高爐沖渣水余熱資源回收研究

周宇龍 羅曉敏

(1：河鋼集團(tuán)唐鋼公司 河北唐山063000；2：河鋼集團(tuán)邯鋼公司 河北邯鄲056015)

1 前言

近年來，我國采暖季環(huán)保問題和居民供熱問題屢有矛盾。目前城市集中供熱能源結(jié)構(gòu)不合理、熱源與用能需求之間的能量品位不匹配和部分熱源供熱效率低，污染環(huán)境、浪費(fèi)能源是亟待解決的主要問題。座落在主城區(qū)的長流程鋼鐵企業(yè)河鋼唐鋼的高爐沖渣工藝，是利用熱水泵將高溫度沖渣水送至冷卻塔散熱降溫，降溫后的渣水進(jìn)入冷卻塔下的晾水池，再通過晾水池內(nèi)配置的沖渣泵提水沖渣，沖渣后的熱水再度流回到渣池內(nèi)。因此如果將上塔水全部送入換熱設(shè)備，并根據(jù)渣水上下冷卻塔的溫差，確定換熱設(shè)備對渣水的取熱溫差，即可保證換熱系統(tǒng)及沖渣工藝連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。簡言之，在采暖季期間用換熱設(shè)備取代冷卻塔的功能，將原本在冷卻塔上散失的熱量提取出來加熱采暖水，那么就可以實(shí)現(xiàn)利用鋼鐵企業(yè)高爐沖渣水中低品位余熱能來為城市熱網(wǎng)集中供熱的應(yīng)用。

2 可開發(fā)余熱資源分析

高爐沖渣工藝在鋼鐵企業(yè)中應(yīng)用較為普遍并且成熟，作為研究對象，以河鋼集團(tuán)唐鋼公司南區(qū)4#高爐作為應(yīng)用實(shí)例來進(jìn)行技術(shù)研究。高爐沖渣系統(tǒng)基本情況如下：

3200m3高爐綜合利用系數(shù)約為2.4，渣鐵比為0.35，對應(yīng)2個(gè)渣池，每個(gè)渣池間隔2h沖渣一次，每次沖渣時(shí)間為1.5h，高爐沖渣水是冷卻塔冷卻；高爐的沖渣水溫度夏季為90℃，冬季為85℃； 采用明特法沖渣工藝。

(1)高爐火渣熱量計(jì)算

表1 高爐渣余熱回收計(jì)算表

表1中爐渣熱量是根據(jù)日產(chǎn)高爐渣量和爐渣顯熱系數(shù)，以及千焦/兆瓦折算系數(shù)計(jì)算所得。

(2)可利用余熱的計(jì)算

沖渣水可回收利用的熱量即冷卻塔散去的熱量。根據(jù)對沖渣水上下塔溫度的實(shí)際測量，其結(jié)果如表2。

表2 沖渣水上下塔溫度測量表

上冷卻塔的實(shí)際熱水流量約為2600m3/h，無論是否沖渣，均按此流量上冷卻塔散熱。為了便于計(jì)算，分別截取高、中、低三個(gè)比較有代表性的溫度點(diǎn)進(jìn)行可回收的熱量計(jì)算：

Q高=2600m3/h×1.163×15.5=46.87MW

Q中=2600m3/h×1.163×7.7=23.28MW

Q低=2600m3/h×1.163×1.5=4.54MW

西場渣池所對應(yīng)的情況與東場渣池一樣，不重復(fù)計(jì)算。

因此沖渣水余熱隨著沖渣水溫度的變化而變化，當(dāng)沖渣水溫度越高，能夠回收利用的熱量越高，反之，當(dāng)沖渣水溫度越低，能夠回收利用的熱量越低。結(jié)合采暖水的供回水溫度要求，可提取的最大余熱量為Q高+Q低=51.41MW；考慮到測量誤差以及冬季運(yùn)行過程中池水表面散熱量加大等諸多變化因素，預(yù)計(jì)余熱開發(fā)量為45MW。

3 系統(tǒng)配置方案

因?yàn)楸靖郀t分東西兩個(gè)渣池交替出渣，為了盡可能降低對沖渣工藝造成不利影響，又保證最大限度的提取渣水余熱，綜合考慮項(xiàng)目投資與長期受益，本項(xiàng)目選擇在東西渣池附近分別建設(shè)換熱站，每座換熱站內(nèi)配置4臺額定制熱量為8MW的直熱機(jī)組，共計(jì)匹配8臺，合計(jì)額定換熱能力達(dá)到64MW。單座換熱站的最大換熱能力可達(dá)46.8MW；最小換熱能力為4.5MW見圖1。

