真空相變換熱技術(shù)在凌鋼高爐沖渣水余熱回收中的應(yīng)用

張艷珍

(凌源鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 凌源 122500)

0 引言

隨著鋼鐵行業(yè)利潤(rùn)空間逐漸收窄，鋼鐵企業(yè)不斷挖掘內(nèi)部余熱余能，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。高爐沖渣水作為一種低溫?zé)嵩矗瑴囟纫话阍?5～85℃，具有流量大，熱量多的特點(diǎn)，近幾年，在鋼鐵行業(yè)得到廣泛回收利用，成為鋼鐵行業(yè)節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本的一項(xiàng)主要措施[4-5]。

目前，高爐沖渣水余熱的回收利用主要是：利用沖渣水采暖或加熱洗浴用水；沖渣水余熱發(fā)電；用于海水淡化等[6-8]。高爐沖渣水進(jìn)行采暖主要采用間接換熱利用技術(shù)，包括三種利用方式，一種是高爐沖渣水經(jīng)過高效過濾器過濾后，進(jìn)入傳統(tǒng)的板式換熱器進(jìn)行換熱，換熱后的二次水供系統(tǒng)采暖；第二種是余熱回收系統(tǒng)無過濾器，高爐沖渣水直接進(jìn)入寬流道板式換熱器進(jìn)行換熱；另外一種是真空相變換熱技術(shù)，高爐沖渣水先進(jìn)入蒸發(fā)器負(fù)壓閃蒸為潔凈蒸汽，再進(jìn)入板式換熱器進(jìn)行換熱[9-11]。本文主要介紹真空相變換熱技術(shù)在凌鋼高爐沖渣水余熱回收上的應(yīng)用,為同行業(yè)起到一定的借鑒作用。

1 目前高爐沖渣水余熱回收利用存在的問題

高爐渣是高爐冶煉中爐溫達(dá)到1 400～1 600 ℃時(shí)，爐料熔融，礦石中的脈石、焦炭中的灰分、助溶劑和其他不能進(jìn)入生鐵中的雜質(zhì)形成以硅酸鹽和鋁酸鹽為主浮在鐵水上面的熔渣。高爐渣主要成分為CaO、SiO2、Al2O3、氯離子、硫酸根離子及渣棉等，在沖渣過程中遇水形成硅酸鹽、碳酸鹽等難溶于水的物質(zhì)。在沖渣水余熱回收過程中，這些難溶于水的鹽類，會(huì)以沉積物的形式與渣棉類物質(zhì)沉積在設(shè)備表面形成非常堅(jiān)硬的污垢，并與渣水中的氯離子、硫酸根離子一起造成金屬壁面垢下腐蝕，使渣水換熱設(shè)備堵塞和腐蝕，造成換熱效率降低，清理頻次高，嚴(yán)重的一周一清理，清理難度大，既減少熱量回收，又給工人帶來較大的工作強(qiáng)度。因此在高爐沖渣水余熱回收利用時(shí)，選擇既能高效回收余熱又能減少堵塞回收利用技術(shù)非常關(guān)鍵。

凌鋼應(yīng)用了某公司研發(fā)的直熱機(jī)，在兩座450 m3高爐和兩座1 000 m3高爐分別建設(shè)一套渣水余熱回收利用系統(tǒng)。

2 真空相變技術(shù)-直熱機(jī)工作原理

真空相變技術(shù)是利用水的沸點(diǎn)會(huì)隨著環(huán)境壓力的降低而降低的特性，使50 ℃以上的工業(yè)廢水發(fā)生閃蒸汽化，產(chǎn)生負(fù)壓蒸汽攜帶汽化潛熱輸送至冷凝器內(nèi)向低溫介質(zhì)進(jìn)行冷凝放熱，實(shí)現(xiàn)廢水余熱的回收。直熱機(jī)是某公司利用真空相變換熱技術(shù)研發(fā)的新產(chǎn)品，直熱機(jī)設(shè)有多級(jí)閃蒸層，沖渣水從直熱機(jī)上端噴入，在不同的閃蒸層進(jìn)行閃蒸汽化形成水蒸氣，水蒸氣通過負(fù)壓抽出后在換熱器內(nèi)與采暖水進(jìn)行換熱。工藝流程如圖1。

圖1 工藝流程圖

3 真空相變技術(shù)解決的問題

沖渣水無需進(jìn)行過濾及二次加熱，熱能的提取和釋放分別在不同設(shè)施內(nèi)進(jìn)行，避免沖渣水與換熱面直接接觸，避免了廢水中不溶性鹽類在換熱設(shè)施上的沉淀，解決了結(jié)垢堵塞、腐蝕、清理難度大、效率降低的問題。

