淺析高爐沖渣水余熱利用

文 _ 王曉東 胡蘭輝 劉顏軍 魏國順 秦皇島首秦金屬材料有限公司

淺析高爐沖渣水余熱利用

文 _ 王曉東 胡蘭輝 劉顏軍 魏國順 秦皇島首秦金屬材料有限公司

1 前言

高爐沖渣池是冶煉過程中最末端工藝，高爐煉鐵后產生的大量高溫爐渣通過沖渣水進行冷卻，在這個過程中能夠產生大量溫度在70～85℃的熱水。高爐沖渣水低溫余熱具有熱源溫度較低、流量大的特點，將其回收利用既能節約能源，又能保護環境。

2 高爐沖渣水余熱利用方式

目前，國內對沖渣水余熱的回收方式主要有兩種：一是利用沖渣水采暖或洗浴用水；二是沖渣水余熱發電。利用沖渣水采暖或洗浴用水，已廣泛被一些北方的鋼廠采用，并帶來一定的經濟效益。而沖渣水余熱發電技術目前還處于研究實驗階段。

2.1 采暖

高爐沖渣水采暖是國內比較成熟的技術，其基本工藝流程為：高爐沖渣水通過沖渣水泵輸送至換熱站，然后經過沖渣水過濾器將沖渣水中的固體顆粒和懸浮物過濾，再通過換熱器與采暖水換熱回到沖渣池中。

另外，該項技術還需考慮高爐檢修的情況，需備用蒸汽-水換熱器或者鍋爐用于應對高爐檢修情況下的居民供暖，保證供暖質量的穩定。

2.1.1 沖渣水采暖需要解決的問題

高爐沖渣水余熱用于采暖主要面臨兩個問題：一是沖渣水中含有CaO、SiO2、MgO、Al2O3以及少量的 Fe2O3，pH值大于7，顯弱堿性，水渣雜質在沖渣水中以固體顆粒或懸浮物的形式存在，日積月累，將會使采暖系統中的管道、閥門、散熱器發生大面積堵塞， 所以高爐沖渣水作為采暖熱源不適于直接使用，需要通過間接換熱的形式用于供暖，并且需要采用沖渣水專用的換熱器，防止結垢和堵塞。二是根據化驗結果，首秦高爐沖渣水中Cl-1含量235ppm，對換熱器材質的抗腐蝕性要求較高，需采用特殊材質的換熱器保證設備長期穩定使用。

對于沖渣水中的雜質，通常的做法是在換熱器前安裝過濾器，過濾水中的固體顆粒和懸浮物；有的企業還研發了阻垢儀，防止過濾器、換熱器和管道的結晶結垢；也有將換熱器置于沖渣汲水井中，可免去沖渣水泵和過濾器，在沖渣池中直接進行熱交換。

目前，沖渣水換熱器主要有以下幾種：

①螺旋扁管換熱器。目前該項技術在國內多家鋼鐵企業應用，該換熱器管子的截面為橢圓形，其管內外流道均呈螺旋狀。可按需要制成不同壓扁度、螺距的螺旋扁管，更不受管徑、壁厚、材質的限制。該換熱器除了具有壓降小、傳熱效率高、不易結垢的特點，更具有在換熱介質高污物的環境下不污堵且維護簡易等特性。

②板式換熱器。采用板式換熱器，換熱效率高，但板式換熱器對水質要求較高，否則容易堵塞，所以需要配套安裝過濾器和阻垢儀。

③高分子聚合物換熱器。該換熱器采用高分子聚合物為材質，對沖渣水具有極強的抗腐蝕能力；且該換熱器可將換熱器單元浸沒在沖渣水池內，沖渣水不進入設備內部，開放空間流動換熱，從根本上避免了堵塞。

高爐沖渣水采暖目前主要受地域和時間的限制，只有北方冬季才能開展，而且到了夏季只能用于洗浴使用，能源回收受到限制。

2.1.2 高爐沖渣水采暖運行方式

高爐沖渣水采暖一般采用高爐沖渣水專用換熱器、采暖水循環泵、補水泵、沖渣水過濾器、沖渣水供水泵、儀器儀表等設備，高爐沖渣水在渣水池中通過沖渣水供水泵輸送至沖渣水過濾器過濾，經沖渣水換熱器與供暖用軟水進行換熱后，回到渣水池中，采暖水通過采暖水循環泵經過換熱器和用戶循環使用。

