高爐沖渣水余熱資源回收研究

周宇龍 羅曉敏

(1：河鋼集團唐鋼公司 河北唐山063000；2：河鋼集團邯鋼公司 河北邯鄲056015)

1 前言

近年來，我國采暖季環(huán)保問題和居民供熱問題屢有矛盾。目前城市集中供熱能源結(jié)構(gòu)不合理、熱源與用能需求之間的能量品位不匹配和部分熱源供熱效率低，污染環(huán)境、浪費能源是亟待解決的主要問題。座落在主城區(qū)的長流程鋼鐵企業(yè)河鋼唐鋼的高爐沖渣工藝，是利用熱水泵將高溫度沖渣水送至冷卻塔散熱降溫，降溫后的渣水進入冷卻塔下的晾水池，再通過晾水池內(nèi)配置的沖渣泵提水沖渣，沖渣后的熱水再度流回到渣池內(nèi)。因此如果將上塔水全部送入換熱設(shè)備，并根據(jù)渣水上下冷卻塔的溫差，確定換熱設(shè)備對渣水的取熱溫差，即可保證換熱系統(tǒng)及沖渣工藝連續(xù)穩(wěn)定運行。簡言之，在采暖季期間用換熱設(shè)備取代冷卻塔的功能，將原本在冷卻塔上散失的熱量提取出來加熱采暖水，那么就可以實現(xiàn)利用鋼鐵企業(yè)高爐沖渣水中低品位余熱能來為城市熱網(wǎng)集中供熱的應(yīng)用。

2 可開發(fā)余熱資源分析

高爐沖渣工藝在鋼鐵企業(yè)中應(yīng)用較為普遍并且成熟，作為研究對象，以河鋼集團唐鋼公司南區(qū)4#高爐作為應(yīng)用實例來進行技術(shù)研究。高爐沖渣系統(tǒng)基本情況如下：

3200m3高爐綜合利用系數(shù)約為2.4，渣鐵比為0.35，對應(yīng)2個渣池，每個渣池間隔2h沖渣一次，每次沖渣時間為1.5h，高爐沖渣水是冷卻塔冷卻；高爐的沖渣水溫度夏季為90℃，冬季為85℃； 采用明特法沖渣工藝。

(1)高爐火渣熱量計算

表1 高爐渣余熱回收計算表

表1中爐渣熱量是根據(jù)日產(chǎn)高爐渣量和爐渣顯熱系數(shù)，以及千焦/兆瓦折算系數(shù)計算所得。

(2)可利用余熱的計算

沖渣水可回收利用的熱量即冷卻塔散去的熱量。根據(jù)對沖渣水上下塔溫度的實際測量，其結(jié)果如表2。

表2 沖渣水上下塔溫度測量表

上冷卻塔的實際熱水流量約為2600m3/h，無論是否沖渣，均按此流量上冷卻塔散熱。為了便于計算，分別截取高、中、低三個比較有代表性的溫度點進行可回收的熱量計算：

Q高=2600m3/h×1.163×15.5=46.87MW

Q中=2600m3/h×1.163×7.7=23.28MW

Q低=2600m3/h×1.163×1.5=4.54MW

西場渣池所對應(yīng)的情況與東場渣池一樣，不重復(fù)計算。

因此沖渣水余熱隨著沖渣水溫度的變化而變化，當(dāng)沖渣水溫度越高，能夠回收利用的熱量越高，反之，當(dāng)沖渣水溫度越低，能夠回收利用的熱量越低。結(jié)合采暖水的供回水溫度要求，可提取的最大余熱量為Q高+Q低=51.41MW；考慮到測量誤差以及冬季運行過程中池水表面散熱量加大等諸多變化因素，預(yù)計余熱開發(fā)量為45MW。

3 系統(tǒng)配置方案

因為本高爐分東西兩個渣池交替出渣，為了盡可能降低對沖渣工藝造成不利影響，又保證最大限度的提取渣水余熱，綜合考慮項目投資與長期受益，本項目選擇在東西渣池附近分別建設(shè)換熱站，每座換熱站內(nèi)配置4臺額定制熱量為8MW的直熱機組，共計匹配8臺，合計額定換熱能力達到64MW。單座換熱站的最大換熱能力可達46.8MW；最小換熱能力為4.5MW見圖1。

