高爐INBA廢水節能技術的現狀及趨勢

周泳++李麗坤++黃建陽++張壘++王麗娜++付本全

摘 要：目前，我國鋼鐵企業經營利潤率已降到2.5%左右，出現一批企業虧損，迫使鋼鐵企業要在節能降耗上下功夫。縱觀整個鋼鐵生產工藝流程，煉鐵系統能耗及生產成本分別占全流程的70%和73%，污染物排放占75%以上，所以煉鐵系統要承擔鋼鐵聯合企業節能減排、降低成本、實現生產過程環境友好的重任。為此，干熄焦技術（CDQ）、高爐爐頂煤氣發電技術（TRT）、高爐爐渣顯熱回收技術、高爐低熱值煤氣燃燒技術、高爐煤氣脫除CO2循環利用技術等先進的節能技術應運而生。通過應用各類節能技術，國內鋼鐵企業對高爐區域的高品位余熱資源的回收，已取得了一批可喜的成績。即便如此，對水質波動較大、余熱資源品位低的高爐沖渣水余熱的回收還需要做大量創新性的摸索，尤其是應用這部分余熱發電的技術，近年來已成為全行業急需解決的難題。本文將綜合分析高爐INBA廢水節能技術的現狀，結合國內多家鋼鐵企業已有之經驗，探討高爐沖渣水余熱回收技術的發展趨勢，以期為鋼鐵企業在開展該項工作時提供重要參考。

關鍵詞：高爐渣 水淬處理 節能

中圖分類號：X756 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（a）-0063-02

高爐渣是高爐煉鐵的副產品，其主要成分為氧化鈣、氧化鎂、三氧化二鋁、二氧化硅，約占爐渣總量的95%，排出溫度在1450 ℃ ～1650 ℃之間。現代高爐煉鐵生產中，爐渣的處理主要采用水力沖渣方式進行，僅在事故應急處理時才采用干渣處理方法[1]。隨著高爐工藝的不斷發展和完善，應用水淬的形式處理高爐爐渣又可主要分為因巴法（INBA）、圖拉法（TYNA）、拉薩法（RASA）、底濾法（COCP）、明特克法（MTC）等五種方法[2-5]。總體而言，采用以上這些方法通常都會導致大量的熱量散失，并排放大量含塵蒸汽以及二氧化硫、硫化氫等危險有毒氣體，可謂既浪費能源，又污染環境，因而如何實現高爐沖渣水的余熱回收利用，已成為鋼鐵行業實施節能減排的主要課題。

我國北方地區的鋼鐵聯合企業，結合該區域冬季有近4個月的采暖時間，已嘗試采用高爐沖渣水的余熱在冬季為廠區及周邊職工生活區域供暖[3]，如鞍鋼、首鋼、邯鋼、濟鋼、唐鋼等，以此種方式，每年冬季這些鋼鐵聯合企業可以節省大量采暖成本，同時也有效降低了煤和天然氣的使用，減少了溫室氣體的排放。

寶鋼通過不斷跟蹤節能技術發展及應用效果，積極推進成熟技術快速應用，適當提高研究難度，不斷提高區域低品位余熱資源梯級利用，目前正從高爐沖渣水供應熱水、低溫發電和余熱制冷三個方面，逐步實現高爐區域低品位余熱資源熱電冷三聯供方案[6]。

武鋼作為中國中部特大型鋼鐵聯合企業，為響應我國“中部崛起”的號召，針對武漢地區冬季采暖時間較短，高爐沖渣水水質波動大，高爐區域用地緊張等特點，正從技術的角度對如何科學使用這部分低品位的余熱，節能改造，進行更深入的探索[7]。

隨著技術的發展，僅通過簡單的換熱方式，將高爐沖渣水的熱量回收用于采暖的思路必將成為一項成熟、便捷的方法，而通過更為先進的工藝和設備如：熱泵、螺桿膨脹機等，將高爐沖渣水中低品位的熱量源源不斷地提取出來，轉換成高品位的電能，必將成為一種發展趨勢，推動我國節能環保技術向世界一流水平發展[5]。為此，本文將結合國內多家鋼鐵企業已有之經驗，探討高爐沖渣水余熱回收技術的現狀及發展趨勢，以期為鋼鐵企業在開展該項工作時提供重要參考。目前，國內外有關這方面的綜述和現場試驗數據的報告鮮見報道。

