高爐沖渣水余熱利用現(xiàn)狀分析

朱斌帥，陳飛飛

(杭州華電雙良節(jié)能技術(shù)有限公司，浙江杭州310030)

摘要：為促進(jìn)鋼鐵廠高爐沖渣水余熱的回收利用，本文在調(diào)研的基礎(chǔ)上，對目前該領(lǐng)域主要技術(shù)的研究和應(yīng)用情況進(jìn)行了闡述與分析，例舉了部分典型工程的建設(shè)與運(yùn)行情況，總結(jié)了當(dāng)下已建成系統(tǒng)中普遍存在的主要問題和改進(jìn)發(fā)展方向，為日后同類工程的規(guī)劃建設(shè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：沖渣水；余熱利用；采暖；現(xiàn)狀；主要問題

中圖分類號：TK11`+5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-6339 (2015) 05-0425-03

Abstract：In order to promote energy efficiency of iron and steel plants, the investigation about recovery of waste heat of blast furnace slag-washing water has been carried out. Research and application situation of this field, as well as construction and running situation of some typical projects, is expounded in the paper. Major problems of existing projects are summarized on basis of the survey, and the development trends are also discussed. It provides the reference for the planning and construction of further similar projects.

收稿日期2014-12-24修訂稿日期2015-07-14

作者簡介：朱斌帥(1985~)，男，碩士，工程師，主要從事供熱節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用工作。

Development Status of Waste Heat Utilization of Slag-washing Water of Blast Furnace

ZHU Bin-shuai, CHEN Fei-fei

(Hangzhou Huadian Shuangliang Eco-energy Technology Co.,Ltd., Hangzhou310030, China)

Key words：slag-washing water; waster heat utilization; heating; present state; major problems

0概述

鋼鐵廠生產(chǎn)工藝中產(chǎn)生沖渣水?dāng)y帶有大量的中低溫廢熱，國內(nèi)早在上世紀(jì)就已經(jīng)開始嘗試高爐沖渣水余熱的有效利用，初期主要采用直供沖渣水的方式進(jìn)行冬季采暖，但是由于水質(zhì)較差，熱交換器極易發(fā)生腐蝕與堵塞，使得余熱利用經(jīng)濟(jì)效益不明顯[1]。近年來在國家節(jié)能政策的引導(dǎo)下，高爐沖渣水余熱利用技術(shù)有了長足的發(fā)展。

1主流技術(shù)研究與應(yīng)用情況

目前建成的沖渣水余熱利用工程以采暖方式為主，采用的技術(shù)方法主要有改進(jìn)型直供采暖和間接換熱采暖，國內(nèi)外學(xué)者在余熱發(fā)電方面進(jìn)行了大量的研究并取得了可喜的進(jìn)展。

1.1　余熱采暖

加強(qiáng)過濾是緩解換熱系統(tǒng)堵塞最直接的方法，改進(jìn)型直供采暖技術(shù)主要運(yùn)用了數(shù)道精過濾工藝，使得渣水水質(zhì)得到明顯改善[2]。但物理過濾法一般只能除去渣水中的顆粒物質(zhì)和棉絮類物質(zhì)，仍不能降低渣水中的鹽分析出而造成的換熱管網(wǎng)堵塞風(fēng)險。

要遏抑渣水中鹽分的析出，則應(yīng)盡可能提高渣水的利用溫度，采用間接換熱采暖形式很好地解決這個問題。間接換熱采暖即采用二級熱網(wǎng)，沖渣水只在廠內(nèi)一級熱網(wǎng)中循環(huán)，通過供熱首站將熱量傳遞給二級熱網(wǎng)而供至熱用戶，二級熱網(wǎng)中采用水質(zhì)較好的中水[3]。該形式系統(tǒng)基本消除了用戶側(cè)換熱設(shè)備堵塞的問題，只需對供熱首站進(jìn)行定期維護(hù)即可，大大降低了維護(hù)成本。

