高爐沖渣水余熱回收利用改進及優(yōu)化

趙利平，王鐵民

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063200）

引言

2020 年9 月國家提出在2030 年之前實現(xiàn)二氧化碳排放達峰，到2060年實現(xiàn)碳中和目標。在中國碳中和與碳達峰的戰(zhàn)略下，對高能耗、高物耗的鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生巨大的沖擊。我國鋼鐵行業(yè)冶煉過程中產(chǎn)生的余熱余能回收利用率較發(fā)達國家還有很大的差距，其中低溫余熱占總余熱的35%，存在巨大的回收潛力。

首鋼京唐公司1#高爐沖渣系統(tǒng)通過技術(shù)升級改造完成了沖渣水余熱回收，傳統(tǒng)沖渣水余熱利用采暖系統(tǒng)是在兩側(cè)渣水站附近分別建立換熱器，根據(jù)沖渣節(jié)奏通過兩側(cè)換熱器采暖水閥門切換完成2座站所倒換，本著低投入高產(chǎn)出的原則京唐公司僅在2#沖渣泵站附近建立寬流道換熱器，通過管路連接渣水和采暖水完成熱交換向用戶供應(yīng)采暖水，依靠兩座渣水站渣水閥門切換完成渣水站倒換，高爐兩側(cè)沖渣的布局共用換熱裝置換熱的設(shè)計無經(jīng)驗可循，在實際運行中出現(xiàn)了閥門切換滯后、管路氣阻大等多種問題，通過對控制系統(tǒng)及現(xiàn)場管道優(yōu)化，運行問題得到了有效解決。

1 沖渣水換熱系統(tǒng)工藝流程

一次側(cè)水為1#高爐沖渣水（75/60 ℃），通過管道引至換熱器換熱后制取65 ℃的二次側(cè)熱水經(jīng)3#換熱站采暖水泵供給各采暖用戶，工藝流程圖詳見圖1。

圖1 沖渣水換熱工藝流程圖

2 原設(shè)計寬流道換熱器控制邏輯

2座沖渣泵站隨高爐冶煉節(jié)奏交替沖渣，2座沖渣站渣水溫度高低交替出現(xiàn)，為保持各自的渣水系統(tǒng)的獨立性，只能有一座沖渣泵站的渣水進入寬流道換熱器，另一座沖渣水泵站供回水閥門保持關(guān)閉狀態(tài)，嚴禁2座沖渣泵站渣水互串，起初采用以換熱器渣水入口溫度為判斷條件切換兩座渣水站來回水閥門，控制邏輯見圖2，其控制邏輯為：當運行站所渣水溫度低于設(shè)定值T 時，關(guān)閉當前運行渣水泵站進出口電動調(diào)節(jié)閥，閥門關(guān)閉后自動開啟待投運渣水泵站渣水供回水電動調(diào)節(jié)閥。

圖2 原寬流道換熱器自動控制邏輯圖

3 高爐沖渣水余熱回水存在的問題及應(yīng)對措施

3.1 存在問題

初次運行，經(jīng)驗不足，尤其高爐兩側(cè)沖渣的布局共用換熱裝置換熱的設(shè)計，更是無經(jīng)驗可循，運行中出現(xiàn)了多種問題。

（1）渣水溫度取點位置位于上塔管，考慮到運行成本，高爐停止出鐵后，同步停上塔提升泵，上塔提升泵停止運行后，上塔管內(nèi)渣水處于停滯狀態(tài)，渣水自身具有熱惰性，系統(tǒng)狀態(tài)切換滯后。

（2）在沖渣過程中，底濾池填料時常出現(xiàn)堵塞導(dǎo)致渣水回水不暢，渣水泵站吸水井液位較低，最低時液面不足以沒過上塔提升泵吸入口管道上沿，上塔提升泵輸送的渣水中攜帶空氣，由于渣水管線長、彎路多，渣水管道氣阻現(xiàn)象嚴重，直接影響換熱器換熱效果。為確保渣水系統(tǒng)順穩(wěn)，沖渣過程中要不定期要進行反洗操作，反洗時常2～3 min，反洗期間上塔提升泵輸送水量減少。

