高炉冲渣水余热回收及采暖应用现状

(青岛理工大学 山东 青岛 266033)

高炉冲渣水余热回收及采暖应用现状

孙昊赵馥琳

(青岛理工大学山东青岛266033)

“开源、节流、增效、减排”是时代发展的主题，但在社会生产的过程中特别是工业领域却消耗着大量的能量，并都以低温热水的形式排放掉，文章以钢铁厂的高炉冲渣水为例，介绍了其余热特点及主要余热回收方式，并详细说明了其用于采暖的应用现状以及应用时的设计要点，为钢铁企业的余热利用提供了参考。

高炉冲渣水;余热回收;采暖;应用现状

目前，随着国家节能减排政策的实施，钢铁产业中的高温余热已充分利用，但低温余热利用率较低。通常情况下，高炉炼铁炉渣温度约为1500℃，炉渣用水冷却，冷却后冲渣水的温度为80℃左右，为了再次循环冲洗，80℃左右冲渣水引入空冷塔，冷却成60℃左右的水。循环过程中通过冷却塔将大量低温余热散发到大气中，不仅造成了能源浪费，而且对环境造成了热污染[1]。目前高炉冲渣水的低温余热几乎没有回收利用，大多被浪费掉，而低温余热约占总余热的35%[2]。高炉冲渣水流量大，运行时间长，因此高炉冲渣水中存在着大量的低温余热。所以，有效的回收利用冲渣水余热，既能节约能源又能保护环境。

一、冲渣水余热特点与余热回收方案

(一)冲渣水质特点

炼铁高炉在进行冲渣时，是采用大量的水迅速地熄灭熔渣的，所以冲渣水温度会急剧上升，一般会在80℃左右，有时甚至会达到100℃，同时由于熔渣的作用，冲渣后的水往往会含有沉渣、浮渣、悬渣及渣棉等，其主要化学组成也就是硅酸钙和硅酸铝，但在对废水进行过滤的过程中，后两种渣质很难去除，成为冲渣水回收利用的一大技术难题[3]。除了上述四种渣质以外，废水中还蕴含着大量的如CL-等的化学物质，腐蚀性较大，所以在进行余热回收的过程中要特别注意设备的选型，尽量克服冲渣水的腐蚀性。

(二)余热回收方案

就国内情况而言，对于高炉冲渣水的余热回收方式主要有冲渣水采暖和余热发电两种，其中，直接利用显热提供冬季采暖的应用比较成熟，很多单位如鞍钢、济钢等均是采用的此方案，而余热发电技术目前还处于实验研究阶段，尚未投入生产实践。除此之外，冲渣水余热还可以用于海水淡化、超滤暖水、区域制冷等。

1.采暖

高炉冲渣水首先进入沉淀池进行沉淀，再由冲渣水泵送至热力换热站，经过滤后通过换热器与采暖水换热，最后回到冲渣池中循环冲渣[4]。这种余热利用方式技术简单，投资较少，但仍存在一些问题：如前文所述，冲渣水水量很大，则蕴含的热量也很大，远远超过了厂区自身的采暖所需；且水中含有很多难以去除的颗粒和悬浮物等，不能满足采暖用水要求，会在管道及设备中形成积垢；采暖只能冬季使用，其他季节或者南方不采暖城市无法回收余热，依旧会造成能源浪费[5]。

2.发电

由于冲渣水可利用的温度只有70℃-80℃，而其他行业成熟的余热发电技术系统工作温度都在100℃以上，所以该技术目前还不成熟[4]，主要包括有机朗肯循环发电技术和温差发电技术两种。有机朗肯循环发电技术主要就是利用冲渣水余热加热低沸点的有机工质，使其蒸发成高压气体推动高效率汽轮机发电[6]，而温差发电则是将两种导体一端连接，另一端分别置于高、低温环境中，根据热电效应的原理，温差便产生了电势差[7,8]。这两种发电技术都存在发电效率低、成本过高等问题，如果能找到适合冲渣水温度的工作介质或更高性能的热电材料，这些问题就可以得到很大程度的改善。

二、冲渣水采暖应用现状

自上世纪八十年代以来，国内众多钢铁企业就已尝试并成功实施了冲渣水采暖，其采暖方案归纳起来主要分为3种[9]：①直接换热供暖。即将过滤后的冲渣水直接送入采暖末端设备进行供暖；②间接换热供暖。即将过滤后的冲渣水通过换热器与采暖水换热，再将采暖水送入采暖末端设备进行供暖；③采用专用换热器供暖。即将冲渣水直接通过换热器与采暖水换热，再将采暖水送入用户，冲渣水无需过滤。

(一)直接换热供暖

由于冲渣水含有大量杂质，在渣池中经初步沉淀后，仍需经过多级过滤才能直接送入采暖系统。以较早采用直接换热采暖的鞍钢为例，高炉采用印巴法进行冲渣，经过滤后再进行供暖，供暖总面积达220余万平方米[10]；宣钢则是将冲渣水经自动反冲洗过滤器进行一级过滤后，再加入混凝剂经纤维过滤罐进行二级过滤，最后送入采暖区采暖[11]；对于同样采用直接换热供暖方式的安钢，其冲渣水则是经水渣池、平流沉淀池、普通快滤池的三次沉淀过滤再进行直接供暖[12]。诸如此类的钢铁企业还有很多，这种方式的采暖不仅系统简单，造价较低，而且热损失较少，但多级过滤并不能完全去除渣水中的杂质，采暖管道及设备的堵塞现象依旧不可避免，而且由于冲渣水系统与采暖系统并不独立，二者相互影响，稳定性差，加之冲渣水中较高的含氧量，还存在着腐蚀的问题。