4 設(shè)備選型

由于工業(yè)廢水的特殊性，在沖渣過程中，水中大量的Na2O、K2O等堿金屬被引入，堿金屬與二氧化硅反應(yīng)，結(jié)晶生成硅酸鈉、鋁硅酸鈉、硅酸鉀等。隨著熱的飽和溶液降溫后，溶質(zhì)以晶體的形式析出，在連續(xù)的生產(chǎn)過程中，掛附在設(shè)備上。以及極易生成MgCO3、CaCO3沉淀，這些沉積物易于沉積在設(shè)備表面與晶體形成大量的污垢，對金屬壁面造成垢下腐蝕。如果要利用沖渣水中的余熱，就需要有能夠防腐、防堵塞和結(jié)垢功能的換熱設(shè)備，經(jīng)過對目前市場上常用的水-水換熱設(shè)備的選擇比較，選擇具有真空相變換熱技術(shù)的直熱機設(shè)備。直熱機設(shè)備為了避免廢水與換熱面直接接觸，采取“真空相變技術(shù)”使廢水閃蒸、汽化，是一種以清潔的水蒸氣攜帶大量廢水熱能與清水進行換熱，清潔、高效提取高溫工業(yè)廢水熱能的方法。

5 系統(tǒng)供熱能力分析

3200m3高爐的火渣中的總熱量為60.36MW，東西兩座渣池各對應(yīng)換熱站內(nèi)的獨立裝置，分別配置4臺額定制熱量8MW的直熱機。兩套裝置同時運行，制取的采暖水匯到同一根主管網(wǎng)混合后送出。由于兩座渣池渣水溫度高低交替出現(xiàn)，置換出的采暖水溫度也相應(yīng)高低交替，混合后基本可以達到穩(wěn)定在65℃以上連續(xù)供出。

圖1 余熱回收利用示意圖

圖2 單個沖渣池?zé)嵩凑鞠到y(tǒng)供水與此側(cè)沖渣水溫度的變化關(guān)系

當(dāng)一側(cè)渣池的渣水溫度最高時，另一側(cè)的渣池的渣水溫度是最低的，兩個熱源站的采暖系統(tǒng)水出水溫度不同，但由于二者采暖系統(tǒng)水等量合并輸送，混合后的采暖系統(tǒng)水溫度可以保證65℃。

由圖3中可以看出，當(dāng)一側(cè)熱源站的采暖系統(tǒng)水溫度較高時，此時另一側(cè)熱源站的系統(tǒng)水溫度較低，兩種采暖系統(tǒng)水溫度隨各自的沖渣水溫度變化而變化，而且按照兩個沖渣池沖渣水溫度的彼此交替，周期性變化而變化，由圖中可知，當(dāng)兩種系統(tǒng)水等量混合后，系統(tǒng)水溫度65±2℃，完全符合要求。

圖3 兩個熱源站的采暖系統(tǒng)水出水溫度變化圖

圖4 單臺直熱機的制熱量與沖渣水溫度的變化關(guān)系圖

由圖4可以看出，直熱機的制熱量是隨著進設(shè)備的沖渣水溫度的變化而變化的，而東場渣池和西場渣池的沖渣水溫度存在相反的關(guān)系，一側(cè)高，另一側(cè)低。當(dāng)東場的熱源站設(shè)備處于中溫工況運行時，此時西場的熱源站設(shè)備也處于中溫工況下運行，當(dāng)兩個熱源站的直熱機都運行在中溫下的額定工況時，制熱量最大為56MW；當(dāng)一側(cè)的熱源站直熱機達到最佳性能時，另一側(cè)的直熱機的性能則衰減到最差，這是兩側(cè)熱源站提取余熱量最差的時間段，此時兩者相加的制熱量為52MW。

6 結(jié)語

對鋼鐵企業(yè)高爐沖渣水余熱資源的回收進行了較全面的研究，對余熱資源計算、供熱能力分析及設(shè)備選型等方面都給出了詳細的說明。由實際效果來看，河鋼唐鋼高爐沖渣水余熱資源回收項目運行平穩(wěn)，在采暖季累計向唐山市熱力公司供熱56.2萬Gj，直接創(chuàng)造經(jīng)濟效益400余萬元，為唐山市采暖季居民供熱節(jié)約標(biāo)煤約19180t，減少排放二氧化碳50250t，氮氧化物142t，二氧化硫163t。