高爐沖渣水余熱利用探討

陳蓉華

(中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶 401122)

鋼鐵企業是工業生產耗能大戶,國家統計數據顯示，中國鋼鐵工業總能耗占工業總能耗的23%，占全國總能耗的16.3%[1]。鋼鐵企業在生產過程中產生的余熱資源占全部生產能耗的60%左右,可回收的余熱資源十分豐富。隨著鋼鐵節能技術的發展，鋼鐵企業中品質較高且穩定的余熱資源如各類剩余煤氣、高溫煙氣余熱等目前已經得到較為充分的回收利用，而低品味余熱資源如高爐沖渣水余熱利用率還較低。做好高爐沖渣水余熱回收工作，既能節約能源，又能保護周邊環境，具有重要的實際意義。

1 高爐沖渣水余熱資源特點

1.1 余熱利用潛力巨大

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來進行冷卻。其工藝流程為：在主鐵溝與鐵水分離后的熔渣在渣溝末端被沖制箱噴出的高速水流水淬粒化，粒化后的渣水混合物經脫水過濾后送至水渣堆場，脫出的水進入熱水池，產生了大量70～85 ℃的沖渣熱水，為了保證沖渣水的循環利用效果，需要將這部分沖渣熱水在沉淀過濾后引入空冷塔，降溫到60 ℃以下通過粒化泵站再次送至沖制點循環沖渣，或進行自然降溫后繼續循環沖渣，這一過程中大量的熱量被白白浪費，既造成了能源的浪費，又對環境造成了熱污染。高爐沖渣水低溫余熱的一個顯著特點是：熱源溫度較低，但其流量卻相當大。以年產生鐵量250萬t的3 000 m3級高爐為例，其循環沖渣熱水量就高達2 200 m3/h，沖渣水熱負荷約40 MW，高爐沖渣循環水水量巨大，余熱利用潛力大。

1.2 腐蝕性強

隨著環保要求的不斷提高，很多鋼鐵廠為了降低廢水的排放量，將焦化、脫硫、燒結、酸洗等工序產生的含鹽量較高的廢水送至高爐用于沖渣，導致高爐沖渣水中的含鹽量持續升高，高爐沖渣水中磷酸根離子、氯離子等大量聚集，沖渣水中磷酸根離子、氯離子高達2 000～8 000 mg/L，這些離子根對碳鋼的腐蝕作用很強，容易對高爐沖渣水系統中的設備造成腐蝕，影響系統設備的正常運行。

1.3 易造成換熱設備堵塞

高爐沖渣水在沖渣過程中直接接觸高爐熔渣，熔渣中的部分化學成分大量溶解于高爐沖渣水中。高爐沖渣水中含有氧化鈣、二氧化硅、氧化鎂、氧化鋁等氧化物，隨著系統的不斷循環運行和換熱過程中沖渣水的降溫，這些溶質以晶體的形式析出，附著在渣水管道內壁和換熱設備表面，容易造成渣水管道及換熱裝置的污堵，影響高爐沖渣水系統正常運行。

1.4 沖渣水熱源不穩定

高爐出渣是間斷的，根據操作水平的不同，每日出渣10～15次不等，每次出渣時間約60～80 min。出渣過程中沖渣水的溫度也不穩定，剛開始出渣時，渣水池溫度偏低，隨著出渣時間的加長，渣水溫度逐步升高，到出渣結束鐵口封堵前，渣水溫度達到最高值。沖渣水溫度的波動，影響其余熱資源的有效利用。

2 高爐沖渣水余熱主要利用方式。

2.1 高爐沖渣水余熱采暖技術

高爐沖渣水余熱采暖技術主要包括直接換熱、間接換熱兩種方式。直接換熱方式是將過濾后的沖渣水作為采暖熱源直接進入采暖終端設備如暖氣片等進行換熱。由于沖渣水腐蝕性強并且容易堵塞管道和設備，同時高爐沖渣水熱源的不穩定，直接換熱采暖方式已基本被取締。目前鋼鐵企業大多采用間接換熱采暖方式，沖渣水作為熱源與采暖回水在渣水換熱器中進行換熱，換熱后的采暖熱水供至用戶終端設備進行采暖，渣水系統和采暖水系統相對獨立，可有效解決采暖水管道及暖氣片等發生堵塞和腐蝕的問題。

高爐沖渣水余熱采暖利用技術相對簡單，適用于北方城市冬季使用。

2.2 用于溴化鋰吸收式制冷

高爐沖渣水經過濾后進入換熱器內間接換熱產生60～75℃的熱水，產生的熱水通過管網送入熱水型溴化鋰吸收式制冷機組作為其熱源制取冷凍水，制取的冷凍水可用于高爐鼓風脫濕工藝，也可用于夏季室內空調制冷。

高爐沖渣水余熱用于溴化鋰吸收式制冷，可與沖渣水余熱采暖聯合設置，夏季制冷、冬季采暖，以最大限度地提高沖渣水余熱利用效率。

2.3 高爐沖渣水余熱用于海水淡化

高爐沖渣水在渣水換熱器中與除鹽水進行換熱，制備約70 ℃左右的高溫水，高溫水送往海水淡化單元，在閃蒸罐中閃蒸為低溫飽和蒸汽送往低溫多效海水淡化裝置制取淡水。將高爐沖渣水的低溫余熱回收作為海水淡化的熱源，降低了海水淡化成本，適用于在沿海區域配置了海水淡化裝置的鋼鐵企業。

