趙利平，王鐵民

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司 能源與環(huán)境部，河北 唐山 063200）

1 概述

首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限公司建有7座換熱站，主要負(fù)責(zé)全廠生產(chǎn)、生活、辦公區(qū)域的采暖水供應(yīng)，站內(nèi)主要換熱設(shè)備為汽-水管式換熱器，以蒸汽為熱媒與采暖水換熱的形式供暖。隨著二期項(xiàng)目投運(yùn)，蒸氣使用量增加，蒸氣不平衡現(xiàn)象凸顯，尤其進(jìn)入采暖季之后蒸氣缺口進(jìn)一步增大，對公司整體生產(chǎn)造成了影響。

高爐在煉鐵工藝過程中，會產(chǎn)生大量的沖渣水，沖渣水余熱沒有得到有效利用。本著節(jié)能減排可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略原則，按照“高質(zhì)高用、能質(zhì)匹配、等效替代、集成優(yōu)化、分步利用”的原則，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)能源價值、能源效率的最優(yōu)匹配，追求冶金企業(yè)能源流有序運(yùn)行，以此為目標(biāo)，開發(fā)利用高爐沖渣水余熱資源。

2 高爐沖渣水特點(diǎn)

2.1 高爐沖渣水作為一種低溫廢熱源，流量大

在煉鐵沖渣工藝中，沖制1噸水渣需要的循環(huán)水量約為10噸左右，以首鋼京唐公司1#高爐為例，沖渣系統(tǒng)每小時沖渣水量為2000t。

2.2 沖渣水易析晶、結(jié)垢

高爐沖渣水是爐渣在1000℃～1400℃左右熔融狀態(tài)下水淬后形成的，在水淬過程中，高爐爐渣的一些成分溶解在循環(huán)水中，此外沖渣水經(jīng)過處理冷卻之后重復(fù)參與沖渣，反復(fù)沖渣之后沖渣水不斷被濃縮，使水的成分發(fā)生很大變化。渣水中的鈣、鎂離子極易與碳酸鹽發(fā)生反應(yīng)，形成Caco3、Mgco3，沖渣水達(dá)到飽和狀態(tài)后，這些無機(jī)鹽類就會沉積在設(shè)備表面形成垢層。

2.3 沖渣水具有腐蝕性

沖渣水中含有高濃度氯化物、硫酸鹽類物質(zhì)，對普通的不銹鋼和碳鋼材質(zhì)管道極易產(chǎn)生化學(xué)腐蝕，尤其氯根含量過高，對設(shè)備、管道會造成腐蝕。

我國在1980年左右，開始嘗試沖渣水余熱供暖，但是由于渣水品味差，易腐蝕、堵塞的特點(diǎn)，沖渣水余熱回收利用難以產(chǎn)業(yè)化推廣，隨著研究實(shí)踐的深入和技術(shù)的發(fā)展，行業(yè)內(nèi)逐漸形成了成熟可靠的余熱回收利用方式。近年來高爐沖渣水作為余熱資源，已成為應(yīng)收盡收、高效利用的重點(diǎn)對象。

3 高爐沖渣水作為熱媒采暖形式

針對沖渣水易結(jié)垢、腐蝕傾向大的特點(diǎn)，沖渣水不適合直接用于采暖，通過增加換熱器回收沖渣水余熱間接供暖，以沖渣水充當(dāng)熱媒，采暖水作為冷媒，換熱后的采暖水供應(yīng)用戶。間接換熱有以下特點(diǎn)。