1 沖渣水余熱回收技術的現狀

通過綜合分析已公開報道的信息得知：在國內鋼鐵聯合企業中，高爐沖渣水余熱回收技術發展至今已經歷了以下幾個階段：浴池用水→冬季采暖→提高超濾進水溫度（簡稱超濾暖水）→供海水淡化。由于將高爐沖渣水用于浴池用水（例如：宣鋼[8]）和冬季采暖工藝（例如：鞍鋼、首鋼、邯鋼、濟鋼、唐鋼等[9-11]）已使用了近20多年，工藝非常成熟，因而本文介紹從略。

1.1 超濾暖水

唐鋼不銹鋼公司二期軟水站采用河道水作為原水，經過高密澄清池+V形濾池工藝處理后，一部分作為生產用水，另一部分作為制備軟水使用，該軟水制備采用超濾+反滲透制水工藝。由于超濾要求進水溫度為20 ℃，但唐山地區冬季平均氣溫在2℃左右，冬季河道水的溫度不能滿足超濾進水的需求，造成超濾系統制水能力大幅降低，只有設計能力的25%左右。為了滿足超濾系統的需求，同時考慮廠區能源的綜合利用，對高爐水沖渣余熱進行回收利用，以提高超濾進水溫度。高爐沖渣水余熱回收工藝流程見圖1。

唐鋼二期高爐水沖渣項目經過近1個月的運行，換熱效果明顯，高爐水沖渣水的溫度由60 ℃降低到30 ℃，超濾進水的溫度由2 ℃提高到25 ℃以上，完全能夠滿足超濾對水溫的要求，制水能力恢復到原來水平，比換熱前的制水能力提高了近3倍。高爐余熱利用運行僅增加了2臺二次循環水泵運行費用，約為鍋爐燃煤費用的6%，每年可節約l萬t標煤，節能減排經濟效益、環境效益明顯[12]。

1.2 供海水淡化

首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司（簡稱京唐鋼鐵公司）煉鐵廠建設2座5500 m3高爐，其中1號高爐自2009年5月21日正式投產以來，高爐沖渣系統每小時循環沖渣水2880 t。

京唐鋼鐵公司同期建設了目前全國最大的海水淡化工程，一期建設規模5萬t/d，其中一期一步產水規模2.5萬t/d，并且已經投入使用，該工程選用熱法工藝，帶熱壓縮的低溫多效（MED一TVC）工藝是基于入料海水的部分蒸發，蒸汽冷凝形成純凈的產品水，非揮發性的溶解物留存在濃鹽水中。根據目前的情況，可以將高爐沖渣水的余熱回收至海水淡化，用于制水工藝（見圖2）。

該項目經實際運行總結到的經濟數據知：高爐余熱回收蒸汽量可滿足海水淡化制水所需114 t/h蒸汽用量。海水淡化用電站抽汽制水時，電站抽汽成本100元/t。按高爐每年運行不少于7800 h計算，年余熱節約費用889.2萬元。endprint

熱能轉換系統投資概算如下：施工安裝費用預算1000萬元，熱水循環泵100萬元，換熱器300萬元，管道及支架100萬元，附屬設施100萬元。合計1600萬元。

海水淡化崗位定員4人，每年人工費用約需16萬元；每年維修費用初步預算10萬元，冷卻風機節省的電費與熱水循環泵耗電大約相抵，不計入效益；高爐沖渣水采用濁環水，為生產廢水，節約的補水也暫不計入效益。因此，高爐沖渣水用于海水淡化年效益為863.2萬元，2年即可收回成本[13]。

2 沖渣水余熱回收技術的發展

目前，國內大型高爐已有熱風爐余熱回收、TRT余壓發電、干熄焦等余熱回收措施，但占高爐能耗5.5%的爐渣顯熱還沒有回收利用。國際上不少研究機構已有意向將高爐余熱回收的研究重點放在改變渣處理工藝上，但就這部分余熱回收后直接用于發電目前尚未形成一套完整的工藝體系。因此，為了減少熱能排放對環境的污染，降低煉鐵工序能耗，發展高爐沖渣水余熱發電技術，已成為一項刻不容緩的任務[14]。

