2016冶金節(jié)能新技術與能源循環(huán)利用研討會-高爐沖渣水及沖渣蒸汽余熱回收的綜合應用研究

1、. .高爐沖渣水及沖渣蒸汽余熱回收的綜合應用研究劉森1，李靜2，盧峰3，李小娟4，蒼大強5（1.北京億瑋坤節(jié)能科技有限公司,北京，102200；2.北京科技大學，北京，100083.）摘要：本文通過對高爐沖渣水及沖渣蒸汽余熱回收綜合應用成功案例的分析，為尚未開發(fā)和利用的高爐沖渣水及沖渣蒸汽余熱綜合應用提供理論基礎和技術支持。特別是針對INBA法和平流法沖渣方式下的渣水成功過濾及換熱有創(chuàng)新性的運用，解決了高爐沖渣水余熱回收應用過程中出現的堵塞、結垢和腐蝕問題，并能夠高效提取渣水低溫余熱，換熱溫差小于5C，節(jié)能效果顯著，投資回收期短，具有良好應用前景，為進一步拓寬高爐沖渣水全面高效回收應用奠定了技

2、術和實踐基礎。節(jié)約能源，具有良好的應用前景。關鍵詞：高爐沖渣水高爐沖渣蒸汽過濾換熱采暖發(fā)電海水淡化制冷ResearchandapplicationofWasterHeatRecoverySystemofSlagWaterandSlagSteaminBlastFurnaceLIUSen1，LIJing2，LUFeng3，LIJing4，LiXiaojuan5，CANGDaqiang6（1.IVYQUENEnergySavingTechnologiesBeijing,Beijing1022001,China;2.UniversityofScience&TechnologyBeijing,Beiji

3、ng100083,China.）Abstract:Thispaperproposesananalysisofthesuccessfulengineeringprojectofhowtousethewastewaterincludingtheslagwaterandslagsteaminblastfurnacetogenerateelectricitypower,andprovidesthetheoreticalbasisandtechnicalsupportforothersameapplications.Theenergy-savingeffectisremarkable,especiall

4、ythepaybackinvestmentperiodisshort,andsavingenergyhasagoodapplicationprospect.Keywords：Slagwater;Slagsteam;Filtering;Exchangeheat;Heating;Powergeneration;Seawater-desalination;Cooling引言近年中國冶金發(fā)展迅速，生鐵產量占世界總產量的50%以上；同時中國冶金行業(yè)能耗率很高，有著巨大的節(jié)能空間和市場潛力1。隨著鋼鐵企業(yè)節(jié)能降耗、資源綜合利用水平不斷提高，能源產業(yè)結構發(fā)生改變，加強能源優(yōu)化利用、發(fā)展循環(huán)經濟、余熱余能利用

5、已成為鋼鐵企業(yè)發(fā)展的趨勢。在良好的大環(huán)境影響下，開發(fā)利用余熱、余能已蔚然成風，特別是以往難于利用的高爐沖渣水的低溫余熱資源，目前已得以開發(fā)利用，并涌現出較多的成功案例。高爐爐渣余熱回收是中國未來10年節(jié)能的方向之一。在高爐沖渣水低溫余熱回收工藝中，過濾和換熱是一個永恒的課題，而相對應的過濾器和換熱器就是一個非常關鍵的工藝設備23。由于沖渣水中含有很多雜質（特別沖渣方式是INBA法和平流法），對常規(guī)換熱器和過濾器有較強的腐蝕作用，極易在短時間內造成換熱器，過濾器和管道的堵塞，是余熱回收系統(tǒng)無法正常進行工作，也就嚴重影響了回收系統(tǒng)的實際應用。本文在某鋼廠項目成功應用基礎上，介紹了其一套完整的高爐沖

6、渣水和高爐沖渣蒸汽余熱回收工藝系統(tǒng)設計和其沖渣水專用換熱器及專用過濾器的設備研發(fā)。同時，針對冶金行業(yè)高效節(jié)能的環(huán)境背景，對該套系統(tǒng)進行節(jié)能計算及投資回收期計算，以供行業(yè)內參考。常規(guī)渣水處理沖渣工藝流程高爐沖渣有多種方式，國內主要有平流法、底濾法、圖拉法和印巴法(INBA)幾種4。其中，底濾法是這幾種沖渣方式中，水質最好，其次是平流法，最惡劣的就是INBA法。而目前冶金行業(yè)，大型高爐的沖渣方式主要是INBA法。沖渣水質特點高爐沖渣時，大量水急劇熄滅熔渣時，首先使沖渣水的溫度急劇上升，甚至可以達到接近100C其次是受到熔渣的影響，使水的組成發(fā)生很大變化。典型高爐沖渣水組成及水渣顆粒組成見表所示。廢

7、水組成隨煉鐵原料、燃料成分以及供水中的化學成分不同而異。特別是冶煉鐵合金的廠，如錳鐵高爐還古有酚、氰、硫化物等有害物質34。飽和水時水渣的堆密度為1.20-1.22t/m3，烘干后的堆密度為1.16-1.20t/m3.隨著沖渣水的不斷使用，濃縮倍數會越來越高，其中影響設備選型的關鍵參數CL-1的含量最高能夠達到1000毫克每升以上。高爐沖渣水渣的主要成分是硅酸鈣和硅酸鋁，從水處理-過濾的角度來說分為4種，其特點如表1所示。表1高爐沖渣水渣質特點序號渣質成分渣質特點1沉渣密度大于水2浮渣密度小于水3懸渣密度接近水4渣棉成分和特性類似細微玻璃絲其中，沉渣和浮渣都很容易除掉，但是懸渣和渣棉除去非常困

