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(duì)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(duì)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(yùn)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(jìn)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(shí)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(shí)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(qiáng)能源優(yōu)化利用、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、余熱余能利用已成為鋼鐵企業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。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(gè)永恒的課題，而相對(duì)應(yīng)的過濾器和換熱器就是一個(gè)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(duì)常規(guī)換熱器和過濾器有較強(qiáng)的腐蝕作用，極易在短時(shí)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(jìn)行工作，也就嚴(yán)重影響了回收系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。

本文在某鋼廠項(xiàng)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(jì)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(shí)，針對(duì)冶金行業(yè)高效節(jié)能的環(huán)境背景，對(duì)該套系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能計(jì)算及投資回收期計(jì)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(diǎn)

高爐沖渣時(shí)，大量水急劇熄滅熔渣時(shí)，首先使沖渣水的溫度急劇上升，甚至可以達(dá)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(shí)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(huì)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(dá)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(diǎn)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(gè)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(shí)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(fèi)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(gè)采暖季就會(huì)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(jìn)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(diǎn)是供出的水是干凈的水，采暖管道短期內(nèi)不會(huì)堵塞。缺點(diǎn)是僅適合底濾法的高爐沖渣系統(tǒng)，對(duì)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(dá)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(xiàng)目就是在充分了解高爐沖渣工藝流程基礎(chǔ)上，同時(shí)針對(duì)INBA法和平流法的渣質(zhì)進(jìn)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(dòng)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(xiàng)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(jì)系統(tǒng)，根據(jù)用戶需要設(shè)計(jì)的高爐沖渣水專用過濾機(jī)組(圖中設(shè)計(jì)4套)，高爐沖渣水專用換熱器(圖中設(shè)計(jì)4套)，補(bǔ)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(jī)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(jī)組(一、二級(jí)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(jī)組時(shí)，其自帶的反沖洗功能全程進(jìn)行反沖洗以保證過濾性能，同時(shí)，在PLC控制下，按照所需流量流經(jīng)換熱器，自動(dòng)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(bǔ)水系統(tǒng)，采用變頻補(bǔ)水泵自動(dòng)補(bǔ)水。

(3)沖渣蒸汽系統(tǒng)工藝流程為：采用直接換熱方案進(jìn)行回收，?；?nèi)的沖渣蒸汽進(jìn)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(shí)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，?；?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(bǔ)熱，減少汽輪機(jī)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(diǎn)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(bǔ)熱保證供暖，凝結(jié)水回收至補(bǔ)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(xiàng)目、首鋼遷安高爐沖渣水余熱回收一期、二期項(xiàng)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(xiàng)目、河北敬業(yè)鋼鐵集團(tuán)高爐沖渣水一期項(xiàng)目、天津天重江天高爐沖渣水余熱回收綜合利用一期項(xiàng)目、青鋼高爐沖渣水余熱回收綜合利用項(xiàng)目和江蘇鑌鑫特鋼高爐沖渣水余熱回收綜合應(yīng)用項(xiàng)目等20余個(gè)項(xiàng)目。包括在建的海水淡化項(xiàng)目和制冷項(xiàng)目。

3.3關(guān)鍵技術(shù)對(duì)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(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，表2是國內(nèi)相關(guān)設(shè)備和設(shè)備的對(duì)比情況統(tǒng)計(jì)。

3.4關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)用對(duì)比

圖3和圖4為某兩個(gè)鋼鐵廠運(yùn)行不到一個(gè)月后換熱器結(jié)垢和堵塞照片。圖5為改造某一個(gè)鋼廠，采用本套專用技術(shù)，經(jīng)過一個(gè)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(shí)施效果

以首鋼遷安項(xiàng)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(shí)為廠區(qū)供暖。

該項(xiàng)目自投運(yùn)后連續(xù)運(yùn)行4個(gè)月，供熱穩(wěn)定、連續(xù)，取得了較好的供熱效果。據(jù)統(tǒng)計(jì)，沖渣水供水溫度為74.8℃時(shí)，采暖水換熱后供水溫度達(dá)到70.4℃，熱端溫差僅為4.4℃，顯示了優(yōu)異的換熱效果，實(shí)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(duì)核心設(shè)備—渣水板式換熱器進(jìn)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(cè)

以高爐沖渣余熱為代表的低溫余熱亦蘊(yùn)含著巨大的能量，高爐熔渣的潛熱(1.6GJ/T)儲(chǔ)量大，以中國2014年8.23億噸的粗鋼產(chǎn)量計(jì)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(hù)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(shì)得到了熱力公司的青睞，成為不少城市的“藍(lán)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(jī)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(bǔ)水、制冷、加熱轉(zhuǎn)爐蒸汽余熱回收補(bǔ)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(jì)效益也非常可觀。

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(jì)算，總裝機(jī)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(jī)容量可達(dá)1578MW，市場份額約63億人民幣。

5結(jié)論

實(shí)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(huì)和經(jīng)濟(jì)效益顯著，是一個(gè)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(shí)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。