高爐沖渣水及沖渣蒸汽余熱回收的綜合應(yīng)用研究

摘要：本文通過對高爐沖渣水及沖渣蒸汽余熱回收綜合應(yīng)用成功案例的分析，為尚未開發(fā)和利用的高爐沖渣水及沖渣蒸汽余熱綜合應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。特別是針對INBA法和平流法沖渣方式下的渣水成功過濾及換熱有創(chuàng)新性的運用，解決了高爐沖渣水余熱回收應(yīng)用過程中出現(xiàn)的堵塞、結(jié)垢和腐蝕問題，并能夠高效提取渣水低溫余熱，換熱溫差小于5℃，節(jié)能效果顯著，投資回收期短，具有良好應(yīng)用前景，為進一步拓寬高爐沖渣水全面高效回收應(yīng)用奠定了技術(shù)和實踐基礎(chǔ)。節(jié)約能源，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：高爐沖渣水;高爐沖渣蒸汽;過濾;換熱;采暖;發(fā)電;海水淡化;制冷

1引言

近年中國冶金發(fā)展迅速，生鐵產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的50%以上;同時中國冶金行業(yè)能耗率很高，有著巨大的節(jié)能空間和市場潛力[1]。隨著鋼鐵企業(yè)節(jié)能降耗、資源綜合利用水平不斷提高，能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，加強能源優(yōu)化利用、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、余熱余能利用已成為鋼鐵企業(yè)發(fā)展的趨勢。在良好的大環(huán)境影響下，開發(fā)利用余熱、余能已蔚然成風(fēng)，特別是以往難于利用的高爐沖渣水的低溫余熱資源，目前已得以開發(fā)利用，并涌現(xiàn)出較多的成功案例。高爐爐渣余熱回收是中國未來10年節(jié)能的方向之一。

在高爐沖渣水低溫余熱回收工藝中，過濾和換熱是一個永恒的課題，而相對應(yīng)的過濾器和換熱器就是一個非常關(guān)鍵的工藝設(shè)備[2][3]。由于沖渣水中含有很多雜質(zhì)(特別沖渣方式是INBA法和平流法)，對常規(guī)換熱器和過濾器有較強的腐蝕作用，極易在短時間內(nèi)造成換熱器，過濾器和管道的堵塞，是余熱回收系統(tǒng)無法正常進行工作，也就嚴(yán)重影響了回收系統(tǒng)的實際應(yīng)用。

本文在某鋼廠項目成功應(yīng)用基礎(chǔ)上，介紹了其一套完整的高爐沖渣水和高爐沖渣蒸汽余熱回收工藝系統(tǒng)設(shè)計和其沖渣水專用換熱器及專用過濾器的設(shè)備研發(fā)。同時，針對冶金行業(yè)高效節(jié)能的環(huán)境背景，對該套系統(tǒng)進行節(jié)能計算及投資回收期計算，以供行業(yè)內(nèi)參考。

2常規(guī)渣水處理

2.1沖渣工藝流程

高爐沖渣有多種方式，國內(nèi)主要有平流法、底濾法、圖拉法和印巴法(INBA)幾種[4]。其中，底濾法是這幾種沖渣方式中，水質(zhì)最好，其次是平流法，最惡劣的就是INBA法。而目前冶金行業(yè)，大型高爐的沖渣方式主要是INBA法。

2.2沖渣水質(zhì)特點

高爐沖渣時，大量水急劇熄滅熔渣時，首先使沖渣水的溫度急劇上升，甚至可以達到接近100℃其次是受到熔渣的影響，使水的組成發(fā)生很大變化[5]。典型高爐沖渣水組成及水渣顆粒組成見表所示。廢水組成隨煉鐵原料、燃料成分以及供水中的化學(xué)成分不同而異。特別是冶煉鐵合金的廠，如錳鐵高爐還古有酚、氰、硫化物等有害物質(zhì)[3][4]。飽和水時水渣的堆密度為1.20-1.22t/m3，烘干后的堆密度為1.16-1.20t/m3.隨著沖渣水的不斷使用，濃縮倍數(shù)會越來越高，其中影響設(shè)備選型的關(guān)鍵參數(shù)CL-1的含量最高能夠達到1000毫克每升以上。

