酸根離子、氯離子高達(dá)2 000～8 000 mg/L，這些離子根對(duì)碳鋼的腐蝕作用很強(qiáng)，容易對(duì)高爐沖渣水系統(tǒng)中的設(shè)備造成腐蝕，影響系統(tǒng)設(shè)備的正常運(yùn)行。

1.3 易造成換熱設(shè)備堵塞

高爐沖渣水在沖渣過(guò)程中直接接觸高爐熔渣，熔渣中的部分化學(xué)成分大量溶解于高爐沖渣水中。高爐沖渣水中含有氧化鈣、二氧化硅、氧化鎂、氧化鋁等氧化物，隨著系統(tǒng)的不斷循環(huán)運(yùn)行和換熱過(guò)程中沖渣水的降溫，這些溶質(zhì)以晶體的形式析出，附著在渣水管道內(nèi)壁和換熱設(shè)備表面，容易造成渣水管道及換熱裝置的污堵，影響高爐沖渣水系統(tǒng)正常運(yùn)行。

1.4 沖渣水熱源不穩(wěn)定

高爐出渣是間斷的，根據(jù)操作水平的不同，每日出渣10～15次不等，每次出渣時(shí)間約60～80 min。出渣過(guò)程中沖渣水的溫度也不穩(wěn)定，剛開(kāi)始出渣時(shí)，渣水池溫度偏低，隨著出渣時(shí)間的加長(zhǎng)，渣水溫度逐步升高，到出渣結(jié)束鐵口封堵前，渣水溫度達(dá)到最高值。沖渣水溫度的波動(dòng)，影響其余熱資源的有效利用。

2 高爐沖渣水余熱主要利用方式。

2.1 高爐沖渣水余熱采暖技術(shù)

高爐沖渣水余熱采暖技術(shù)主要包括直接換熱、間接換熱兩種方式。直接換熱方式是將過(guò)濾后的沖渣水作為采暖熱源直接進(jìn)入采暖終端設(shè)備如暖氣片等進(jìn)行換熱。由于沖渣水腐蝕性強(qiáng)并且容易堵塞管道和設(shè)備，同時(shí)高爐沖渣水熱源的不穩(wěn)定，直接換熱采暖方式已基本被取締。目前鋼鐵企業(yè)大多采用間接換熱采暖方式，沖渣水作為熱源與采暖回水在渣水換熱器中進(jìn)行換熱，換熱后的采暖熱水供至用戶終端設(shè)備進(jìn)行采暖，渣水系統(tǒng)和采暖水系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，可有效解決采暖水管道及暖氣片等發(fā)生堵塞和腐蝕的問(wèn)題。

高爐沖渣水余熱采暖利用技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，適用于北方城市冬季使用。

2.2 用于溴化鋰吸收式制冷

高爐沖渣水經(jīng)過(guò)濾后進(jìn)入換熱器內(nèi)間接換熱產(chǎn)生60～75℃的熱水，產(chǎn)生的熱水通過(guò)管網(wǎng)送入熱水型溴化鋰吸收式制冷機(jī)組作為其熱源制取冷凍水，制取的冷凍水可用于高爐鼓風(fēng)脫濕工藝，也可用于夏季室內(nèi)空調(diào)制冷。

高爐沖渣水余熱用于溴化鋰吸收式制冷，可與沖渣水余熱采暖聯(lián)合設(shè)置，夏季制冷、冬季采暖，以最大限度地提高沖渣水余熱利用效率。

2.3 高爐沖渣水余熱用于海水淡化

高爐沖渣水在渣水換熱器中與除鹽水進(jìn)行換熱，制備約70 ℃左右的高溫水，高溫水送往海水淡化單元，在閃蒸罐中閃蒸為低溫飽和蒸汽送往低溫多效海水淡化裝置制取淡水。將高爐沖渣水的低溫余熱回收作為海水淡化的熱源，降低了海水淡化成本，適用于在沿海區(qū)域配置了海水淡化裝置的鋼鐵企業(yè)。

2.4 高爐沖渣水余熱發(fā)電

高爐沖渣水余熱發(fā)電技術(shù)是利用液氨、R134、R600等工質(zhì)與沖渣水換熱以回收沖渣水余熱。經(jīng)過(guò)沉淀過(guò)濾等預(yù)處理后的高爐沖渣水進(jìn)入專用換熱器，將熱量傳遞給工質(zhì)，換熱后溫度降低送至冷水池循環(huán)使用。工質(zhì)在換熱器內(nèi)吸收熱量后蒸發(fā)為過(guò)熱蒸汽，進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹做功，對(duì)外輸出電能。做工后的工質(zhì)冷凝后變成低溫低壓的液體工質(zhì)送回?fù)Q熱器中吸熱，再次變成過(guò)熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)做功。

高爐沖渣水發(fā)電余熱利用方式，其主要弊端是做工工質(zhì)安全性存在隱患、設(shè)備維護(hù)復(fù)雜、設(shè)備發(fā)電成本高。目前國(guó)內(nèi)還在試驗(yàn)運(yùn)行階段，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，低溫余熱發(fā)電效率為4%～5%[2]。

