天鋼聯合特鋼2#高爐熱鐵渣熱量的回收與利用

吳俊國

（天津鋼鐵集團有限公司天鋼聯合特鋼有限公司，天津301500）

0 引言

高爐冶煉過程中會產生大量的熾熱高爐渣。高爐渣是由鐵礦石、煤炭和溶劑等，在高爐內經過高溫冶煉后留下的脈石、灰分非揮發性物質組成的副產品。高爐渣從高爐放出時處于高溫熔融狀態，溫度大約在14 00～1 500℃，當高爐渣從1 400℃的高溫熔融狀態冷卻至常溫固態時，所放出的熱量約為1 550～1 750 kJ/kg，這部分熱量稱之為顯熱。

鋼鐵企業在生產過程中能耗很大，以天鋼聯合特鋼為例，2016年噸鋼平均耗能為597.46 kg標準煤。以年產420萬t鋼計算，則1年消耗250.93萬t標準煤。天鋼聯合特鋼有限公司自投產以來，針對如何有效的回收利用高爐渣顯熱，一直在探討取熱、用熱方案。如何利用高爐渣顯熱，提高能源利用率，減少消耗已迫在眉睫。經過研究，采用熱交換器回收高爐渣顯熱，能夠提高能源利用率，獲得經濟效益。

1 天鋼聯合特鋼2#高爐渣情況

天鋼聯合特鋼2#高爐有效容積為1 080 m3高爐，每天出鐵水10～13次，每年平均利用系數約為1.8 t/m3·d，每年生產鐵水約100萬t。按每生產1t鐵水產生0.3 t高爐渣計算，2#高爐每年大約產生30萬t高爐渣。每噸鐵產生的爐渣在高溫熔融狀態下的1 400℃冷卻至常溫固態時，所放出的熱量相當于15.89 kg標準煤。每年產生高爐渣所含的顯熱相當于1.59萬t標準煤。2#高爐爐渣采用水沖渣的工藝，之前的爐渣顯熱未被利用。

2 高爐渣顯熱回收方案分析及確定

2.1 高爐渣顯熱回收方案

高爐渣顯熱回收必須以處理后的高爐渣具有優良的再利用價值為前提條件，熔融高爐渣具有如下特點：導熱系數較低，換熱速度慢，回收熱量難度增加；粘度隨著溫度的降低急速升高，處理熔融高爐渣操作的溫度范圍有限。

由于熔融高爐渣具有的獨特性質，以至于熔融高爐渣顯熱回收利用存在難度，目前國內外熔融高爐渣顯熱回收主要有以下幾個方案。

2.1.1 利用熔融高爐渣和熔融高爐渣的顯熱生產礦巖棉制品

該項目主要是利用熔融高爐渣并與煤粉、石英砂等一起生產礦巖棉制品，在生產礦巖棉制品時，能充分利用高溫熔融高爐渣顯熱，其熱效率可達80%以上。該項目能夠實現資源綜合利用，節約能源，減少了SO2的排放，符合國家建設綠色、環保型產業政策的要求。

該項目需要設備投資約2億元，需要廠房8 000 m2。

2.1.2 風淬法利用高爐渣顯熱

該項目首先將倒入換熱器中，同時由噴嘴噴出的高速氣流，將熔融高爐渣制造成顆粒，高爐渣顆粒在換熱器中被從下向上吹入的空氣冷卻，空氣被加熱，帶走了熔融高爐渣的熱量，熱空氣輸送給余熱鍋爐，將余熱鍋爐水加熱成蒸汽供發電使用。

該項目需要設備投資約1億元，需要廠房4 000 m2。

2.1.3 連鑄式余熱鍋爐高爐熔渣顯熱回收法

該項目主要是將熔融高爐渣倒在渣池，熔融高爐渣從渣池的渣嘴連續流到水冷輥，水冷輥由成對安裝的反向旋轉輥組成，水冷輥中的水被加熱。之后熔融高爐渣然后進入鏈式輸送機，在鏈式輸送機下部鼓入空氣，空氣被加熱，帶走了熔融高爐渣的熱量，熱空氣輸送給換熱器，將從水冷輥出來的熱水進一步加熱成蒸汽，蒸汽供發電使用。該方法不利于后續對高爐渣的利用，因此不考慮該技術。

該項目需要設備投資約8 000萬元，需要廠房4 000 m2。

2.1.4 利用化學反應法回收熔融高爐渣顯熱

利用化學反應法回收高爐渣顯熱目前處于探索階段，技術還不成熟，無法進入實際應用，如：

（1）熔融高爐渣在進行快速冷卻、顆粒化的過程中，要放出大量的熱，而煤氣化時需要吸收大量的熱，用此方法利用熔融高爐渣顯熱。

（2）利用熔融高爐渣的熱量，使甲烷水蒸氣通過吸熱發生化學反應，會生成H2和CO2。

2.1.5 使用水沖渣工藝處理熔融高爐渣，回收利用沖渣水余熱

目前我國高爐爐渣處理工藝普遍采用的是水沖渣工藝方式，高爐生產時，高爐內1 400～1 500℃的高溫熔融狀態的高爐渣經出渣口處流出，經過渣溝進入沖渣槽時被水沖走。水要具備一定的壓力和足夠量，流槽要有一定的坡度，水與高溫熔高爐渣成一定的夾角。高溫熔高爐渣的熱量被水帶走。沖渣水經過冷卻被循環利用。

