(青島理工大學(xué) 山東 青島 266033)

高爐沖渣水余熱回收及采暖應(yīng)用現(xiàn)狀

孫昊趙馥琳

(青島理工大學(xué)山東青島266033)

“開源、節(jié)流、增效、減排”是時(shí)代發(fā)展的主題，但在社會生產(chǎn)的過程中特別是工業(yè)領(lǐng)域卻消耗著大量的能量，并都以低溫?zé)崴男问脚欧诺?，文章以鋼鐵廠的高爐沖渣水為例，介紹了其余熱特點(diǎn)及主要余熱回收方式，并詳細(xì)說明了其用于采暖的應(yīng)用現(xiàn)狀以及應(yīng)用時(shí)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為鋼鐵企業(yè)的余熱利用提供了參考。

高爐沖渣水;余熱回收;采暖;應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，隨著國家節(jié)能減排政策的實(shí)施，鋼鐵產(chǎn)業(yè)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(huán)沖洗，80℃左右沖渣水引入空冷塔，冷卻成60℃左右的水。循環(huán)過程中通過冷卻塔將大量低溫余熱散發(fā)到大氣中，不僅造成了能源浪費(fèi)，而且對環(huán)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(fèi)掉，而低溫余熱約占總余熱的35%[2]。高爐沖渣水流量大，運(yùn)行時(shí)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(jié)約能源又能保護(hù)環(huán)境。

一、沖渣水余熱特點(diǎn)與余熱回收方案

(一)沖渣水質(zhì)特點(diǎn)

煉鐵高爐在進(jìn)行沖渣時(shí)，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(shí)甚至?xí)_(dá)到100℃，同時(shí)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(xué)組成也就是硅酸鈣和硅酸鋁，但在對廢水進(jìn)行過濾的過程中，后兩種渣質(zhì)很難去除，成為沖渣水回收利用的一大技術(shù)難題[3]。除了上述四種渣質(zhì)以外，廢水中還蘊(yùn)含著大量的如CL-等的化學(xué)物質(zhì)，腐蝕性較大，所以在進(jìn)行余熱回收的過程中要特別注意設(shè)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(nèi)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(fā)電兩種，其中，直接利用顯熱提供冬季采暖的應(yīng)用比較成熟，很多單位如鞍鋼、濟(jì)鋼等均是采用的此方案，而余熱發(fā)電技術(shù)目前還處于實(shí)驗(yàn)研究階段，尚未投入生產(chǎn)實(shí)踐。除此之外，沖渣水余熱還可以用于海水淡化、超濾暖水、區(qū)域制冷等。

1.采暖

高爐沖渣水首先進(jìn)入沉淀池進(jìn)行沉淀，再由沖渣水泵送至熱力換熱站，經(jīng)過濾后通過換熱器與采暖水換熱，最后回到?jīng)_渣池中循環(huán)沖渣[4]。這種余熱利用方式技術(shù)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(yùn)含的熱量也很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了廠區(qū)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(shè)備中形成積垢；采暖只能冬季使用，其他季節(jié)或者南方不采暖城市無法回收余熱，依舊會造成能源浪費(fèi)[5]。

2.發(fā)電

由于沖渣水可利用的溫度只有70℃-80℃，而其他行業(yè)成熟的余熱發(fā)電技術(shù)系統(tǒng)工作溫度都在100℃以上，所以該技術(shù)目前還不成熟[4]，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)兩種。有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)主要就是利用沖渣水余熱加熱低沸點(diǎn)的有機(jī)工質(zhì)，使其蒸發(fā)成高壓氣體推動高效率汽輪機(jī)發(fā)電[6]，而溫差發(fā)電則是將兩種導(dǎo)體一端連接，另一端分別置于高、低溫環(huán)境中，根據(jù)熱電效應(yīng)的原理，溫差便產(chǎn)生了電勢差[7,8]。這兩種發(fā)電技術(shù)都存在發(fā)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(zhì)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(yīng)用現(xiàn)狀