高爐沖渣水渣的主要成分是硅酸鈣和硅酸鋁，從水處理-過濾的角度來說分為4種，其特點如表1所示。

其中，沉渣和浮渣都很容易除掉，但是懸渣和渣棉除去非常困難，這也是困擾高爐沖渣水有效利用的一個難題。

2.3沖渣水常規(guī)處理應(yīng)用

多年來，沖渣水的余廢熱一直得到冶金行業(yè)內(nèi)的重視，也有很多種利用的實際案例，渣水處理方式主要包括直接處理法和簡單過濾換熱法。

2.3.1直接處理法

將沖渣水處理之后直接供暖。中間費用比較高，而且過程復(fù)雜，供水水質(zhì)不好，采暖管道容易堵塞和腐蝕。國內(nèi)最早使用的是東北的一些鋼廠，使用不到一個采暖季就會暴漏問題，在系統(tǒng)未端流速和溫度降低，失去了沖刷的作用，懸浮物極易沉積，造成管道堵塞，影響未端采暖效果。另外由于沖渣水的總?cè)芙夤倘芪锾?，水平衡狀很容易被打破，溶解度低的物質(zhì)易析出而形成松散水垢，造成未端管道堵塞。

2.3.2簡單過濾換熱法

將沖渣水簡單過濾后進入換熱器換熱，將換熱后的干凈的水供暖。這種方法的優(yōu)點是供出的水是干凈的水，采暖管道短期內(nèi)不會堵塞。缺點是僅適合底濾法的高爐沖渣系統(tǒng)，對圖拉法、印巴法除渣的高爐沖渣水不適用，極易發(fā)生熱源短的換熱器堵塞。另外由于底濾法高爐沖渣水溫度本來就低(最高70℃)，換熱后溫度很難達到55度以上，換熱溫差大于10℃以上，采暖管網(wǎng)及用戶內(nèi)的暖氣片都需要加大容量才能保證冬季的采暖溫度，如果是改造工程，熱網(wǎng)本身改造投資非常大。

3專用余熱回收綜合利用系統(tǒng)

目前為止，以上兩種方法已經(jīng)不再適合高效節(jié)能環(huán)保的應(yīng)用，本項目就是在充分了解高爐沖渣工藝流程基礎(chǔ)上，同時針對INBA法和平流法的渣質(zhì)進行詳盡分析，提出了一套行之有效的高爐沖渣水及沖渣蒸汽余熱回收高效循環(huán)系統(tǒng)。

3.1系統(tǒng)工藝流程

本文是基于沖渣水高效節(jié)能過濾設(shè)備，沖渣水高效換熱設(shè)備，沖渣蒸汽回收設(shè)備、智能自動控制設(shè)備和儀表采集監(jiān)控設(shè)備為一體的沖渣水余熱回收高效循環(huán)系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要由高效過濾系統(tǒng)、高效換熱系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和壓力控制系統(tǒng)組成。圖1是某鋼廠第三期高爐沖渣水及沖渣蒸汽余熱采暖間接發(fā)電等綜合項目工藝流程圖。

余熱回收系統(tǒng)主要包括沖渣水池取水系統(tǒng)，管道設(shè)計系統(tǒng)，根據(jù)用戶需要設(shè)計的高爐沖渣水專用過濾機組(圖中設(shè)計4套)，高爐沖渣水專用換熱器(圖中設(shè)計4套)，補水系統(tǒng)，采暖水循環(huán)系統(tǒng)，間接發(fā)電系統(tǒng)，高爐沖渣蒸汽機組系統(tǒng)。

