高爐沖渣水余熱供暖腐蝕結(jié)垢原因分析及應(yīng)用實(shí)踐

孟凡雙 ，王東山 ，李建軍 ，曾宇 ，李曉春 ，佟敏英

（1.鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠，遼寧 鞍山 114021；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

從鋼鐵生產(chǎn)流程特點(diǎn)來(lái)看，高爐煉鐵是目前鋼鐵生產(chǎn)中能耗最多的工序，占總能耗的70%～80%。高爐生產(chǎn) 1 t生鐵約產(chǎn)生 0.3～0.6 t高爐渣，溫度高達(dá) 1 450～1 500 ℃，每噸高爐渣約含有（1.26～1.88）×10kJ的顯熱，相當(dāng)于 0.04～0.06 t標(biāo)煤。高爐渣經(jīng)砂口渣鐵分離后，受水的沖擊淬化成水渣。水渣經(jīng)沖渣池分離，所得沖渣水溫度為70～90 ℃，采用冷卻塔冷卻后可重復(fù)使用，但會(huì)造成大量的熱量浪費(fèi)。自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)對(duì)沖渣水供暖進(jìn)行了不斷的嘗試和研究，但均面臨工藝系統(tǒng)復(fù)雜，易堵塞、腐蝕管道設(shè)備，取熱量小等問(wèn)題。

本文通過(guò)對(duì)鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠 （以下簡(jiǎn)稱(chēng)“煉鐵總廠”）高爐沖渣水水質(zhì)及垢樣成分進(jìn)行分析，討論了高爐沖渣水供暖過(guò)程中管道腐蝕和結(jié)垢的成因，并在工程中采用沖渣水流道寬度大于供暖水流道寬度，傳熱板為光板的水水換熱器進(jìn)行供暖，有效防止了管道設(shè)備的堵塞、結(jié)垢和腐蝕，取得了良好效果。

1 腐蝕原因分析

1.1 Cl-腐蝕

為了分析沖渣水腐蝕管道的原因，對(duì)煉鐵總廠高爐沖渣水成分進(jìn)行了檢測(cè)分析，沖渣水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 沖渣水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)Table 1 Data of Water Quality Analysis for Slag Flushing Water in BF

由表1可以看出，高爐沖渣水成分復(fù)雜，含有多種陰陽(yáng)離子，其中Cl的離子半徑很小，穿透力強(qiáng)，可破壞Q235表面腐蝕生成的鈍化膜，使金屬表面由鈍化狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨癄顟B(tài)，從而促進(jìn)腐蝕。因此，認(rèn)為Cl是造成金屬換熱器腐蝕的主要因素。

1.2 電化學(xué)腐蝕

從腐蝕影響因素來(lái)看，鋼鐵在堿性介質(zhì)中被腐蝕是氧化還原過(guò)程，管道會(huì)與沖渣水中的溶解氧和二氧化碳發(fā)生如下電化學(xué)反應(yīng)：

反應(yīng)生成的Fe（OH）會(huì)附于金屬表面，成為緊密的保護(hù)膜，但由于Fe（OH）不穩(wěn)定，會(huì)與水中溶解氧反應(yīng)生成Fe（OH）及FeO沉淀物，此時(shí)保護(hù)膜被剝離，鐵被繼續(xù)腐蝕。

同時(shí)，F(xiàn)e（OH）還會(huì)與水中的CO反應(yīng)生成重碳酸鐵，生成物繼續(xù)與水中的氧反應(yīng)，形成Fe（OH）沉淀物，直至水中氧消耗完畢。具體反應(yīng)如下：

