高爐沖渣水余熱回收及采暖應用現狀

(青島理工大學 山東 青島 266033)

高爐沖渣水余熱回收及采暖應用現狀

孫昊趙馥琳

(青島理工大學山東青島266033)

“開源、節流、增效、減排”是時代發展的主題，但在社會生產的過程中特別是工業領域卻消耗著大量的能量，并都以低溫熱水的形式排放掉，文章以鋼鐵廠的高爐沖渣水為例，介紹了其余熱特點及主要余熱回收方式，并詳細說明了其用于采暖的應用現狀以及應用時的設計要點，為鋼鐵企業的余熱利用提供了參考。

高爐沖渣水;余熱回收;采暖;應用現狀

目前，隨著國家節能減排政策的實施，鋼鐵產業中的高溫余熱已充分利用，但低溫余熱利用率較低。通常情況下，高爐煉鐵爐渣溫度約為1500℃，爐渣用水冷卻，冷卻后沖渣水的溫度為80℃左右，為了再次循環沖洗，80℃左右沖渣水引入空冷塔，冷卻成60℃左右的水。循環過程中通過冷卻塔將大量低溫余熱散發到大氣中，不僅造成了能源浪費，而且對環境造成了熱污染[1]。目前高爐沖渣水的低溫余熱幾乎沒有回收利用，大多被浪費掉，而低溫余熱約占總余熱的35%[2]。高爐沖渣水流量大，運行時間長，因此高爐沖渣水中存在著大量的低溫余熱。所以，有效的回收利用沖渣水余熱，既能節約能源又能保護環境。

一、沖渣水余熱特點與余熱回收方案

(一)沖渣水質特點

煉鐵高爐在進行沖渣時，是采用大量的水迅速地熄滅熔渣的，所以沖渣水溫度會急劇上升，一般會在80℃左右，有時甚至會達到100℃，同時由于熔渣的作用，沖渣后的水往往會含有沉渣、浮渣、懸渣及渣棉等，其主要化學組成也就是硅酸鈣和硅酸鋁，但在對廢水進行過濾的過程中，后兩種渣質很難去除，成為沖渣水回收利用的一大技術難題[3]。除了上述四種渣質以外，廢水中還蘊含著大量的如CL-等的化學物質，腐蝕性較大，所以在進行余熱回收的過程中要特別注意設備的選型，盡量克服沖渣水的腐蝕性。

(二)余熱回收方案

就國內情況而言，對于高爐沖渣水的余熱回收方式主要有沖渣水采暖和余熱發電兩種，其中，直接利用顯熱提供冬季采暖的應用比較成熟，很多單位如鞍鋼、濟鋼等均是采用的此方案，而余熱發電技術目前還處于實驗研究階段，尚未投入生產實踐。除此之外，沖渣水余熱還可以用于海水淡化、超濾暖水、區域制冷等。

1.采暖

高爐沖渣水首先進入沉淀池進行沉淀，再由沖渣水泵送至熱力換熱站，經過濾后通過換熱器與采暖水換熱，最后回到沖渣池中循環沖渣[4]。這種余熱利用方式技術簡單，投資較少，但仍存在一些問題：如前文所述，沖渣水水量很大，則蘊含的熱量也很大，遠遠超過了廠區自身的采暖所需；且水中含有很多難以去除的顆粒和懸浮物等，不能滿足采暖用水要求，會在管道及設備中形成積垢；采暖只能冬季使用，其他季節或者南方不采暖城市無法回收余熱，依舊會造成能源浪費[5]。

2.發電

由于沖渣水可利用的溫度只有70℃-80℃，而其他行業成熟的余熱發電技術系統工作溫度都在100℃以上，所以該技術目前還不成熟[4]，主要包括有機朗肯循環發電技術和溫差發電技術兩種。有機朗肯循環發電技術主要就是利用沖渣水余熱加熱低沸點的有機工質，使其蒸發成高壓氣體推動高效率汽輪機發電[6]，而溫差發電則是將兩種導體一端連接，另一端分別置于高、低溫環境中，根據熱電效應的原理，溫差便產生了電勢差[7,8]。這兩種發電技術都存在發電效率低、成本過高等問題，如果能找到適合沖渣水溫度的工作介質或更高性能的熱電材料，這些問題就可以得到很大程度的改善。

二、沖渣水采暖應用現狀

自上世紀八十年代以來，國內眾多鋼鐵企業就已嘗試并成功實施了沖渣水采暖，其采暖方案歸納起來主要分為3種[9]：①直接換熱供暖。即將過濾后的沖渣水直接送入采暖末端設備進行供暖；②間接換熱供暖。即將過濾后的沖渣水通過換熱器與采暖水換熱，再將采暖水送入采暖末端設備進行供暖；③采用專用換熱器供暖。即將沖渣水直接通過換熱器與采暖水換熱，再將采暖水送入用戶，沖渣水無需過濾。

(一)直接換熱供暖

由于沖渣水含有大量雜質，在渣池中經初步沉淀后，仍需經過多級過濾才能直接送入采暖系統。以較早采用直接換熱采暖的鞍鋼為例，高爐采用印巴法進行沖渣，經過濾后再進行供暖，供暖總面積達220余萬平方米[10]；宣鋼則是將沖渣水經自動反沖洗過濾器進行一級過濾后，再加入混凝劑經纖維過濾罐進行二級過濾，最后送入采暖區采暖[11]；對于同樣采用直接換熱供暖方式的安鋼，其沖渣水則是經水渣池、平流沉淀池、普通快濾池的三次沉淀過濾再進行直接供暖[12]。諸如此類的鋼鐵企業還有很多，這種方式的采暖不僅系統簡單，造價較低，而且熱損失較少，但多級過濾并不能完全去除渣水中的雜質，采暖管道及設備的堵塞現象依舊不可避免，而且由于沖渣水系統與采暖系統并不獨立，二者相互影響，穩定性差，加之沖渣水中較高的含氧量，還存在著腐蝕的問題。