通過對換熱器中沖渣水流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，控制渣水在換熱器中的流場布置，如加強(qiáng)擾動、消除沉積死角等，針對沖渣水熱余熱利用設(shè)計(jì)的換熱器防堵性能和換熱效率可獲得大幅提升[1,4]，堵塞問題可基本得到解決，間接換熱采暖技術(shù)已逐漸成為國內(nèi)高爐沖渣水余熱采暖的主要方式。

1.2　余熱發(fā)電

余熱發(fā)電技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域已有較多應(yīng)用，如轉(zhuǎn)爐蒸汽發(fā)電、水泥窯余熱發(fā)電等，但高爐沖渣水的品位比上述余熱都要低得多，用于發(fā)電難度較大。此類技術(shù)目前仍處于前期研究階段，尚未見工業(yè)應(yīng)用[5]，主要包括有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)和溫差發(fā)電技術(shù)。

有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電主要利用了有機(jī)工質(zhì)的低沸點(diǎn)特性，通過熱交換器將沖渣水的熱量用于加熱有機(jī)工質(zhì)使其蒸發(fā)成高壓氣體，并推動汽輪機(jī)做功[6-7]。國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究，并研制了部分樣機(jī)，目前該技術(shù)面臨的主要難點(diǎn)包括有機(jī)循環(huán)工質(zhì)的調(diào)配、發(fā)電效率較低、成本過高等[8]。

溫差發(fā)電是基于熱電效應(yīng)開發(fā)的能源利用方式，主要原理是將兩類材料一端連接在一起，另一端開路并分別放置在高、低溫環(huán)境中，此時高溫端的空穴和電子濃度高于低溫端，濃度梯度導(dǎo)致了低溫開路端的電勢差[9-10]。這種靠溫差便能發(fā)電的裝置在轉(zhuǎn)換能源過程中沒有機(jī)械運(yùn)動部件，具有壽命長、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但也存在熱電轉(zhuǎn)化效率低、成本過高等問題，需要進(jìn)一步的研究發(fā)展。

2部分典型工程建設(shè)與運(yùn)行情況

2.1　河北某鋼廠項(xiàng)目

該廠于2013年開始進(jìn)行了2×450 m3高爐沖渣水余熱利用，使用的沖渣水總流量為700 t/h，制熱量為20 MW，熱交換器渣水入口設(shè)計(jì)溫度為70℃，二級熱網(wǎng)設(shè)計(jì)出口水溫為60℃。經(jīng)現(xiàn)場考察，了解情況如下：

(1)該廠從2013年開始投用余熱采暖系統(tǒng)，暫時沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的堵塞和腐蝕情況；

(2)供熱首站額外配備了蒸汽加熱裝置，避免高爐沖渣水入口溫度過低或者停爐時對正常采暖供熱的影響；

(3)無底濾池，渣水泵從池中抽取沖渣水經(jīng)過濾裝置后，送入供熱首站的螺旋扁管熱交換器，沖渣水側(cè)壓力損失約為203 kPa；

(4)采暖初期實(shí)測二級熱網(wǎng)水進(jìn)口溫度35℃，出口溫度約45℃，相對設(shè)計(jì)值偏差較大；

(5)過濾器和熱交換器設(shè)有自動反沖洗裝置，但沒有集中控制裝置，相關(guān)操作需要人為就地進(jìn)行。

2.2　遼寧某鋼廠項(xiàng)目

該廠沖渣水來自兩座容量分別為540 m3和450 m3的高爐，兩座高爐沖渣水互為備用，采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)供熱能力為20 MW，沖渣水循環(huán)流量為840 t/h左右，設(shè)計(jì)入口溫度為80℃，熱網(wǎng)循環(huán)水循環(huán)流量為180 t/h左右，二級熱網(wǎng)設(shè)計(jì)供水溫度為60℃。經(jīng)現(xiàn)場考察，了解情況如下：

(1)該廠兩座供熱站于2012年建設(shè)完工，但是外部熱負(fù)荷嚴(yán)重偏小，造成了換熱站低負(fù)荷運(yùn)行， 存在大馬拉小車現(xiàn)象，大量設(shè)備閑置；