其中，發(fā)生在垢下的局部腐蝕應(yīng)引起足夠重視。沖渣水管道內(nèi)逐漸形成的碳酸鈣等垢樣會(huì)沉積在金屬表面，隨著時(shí)間推移，垢樣變得致密，且垢樣與金屬壁之間存在一定的縫隙，沖渣水進(jìn)入垢樣與金屬壁之間的縫隙內(nèi)，會(huì)形成閉塞環(huán)境，由于沖渣水中含有大量Cl，很快就會(huì)在垢下形成局部腐蝕。劉玉堂的研究也指出，在換熱器的多孔水垢沉積物下，容易形成氧濃差電池，導(dǎo)致金屬局部腐蝕。在非供暖期，若供熱管網(wǎng)中存水未放凈或未做好養(yǎng)護(hù)，管內(nèi)表面潮濕，大氣中氧及二氧化碳大量溶解，將會(huì)加劇腐蝕。

2 結(jié)垢成因分析

2.1 CaCO3晶體析出

污垢是附著在換熱器表面的固體沉積物，廣泛存在于工業(yè)生產(chǎn)的多種過(guò)程之中，嚴(yán)重妨礙換熱設(shè)備的正常運(yùn)行，使傳熱效率降低、流動(dòng)阻力增大，造成巨大的能源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)煉鐵總廠高爐水渣和管道中垢樣成分進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 高爐水渣和管道中垢樣成分檢測(cè)結(jié)果Tabel 2 Test Results for Compositions in Samples of Scales from BF Slag and Pipelines %

由表2可以看出，垢樣中碳含量大幅增加，達(dá)到高爐水渣中碳含量的25.6倍，筆者認(rèn)為，此種情況與CaO反應(yīng)生成CaCO有關(guān)。資料顯示，當(dāng)沖渣水中CO和Ca濃度積達(dá)到一定的過(guò)飽和度時(shí)，將出現(xiàn)CaCO結(jié)晶粒，沉積在管壁上，形成碳酸鈣垢。由此，在沖渣水循環(huán)過(guò)程中，高pH值的渣水與空氣接觸，空氣中的CO被渣水吸收部分轉(zhuǎn)化成CO，從而導(dǎo)致渣水中CO濃度增大，CaCO結(jié)晶。

2.2 高爐渣高水硬性

高爐渣自身具有較高的水硬性，其主要原因是高爐渣自身的玻璃體在水化過(guò)程中形成了C-S-H凝膠，同時(shí)吸收空氣中的CO形成CaCO晶體析出。如果沖渣水中的高爐渣微細(xì)顆粒在設(shè)備中發(fā)生淤積，高爐渣中含有的具有水硬活性的成分將與水發(fā)生水化反應(yīng)，形成結(jié)垢。由于污垢的導(dǎo)熱性差，其熱導(dǎo)率一般只有換熱面主要用材碳鋼的1/30～1/50，對(duì)于換熱設(shè)備來(lái)說(shuō)，平均每 1 mm 水垢要多消耗7%～9%的能源，換熱效率降低10%～20%。因此，防止水垢的產(chǎn)生對(duì)換熱取熱、充分利用能源和防止設(shè)備管道腐蝕都具有重要意義。

3 應(yīng)用實(shí)踐

3.1 供暖工藝流程

結(jié)合高爐沖渣余熱全部回收的要求和兩套出渣系統(tǒng)周期性交替出渣的情況，在每座高爐兩臺(tái)冷卻塔之間設(shè)立換熱站，采用板式換熱器，實(shí)現(xiàn)沖渣水與供暖水換熱供暖。高爐沖渣水余熱供暖工藝流程圖如圖1。將粒化回水設(shè)置為沖渣換熱器的取水泵，在粒化回水泵去冷卻塔管路上取水，經(jīng)過(guò)沖渣水換熱器后回到此管路上。根據(jù)測(cè)量溫度，切換較高溫度的沖渣水進(jìn)入換熱器換熱，來(lái)自外部的供暖水經(jīng)過(guò)回水除污器、流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)入沖渣水換熱器站，換熱后經(jīng)過(guò)流量調(diào)節(jié)閥、循環(huán)泵、除污器送往采暖用戶。

圖1 高爐沖渣水余熱供暖工藝流程圖Fig.1 Process Flow Diagram for Heating Facilities by Waste Heat from BF Slag Flushing Water