2.2 低溫余熱發電

高爐沖渣水具有余熱量大、品位低的特點，目前國內多家企業和科研單位在研究低溫余熱發電技術。對于低溫余熱發電，目前比較廣泛受到認可的方式是利用低沸點工質，和螺桿膨脹機進行發電。

采用低沸點工質是由于水在80℃不具有膨脹性。采用螺桿膨脹機是由于該設備具有熱源使用范圍廣、變工況能力優越、維護費用低和不存在重大安全隱患的特點，適合高爐沖渣水溫度不穩定、溫度低的特性。

螺桿膨脹機發電做功流程為：高壓氣體由吸氣口進入陰、陽螺桿齒間膨脹推動陰、陽螺桿反向旋轉做功。具體工藝流程為：工質通過換熱器與沖渣水換熱形成蒸汽，進入螺桿膨脹機膨脹做功，帶動發電機轉動發電，做功后工質變成低壓蒸汽進入冷凝器放出熱量，變成低溫低壓液體工質，然后由工質泵送至換熱器中吸熱，再次變成蒸汽進入螺桿膨脹機做功，工質在此循環過程中完成朗肯循環，將熱水中的熱量源源不斷地提取出來，生成高品位的電能。

但是低溫余熱發電目前最大的瓶頸在于發電效率低，建設成本高，每千瓦建設成本約需2萬元，投資回收期長，要大規模推廣此項技術，還需提高發電效率和降低建設成本。

3 應用實例分析

以首秦公司現有2座高爐為例，1#高爐1200m3，2#高爐1780m3，2座高爐日產生高溫爐渣量約2200t/日，渣溫1300℃左右，沖渣后渣水溫度在70～85℃,沖渣水可提供的流量兩座高爐共2800t/h。

高爐渣的熱量：

式中：m渣為高爐渣量；h渣為高爐渣的焓值1700MJ/t，所以首秦高爐渣具有43287kW的熱量。

沖渣水的可用熱量：

式中：m水為沖渣水循環量，Δh為水在利用前后的焓變，考慮水的溫度變化為75～65℃計算，高爐沖渣水可用熱量約為32.6MW。

3.1 采暖效益分析

首秦高爐沖渣水的熱量按95% 的熱轉換效率，可以提供給采暖的換熱量31MW。由于周邊小區均采用地板輻射采暖方式，采暖熱指標按60W/m2計 ，約可供約50萬m2居民住宅采暖。按照秦皇島市熱力采暖（6.97/m2/月）的收費標準，供暖期5個月，可取得年收益1740萬元，該項目投資約需1000萬元，不到一個供暖期即可回收成本。

3.2 發電效益分析

目前采用螺桿發電的效率較低，按照80℃水溫的利用效率，國內僅能達到7%的發電效率。按照沖渣水所具有的熱量，首秦公司沖渣水產生2.3MW電量，年電量1840萬kWh，可獲年效益920萬元，2.3MW低溫余熱發電項目投資約需4600萬元，約需5年才能回收成本。

3.3 應用建議

經過以上分析可以看出，采暖的經濟效益遠大于發電，且投資回收期短。在經濟允許的情況下兩個項目共同實施，采暖期供暖，非采暖期發電綜合采暖及發電的方式，形成沖渣水余熱綜合利用項目，可以克服沖渣水采暖的時間限制，又可利用采暖的高回報緩沖發電項目的長回收期，可取得年經濟效益2200萬元，而兩個項目共同實施投資約5600萬元，3年內可回收成本。

4結論

結合以上經濟效益分析，綜合高爐沖渣水采暖和發電兩個利用方向，可避免供暖利用時間的限制，又可避免單純發電投資回收期長的缺陷，并取得巨大的經濟效益，在較短的時間內回收成本，值得在鋼鐵行業推廣。