高爐沖渣水余熱利用的現狀及技術發展分析

陳 軍 武國峰 雷震東 吳坪楊

1.前言

隨著能源與環境問題的日益突出，我國鋼鐵企業對節能降耗的重視程度進一步提高。充分挖掘企業內余熱余能的回收潛能，降低產品成本，創造新的經濟效益，成為新形勢下鋼鐵企業的重要工作之一。高爐沖渣水作為一種低溫廢熱源，具有溫度穩定、流量大的特點，如何讓沖渣水發揮余熱利用的效益，也逐漸成為一個研究課題。

目前我國高爐爐渣處理工藝主要是水淬渣工藝方式。高爐內1400℃-1500℃的高溫爐渣，經渣口流出，在經渣溝進入沖渣流槽時，以一定的水量、水壓及流槽坡度，使水與熔渣流成一定的交角，沖擊淬化成合格的水渣。

在煉鐵工序中，沖渣消耗的新水占新水總耗的50%以上。沖制1噸水渣大約消耗新水1-1.2噸，循環用水量約為10噸左右。按照我國鋼鐵生產產量5億噸，按350千克渣比計算，僅用于沖渣的新水消耗就超過1.5億噸，占鋼鐵工業新水消耗的4%。由沖渣水帶走的高爐渣的物理熱量占煉鐵能耗的8%左右，大約相當于21千克/標煤（按350千克/噸鐵計算）。循環水池的水溫范圍60℃-85℃，屬于工業低溫廢熱源，如果不加以利用，這部分能量就會被白白浪費。

2.目前我國高爐沖渣水利用現狀

2.1 高爐沖渣水余熱利用現狀

目前對高爐沖渣水的余熱加以利用的鋼鐵廠主要集中在北方，余熱利用的方式也主要是直接將顯熱利用于北方冬季采暖系統，這種利用方式的特點是：(1)技術簡單，設備投資低；(2)主要是利用沖渣水的顯熱，利用效率低；(3)受季節性影響較大，冬季用于采暖，夏季不能利用；(4)直接將沖渣水送至采暖管網，容易造成管網堵塞，且由于管網系統龐大，清洗工作量大。

國內采用高爐沖渣水供冬季采暖的單位有：鞍鋼[1]、河南安陽鋼鐵集團[2]、濟鋼[3]、阿鋼等。

2.2 高爐沖渣水用于冬季采暖

高爐沖渣水進入水渣池沉淀后，進入平流沉淀池進一步沉淀。沉淀后的水自流到普通快濾池進行過濾，過濾后的水進入采暖泵房吸水池，通過供水泵組加壓送至采暖區供采暖循環使用。采暖回水進入反沖洗水塔及沖渣水泵房吸水池，供高爐水力沖渣及普通快濾池反沖洗使用。其中普通快濾池的反沖洗排水排入旋流沉淀池，通過提升泵提升到沖渣池進行沖渣使用，沉渣用抓斗抓出。

3.高爐沖渣水余熱利用新技術的研究現狀

1.目前沖渣水余熱利用存在問題

目前對于高爐沖渣水的余熱利用，主要還是直接利用顯熱提供冬季采暖，這種利用方式技術簡單、改造成本很低，但存在一些問題：(1)沖渣水水量大，蘊含的熱量很大，而一般廠區辦公樓的采暖負荷較小，不能夠將沖渣水的余熱能力完全發揮出來；(2)采暖只適用于北方的城市冬季使用，夏季不需要，而南方城市一年四季都不需要采暖，因此這種方式存在局限性；(3)沖渣水含有大量的雜質，進入管網后易造成堵塞，且供熱管網系統龐大，清洗難度很高。因此，研究高爐沖渣水余熱利用的新技術，最大程度是回收高爐沖渣水的余熱。

2.利用雙工質發電技術回收沖渣水余熱

（1）系統工作原理。高爐沖渣水排出時溫度大約85℃，經過沉淀除雜預處理后進入特殊設計的換熱器，在此將熱量傳遞給工質，溫度降到50℃左右，再送到高爐供沖渣之用，從而回收了一定量的余熱。工質在換熱器內吸收熱量后變成80℃的過熱蒸氣，然后進入氣輪機膨脹做功，帶動發電機轉動，對外輸出電能。做功后的工質變成低壓過熱蒸氣，低壓過熱蒸氣進入冷凝器放出熱量，變成低溫低壓的液體工質，然后由工質泵送到熱交換器中吸熱，再次變成過熱蒸氣去推動氣輪機做功。如此連續循環，將熱水中的熱量源源不斷的提取出來，生成高品位的電能[4]。

雙工質發電系統中循環工質主要為低沸點的工質，目前常用在低溫發電系統中的工質有：低沸點有機物（如：氯乙烷、正戊烷、異戊烷等）、氟利昂工質（如：R134a、R123、R142b、R600等）[4][5][6]。