經過一段時間的比較分析，高爐沖渣水余熱發電有2種相對可行的途徑：一種是將90 ℃～95 ℃沖渣熱水直接閃蒸，閃蒸汽推動汽輪機發電。沖渣熱水由泵打入閃蒸罐，熱水通過噴淋裝置小部分產生閃蒸汽，大部分水熱量給閃蒸汽吸收降溫后返回原冷卻水系統。閃蒸汽由管道送到汽輪機作功發電，乏汽進冷凝器冷凝成水回到沖渣水系統，冷卻水由新增的冷卻水系統提供。如高爐沖渣水量：2600 t/h，溫度：90 ℃。可產生的閃蒸汽壓力：0.03 MPa，溫度：69 ℃，蒸汽量：100 t/h，可發電功率：4000 kW。該系統的工藝結構簡圖如圖3。

另一種是沖渣水加熱用可調沸點工質、使其產生蒸汽，工質蒸汽推動高效率汽輪機或螺桿膨脹機發電[15]，汽輪機出口工質乏汽進板式冷凝器冷凝成工質液體，液體進入儲液罐，由泵打到閃蒸換熱器加熱蒸發，重復上述過程。冷卻水由新增的冷卻水系統提供。如高爐沖渣水量：2600 t/h，溫度：90 ℃，可發電功率：3200 kW。該系統的工藝結構簡圖如圖4。

3 結語

高爐沖渣水余熱回收技術發展的階段為：浴池用水→冬季采暖→提高超濾進水溫度（簡稱超濾暖水）→供海水淡化→余熱發電。從能源的品質上分析，將低品位的余熱轉化為高品位的電能，高爐沖渣水余熱發電的經濟性非常明顯[16]。同時，沖渣水溫度越低，其爐渣制成的水泥活性越高。因此提取沖渣水余熱，降低其循環使用溫度，既有利于提高爐渣品質，又能降低原有冷卻塔負荷，節約其水泵和風機耗功，進一步增強了該技術的發展潛力。

但高爐沖渣水余熱發電技術的應用，在國際尚屬起步階段，目前想做這方面開發的單位還不少，但都停留在技術論證，還沒有實質性推進，是否能與高爐工藝結合還有大量的技術問題需研究。為此，我們利用武鋼人對煉鐵工藝熟悉的優勢，結合外部的一些技術手段，在技術上可以最大化的回收利用高溫沖渣水余熱，且工況可以根據具體情況進行設計；在經濟效益方面回收沖渣水余熱用于發電，從而降低了高爐的噸鐵能耗。

綜上所述高爐沖渣水余熱發電技術具有較大的推廣意義，應該抓住國家大力發展節能減排技術的時機，通過開發和優化系統配置，完成該系統的自主集成開發，從而轉化為公司的核心技術。

參考文獻

[1] 張有禮，王維興.鋼鐵工業能源結構與節能[J].中國冶金，2006，10：1-4.

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[8] 馬元武，田立章.沖渣水余熱的夏季利用[J].河北冶金，2002，6：22-24.

[9] 柳江春，朱延群.濟鋼高爐沖渣水余熱采暖的應用[J].甘肅冶金，2012，34（1）：118-121.

[10] 臧傳寶.高爐沖渣水余熱采暖的利用[J].山東冶金，2003，1：18-20.

[11] 曲毅.高爐冷卻系統與余熱利用探討[J].鞍鋼技術，2000，5：1-4.

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[13] 賈希存，陳素君.高爐沖渣余熱回收的可行性分析[J].山東冶金，2010，32（2）：17-18.

[14] 耿春景，李汛，朱強.高爐沖渣水發電項目的可行性研究[J].節能技術，2005，23（3）：228-231.

[15] 曹濱斌，李惟毅.螺桿膨脹機雙循環低溫余熱回收系統分析[J].天津大學學報，2010，43（4）：309-314.