4 設(shè)備選型

由于工業(yè)廢水的特殊性，在沖渣過程中，水中大量的Na2O、K2O等堿金屬被引入，堿金屬與二氧化硅反應(yīng)，結(jié)晶生成硅酸鈉、鋁硅酸鈉、硅酸鉀等。隨著熱的飽和溶液降溫后，溶質(zhì)以晶體的形式析出，在連續(xù)的生產(chǎn)過程中，掛附在設(shè)備上。以及極易生成MgCO3、CaCO3沉淀，這些沉積物易于沉積在設(shè)備表面與晶體形成大量的污垢，對金屬壁面造成垢下腐蝕。如果要利用沖渣水中的余熱，就需要有能夠防腐、防堵塞和結(jié)垢功能的換熱設(shè)備，經(jīng)過對目前市場上常用的水-水換熱設(shè)備的選擇比較，選擇具有真空相變換熱技術(shù)的直熱機(jī)設(shè)備。直熱機(jī)設(shè)備為了避免廢水與換熱面直接接觸，采取“真空相變技術(shù)”使廢水閃蒸、汽化，是一種以清潔的水蒸氣攜帶大量廢水熱能與清水進(jìn)行換熱，清潔、高效提取高溫工業(yè)廢水熱能的方法。

5 系統(tǒng)供熱能力分析

3200m3高爐的火渣中的總熱量為60.36MW，東西兩座渣池各對應(yīng)換熱站內(nèi)的獨(dú)立裝置，分別配置4臺額定制熱量8MW的直熱機(jī)。兩套裝置同時(shí)運(yùn)行，制取的采暖水匯到同一根主管網(wǎng)混合后送出。由于兩座渣池渣水溫度高低交替出現(xiàn)，置換出的采暖水溫度也相應(yīng)高低交替，混合后基本可以達(dá)到穩(wěn)定在65℃以上連續(xù)供出。

圖1 余熱回收利用示意圖

圖2 單個(gè)沖渣池?zé)嵩凑鞠到y(tǒng)供水與此側(cè)沖渣水溫度的變化關(guān)系

當(dāng)一側(cè)渣池的渣水溫度最高時(shí)，另一側(cè)的渣池的渣水溫度是最低的，兩個(gè)熱源站的采暖系統(tǒng)水出水溫度不同，但由于二者采暖系統(tǒng)水等量合并輸送，混合后的采暖系統(tǒng)水溫度可以保證65℃。

由圖3中可以看出，當(dāng)一側(cè)熱源站的采暖系統(tǒng)水溫度較高時(shí)，此時(shí)另一側(cè)熱源站的系統(tǒng)水溫度較低，兩種采暖系統(tǒng)水溫度隨各自的沖渣水溫度變化而變化，而且按照兩個(gè)沖渣池沖渣水溫度的彼此交替，周期性變化而變化，由圖中可知，當(dāng)兩種系統(tǒng)水等量混合后，系統(tǒng)水溫度65±2℃，完全符合要求。

圖3 兩個(gè)熱源站的采暖系統(tǒng)水出水溫度變化圖

圖4 單臺直熱機(jī)的制熱量與沖渣水溫度的變化關(guān)系圖

由圖4可以看出，直熱機(jī)的制熱量是隨著進(jìn)設(shè)備的沖渣水溫度的變化而變化的，而東場渣池和西場渣池的沖渣水溫度存在相反的關(guān)系，一側(cè)高，另一側(cè)低。當(dāng)東場的熱源站設(shè)備處于中溫工況運(yùn)行時(shí)，此時(shí)西場的熱源站設(shè)備也處于中溫工況下運(yùn)行，當(dāng)兩個(gè)熱源站的直熱機(jī)都運(yùn)行在中溫下的額定工況時(shí)，制熱量最大為56MW；當(dāng)一側(cè)的熱源站直熱機(jī)達(dá)到最佳性能時(shí)，另一側(cè)的直熱機(jī)的性能則衰減到最差，這是兩側(cè)熱源站提取余熱量最差的時(shí)間段，此時(shí)兩者相加的制熱量為52MW。

6 結(jié)語

對鋼鐵企業(yè)高爐沖渣水余熱資源的回收進(jìn)行了較全面的研究，對余熱資源計(jì)算、供熱能力分析及設(shè)備選型等方面都給出了詳細(xì)的說明。由實(shí)際效果來看，河鋼唐鋼高爐沖渣水余熱資源回收項(xiàng)目運(yùn)行平穩(wěn)，在采暖季累計(jì)向唐山市熱力公司供熱56.2萬Gj，直接創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益400余萬元，為唐山市采暖季居民供熱節(jié)約標(biāo)煤約19180t，減少排放二氧化碳50250t，氮氧化物142t，二氧化硫163t。