2.4 高爐沖渣水余熱發電

高爐沖渣水余熱發電技術是利用液氨、R134、R600等工質與沖渣水換熱以回收沖渣水余熱。經過沉淀過濾等預處理后的高爐沖渣水進入專用換熱器，將熱量傳遞給工質，換熱后溫度降低送至冷水池循環使用。工質在換熱器內吸收熱量后蒸發為過熱蒸汽，進入汽輪機膨脹做功，對外輸出電能。做工后的工質冷凝后變成低溫低壓的液體工質送回換熱器中吸熱，再次變成過熱蒸汽進入汽輪機做功。

高爐沖渣水發電余熱利用方式，其主要弊端是做工工質安全性存在隱患、設備維護復雜、設備發電成本高。目前國內還在試驗運行階段，根據相關試驗數據，低溫余熱發電效率為4%～5%[2]。

3 高爐沖渣水換熱器的選擇

目前國內高爐沖渣水的主要利用方式中，除用于余熱發電需要特殊工質外，其余均是通過渣水換熱器將沖渣水的余熱提取出來加以利用，因此沖渣水換熱器的選擇對整個系統的穩定運行有著重要的影響。根據高爐水渣工藝的不同，常用的換熱器形式有帶過濾器可拆板式換熱器、可拆自由流道板式換熱器、寬通道焊接板式換熱器、真空相變換熱器等幾種，各鋼鐵企業可根據自身特點選擇合適的換熱設備。

帶過濾器可拆板式換熱器的流道寬度約3～4 mm，渣水經過粗、精過濾后在可拆板式換熱器中換熱，傳熱效率高，但由于其流道寬度的限制，過濾器和換熱器容易堵塞，抗堵性較差，清洗周期短，適用于渣水品質相對較好的底濾法水渣工藝。

可拆自由流道板式換熱器流道寬度約10～12 mm，采用渦旋管間壁式逆流換熱，傳熱效率高，沖渣水中絮狀渣棉容易堵塞流道，增加系統阻力，清洗周期一般為一個采暖季，對渣水的品質有一定的要求，適用于底濾法水渣工藝。

寬通道焊接板式換熱器將流道寬度進一步加大至15～30 mm，采用無過濾間壁式逆流換熱原理，對污水中常見的固體懸浮物具備較強的抗堵性能，但無法阻止溶解在渣水中的大量鹽堿類物質在換熱過程中的結晶、結垢現象，長期運行也有堵塞可能，設備自身耗鋼量較大，投資成本較大，清潔周期和使用壽命較可拆卸板式換熱器長，適用于底濾、平流、嘉恒、印巴等水渣工藝。

真空相變式換熱器利用水在真空狀態下沸點降低的特點，通過真空泵使蒸發器保持真空狀態，渣水進入蒸發器中閃蒸為清潔蒸汽，閃蒸出的清潔蒸汽再進入冷凝器中與系統水進行換熱。真空相變式換熱器避免了渣水和換熱壁面的直接接觸，解決了換熱過程渣水中的鹽堿類雜質結晶、結構現象和腐蝕問題，換熱器清潔周期較長，適用于鋼廠各種水渣工藝，但其換熱效率較板式換熱器低，投資成本和占地面積較大。

4 高爐沖渣水余熱采暖技術應用

某鋼鐵企業擬利用高爐沖渣水換熱供應廠區和附近居民采暖使用。高爐沖渣采用環保轉鼓水渣工藝，出渣時間約80 min，其沖渣水循環水量約2 200 m3/h，沖渣水進水溫度約63 ℃，排出溫度約78 ℃。沖渣水換熱站采用間接換熱方式，余熱回收系統由沖渣水加壓泵、過濾器、換熱器、溫控裝置、電控裝置、循環泵、補水泵等組成。高爐沖渣水在PLC控制下經加壓泵加壓，按照所需流量經過濾器后進入換熱器，將熱量傳遞給采暖水，降溫后回流到冷卻水池；采暖水回水首先進入循環水泵，再進入換熱器，獲取熱量后供至用戶，供水溫度由溫控裝置自動控制。采暖水系統采用自動補水裝置，采暖水回水壓力低于設定范圍下限時補水泵自動開啟升壓，壓力達到設定范圍上限時補水泵停止。采暖水回水壓力超過設定范圍上限值時，安全閥排水泄壓，維持采暖水回水壓力適宜。熱力流程圖見圖1。

圖1 沖渣水余熱采暖熱力流程圖

采暖用戶供回水溫度為67 ℃/55 ℃,換熱器熱效率按0.94考慮，高爐鐵渣所含熱量計算見表1，計算結果表明，高爐鐵渣蘊含36 MW的熱量，考慮可利用其中的60%，則可供利用的熱量也達21.6 MW，用于供暖則可供36萬m2的面積采暖。

表1 某3 000 m3高爐沖渣熱量計算

5 結 語

高爐沖渣水余熱利用作為鋼鐵企業節能減排的一項具體措施，具有明顯的經濟效益和環保效益。高爐沖渣水余熱采暖技術為鋼鐵企業周邊的城市供暖提供了有效的清潔熱源，建議在北方鋼鐵企業中進一步加強推廣應用。