3.2 供暖設(shè)備

不銹鋼對(duì)Cl的耐受情況見(jiàn)表3。

表3 不銹鋼對(duì)Cl-的耐受情況Table 3 Cl-Corrosion Resistance of Stainless Steel

由表3可以看出，當(dāng)Cl濃度超過(guò)300 mg/L，水溫度大于60℃時(shí)，設(shè)備應(yīng)采用鈦合金材質(zhì)。

為了防止管道結(jié)垢、堵塞，減輕腐蝕，高爐沖渣水余熱供暖工程中采用鈦合金作為水水換熱器的材質(zhì)，為減少?zèng)_渣水垢附著性，傳熱板為光板，沖渣水流道一側(cè)無(wú)觸點(diǎn)；為避免沖渣水中高爐渣微細(xì)纖維或顆粒在濾網(wǎng)處淤積、結(jié)垢，增加系統(tǒng)工作壓力，沖渣水進(jìn)入換熱器前不設(shè)置過(guò)濾裝置，沖渣水流道寬度大于供暖水流道寬度。

3.3 運(yùn)行效果

在煉鐵總廠兩座高爐沖渣工藝中采用上述供暖換熱系統(tǒng)，運(yùn)行一個(gè)供暖季，運(yùn)行效果良好，能夠滿足供暖需求，未發(fā)現(xiàn)換熱設(shè)備有結(jié)垢堵塞現(xiàn)象。整個(gè)供暖季的供暖日換熱量和供暖日平均氣溫變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2。由圖2可以看出，整個(gè)供暖季換熱量變化趨勢(shì)和供暖季室外溫度變化趨勢(shì)相似，沒(méi)有出現(xiàn)換熱量因管道設(shè)備結(jié)垢、堵塞而明顯降低的現(xiàn)象，可見(jiàn)換熱量?jī)H受室外溫度影響，說(shuō)明該系統(tǒng)能夠有效阻止結(jié)垢的形成和堵塞的發(fā)生。

圖2 供暖日換熱量和日平均氣溫變化趨勢(shì)Fig.2 Daily Heat Exchange Capacity and Variation Tendency of Daily Average Temperature

3.4 回收熱量

鞍山地區(qū)冬季采暖季節(jié)從11月份開(kāi)始到次年3月份結(jié)束，共計(jì)5個(gè)月采暖期，高爐采暖期的余熱回收量見(jiàn)表4。鞍鋼8座高爐沖渣水全部實(shí)現(xiàn)為市民供暖，供暖季回收熱量總計(jì)1 369 335 GJ，按30元/GJ計(jì)算，實(shí)現(xiàn)供暖收益約4 108萬(wàn)元，噸鐵成本降低2.35元；同時(shí)，鞍山市內(nèi)取消燃煤鍋爐采暖，可減少煤炭消耗4.6萬(wàn)t，減少二氧化碳排放12.08萬(wàn)t，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。

表4 沖渣水余熱回收量Table 4 Quantity of Recycled Waste Heat from Slag Flushing Water GJ

4 結(jié)論

（1）分析了鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠高爐沖渣水水質(zhì)及垢樣成分，得出高爐沖渣水供暖過(guò)程中管道設(shè)備腐蝕的原因有CI腐蝕和電化學(xué)腐蝕，尤其垢下腐蝕更應(yīng)引起重視;管道垢樣中碳含量大幅增加，達(dá)到高爐水渣中碳含量的25.6倍，結(jié)垢原因主要是CaCO晶體析出和高爐渣自身較高的水硬性。

（2）在高爐沖渣水余熱供暖工程中采用鈦合金材質(zhì)，光板傳熱片，無(wú)觸點(diǎn)寬流道換熱器，無(wú)過(guò)濾器的換熱系統(tǒng)，能有效避免腐蝕和結(jié)垢的發(fā)生，運(yùn)行效果良好，能夠滿足供暖需求。

（3）利用高爐沖渣水為鞍山市民供暖，一個(gè)供暖季收益4 108萬(wàn)元，噸鐵成本降低2.35元，減少供暖煤炭消耗4.6萬(wàn)t，減少二氧化碳排放12.0 8萬(wàn)t，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。