自上世紀(jì)八十年代以來，國內(nèi)眾多鋼鐵企業(yè)就已嘗試并成功實(shí)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(shè)備進(jìn)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(shè)備進(jìn)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(zhì)，在渣池中經(jīng)初步沉淀后，仍需經(jīng)過多級過濾才能直接送入采暖系統(tǒng)。以較早采用直接換熱采暖的鞍鋼為例，高爐采用印巴法進(jìn)行沖渣，經(jīng)過濾后再進(jìn)行供暖，供暖總面積達(dá)220余萬平方米[10]；宣鋼則是將沖渣水經(jīng)自動反沖洗過濾器進(jìn)行一級過濾后，再加入混凝劑經(jīng)纖維過濾罐進(jìn)行二級過濾，最后送入采暖區(qū)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(jīng)水渣池、平流沉淀池、普通快濾池的三次沉淀過濾再進(jìn)行直接供暖[12]。諸如此類的鋼鐵企業(yè)還有很多，這種方式的采暖不僅系統(tǒng)簡單，造價(jià)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(zhì)，采暖管道及設(shè)備的堵塞現(xiàn)象依舊不可避免，而且由于沖渣水系統(tǒng)與采暖系統(tǒng)并不獨(dú)立，二者相互影響，穩(wěn)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(jù)上述內(nèi)容可知，直接換熱取暖有著諸多缺點(diǎn)，故間接換熱供暖方式逐漸地成為大多數(shù)鋼鐵廠的歡迎對象，其采暖水與沖渣水通過板式換熱器進(jìn)行間接換熱，成功克服了采暖系統(tǒng)的堵塞、腐蝕及系統(tǒng)穩(wěn)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(jìn)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(jìn)行沖渣，并將沖渣水進(jìn)行底濾過濾后送入換熱站，經(jīng)板式換熱器換熱后回到?jīng)_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(jìn)行了余熱采暖回收利用，沖渣水經(jīng)過過濾后進(jìn)入汽水換熱器，釋放熱量后回到?jīng)_渣冷水池再次循環(huán)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(zhì)的特點(diǎn)，已知懸渣及渣棉是極難去除的雜質(zhì)，導(dǎo)致沖渣水采暖始終存在著設(shè)備堵塞問題，所以一些廠家開始針對沖渣水專用換熱器進(jìn)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(yīng)用較為廣泛。螺旋扁管換熱器的管子截面為橢圓形，管內(nèi)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(zhì)的限制，具有壓降小、效率高、不易結(jié)垢等特點(diǎn)，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(jīng)氬弧焊焊接，板片具有獨(dú)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(yè)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(shù)難題，一是堵塞，二是腐蝕。直接換熱供暖的方式僅僅進(jìn)行了多次過濾是遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(xiàn)在大多數(shù)鋼鐵企業(yè)采用的方案。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，沖渣水采暖專用換熱器應(yīng)運(yùn)而生，不僅無需過濾，而且防堵防腐能力取得了突破性進(jìn)展，應(yīng)用前景廣闊。

三、沖渣水采暖應(yīng)用分析及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(一)應(yīng)用分析

雖然將高爐沖渣水的余熱進(jìn)行回收并用于采暖是比較成熟的技術(shù)，但也應(yīng)結(jié)合各個企業(yè)和用戶環(huán)境的具體情況分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，在保證鋼鐵生產(chǎn)正常的條件下，最大程度的回收余熱。在應(yīng)用前需要考慮的方面有[17]：①采暖用戶的性質(zhì)。盡量選擇熱負(fù)荷穩(wěn)定的用戶，可以保證系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)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(qū)地理位置。若廠區(qū)附近有軟水站或處于沿海區(qū)域，可同時(shí)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(bǔ)貼政策。可爭取相應(yīng)補(bǔ)貼為企業(yè)帶來額外收益。當(dāng)然，上述考慮只能作為一般思考方向，實(shí)際進(jìn)行應(yīng)用分析時(shí)也要結(jié)合廠家自身特點(diǎn)加以細(xì)化創(chuàng)新。

(二)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)把握好每個環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，才能做到熱量高回收、系統(tǒng)高效率、企業(yè)高收益。目前主要有設(shè)備和系統(tǒng)兩方面需要注意[18]：首先是過濾設(shè)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(yùn)行可靠、不需特殊維護(hù)等特點(diǎn)的過濾器，而且不論哪種程度的過濾設(shè)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(zhì)的耐腐耐磨特性，最好方便清洗以減少維護(hù)成本；最后是系統(tǒng)型式的選擇，應(yīng)根據(jù)用戶距廠區(qū)的遠(yuǎn)近選擇開式還是閉式系統(tǒng)，且應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的旁路和保護(hù)措施以防止異常狀況對高爐系統(tǒng)的影響。

四、結(jié)論

高爐沖渣水所蘊(yùn)含的低溫余熱能量巨大，若將其全部回收利用將會對環(huán)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(jié)能環(huán)保又能給企業(yè)帶來額外的收益，既響應(yīng)了國家號召又給企業(yè)提供了新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展前景，但同時(shí)需要考慮設(shè)備的堵塞與腐蝕問題。在非采暖季節(jié)或者南方不供暖區(qū)域，沖渣水余熱除了制冷、發(fā)電外，還可加熱洗浴用水、加熱軟化水，或根據(jù)地理?xiàng)l件進(jìn)行海水淡化等，這樣就克服了余熱利用的時(shí)間限制和區(qū)域限制，充分發(fā)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(diào)方面的研究。