高爐沖渣水余熱回收技術

摘 要：通過對高爐沖渣水余熱回收利用的幾種方式的對比，分析了傳統換熱設備在余熱回收項目中的優缺點，并提出真空相變換熱技術在沖渣水余熱回收中的優勢，其較好地解決了傳統沖渣水換熱器設備堵塞、耗損、腐蝕、結晶等一系列問題。真空相變換熱器有效地利用了此項技術，在鋼廠高爐沖渣水余熱回收利用中值得推廣利用，具有廣闊的應用前景，可以實現較好的經濟效益和環保及社會效益。

關鍵詞：換熱器；真空相變；高爐沖渣水；余熱回收

1 概述

高溫熔渣作為高爐煉鐵的附屬產物，其經過水淬工藝處理后將產生70～90℃的高溫沖渣水，這些具有大量余熱的沖渣水具有成分復雜、懸浮物多的特點，尤其是其中含有礦棉類纖維等成分，極易造成沉積鉤掛、堵塞，同時其渣粒也會造成管道的嚴重磨損。長期以來，人們采用直接或間接的換熱器來利用沖渣水的余熱，都達不到理想的換熱及運行效果。高爐沖渣水若直接作為采暖熱水，會在采暖管道及散熱器中產生淤積、堵塞；若間接換熱，則同樣會在傳統的換熱器中發生堵塞、腐蝕、結晶、磨損等問題，無法長周期有效使用。綜上，如何全面、有效地利用高爐沖渣水便成了一個亟待解決的現實問題。

2 真空相變換熱技術簡介

由于水的沸點會隨著壓力的變化而相應地變化，所以，通過降低水所在周圍環境的壓力大小，從而使水在低壓環境下沸騰，進而轉化為水蒸氣，這些水蒸氣便可以被我們充分利用與循環水進行相變換熱，從而達到了余熱回收的目的。

2.1 高爐沖渣水的水質分析

高爐沖渣水的余熱回收具有其鮮明的特點，有必要對其水質進行簡單地分析。高爐渣的主要成分為CaO、SiO2、AL2O3等物質，沖渣水是高爐渣在1400℃左右的熔融狀態下水淬形成的，故在其水淬過程中會將高爐渣的一些成分溶解在水中，再加上沖渣水作為冷卻高爐渣的重復利用循環水，不斷往復地沖渣過程中沖渣水也不斷地被濃縮，從而使高爐渣中可以溶于水的物質達到了一個飽和的狀態。

筆者從某鋼廠沖渣水提供的水質報告得到以下數據。

根據表1中的數據顯示，鋼廠高爐沖渣水中含有大量的可溶于水的易結晶物質，而要利用這些高爐沖渣水就必然要使其與低溫的冷水進行強制冷凝換熱，高溫狀態下的沖渣水經過換熱冷凝，溫度降低的同時溶解在高爐渣中的以上成分就會呈現過飽和的狀態，從而以晶體的形式析出并附著在換熱壁表面上，造成換熱器傳熱系數的降低，甚至造成嚴重的堵塞。分析表中的數據可以看出，該鋼廠沖渣水中含有較高濃度的氯化物及硫酸鹽類物質，而我們提取其余熱的換熱器和輸送沖渣水的金屬管道分別為不銹鋼和碳鋼材質，這無疑增加了對換熱器和沖渣水輸送管道金屬壁面的化學腐蝕。

2.2 沖渣水傳統換熱設備的現狀及缺陷

在具體沖渣水余熱回收項目論證過程中，通過水質分析及鋼廠類似項目的實測調研分析，傳統換熱設備主要有以下幾種類型：（1）板式；（2）螺旋板式；（3）殼管式；（4）污水專用換熱器。以上四種換熱設備在使用過程中都出現了不同程度的污染、堵塞，甚至嚴重的腐蝕現象。

