高炉冲渣水余热资源回收研究

周宇龙 罗晓敏

(1：河钢集团唐钢公司 河北唐山063000；2：河钢集团邯钢公司 河北邯郸056015)

1 前言

近年来，我国采暖季环保问题和居民供热问题屡有矛盾。目前城市集中供热能源结构不合理、热源与用能需求之间的能量品位不匹配和部分热源供热效率低，污染环境、浪费能源是亟待解决的主要问题。座落在主城区的长流程钢铁企业河钢唐钢的高炉冲渣工艺，是利用热水泵将高温度冲渣水送至冷却塔散热降温，降温后的渣水进入冷却塔下的晾水池，再通过晾水池内配置的冲渣泵提水冲渣，冲渣后的热水再度流回到渣池内。因此如果将上塔水全部送入换热设备，并根据渣水上下冷却塔的温差，确定换热设备对渣水的取热温差，即可保证换热系统及冲渣工艺连续稳定运行。简言之，在采暖季期间用换热设备取代冷却塔的功能，将原本在冷却塔上散失的热量提取出来加热采暖水，那么就可以实现利用钢铁企业高炉冲渣水中低品位余热能来为城市热网集中供热的应用。

2 可开发余热资源分析

高炉冲渣工艺在钢铁企业中应用较为普遍并且成熟，作为研究对象，以河钢集团唐钢公司南区4#高炉作为应用实例来进行技术研究。高炉冲渣系统基本情况如下：

3200m3高炉综合利用系数约为2.4，渣铁比为0.35，对应2个渣池，每个渣池间隔2h冲渣一次，每次冲渣时间为1.5h，高炉冲渣水是冷却塔冷却；高炉的冲渣水温度夏季为90℃，冬季为85℃； 采用明特法冲渣工艺。

(1)高炉火渣热量计算

表1 高炉渣余热回收计算表

表1中炉渣热量是根据日产高炉渣量和炉渣显热系数，以及千焦/兆瓦折算系数计算所得。

(2)可利用余热的计算

冲渣水可回收利用的热量即冷却塔散去的热量。根据对冲渣水上下塔温度的实际测量，其结果如表2。

表2 冲渣水上下塔温度测量表

上冷却塔的实际热水流量约为2600m3/h，无论是否冲渣，均按此流量上冷却塔散热。为了便于计算，分别截取高、中、低三个比较有代表性的温度点进行可回收的热量计算：

Q高=2600m3/h×1.163×15.5=46.87MW

Q中=2600m3/h×1.163×7.7=23.28MW

Q低=2600m3/h×1.163×1.5=4.54MW

西场渣池所对应的情况与东场渣池一样，不重复计算。

因此冲渣水余热随着冲渣水温度的变化而变化，当冲渣水温度越高，能够回收利用的热量越高，反之，当冲渣水温度越低，能够回收利用的热量越低。结合采暖水的供回水温度要求，可提取的最大余热量为Q高+Q低=51.41MW；考虑到测量误差以及冬季运行过程中池水表面散热量加大等诸多变化因素，预计余热开发量为45MW。

3 系统配置方案

因为本高炉分东西两个渣池交替出渣，为了尽可能降低对冲渣工艺造成不利影响，又保证最大限度的提取渣水余热，综合考虑项目投资与长期受益，本项目选择在东西渣池附近分别建设换热站，每座换热站内配置4台额定制热量为8MW的直热机组，共计匹配8台，合计额定换热能力达到64MW。单座换热站的最大换热能力可达46.8MW；最小换热能力为4.5MW见图1。

4 设备选型

由于工业废水的特殊性，在冲渣过程中，水中大量的Na2O、K2O等碱金属被引入，碱金属与二氧化硅反应，结晶生成硅酸钠、铝硅酸钠、硅酸钾等。随着热的饱和溶液降温后，溶质以晶体的形式析出，在连续的生产过程中，挂附在设备上。以及极易生成MgCO3、CaCO3沉淀，这些沉积物易于沉积在设备表面与晶体形成大量的污垢，对金属壁面造成垢下腐蚀。如果要利用冲渣水中的余热，就需要有能够防腐、防堵塞和结垢功能的换热设备，经过对目前市场上常用的水-水换热设备的选择比较，选择具有真空相变换热技术的直热机设备。直热机设备为了避免废水与换热面直接接触，采取“真空相变技术”使废水闪蒸、汽化，是一种以清洁的水蒸气携带大量废水热能与清水进行换热，清洁、高效提取高温工业废水热能的方法。

5 系统供热能力分析

3200m3高炉的火渣中的总热量为60.36MW，东西两座渣池各对应换热站内的独立装置，分别配置4台额定制热量8MW的直热机。两套装置同时运行，制取的采暖水汇到同一根主管网混合后送出。由于两座渣池渣水温度高低交替出现，置换出的采暖水温度也相应高低交替，混合后基本可以达到稳定在65℃以上连续供出。

图1 余热回收利用示意图

图2 单个冲渣池热源站系统供水与此侧冲渣水温度的变化关系

当一侧渣池的渣水温度最高时，另一侧的渣池的渣水温度是最低的，两个热源站的采暖系统水出水温度不同，但由于二者采暖系统水等量合并输送，混合后的采暖系统水温度可以保证65℃。

由图3中可以看出，当一侧热源站的采暖系统水温度较高时，此时另一侧热源站的系统水温度较低，两种采暖系统水温度随各自的冲渣水温度变化而变化，而且按照两个冲渣池冲渣水温度的彼此交替，周期性变化而变化，由图中可知，当两种系统水等量混合后，系统水温度65±2℃，完全符合要求。

图3 两个热源站的采暖系统水出水温度变化图

图4 单台直热机的制热量与冲渣水温度的变化关系图

由图4可以看出，直热机的制热量是随着进设备的冲渣水温度的变化而变化的，而东场渣池和西场渣池的冲渣水温度存在相反的关系，一侧高，另一侧低。当东场的热源站设备处于中温工况运行时，此时西场的热源站设备也处于中温工况下运行，当两个热源站的直热机都运行在中温下的额定工况时，制热量最大为56MW；当一侧的热源站直热机达到最佳性能时，另一侧的直热机的性能则衰减到最差，这是两侧热源站提取余热量最差的时间段，此时两者相加的制热量为52MW。

6 结语

对钢铁企业高炉冲渣水余热资源的回收进行了较全面的研究，对余热资源计算、供热能力分析及设备选型等方面都给出了详细的说明。由实际效果来看，河钢唐钢高炉冲渣水余热资源回收项目运行平稳，在采暖季累计向唐山市热力公司供热56.2万Gj，直接创造经济效益400余万元，为唐山市采暖季居民供热节约标煤约19180t，减少排放二氧化碳50250t，氮氧化物142t，二氧化硫163t。