（1）采暖水與沖渣水互不交叉，采暖系統(tǒng)與沖渣系統(tǒng)保持相互獨(dú)立，同時解決了渣水直接參與換熱后采暖管線、散熱器、閥門堵塞的問題。

（2）中間增加調(diào)峰加熱單元，以應(yīng)對高爐故障后的正常供暖及采暖系統(tǒng)補(bǔ)熱使用。

（3）采暖水為閉式循環(huán)，維護(hù)便捷。

采用間接換熱的采暖方式，從根本上解決了沖渣水對采暖側(cè)帶來的困擾，但是如果選擇普通的換熱器還不能從根本上解決熱媒側(cè)堵塞問題，因此需要設(shè)計(jì)沖渣水專用換熱器解決沖渣水堵塞問題。目前使用較為廣泛的專用換熱器有螺旋扁管換熱器、全焊接板式換熱器。通過對1#高爐沖渣水水質(zhì)取樣化驗(yàn)，化驗(yàn)結(jié)果顯示渣水水質(zhì)比較好，濁度非常低，對換熱設(shè)備磨損低，有利于延長換熱設(shè)備的壽命，在換熱器之前無需增加過濾裝置，針對現(xiàn)有沖渣系統(tǒng)及水質(zhì)決定選用介于常規(guī)板換與寬流道板換之間的換熱器，在避免腐蝕、堵塞、沖蝕的基礎(chǔ)上提高換熱效率。京唐公司根據(jù)站所布局選擇1#高爐沖渣水余熱回收后用于改造京唐3#換熱站，前期對現(xiàn)有沖渣系統(tǒng)、采暖系統(tǒng)及供熱負(fù)荷綜合考慮選擇配套換熱器。

4 系統(tǒng)配置及設(shè)計(jì)方案

4.1 3#換熱站熱實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷情況

3#換熱站冬季負(fù)責(zé)向采暖用戶和空調(diào)換熱提供熱源，原設(shè)計(jì)冬季總熱負(fù)荷：16000kW，總循環(huán)水量為：662m3/h,供回水溫度95℃/70℃，設(shè)計(jì)耗蒸汽量：28.8t/h。根據(jù)3#換熱站運(yùn)行實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，冬季循環(huán)水量為：500m3/h，運(yùn)行溫差為8℃～12℃，平均供水溫度為55℃～60℃，總運(yùn)行負(fù)荷在6MW～8MW區(qū)間。實(shí)測3#換熱站冬季蒸汽實(shí)際耗量平均為20t/h。

4.2 系統(tǒng)配套

1#高爐配套有2座沖渣泵站，東西兩座沖渣泵站交替運(yùn)行，為了盡可能降低對沖渣系統(tǒng)的影響，又確保最大限度提取沖渣水余熱，同時兼顧項(xiàng)目前期投資和未來收益，對現(xiàn)有沖渣系統(tǒng)上塔提升泵、采暖系統(tǒng)采暖泵供應(yīng)能力及采暖系統(tǒng)負(fù)荷綜合評估研究，目前的采暖泵、上塔提升泵可以直接利舊使用，只需在高爐一側(cè)增加換熱裝置就可以滿足采暖需求，根據(jù)兩座沖渣水泵站和3#換熱站布局決定將換熱裝置設(shè)置在離3#換熱站距離較近的2#沖渣泵站附近。根據(jù)3#換熱站實(shí)際運(yùn)行情況可以看出，冬季最冷月平均熱負(fù)荷為8MW，循環(huán)水量為：500m3/h，1#高爐沖渣水余熱利用根據(jù)此負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮到設(shè)備能力及互為備用選擇設(shè)置三臺寬流道換熱器，三臺寬流道換熱器以并聯(lián)形式連接，每臺換熱器換熱能力為：3MW，當(dāng)其中一臺檢修時，其它兩臺可以保證75%的總熱負(fù)荷。沖渣水余熱利用設(shè)計(jì)參數(shù)如下圖表1。

表1 高爐余熱利用量計(jì)算

寬流道換熱器技術(shù)特點(diǎn)：

（1）液液換熱，傳熱系數(shù)高，壓降小。

（2）工況適應(yīng)強(qiáng)，可根據(jù)不同工藝要求，靈活設(shè)置流程組合，可實(shí)現(xiàn)多行程純逆流換熱。

（3）兩側(cè)介質(zhì)進(jìn)出口可拆平端蓋設(shè)計(jì)便于檢修。

（4）針對沖渣水水質(zhì)特點(diǎn)采用凹點(diǎn)板片精密電阻點(diǎn)焊形成板對，采暖水走對內(nèi)間距6-8mm窄流道，板對間通過兩側(cè)及中間的支撐條焊接形成10-30mm寬流道，寬流道側(cè)無觸點(diǎn)，保證了渣水流過板片時順暢、無死區(qū)、不沉淀、不堵塞，

4.3 管路布局

以沖渣水換熱工藝為基礎(chǔ)，結(jié)合投運(yùn)后的控制系統(tǒng)及應(yīng)急處理，全盤考慮設(shè)計(jì)管道路由及配套閥門。具體實(shí)施方案如下：