[16] 程云，李菊香.高爐沖渣水余熱回收的可行性研究[J].低溫與超導，2010，38（3）：78-80.endprint

熱能轉換系統投資概算如下：施工安裝費用預算1000萬元，熱水循環泵100萬元，換熱器300萬元，管道及支架100萬元，附屬設施100萬元。合計1600萬元。

海水淡化崗位定員4人，每年人工費用約需16萬元；每年維修費用初步預算10萬元，冷卻風機節省的電費與熱水循環泵耗電大約相抵，不計入效益；高爐沖渣水采用濁環水，為生產廢水，節約的補水也暫不計入效益。因此，高爐沖渣水用于海水淡化年效益為863.2萬元，2年即可收回成本[13]。

2 沖渣水余熱回收技術的發展

目前，國內大型高爐已有熱風爐余熱回收、TRT余壓發電、干熄焦等余熱回收措施，但占高爐能耗5.5%的爐渣顯熱還沒有回收利用。國際上不少研究機構已有意向將高爐余熱回收的研究重點放在改變渣處理工藝上，但就這部分余熱回收后直接用于發電目前尚未形成一套完整的工藝體系。因此，為了減少熱能排放對環境的污染，降低煉鐵工序能耗，發展高爐沖渣水余熱發電技術，已成為一項刻不容緩的任務[14]。

經過一段時間的比較分析，高爐沖渣水余熱發電有2種相對可行的途徑：一種是將90 ℃～95 ℃沖渣熱水直接閃蒸，閃蒸汽推動汽輪機發電。沖渣熱水由泵打入閃蒸罐，熱水通過噴淋裝置小部分產生閃蒸汽，大部分水熱量給閃蒸汽吸收降溫后返回原冷卻水系統。閃蒸汽由管道送到汽輪機作功發電，乏汽進冷凝器冷凝成水回到沖渣水系統，冷卻水由新增的冷卻水系統提供。如高爐沖渣水量：2600 t/h，溫度：90 ℃。可產生的閃蒸汽壓力：0.03 MPa，溫度：69 ℃，蒸汽量：100 t/h，可發電功率：4000 kW。該系統的工藝結構簡圖如圖3。

另一種是沖渣水加熱用可調沸點工質、使其產生蒸汽，工質蒸汽推動高效率汽輪機或螺桿膨脹機發電[15]，汽輪機出口工質乏汽進板式冷凝器冷凝成工質液體，液體進入儲液罐，由泵打到閃蒸換熱器加熱蒸發，重復上述過程。冷卻水由新增的冷卻水系統提供。如高爐沖渣水量：2600 t/h，溫度：90 ℃，可發電功率：3200 kW。該系統的工藝結構簡圖如圖4。

3 結語

高爐沖渣水余熱回收技術發展的階段為：浴池用水→冬季采暖→提高超濾進水溫度（簡稱超濾暖水）→供海水淡化→余熱發電。從能源的品質上分析，將低品位的余熱轉化為高品位的電能，高爐沖渣水余熱發電的經濟性非常明顯[16]。同時，沖渣水溫度越低，其爐渣制成的水泥活性越高。因此提取沖渣水余熱，降低其循環使用溫度，既有利于提高爐渣品質，又能降低原有冷卻塔負荷，節約其水泵和風機耗功，進一步增強了該技術的發展潛力。

但高爐沖渣水余熱發電技術的應用，在國際尚屬起步階段，目前想做這方面開發的單位還不少，但都停留在技術論證，還沒有實質性推進，是否能與高爐工藝結合還有大量的技術問題需研究。為此，我們利用武鋼人對煉鐵工藝熟悉的優勢，結合外部的一些技術手段，在技術上可以最大化的回收利用高溫沖渣水余熱，且工況可以根據具體情況進行設計；在經濟效益方面回收沖渣水余熱用于發電，從而降低了高爐的噸鐵能耗。

綜上所述高爐沖渣水余熱發電技術具有較大的推廣意義，應該抓住國家大力發展節能減排技術的時機，通過開發和優化系統配置，完成該系統的自主集成開發，從而轉化為公司的核心技術。