(二)間接換熱供暖

根據上述內容可知，直接換熱取暖有著諸多缺點，故間接換熱供暖方式逐漸地成為大多數鋼鐵廠的歡迎對象，其采暖水與沖渣水通過板式換熱器進行間接換熱，成功克服了采暖系統的堵塞、腐蝕及系統穩定性問題。如山東石橫特鋼廠將過濾后的沖渣水送入水泵吸水井，再由冷卻水泵送到板式換熱器進行換熱，降溫后的沖渣水存儲于儲水池中留待下次沖渣使用[13]；西寧特鋼的3號高爐采用圖拉法進行沖渣，并將沖渣水進行底濾過濾后送入換熱站，經板式換熱器換熱后回到沖渣水池，采暖水吸收熱量后自去用戶處供暖[14]；此外，太鋼也于2013年將其5號高爐進行了余熱采暖回收利用，沖渣水經過過濾后進入汽水換熱器，釋放熱量后回到沖渣冷水池再次循環沖渣[15]。

(三)采用專用換熱器供暖

文章1.1中已說明沖渣水質的特點，已知懸渣及渣棉是極難去除的雜質，導致沖渣水采暖始終存在著設備堵塞問題，所以一些廠家開始針對沖渣水專用換熱器進行了研究，成果顯著，其中螺旋扁管換熱器及全焊接板式換熱器的應用較為廣泛。螺旋扁管換熱器的管子截面為橢圓形，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，亦不受管徑、壁厚、材質的限制，具有壓降小、效率高、不易結垢等特點，萊鋼永鋒鋼鐵、河北榮信鋼鐵及首秦金屬材料有限公司等均有使用該換熱器[16]。全焊接板式換熱器由特種不銹鋼制成并經氬弧焊焊接，板片具有獨特的人字形波紋，具有效率高、防腐防堵、耐溫耐壓等特性[9]，已在太鋼、天鐵、萬通等企業投入使用。

可見，高爐沖渣水余熱回收用于采暖的方案始終存在著兩個技術難題，一是堵塞，二是腐蝕。直接換熱供暖的方式僅僅進行了多次過濾是遠遠解決不了問題的，所以已逐漸不被采用。而將過濾后的沖渣水通過板式換熱器與采暖水交換熱量的間接換熱供暖的方式在一定程度上避免了上述問題，是現在大多數鋼鐵企業采用的方案。隨著技術的不斷進步，沖渣水采暖專用換熱器應運而生，不僅無需過濾，而且防堵防腐能力取得了突破性進展，應用前景廣闊。

三、沖渣水采暖應用分析及設計要點

(一)應用分析

雖然將高爐沖渣水的余熱進行回收并用于采暖是比較成熟的技術，但也應結合各個企業和用戶環境的具體情況分別進行設計，在保證鋼鐵生產正常的條件下，最大程度的回收余熱。在應用前需要考慮的方面有[17]：①采暖用戶的性質。盡量選擇熱負荷穩定的用戶，可以保證系統的持續穩定運行，若采暖用戶在非采暖季也有制冷需求，可考慮吸收式熱泵冬季制熱夏季制冷；②廠區地理位置。若廠區附近有軟水站或處于沿海區域，可同時考慮用于超濾暖水或海水淡化；③國家及地方政府是否有余熱供暖等的補貼政策。可爭取相應補貼為企業帶來額外收益。當然，上述考慮只能作為一般思考方向，實際進行應用分析時也要結合廠家自身特點加以細化創新。

(二)設計要點

在進行方案設計時，應把握好每個環節的設計要點，才能做到熱量高回收、系統高效率、企業高收益。目前主要有設備和系統兩方面需要注意[18]：首先是過濾設備的選擇，宜選用具有過濾速度快、精度高、截污容量大、操作方便、運行可靠、不需特殊維護等特點的過濾器，而且不論哪種程度的過濾設備均需定期清理以防堵塞；其次是換熱器的選擇，由于直接換熱供暖的方式已逐步被廠家摒棄，所以間接換熱供暖中的換熱器的選用就變得尤為重要，除了上述的專用換熱器之外，普通換熱器也要注意其材質的耐腐耐磨特性，最好方便清洗以減少維護成本；最后是系統型式的選擇，應根據用戶距廠區的遠近選擇開式還是閉式系統，且應充分考慮系統的旁路和保護措施以防止異常狀況對高爐系統的影響。

四、結論

高爐沖渣水所蘊含的低溫余熱能量巨大，若將其全部回收利用將會對環境改善大有裨益。采暖作為沖渣水余熱回收的主力方式，既節能環保又能給企業帶來額外的收益，既響應了國家號召又給企業提供了新的經濟增長點，具有廣闊的發展前景，但同時需要考慮設備的堵塞與腐蝕問題。在非采暖季節或者南方不供暖區域，沖渣水余熱除了制冷、發電外，還可加熱洗浴用水、加熱軟化水，或根據地理條件進行海水淡化等，這樣就克服了余熱利用的時間限制和區域限制，充分發揮了沖渣水的余熱能力。

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孫昊(1992-)，男，漢，山東泰安人，在讀研究生，主要從事列車空調方面的研究。