4 直熱機(jī)在凌鋼的應(yīng)用情況

凌鋼1、2號(hào)高爐爐容為450 m3，兩座高爐共用一個(gè)沖渣池，渣池長(zhǎng)50 m，寬8 m，深2 m；1號(hào)高爐采用普通的水沖渣方式，渣和水混合在一起進(jìn)入渣池，水渣通過天車抓出后進(jìn)入水渣置場(chǎng)；2號(hào)高爐采用嘉恒法沖渣方式，水渣通過脫水后經(jīng)過運(yùn)輸皮帶運(yùn)至水渣置場(chǎng)，1號(hào)高爐沖渣水循環(huán)量400 m3/h，2號(hào)高爐沖渣水循環(huán)量500 m3/h，兩座高爐沖渣水溫度在55～80 ℃；沖渣水通過自然冷卻后，循環(huán)進(jìn)行沖渣。2015年對(duì)1、2號(hào)高爐沖渣水應(yīng)用了真空相變技術(shù)-直熱機(jī)，合建了一套余熱回收利用設(shè)施。1、2號(hào)高爐渣參數(shù)如下表1。

表1 1、2號(hào)高爐渣參數(shù)

建設(shè)兩臺(tái)5級(jí)5 MW型號(hào)為JTZH-5.0-500-0.1/0.1-01直熱機(jī)及配套設(shè)施。工藝簡(jiǎn)圖如圖2和主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

圖2 工藝簡(jiǎn)圖

表2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

3、4號(hào)高爐爐容為1 000 m3，單獨(dú)建有沖渣池，其中3號(hào)爐渣池長(zhǎng)41 m，寬7 m，深6.5 m，4號(hào)渣池長(zhǎng)38 m，寬8.5 m，深6.5 m。沖渣方式是嘉恒法，水中含渣量較高，渣水非常渾濁，渣水溫度在60～80 ℃；2014年采用一種殼管換熱方式，進(jìn)行渣水余熱回收，2016年對(duì)其進(jìn)行改造，應(yīng)用某公司生產(chǎn)的直熱機(jī)。改造設(shè)計(jì)高爐渣參數(shù)如表3。

表3 3、4號(hào)高爐渣參數(shù)

建設(shè)兩臺(tái)3級(jí)10 MW直熱機(jī)及配套設(shè)施。工藝簡(jiǎn)圖如圖3和主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所示。

圖3 工藝簡(jiǎn)圖

表4 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

5 運(yùn)行效果

5.1 3、4號(hào)高爐沖渣水余熱回收改造前情況

3、4號(hào)高爐于2014年合建一套渣水余熱回收裝置，采用殼管換熱方式，主要供東家屬區(qū)采暖，東家屬區(qū)采暖面積30萬m2，采用老式散熱片，需要熱負(fù)荷45～50 W左右。隨著運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，換熱器堵塞嚴(yán)重，堵塞物堅(jiān)硬，腐蝕嚴(yán)重，換熱效率大幅度降低，回收熱量逐年減少，需大量補(bǔ)充蒸汽，才能達(dá)到熱負(fù)荷要求；且換熱器清理頻繁，每10天左右一次，一次需要2～3天，清理難度大，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。尤其是2015～2016年度采暖期，余熱回收量明顯降低，具體回收情況見表5。

表5 余熱回收量

5.2 3、4號(hào)高爐沖渣水余熱回收改造后情況

2016年應(yīng)用直熱機(jī)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改造，改造后熱量回收情況：在渣水溫度達(dá)到70 ℃以上時(shí)，回收熱量在19～20 MW，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。由于高爐沖渣的間歇性，渣水溫度在60～80 ℃，平均回收熱量在14～15 MW，采暖水供水溫度55～58 ℃。回收的熱量完全滿足30萬m2住宅面積采暖，不需要其它熱源補(bǔ)熱。

改造后，一個(gè)采暖季期間進(jìn)行一次清理，清理時(shí)間約0.5～1天。

5.3 1、2號(hào)高爐沖渣水余熱回收運(yùn)行情況

1、2號(hào)高爐應(yīng)用真空相變技術(shù)—直熱機(jī)后，在渣水溫度達(dá)到70 ℃以上時(shí)，回收熱量在9～10 MW；由于高爐沖渣的間歇性，渣水溫度在55～80 ℃波動(dòng)，平均回收熱量在6～7 MW，采暖水供水溫度55～58 ℃。回收的熱量用于廠區(qū)采暖。

5.4 節(jié)能減排效益

四座高爐沖渣水余熱回收年21.8萬GJ,可替代燃煤鍋爐供暖，可節(jié)約動(dòng)力煤1.75萬t，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤7 106 t，減少CO2排放18 478 t。

6 結(jié)論

(1)直熱機(jī)閃蒸層的大孔洞設(shè)計(jì)，使含渣廢水中的大塊渣、渣棉等在隔板層不易積存結(jié)垢，避免堵塞和腐蝕問題，大大延長(zhǎng)了檢修周期，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

(2)此技術(shù)可適用高爐各種沖渣方式的余熱水熱量回收，對(duì)沖渣水濁度、鈣鎂離子含量等無要求，適用性廣。

(3)換熱效率高、檢修周期長(zhǎng)，回收熱量多，可替代燃煤供暖，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

(4)可為同行業(yè)在進(jìn)行沖渣水余熱回收技術(shù)選擇時(shí)起到一定的借鑒作用。