除此之外，一些項目中提出了使用纖維過濾器等凈化措施來降低堵塞以及腐蝕的危害，但是造成堵塞的原因是由于溶于沖渣水中的物質冷卻后過飽和結晶析出，而非固體、懸浮物等可見的固體污染物質，所以，效果不是很理想。

另外，新型的污水專用換熱器受到市場的關注，其具有一定的抗堵優勢，尤其是在城市污水余熱回收項目中的應用，它可以有效地阻截城市污水中的固體污染物質，從而保證了污水熱源的水質。但是還是同樣的問題，在高爐沖渣水余熱回收項目應用過程中，無法有效地解決沖渣水過飽和而結晶、腐蝕的問題。

綜上分析可以看出，傳統的余熱回收裝置具有不可改良的弊端，在余熱回收的過程中，必須改變沖渣水與換熱器、管道等金屬壁面的接觸方式，才能清潔、高效地利用沖渣水這一水質復雜的熱源。

2.3 真空相變換熱器的原理及優勢

主要針對高爐沖渣水冷凝換熱易結晶和腐蝕金屬壁面的特點，真空相變換熱器應運而生，利用水在負壓環境下沸點降低的特性，在換熱器內部人為地抽成一個負壓的環境，使得沖渣水在負壓容器（也稱真空容器）內沸點降低，從而實現無需加熱，使部分沖渣水閃蒸、汽化，以清潔的水蒸氣攜帶大量的汽化潛熱與純凈的冷水進行換熱，從而實現清潔、高效地提取沖渣水熱能的目的。

3 項目應用

筆者對某鋼廠4、5號高爐沖渣水余熱利用項目進行了實地調研，通過實地測試得出4、5號高爐的沖渣水可資用的余熱量為57.1MW，考慮到供熱量的保證率，故將余熱量以50MW設計，若按傳統的采暖建筑熱指標估計，則冬季可以大約滿足100萬平米的建筑進行區域供暖。

在某鋼廠的4、5號高爐余熱利用項目中，設計共選取了10臺單臺制熱能力為5MW的JTZH-5.0-500-0.1/0.1-0.1的真空相變換熱機組，既可以單獨運行，也可以并聯運行，10臺設備考慮互為備用。

經過實地調研，10臺制熱機組共占地450m2，沖渣水的最大設計用量約為240m3/h，沖渣水的溫降約為18℃，制出65℃循環水的流量約為215m3/h。整個真空相變換熱系統的耗電量約為400kW，其中，單臺設備的輸入功率約為37.5kW，單臺設備的耗電量包括：沖渣水的排水泵30kW、真空泵7.5kW、冷凝水排水泵2kW。如表2所示。

4 運行效果總結

本真空相變換熱系統投產于2014年11月中旬到2016年1月份已經安全運行約兩年有余，整體的供暖效果良好。經過實地調研分析，真空相變換熱系統的換熱量以及傳熱溫差等關鍵參數均達到了設計的要求。值得指出的是，在沖渣水側并未檢測到明顯的結晶、結垢及腐蝕等惡劣換熱現象，在完全滿足100萬平方米的供暖指標的前提下，連續兩個采暖期內無需清理維護，達到了較高的水質水平。

在耗電量和供熱量方面，經過實際測量計算，筆者隨機選取了2016年元月15日8：50分開始，進行了一次為期72小時的數據統計分析，本系統10臺真空相變換熱機組在72小時內累計輸出熱量達到4903.5GJ；累計耗電量：217506kW·h（包含采暖系統的各類水泵、照明燈日常用電量，優于原來的換熱系統的設計要求，實現了經濟、高效的換熱效果。

5 結束語

筆者通過對高爐沖渣水余熱潛力和水質的分析，得出了高爐沖渣水是一種具有大量潛熱可資利用的熱源，但是水質的復雜性卻很難高效地將其中的熱量轉換出來供采暖等項目使用。而使用真空相變換熱技術來改變原有的換熱系統，可以有效地避開沖渣水冷凝易結晶的問題，可以實現較為高效的余熱利用。