高爐渣被沖擊淬化成小顆粒水渣，稱之為高爐水沖渣。高爐水沖渣可以用于生產硅酸鹽水泥的原材料，也可以為生產耐火材料提供原材料，也可以用來制造渣棉、鑄石等。

沖渣水的溫度范圍在60～85℃，屬于工業低溫熱源，目前對沖渣水余熱的利用主要是直接用于冬季采暖，這種利用方式技術簡單，改造成本低，但因沖渣水含有大量的雜質，進入管網后易造成管網堵塞，且采暖管網系統龐大，清洗難度很大。

2.2 高爐渣顯熱回收方案對比分析

各種高爐渣顯熱利用方案基本情況見表1。

目前天鋼聯合特鋼2#高爐采用水沖渣的工藝，水沖渣工藝流程示意圖見圖1。高爐渣所含的顯熱被沖渣水帶走，經過水淬后的高爐渣可以用作生產硅酸鹽水泥的原材料，也可以為生產耐火建材提供原材料。

考慮天鋼聯合特鋼有限公司現有生產裝備，采用高爐沖渣水熱量回收利用的方法，投資少、見效快、易實施。

3 制定高爐沖渣水余熱回收方案

3.1 高爐沖渣水工況參數

高爐沖渣水工況參數見表2。

3.2 高爐沖渣水余熱回收設計方案

表1 高爐渣顯熱利用方案

考慮沖渣水含有大量的雜質，進入管網后，管網容易造成堵塞，且采暖管網系統龐大，清洗難度很大，擬采用將高爐沖渣水送給熱交換器，用渣水余熱制造熱水供下游用戶使用的設計方案。這種方案相對于直接用于冬季采暖的方案，回收熱量系統設備系統簡單。初步設計取部分高爐沖渣水流量，回收其熱量用于采暖和職工洗浴等系統，運行正常后再進一步加大回收沖渣水余熱的量，向發電鍋爐提供熱水。設計方案見表3。高爐沖渣水余熱回收利用系統圖見圖2。

圖1 水沖渣工藝流程示意圖

表2 2#高爐沖渣水工況參數

表3 初步設計熱交換器工作參數

圖2 高爐沖渣水余熱回收利用系統圖

3.3 熱水泵設計

3.3.1 提升泵揚程的計算

式中，H為泵的揚程，MPa；H1為最不利點與蓄水池最低水位的高程差，m；H2為管道的全部水頭損失，kPa，是給水管道的沿程水頭損失h1之和；H3為最不利點所需的最低工作壓力，kPa，一般指距泵最遠、地勢最高的用水點所需的壓力，當有多處條件相近時，需經計算、比較方可確定。

給水管道的沿程水頭損失應按公式（2）計算：

式中，h1為沿程水頭損失，kPa；L為管道計算長度，m；i為管道單位長度水頭損失，kPa/m。

局部水頭損失可按沿程水頭損失的25%～30%計算[1]。

3.3.2 水泵選擇

根據設計流量所需揚程選泵，但考慮因磨損等原因造成水泵出力下降，計算所得揚程H×（1.05-1.10）系數后選泵[1]。

3.4 采取的技術措施

（1）為有效克服渣水管道結垢堵塞的技術難題，高爐沖渣水余熱交換站設計安裝在渣水池最近距離旁安裝，保證渣水管道距離最短，同時利用沖渣水含有的高爐渣顆粒在流速作用下的沖擊、摩擦作用，達到減少渣水管道結垢堵塞的目的。

（2）采用特制換熱器，要求流道采用獨特設計，沖渣水在流道內始終以高速渦流狀態流動，有效防止結垢體和結晶體沉積在換熱表面上。換熱流道內無交叉接觸點，沖渣水可在換熱流道內自由流動，渣粒、渣棉等不會堵塞換熱器。換熱器換熱元件采用金屬表面耐腐蝕、硬度高耐磨損。

（3）泵站總體結構設計采用箱式標準泵站，集成循環泵、補水泵、軟化水設備、軟化水箱、電控系統、管路閥門于一體，結構緊湊，體積小，占地面積少，容易安裝。無需建設土建機房，投資少。采用模塊化設計，根據需求整體移動安裝位置，增擴容方便，施工周期短。高爐沖渣水余熱回收初步設計工程設備投資230萬元。

4 結束語

2#高爐沖渣水余熱回收利用初步項目于2018年初建成投入運行，從幾個月的運行情況來看，整個系統工作穩定，運行正常，換熱效果達到了設計要求，每月生產熱水48 600 t，熱水平均溫升45℃，以1t水升高1℃需要熱量4.2×103kJ計算，每月回收熱量為9185×106kJ，折合標煤314 t，取得了較好的經濟效益，為以后進一步擴大高爐沖渣水余熱回收利用提供了寶貴的經驗。我們在以節能減排為工作重點，努力提高能源利用率的同時，獲得了一定的經濟效益，實現了經濟效益與環保雙豐收。