（3）1#沖渣泵站渣水供回水管道穿爐臺后與2#沖渣泵站供回水管道連接，2#沖渣泵站回水管道與1#沖渣泵站回水管道高差為8 m，由于回水管道直接對空，當2#沖渣泵站切換至1#沖渣泵站后，渣水流量顯示為0，每次切換完畢后需要手動對跨爐臺段回水管道排氣，排氣完畢后系統(tǒng)恢復(fù)正常運行，新增換熱系統(tǒng)為無人值守區(qū)域，2#沖渣泵站切換至1#沖渣泵站排氣問題亟需解決。

3.2 解決方案

針對以上問題，經(jīng)過多次分析實踐，決定在渣水管道高點增加自動排氣閥，同時對寬流道換熱器切換邏輯進行修改。

（1）由于沖渣結(jié)束后渣水不流通，系統(tǒng)切換滯后，摒棄之前以渣水溫度為判斷條件切換的控制邏輯，改用流量（E）和壓力（P）為判斷條件，為消除表計誤差對系統(tǒng)的影響，將判斷條件流量值設(shè)為10 t/h，壓力值設(shè)定為5 kPa，同時為降低沖渣過程中反洗操作對系統(tǒng)切換帶來的干擾，又增加判斷延時（Ts）邏輯，時間可隨時調(diào)整，目前設(shè)定為300 s，具體控制邏輯為：當運行站所沖渣結(jié)束后，上塔提升泵停止運行，壓力降為5 kPa，流量降至10 t/h 時，當PLC 控制系統(tǒng)檢測到壓力、流量達到切換條件時開始計時（閥門暫不切換），300 s 內(nèi)運行壓力、流量實時與設(shè)定壓力、流量值比較，超過300 s 運行流量還低于10 t/h 或者運行壓力還低于5 kPa 時，系統(tǒng)開始切換，關(guān)閉當前運行沖渣泵站供回水閥門，打開待投運沖渣泵站供回水閥門。

（2）前期運行中由于渣水管道氣阻較大，在渣水管道沿途增加6 個自動排氣閥，其工作原理為排氣腔內(nèi)液面降低，不銹鋼球隨液面下降，氣體排出，隨著氣體減少，浮球隨液面上升，氣體排盡后，浮球升至最高點將排氣口封閉，為防止渣水管道運行壓力高致使浮球被高壓空氣瞬間擠壓至最高點將排氣口封閉，在自動排氣閥前增加手動閥門，通過控制手動閥門將管道內(nèi)的氣體緩慢排出，通過現(xiàn)場多次試驗，將手動閥門控制在30%開度最宜，排氣時間最長為8 min。

（3）通過增加自動排氣閥2#沖渣泵站切換至1#沖渣泵站排氣問題得到了有效解決，受排氣時間制約，2#沖渣泵站切換至1#沖渣泵站后需要排氣4～8 min，排氣期間渣水流量、壓力趨于0，PLC 控制系統(tǒng)開始計時300 s，300 s 后如果壓力、流量還小于設(shè)定值，系統(tǒng)又切換至1#沖渣泵站，為避免系統(tǒng)無效切換，以系統(tǒng)切換后為界，增加閥門保持時間（Tn），目前根據(jù)現(xiàn)場摸索將Tn 設(shè)置為540 s，其控制邏輯為：系統(tǒng)切換完畢后開始計時，540 s 之內(nèi)兩座沖渣泵站渣水供回水閥門保持狀態(tài)不變，渣水運行壓力、流量與設(shè)定值不進行比較，540 s 之后系統(tǒng)切換判斷邏輯重新啟動。通過增加閥門保持時間（Tn）為系統(tǒng)切換完成后預(yù)留充足的排氣時間，進一步降低自動切換的誤判率。

（4）增加了閥門的限位信號對邏輯順序控制，閥門間的切換精準度得到了有效提高。

通過對渣水管道增加排氣系統(tǒng)，同時又對系統(tǒng)控制邏輯實施了修改優(yōu)化，運行中遇到的問題得到了有效解決，具體控制邏輯圖如圖3所示。

4 結(jié)束語

高爐兩側(cè)沖渣的布局共用換熱裝置換熱的設(shè)計完全可以滿足采暖需求，技術(shù)上可行，這樣系統(tǒng)布局設(shè)備更加緊湊，占地面積小，工程造價、設(shè)備費用相對較少，投資回報率高，此項目的實施不僅可以全面提高能源梯級利用水平，降低供暖成本，而且獨特的設(shè)備布局、控制邏輯為尚未開發(fā)和利用的高爐沖渣水余熱項目提供了借鑒。