(2)換熱站內(nèi)有3套過濾器，設(shè)計(jì)為2用1備，但因?yàn)閷?shí)際使用沖渣水流量較小，所以只有一臺過濾器工作，調(diào)研時發(fā)現(xiàn)有一臺過濾器因管道接口處漏水停用待修；

(3)換熱站內(nèi)配有4臺熱交換器，單臺換熱面積為150 m2，現(xiàn)階段只需開啟一臺熱交換器便能滿足供熱要求，并且此熱交換器沖渣水流量閥門還未全開；

(4)板式熱交換器設(shè)置了蒸汽旁路，但是使用蒸汽進(jìn)行供暖時，須關(guān)閉沖渣水管路閥門；

(5)補(bǔ)水箱主要采用自來水進(jìn)行補(bǔ)充，可為二級熱網(wǎng)補(bǔ)充水量，但補(bǔ)水箱水源水溫較低，對供暖效果會產(chǎn)生影響。

3調(diào)研發(fā)現(xiàn)的主要問題

通過對大小十余個鋼鐵廠沖渣水余熱利用項(xiàng)目的實(shí)地考察，發(fā)現(xiàn)大多已經(jīng)建成的余熱采暖項(xiàng)目基本能滿足用戶需求，但是系統(tǒng)中還存在著諸多不足，如果在后續(xù)類似項(xiàng)目實(shí)施過程中能針對性地解決這些問題，可以使項(xiàng)目實(shí)施的更合理、更經(jīng)濟(jì)、更有效。

3.1　部分項(xiàng)目設(shè)計(jì)裕度過大，系統(tǒng)復(fù)雜

部分項(xiàng)目在系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)時，未充分結(jié)合當(dāng)?shù)毓┡l(fā)展規(guī)劃進(jìn)行需求分析，一味放大備用量和可調(diào)裕度，造成系統(tǒng)出力及設(shè)備的過分冗余，不但增加了項(xiàng)目初投資，還對現(xiàn)場的布置和后期維護(hù)增加了難度。因此項(xiàng)目開工前應(yīng)結(jié)合外部條件制定有針對性的實(shí)施方案。

3.2　部分項(xiàng)目系統(tǒng)安全考慮不足

有些項(xiàng)目現(xiàn)場布置簡單，系統(tǒng)各工作模塊安全可靠性設(shè)計(jì)不足，遇上熱交換器部件故障時將導(dǎo)致供暖終端受到巨大影響；還有項(xiàng)目不能充分考慮直供可能出現(xiàn)的回水量過低的問題，事故發(fā)生時將影響高爐生產(chǎn)安全。

3.3　系統(tǒng)設(shè)計(jì)普遍存在較大節(jié)能優(yōu)化空間

由于沖渣水需要過濾，使得反沖洗手段必不可少，但部分項(xiàng)目未匹配溫度適中的反沖洗水源；使用蒸汽供暖時沒有與沖渣水換熱進(jìn)行串聯(lián)布置，使得此種情況下沖渣水余熱無法被利用；電機(jī)型號選擇不合理，導(dǎo)致系統(tǒng)用電增加。

以上僅為沖渣水余熱利用項(xiàng)目實(shí)施過程中突顯的部分典型問題，沖渣水余熱利用是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，系統(tǒng)布置的合理與否、參數(shù)匹配、施工質(zhì)量的管控及設(shè)備調(diào)試質(zhì)量等各個環(huán)節(jié)都會對項(xiàng)目的最終效果產(chǎn)生重要影響，項(xiàng)目實(shí)施過程中應(yīng)著眼大局，注重細(xì)節(jié)。

4結(jié)論

對高爐沖渣水余熱加以利用，與國家節(jié)能減排政策導(dǎo)向相吻合，目前工程上以采暖用途為主。經(jīng)過系統(tǒng)和換熱部件的改良，制約沖渣水余熱采暖應(yīng)用的堵塞問題已基本得到解決，但項(xiàng)目中仍普遍存在系統(tǒng)設(shè)計(jì)有待改進(jìn)現(xiàn)象。另外，隨著余熱發(fā)電技術(shù)研究的不斷深入，可為熱負(fù)荷不足的沖渣水余熱利用項(xiàng)目提供更為有效的解決方案。

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