(1)沖渣水循環(huán)系統(tǒng)工藝流程為:沖渣水循環(huán)泵抽取沖渣水沉淀池沖渣水→經(jīng)過沖渣水專用過濾機組(一、二級精密過濾器)過濾→至板式換熱器快速、高效換熱→沖渣水沉淀池。提取的沖渣水在經(jīng)過過濾機組時，其自帶的反沖洗功能全程進行反沖洗以保證過濾性能，同時，在PLC控制下，按照所需流量流經(jīng)換熱器，自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的熱負(fù)荷，避免出現(xiàn)的過冷、過熱，最大程度地節(jié)省能耗。

(2)采暖水循環(huán)系統(tǒng)工藝流程為:采暖水經(jīng)過專用板式換熱器與沖渣循環(huán)水換熱→輸送到采暖供水干管→采暖用戶→采暖回水干管→采暖水過濾器→經(jīng)過采暖水循環(huán)泵加壓→輸送至板式換熱器與沖渣循環(huán)水換熱。采暖水為閉式循環(huán)系統(tǒng)，采用軟化水，避免管道及散熱片結(jié)垢;在采暖循環(huán)泵前設(shè)置定壓補水系統(tǒng)，采用變頻補水泵自動補水。

(3)沖渣蒸汽系統(tǒng)工藝流程為：采用直接換熱方案進行回收，粒化塔內(nèi)的沖渣蒸汽進入蒸汽回收裝置，回收的熱量用來加熱采暖水，把采暖水由50℃加熱到70℃，同時蒸汽冷凝水回流到?jīng)_渣水系統(tǒng)中。沖渣蒸汽的熱量也是非?？捎^的，其跟沖渣溫度有著密切關(guān)系，沖渣溫度越高，粒化塔內(nèi)的蒸汽熱量就越高。

(4)間接發(fā)電系統(tǒng)工藝流程為：高爐沖渣水及沖渣蒸汽余熱加熱電廠冷凝水，給電廠的熱力系統(tǒng)補熱，減少汽輪機組低壓加熱抽汽和高壓加熱的抽汽量，把省下的蒸汽用來多發(fā)電，從而減少高爐煤氣的消耗量。高爐沖渣水間接發(fā)電技術(shù)的優(yōu)點是熱效率高(15%-20%)，單位投資少，投資回收期短;更大程度回收了高爐沖渣過程的余熱能源。

(5)考慮采暖季節(jié)高爐檢修取熱問題，在換熱站設(shè)置汽水換熱器，采用蒸汽補熱保證供暖，凝結(jié)水回收至補水箱循環(huán)利用。

3.2應(yīng)用案例

自2011年以來，北京億瑋坤公司應(yīng)用專利技術(shù)成功完成的案例包括五礦營鋼高爐沖渣水及沖渣蒸汽余熱供暖一期/二期/三期項目、首鋼遷安高爐沖渣水余熱回收一期、二期項目、河北鋼鐵邯鄲分公司高爐沖渣水及沖渣蒸汽余熱回收一期和二期項目、河北敬業(yè)鋼鐵集團高爐沖渣水一期項目、天津天重江天高爐沖渣水余熱回收綜合利用一期項目、青鋼高爐沖渣水余熱回收綜合利用項目和江蘇鑌鑫特鋼高爐沖渣水余熱回收綜合應(yīng)用項目等20余個項目。包括在建的海水淡化項目和制冷項目。

3.3關(guān)鍵技術(shù)對比

根據(jù)近年來的研究及應(yīng)用效果，該套系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備在INBA除渣方式中有較強的優(yōu)勢，表2是國內(nèi)相關(guān)設(shè)備和設(shè)備的對比情況統(tǒng)計。

3.4關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)用對比

圖3和圖4為某兩個鋼鐵廠運行不到一個月后換熱器結(jié)垢和堵塞照片。圖5為改造某一個鋼廠，采用本套專用技術(shù)，經(jīng)過一個采暖季后，打開關(guān)鍵設(shè)備后看到的照片，從圖中可以看到，沒有任何堵塞、結(jié)垢現(xiàn)象。