(二)间接换热供暖

根据上述内容可知，直接换热取暖有着诸多缺点，故间接换热供暖方式逐渐地成为大多数钢铁厂的欢迎对象，其采暖水与冲渣水通过板式换热器进行间接换热，成功克服了采暖系统的堵塞、腐蚀及系统稳定性问题。如山东石横特钢厂将过滤后的冲渣水送入水泵吸水井，再由冷却水泵送到板式换热器进行换热，降温后的冲渣水存储于储水池中留待下次冲渣使用[13]；西宁特钢的3号高炉采用图拉法进行冲渣，并将冲渣水进行底滤过滤后送入换热站，经板式换热器换热后回到冲渣水池，采暖水吸收热量后自去用户处供暖[14]；此外，太钢也于2013年将其5号高炉进行了余热采暖回收利用，冲渣水经过过滤后进入汽水换热器，释放热量后回到冲渣冷水池再次循环冲渣[15]。

(三)采用专用换热器供暖

文章1.1中已说明冲渣水质的特点，已知悬渣及渣棉是极难去除的杂质，导致冲渣水采暖始终存在着设备堵塞问题，所以一些厂家开始针对冲渣水专用换热器进行了研究，成果显著，其中螺旋扁管换热器及全焊接板式换热器的应用较为广泛。螺旋扁管换热器的管子截面为椭圆形，管内外流道均呈螺旋状，可按需要制成不同压扁度、螺距的螺旋扁管，亦不受管径、壁厚、材质的限制，具有压降小、效率高、不易结垢等特点，莱钢永锋钢铁、河北荣信钢铁及首秦金属材料有限公司等均有使用该换热器[16]。全焊接板式换热器由特种不锈钢制成并经氩弧焊焊接，板片具有独特的人字形波纹，具有效率高、防腐防堵、耐温耐压等特性[9]，已在太钢、天铁、万通等企业投入使用。

可见，高炉冲渣水余热回收用于采暖的方案始终存在着两个技术难题，一是堵塞，二是腐蚀。直接换热供暖的方式仅仅进行了多次过滤是远远解决不了问题的，所以已逐渐不被采用。而将过滤后的冲渣水通过板式换热器与采暖水交换热量的间接换热供暖的方式在一定程度上避免了上述问题，是现在大多数钢铁企业采用的方案。随着技术的不断进步，冲渣水采暖专用换热器应运而生，不仅无需过滤，而且防堵防腐能力取得了突破性进展，应用前景广阔。

三、冲渣水采暖应用分析及设计要点

(一)应用分析

虽然将高炉冲渣水的余热进行回收并用于采暖是比较成熟的技术，但也应结合各个企业和用户环境的具体情况分别进行设计，在保证钢铁生产正常的条件下，最大程度的回收余热。在应用前需要考虑的方面有[17]：①采暖用户的性质。尽量选择热负荷稳定的用户，可以保证系统的持续稳定运行，若采暖用户在非采暖季也有制冷需求，可考虑吸收式热泵冬季制热夏季制冷；②厂区地理位置。若厂区附近有软水站或处于沿海区域，可同时考虑用于超滤暖水或海水淡化；③国家及地方政府是否有余热供暖等的补贴政策。可争取相应补贴为企业带来额外收益。当然，上述考虑只能作为一般思考方向，实际进行应用分析时也要结合厂家自身特点加以细化创新。

(二)设计要点

在进行方案设计时，应把握好每个环节的设计要点，才能做到热量高回收、系统高效率、企业高收益。目前主要有设备和系统两方面需要注意[18]：首先是过滤设备的选择，宜选用具有过滤速度快、精度高、截污容量大、操作方便、运行可靠、不需特殊维护等特点的过滤器，而且不论哪种程度的过滤设备均需定期清理以防堵塞；其次是换热器的选择，由于直接换热供暖的方式已逐步被厂家摒弃，所以间接换热供暖中的换热器的选用就变得尤为重要，除了上述的专用换热器之外，普通换热器也要注意其材质的耐腐耐磨特性，最好方便清洗以减少维护成本；最后是系统型式的选择，应根据用户距厂区的远近选择开式还是闭式系统，且应充分考虑系统的旁路和保护措施以防止异常状况对高炉系统的影响。

四、结论

高炉冲渣水所蕴含的低温余热能量巨大，若将其全部回收利用将会对环境改善大有裨益。采暖作为冲渣水余热回收的主力方式，既节能环保又能给企业带来额外的收益，既响应了国家号召又给企业提供了新的经济增长点，具有广阔的发展前景，但同时需要考虑设备的堵塞与腐蚀问题。在非采暖季节或者南方不供暖区域，冲渣水余热除了制冷、发电外，还可加热洗浴用水、加热软化水，或根据地理条件进行海水淡化等，这样就克服了余热利用的时间限制和区域限制，充分发挥了冲渣水的余热能力。

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孙昊(1992-)，男，汉，山东泰安人，在读研究生，主要从事列车空调方面的研究。