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[16] 程云，李菊香.高爐沖渣水余熱回收的可行性研究[J].低溫與超導，2010，38（3）：78-80.endprint

熱能轉換系統投資概算如下：施工安裝費用預算1000萬元，熱水循環泵100萬元，換熱器300萬元，管道及支架100萬元，附屬設施100萬元。合計1600萬元。

海水淡化崗位定員4人，每年人工費用約需16萬元；每年維修費用初步預算10萬元，冷卻風機節省的電費與熱水循環泵耗電大約相抵，不計入效益；高爐沖渣水采用濁環水，為生產廢水，節約的補水也暫不計入效益。因此，高爐沖渣水用于海水淡化年效益為863.2萬元，2年即可收回成本[13]。

2 沖渣水余熱回收技術的發展

目前，國內大型高爐已有熱風爐余熱回收、TRT余壓發電、干熄焦等余熱回收措施，但占高爐能耗5.5%的爐渣顯熱還沒有回收利用。國際上不少研究機構已有意向將高爐余熱回收的研究重點放在改變渣處理工藝上，但就這部分余熱回收后直接用于發電目前尚未形成一套完整的工藝體系。因此，為了減少熱能排放對環境的污染，降低煉鐵工序能耗，發展高爐沖渣水余熱發電技術，已成為一項刻不容緩的任務[14]。

經過一段時間的比較分析，高爐沖渣水余熱發電有2種相對可行的途徑：一種是將90 ℃～95 ℃沖渣熱水直接閃蒸，閃蒸汽推動汽輪機發電。沖渣熱水由泵打入閃蒸罐，熱水通過噴淋裝置小部分產生閃蒸汽，大部分水熱量給閃蒸汽吸收降溫后返回原冷卻水系統。閃蒸汽由管道送到汽輪機作功發電，乏汽進冷凝器冷凝成水回到沖渣水系統，冷卻水由新增的冷卻水系統提供。如高爐沖渣水量：2600 t/h，溫度：90 ℃。可產生的閃蒸汽壓力：0.03 MPa，溫度：69 ℃，蒸汽量：100 t/h，可發電功率：4000 kW。該系統的工藝結構簡圖如圖3。

另一種是沖渣水加熱用可調沸點工質、使其產生蒸汽，工質蒸汽推動高效率汽輪機或螺桿膨脹機發電[15]，汽輪機出口工質乏汽進板式冷凝器冷凝成工質液體，液體進入儲液罐，由泵打到閃蒸換熱器加熱蒸發，重復上述過程。冷卻水由新增的冷卻水系統提供。如高爐沖渣水量：2600 t/h，溫度：90 ℃，可發電功率：3200 kW。該系統的工藝結構簡圖如圖4。

3 結語

高爐沖渣水余熱回收技術發展的階段為：浴池用水→冬季采暖→提高超濾進水溫度（簡稱超濾暖水）→供海水淡化→余熱發電。從能源的品質上分析，將低品位的余熱轉化為高品位的電能，高爐沖渣水余熱發電的經濟性非常明顯[16]。同時，沖渣水溫度越低，其爐渣制成的水泥活性越高。因此提取沖渣水余熱，降低其循環使用溫度，既有利于提高爐渣品質，又能降低原有冷卻塔負荷，節約其水泵和風機耗功，進一步增強了該技術的發展潛力。

但高爐沖渣水余熱發電技術的應用，在國際尚屬起步階段，目前想做這方面開發的單位還不少，但都停留在技術論證，還沒有實質性推進，是否能與高爐工藝結合還有大量的技術問題需研究。為此，我們利用武鋼人對煉鐵工藝熟悉的優勢，結合外部的一些技術手段，在技術上可以最大化的回收利用高溫沖渣水余熱，且工況可以根據具體情況進行設計；在經濟效益方面回收沖渣水余熱用于發電，從而降低了高爐的噸鐵能耗。

綜上所述高爐沖渣水余熱發電技術具有較大的推廣意義，應該抓住國家大力發展節能減排技術的時機，通過開發和優化系統配置，完成該系統的自主集成開發，從而轉化為公司的核心技術。

參考文獻

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