從兩座沖渣泵站上塔管分別取點(diǎn)接出渣水管道匯成一根母管與寬流道換熱器渣水入口連接，3#換熱站汽水換熱器入口管道引出支線管道與寬流道換熱器采暖水入口連接，并增設(shè)采暖水支線閥門（閥1）；寬流道換熱器采暖水出口與汽水換熱器入口連接，連接處增設(shè)閥門（閥2）；同時在原汽水換熱器入口管道增加旁通閥門（閥3），用于寬流道換熱器與汽水換熱器切換使用；在舊有沖渣水上塔管上設(shè)置切換閥門（渣水供水閥門）與寬流道換熱器渣水入口連接，寬流道換熱器渣水出口直接通過鋪設(shè)管道與渣水池連接，并增設(shè)控制閥門（渣水回水閥），以便于沖渣水冬季系統(tǒng)切換、夏季上塔的控制。具體閥門位置如圖1所示。

5 沖渣水換熱系統(tǒng)工藝流程

（1）一次側(cè)水為1#高爐沖渣水（75/60℃），通過管道引至換熱器換熱后制取65℃的二次側(cè)熱水經(jīng)3#換熱站采暖水泵供給各采暖用戶，具體流程如下說明，工藝流程圖詳見以下圖1。

圖1 沖渣水換熱工藝流程圖

（2）一次側(cè)水系統(tǒng)為高爐沖渣水熱源循環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)、出水溫75/60℃，沖渣水量為500m3/h。冬季75℃的高爐沖渣水利用上塔提升泵余壓進(jìn)入寬流道換熱器進(jìn)行換熱，換熱后沖渣水溫度降低至60℃，繼續(xù)用于高爐沖渣。

（3）二次側(cè)水系統(tǒng)為3#換熱站采暖熱水循環(huán)系統(tǒng)，供、回水溫為50/65℃，采暖系統(tǒng)系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，系統(tǒng)水質(zhì)為除鹽水。采暖水循環(huán)量為500m3/h。從采暖用戶回來的50℃熱水經(jīng)除污器過濾后，再經(jīng)采暖循環(huán)水泵加壓進(jìn)入寬流道換熱器吸取沖渣水余熱，加熱到65℃后經(jīng)3#換熱站外部管網(wǎng)送至采暖用戶，二次水系統(tǒng)在循環(huán)水泵吸入口設(shè)置變頻定壓補(bǔ)水裝置。

（4）為保證高爐停產(chǎn)檢修時采暖用戶的供熱需求，利用3#換熱站內(nèi)原有汽—水換熱器作為備用，汽水換熱器系統(tǒng)入口側(cè)主管道與高爐沖渣水換熱系統(tǒng)供回水主管道之間設(shè)置切換閥門。當(dāng)高爐停產(chǎn)檢修時，關(guān)閉進(jìn)入沖渣水換熱器的熱水供回水主管道閥門，完全打開汽水換熱器主管道閥門，采用汽水換熱器進(jìn)行供熱。在極端天氣，沖渣水取熱溫度不足以滿足采暖時，可以通過汽水換熱器補(bǔ)熱，靈活回收沖渣水余熱。

根據(jù)沖渣水換熱系統(tǒng)工藝，兩座渣水站渣水供回水閥門正常切換保持換熱系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，新增換熱系統(tǒng)按無人值守設(shè)計(jì)，依靠PLC控制完成系統(tǒng)切換，要求自動化程度較高，系統(tǒng)穩(wěn)定性要強(qiáng)。

6 改善后效益及效果

（1）以高爐沖渣水余熱為熱媒用于采暖項(xiàng)目的實(shí)施，使公司蒸汽運(yùn)行不平衡問題得到了有效緩解，按照冬季一個采暖季120天計(jì)算，3#換熱站采暖季小時平均耗汽量為20t/h,改造后降至0，每個采暖季可節(jié)約蒸汽57600t。合計(jì)年效益316.8萬元。

（2）經(jīng)過一個采暖季運(yùn)行，沖渣系統(tǒng)、采暖系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，生產(chǎn)區(qū)域、辦公區(qū)域的室內(nèi)熱環(huán)境指標(biāo)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

7 結(jié)語

首鋼京唐公司1#高爐沖渣水余熱資源利用于采暖系統(tǒng)的實(shí)踐，是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、社會效益極為顯著的節(jié)能環(huán)保項(xiàng)目，兩座交替運(yùn)行的沖渣系統(tǒng)中增加一組換熱裝置回收余熱的探索與優(yōu)化，為鋼鐵業(yè)沖渣系統(tǒng)余熱回收、生態(tài)化的可持續(xù)發(fā)展提供了參考。