（2）沖渣水利用雙工質發電的經濟性估算。以2000m3的高爐為例，各項基本參數均按常規考慮，采用雙工質發電技術將其沖渣水的余熱回收發電，其經濟性估算如表1。

表1 采用雙工質發電技術回收沖渣水余熱經濟性效益

從經濟性估算來看，該方案的投資回收期為3.8年，可以將沖渣水的溫度降低20℃左右，余熱的綜合利用效率只有3%，但是通過這種方法可以獲得更高品位的電能，具有進一步研究的前景。

（3）沖渣水利用雙工質發電技術的發展。目前在其他行業（如水泥行業余熱回收、地熱發電項目）中，已經有雙工質發電技術的成熟應用，系統工作溫度都在100℃以上。而高爐沖渣水屬于較低溫的余熱源，其利用溫度只有70℃-80℃，因此該項技術仍在研究階段。今后發展方向主要在：①尋找適合沖渣水溫度的工作介質：在該工作溫度區間內要求具有較大的焓降；不燃、不爆、環保、無毒、廉價、來源豐富、進排氣壓力適中；②改善現有技術，使之適合用于沖渣水的特殊條件。如沖渣水特殊的化學性質，以及含有大量的懸浮雜質等。在這些條件下如何提高沖渣水余熱的綜合利用效率。

3.利用溫差發電技術回收沖渣水余熱

采用雙循環工質進行發電，其發電效率在3%左右，且系統復雜，可以考慮采用溫差發電技術。目前最普通、最便宜的溫差發電模塊，其發電效率可達到4%左右，而且溫差發電模塊的發電效率隨著納米技術的應用以及使用溫度的提高在逐步增加。

（1）溫差發電原理：熱電效應：將兩個不同的導體A、B兩端連接，組成一個閉合回路，當兩個接頭端溫度不同時，回路中將產生電流。這種效應被稱為塞貝克效應。兩端的電壓一般只與兩接點的溫度有關。

溫差發電利用的是塞貝克效應。最簡單的半導體溫差發電器由P型和N型半導體組件以及負載電阻R構成，工作在高溫熱源TH和低溫熱源TC之間。發電器從高溫熱源通過換熱器吸收熱量，向低溫熱源通過換熱器釋放熱量。

溫差發電早在1962年的美國就已用在人造衛星上。但是由于材料的特殊性，其發展速度很慢。今年隨著材料的性能提高，逐步開始利用與低溫余熱回收領域。溫差發電直接將熱能轉化為電能，不需要機械運動部件，也不發生化學反應，體積小重量輕，不泄漏，無環境污染，壽命長，具有不可比擬的優點。

（2）溫差發電的系統組成：高溫熱源、高溫端熱交換器、溫差發電模塊、低溫端熱交換器、低溫熱源。此外，輸出的直流電壓一般還需要一個逆變器轉換成交流電壓，供用戶使用。應用在高爐沖渣水系統原理如圖1。

（3）沖渣水溫差發電性能及經濟評估。目前用于低溫余熱回收的溫差發電效率約為4%-5%。下面以85℃的沖渣水為例，進行溫差發電的經濟效益的估算。見表2。

表2 沖渣水溫差發電經濟評估

從表2可見，從經濟性角度看，沖渣水直接溫差發電的投資回收期目前大約需要6-7年。從技術角度來看，由于溫差發電效率只在4%-5%，比雙工質發電效率要高一點，但是仍有約96%的熱量散發到環境中去，余熱利用率還是不高。

溫差發電的余熱利用效率和經濟性效益，主要是受熱點材料的性能制約。隨著技術的發展，如果能將熱電材料的性能提高，且將材料的價格大幅度降低，則可以將沖渣水低溫發電的投資回收期降低到3年以下，那就具有很強的吸引力了。

4.總結與展望

國內高爐沖渣水余熱利用的現狀和沖渣水余熱回收的雙工質發電和溫差發電技術利用這兩項新技術，都可以將低品位的沖渣水熱能，轉化成電能，也有經濟效益。由于受到目前技術條件的制約，這兩種技術的利用效率和經濟性還較低。但隨著科技的不斷發展和節能技術的不斷研究，應該可以解決現有技術存在的問題，提高余熱利用效率和經濟性能，達到節能減排和降低鋼鐵企業成本的目的。

[1]李德英, 郝斌, 高雪飛, 任守紅.鞍山市余熱供暖技術改造方案及運行管理.全國暖通空調制冷2004年學術年會資料摘要集(2).2004-08-01.

[2]王軍根.高爐沖渣水的余熱利用[J].工業用水與廢水, 2008, 39(2), 56-57.

[3]臧傳寶.高爐沖渣水余熱采暖的應用[J].山東冶金,2001, 25(1), 22～23.

[4]耿景春, 李汛, 朱強.高爐沖渣水發電項目可行性研究[J].節能技術, 2005, 23(3), 228-231.

[5]張紅.低沸點工質的有機朗肯循環純低溫余熱發電技術[J].水泥,2006，8.

[6]鄭宗和, 葛昕, 高金水, 牛寶聯, 楊玉忠.利用低溫余熱的低沸點介質發電系統[J].煤氣與熱力, 2006, 26(4),74-76.