3.5實施效果

以首鋼遷安項目為例，本工程2014年8月中旬開工建設(shè)，10月底全部建成，在2014年11月14日正式投入供暖，按時為廠區(qū)供暖。

該項目自投運后連續(xù)運行4個月，供熱穩(wěn)定、連續(xù)，取得了較好的供熱效果。據(jù)統(tǒng)計，沖渣水供水溫度為74.8℃時，采暖水換熱后供水溫度達到70.4℃，熱端溫差僅為4.4℃，顯示了優(yōu)異的換熱效果，實際采暖水供回水溫度均在60℃/50℃以上，完全滿足采暖用戶需求。采暖季結(jié)束后，對核心設(shè)備—渣水板式換熱器進行了拆檢，內(nèi)部通道表面清潔光滑、無污物堵塞情況。

利用2#高爐沖渣水余熱，替代公司廠區(qū)原有蒸汽采暖模式，可節(jié)省蒸汽約20t/h，年采暖季相當(dāng)于節(jié)約燃煤7000t，減少二氧化碳排放量約18200t，節(jié)能環(huán)保效果顯著。

4高爐沖渣余熱利用發(fā)展預(yù)測

以高爐沖渣余熱為代表的低溫余熱亦蘊含著巨大的能量，高爐熔渣的潛熱(1.6GJ/T)儲量大，以中國2014年8.23億噸的粗鋼產(chǎn)量計算，高爐爐渣產(chǎn)量約2.59億噸，其熱量可折算為1411萬噸標(biāo)煤的熱量，如這部分熱量完全利用可冬季為1億平米的城市民用住宅建筑供暖，占全國集中供暖面積的11.6%。自2015開始，隨著我國環(huán)境保護和城市霧霾治理的力度不斷加大，城市燃煤供暖很難滿足排放指標(biāo)，高爐沖渣水余熱供暖以其成本低、無排放等優(yōu)勢得到了熱力公司的青睞，成為不少城市的“藍天工程”。隨著北京億瑋坤節(jié)能科技有限公司高爐沖渣余熱高效回收技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，高爐沖渣水余熱回收市場面臨著戰(zhàn)略性的市場機遇。

除北方地區(qū)離城市距離近的高爐沖渣余熱可用于冬季供暖外，中國南方地區(qū)、北方地區(qū)其他三季高爐沖渣余熱可以在鋼鐵公司內(nèi)部用于采暖、洗浴及生活熱水、加熱電廠冷凝水及補水、制冷、加熱轉(zhuǎn)爐蒸汽余熱回收補水等，以沖渣余熱置換蒸汽，置換出的蒸汽用于發(fā)電，經(jīng)濟效益也非?？捎^。

以高爐沖渣余熱回收換熱站30萬元/MW的指標(biāo)，按照我國所有高爐熔渣30%的余熱回收率計算，總裝機容量為13151MW，僅核心的高爐沖渣余熱換熱站的市場份額約11.8億元;如附加外網(wǎng)投資，僅高爐沖渣余熱回收綜合利用總的市場份額約47.2億元。如高爐沖渣余熱ORC發(fā)電推廣成功，ORC發(fā)電的總裝機容量可達1578MW，市場份額約63億人民幣。

5結(jié)論

實踐應(yīng)用證明，高爐沖渣水及沖渣蒸汽余熱資源充足、品位較高，采用成熟可靠的專有技術(shù)不僅可以全面提高能源利用效率、提高供熱質(zhì)量、縮減供暖成本，而且可以取代燃煤鍋爐、減少碳排放、減輕大氣污染、社會和經(jīng)濟效益顯著，是一個非常典型和優(yōu)秀的環(huán)保節(jié)能應(yīng)用。另外，在用于采暖的同時還可以應(yīng)用于非采暖季的開發(fā)利用途徑，如高爐沖渣水及沖渣蒸汽余熱回收間接發(fā)電或直接發(fā)電，使高爐沖渣過程產(chǎn)生的大量余熱得以更高的持續(xù)利用?？傊郀t沖渣水及沖渣蒸汽的余熱回收利用有著廣闊的應(yīng)用前景。