3 高爐沖渣水換熱器的選擇

目前國(guó)內(nèi)高爐沖渣水的主要利用方式中，除用于余熱發(fā)電需要特殊工質(zhì)外，其余均是通過(guò)渣水換熱器將沖渣水的余熱提取出來(lái)加以利用，因此沖渣水換熱器的選擇對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的影響。根據(jù)高爐水渣工藝的不同，常用的換熱器形式有帶過(guò)濾器可拆板式換熱器、可拆自由流道板式換熱器、寬通道焊接板式換熱器、真空相變換熱器等幾種，各鋼鐵企業(yè)可根據(jù)自身特點(diǎn)選擇合適的換熱設(shè)備。

帶過(guò)濾器可拆板式換熱器的流道寬度約3～4 mm，渣水經(jīng)過(guò)粗、精過(guò)濾后在可拆板式換熱器中換熱，傳熱效率高，但由于其流道寬度的限制，過(guò)濾器和換熱器容易堵塞，抗堵性較差，清洗周期短，適用于渣水品質(zhì)相對(duì)較好的底濾法水渣工藝。

可拆自由流道板式換熱器流道寬度約10～12 mm，采用渦旋管間壁式逆流換熱，傳熱效率高，沖渣水中絮狀渣棉容易堵塞流道，增加系統(tǒng)阻力，清洗周期一般為一個(gè)采暖季，對(duì)渣水的品質(zhì)有一定的要求，適用于底濾法水渣工藝。

寬通道焊接板式換熱器將流道寬度進(jìn)一步加大至15～30 mm，采用無(wú)過(guò)濾間壁式逆流換熱原理，對(duì)污水中常見(jiàn)的固體懸浮物具備較強(qiáng)的抗堵性能，但無(wú)法阻止溶解在渣水中的大量鹽堿類物質(zhì)在換熱過(guò)程中的結(jié)晶、結(jié)垢現(xiàn)象，長(zhǎng)期運(yùn)行也有堵塞可能，設(shè)備自身耗鋼量較大，投資成本較大，清潔周期和使用壽命較可拆卸板式換熱器長(zhǎng)，適用于底濾、平流、嘉恒、印巴等水渣工藝。

真空相變式換熱器利用水在真空狀態(tài)下沸點(diǎn)降低的特點(diǎn)，通過(guò)真空泵使蒸發(fā)器保持真空狀態(tài)，渣水進(jìn)入蒸發(fā)器中閃蒸為清潔蒸汽，閃蒸出的清潔蒸汽再進(jìn)入冷凝器中與系統(tǒng)水進(jìn)行換熱。真空相變式換熱器避免了渣水和換熱壁面的直接接觸，解決了換熱過(guò)程渣水中的鹽堿類雜質(zhì)結(jié)晶、結(jié)構(gòu)現(xiàn)象和腐蝕問(wèn)題，換熱器清潔周期較長(zhǎng)，適用于鋼廠各種水渣工藝，但其換熱效率較板式換熱器低，投資成本和占地面積較大。

4 高爐沖渣水余熱采暖技術(shù)應(yīng)用

某鋼鐵企業(yè)擬利用高爐沖渣水換熱供應(yīng)廠區(qū)和附近居民采暖使用。高爐沖渣采用環(huán)保轉(zhuǎn)鼓水渣工藝，出渣時(shí)間約80 min，其沖渣水循環(huán)水量約2 200 m3/h，沖渣水進(jìn)水溫度約63 ℃，排出溫度約78 ℃。沖渣水換熱站采用間接換熱方式，余熱回收系統(tǒng)由沖渣水加壓泵、過(guò)濾器、換熱器、溫控裝置、電控裝置、循環(huán)泵、補(bǔ)水泵等組成。高爐沖渣水在PLC控制下經(jīng)加壓泵加壓，按照所需流量經(jīng)過(guò)濾器后進(jìn)入換熱器，將熱量傳遞給采暖水，降溫后回流到冷卻水池；采暖水回水首先進(jìn)入循環(huán)水泵，再進(jìn)入換熱器，獲取熱量后供至用戶，供水溫度由溫控裝置自動(dòng)控制。采暖水系統(tǒng)采用自動(dòng)補(bǔ)水裝置，采暖水回水壓力低于設(shè)定范圍下限時(shí)補(bǔ)水泵自動(dòng)開(kāi)啟升壓，壓力達(dá)到設(shè)定范圍上限時(shí)補(bǔ)水泵停止。采暖水回水壓力超過(guò)設(shè)定范圍上限值時(shí)，安全閥排水泄壓，維持采暖水回水壓力適宜。熱力流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 沖渣水余熱采暖熱力流程圖

采暖用戶供回水溫度為67 ℃/55 ℃,換熱器熱效率按0.94考慮，高爐鐵渣所含熱量計(jì)算見(jiàn)表1，計(jì)算結(jié)果表明，高爐鐵渣蘊(yùn)含36 MW的熱量，考慮可利用其中的60%，則可供利用的熱量也達(dá)21.6 MW，用于供暖則可供36萬(wàn)m2的面積采暖。

表1 某3 000 m3高爐沖渣熱量計(jì)算

5 結(jié) 語(yǔ)

高爐沖渣水余熱利用作為鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排的一項(xiàng)具體措施，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。高爐沖渣水余熱采暖技術(shù)為鋼鐵企業(yè)周邊的城市供暖提供了有效的清潔熱源，建議在北方鋼鐵企業(yè)中進(jìn)一步加強(qiáng)推廣應(yīng)用。