8、難，這也是困擾高爐沖渣水有效利用的一個難題。沖渣水常規(guī)處理應用多年來，沖渣水的余廢熱一直得到冶金行業(yè)內的重視，也有很多種利用的實際案例，渣水處理方式主要包括直接處理法和簡單過濾換熱法。2.3.1直接處理法將沖渣水處理之后直接供暖。中間費用比較高，而且過程復雜，供水水質不好，采暖管道容易堵塞和腐蝕。國內最早使用的是東北的一些鋼廠，使用不到一個采暖季就會暴漏問題，在系統(tǒng)未端流速和溫度降低，失去了沖刷的作用，懸浮物極易沉積，造成管道堵塞，影響未端采暖效果。另外由于沖渣水的總溶解固溶物太高，水平衡狀很容易被打破，溶解度低的物質易析出而形成松散水垢，造成未端管道堵塞。2.3.2簡單過濾換熱法將沖渣水簡單

9、過濾后進入換熱器換熱，將換熱后的干凈的水供暖。這種方法的優(yōu)點是供出的水是干凈的水，采暖管道短期內不會堵塞。缺點是僅適合底濾法的高爐沖渣系統(tǒng)，對圖拉法、印巴法除渣的高爐沖渣水不適用，極易發(fā)生熱源短的換熱器堵塞。另外由于底濾法高爐沖渣水溫度本來就低（最高70C）,換熱后溫度很難達到55度以上，換熱溫差大于10C以上，采暖管網及用戶內的暖氣片都需要加大容量才能保證冬季的采暖溫度，如果是改造工程，熱網本身改造投資非常大。專用余熱回收綜合利用系統(tǒng)目前為止，以上兩種方法已經不再適合高效節(jié)能環(huán)保的應用，本項目就是在充分了解高爐沖渣工藝流程基礎上，同時針對INBA法和平流法的渣質進行詳盡分析，提出了一套行之有

10、效的高爐沖渣水及沖渣蒸汽余熱回收高效循環(huán)系統(tǒng)。3.1系統(tǒng)工藝流程本文是基于沖渣水高效節(jié)能過濾設備，沖渣水高效換熱設備，沖渣蒸汽回收設備、智能自動控制設備和儀表采集監(jiān)控設備為一體的沖渣水余熱回收高效循環(huán)系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要由高效過濾系統(tǒng)、高效換熱系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和壓力控制系統(tǒng)組成。圖1是某鋼廠第三期高爐沖渣水及沖渣蒸汽余熱采暖間接發(fā)電等綜合項目工藝流程圖。DN300135發(fā)電DN500采暖水供水采暖回水專用圖1高爐沖渣水及沖渣蒸汽余熱回收項目工藝流程圖twf.I71Ti2DN300VKTE1汽水換熱器沖渣水乏汽余熱回收機組M_1DN150小去渣池岡沖渣水乏汽余熱回收機組l-xeDN30

11、0-M廠內負荷采暖水回水余熱回收系統(tǒng)主要包括沖渣水池取水系統(tǒng)，管道設計系統(tǒng)，根據用戶需要設計的高爐沖渣水專用過濾機組(圖中設計4套)，高爐沖渣水專用換熱器(圖中設計4套)，補水系統(tǒng)，采暖水循環(huán)系統(tǒng)，間接發(fā)電系統(tǒng)，高爐沖渣蒸汽機組系統(tǒng)。沖渣水循環(huán)系統(tǒng)工藝流程為:沖渣水循環(huán)泵抽取沖渣水沉淀池沖渣水一經過沖渣水專用過濾機組(一、二級精密過濾器)過濾一至板式換熱器快速、高效換熱一沖渣水沉淀池。提取的沖渣水在經過過濾機組時，其自帶的反沖洗功能全程進行反沖洗以保證過濾性能，同時，在PLC控制下，按照所需流量流經換熱器，自動調節(jié)系統(tǒng)的熱負荷，避免出現的過冷、過熱，最大程度地節(jié)省能耗。采暖水循環(huán)系統(tǒng)工藝流程為

12、:采暖水經過專用板式換熱器與沖渣循環(huán)水換熱一輸送到采暖供水干管一采暖用戶一采暖回水干管一采暖水過濾器一經過采暖水循環(huán)泵加壓一輸送至板式換熱器與沖渣循環(huán)水換熱。采暖水為閉式循環(huán)系統(tǒng)，采用軟化水，避免管道及散熱片結垢；在采暖循環(huán)泵前設置定壓補水系統(tǒng)，采用變頻補水泵自動補水。沖渣蒸汽系統(tǒng)工藝流程為：采用直接換熱方案進行回收，粒化塔內的沖渣蒸汽進入蒸汽回收裝置，回收的熱量用來加熱采暖水，把采暖水由50C加熱到70C,同時蒸汽冷凝水回流到沖渣水系統(tǒng)中。沖渣蒸汽的熱量也是非?？捎^的，其跟沖渣溫度有著密切關系，沖渣溫度越高，?；鹊恼羝麩崃烤驮礁摺ｉg接發(fā)電系統(tǒng)工藝流程為：高爐沖渣水及沖渣蒸汽余熱加熱電廠冷

13、凝水，給電廠的熱力系統(tǒng)補熱，減少汽輪機組低壓加熱抽汽和高壓加熱的抽汽量，把省下的蒸汽用來多發(fā)電，從而減少高爐煤氣的消耗量。高爐沖渣水間接發(fā)電技術的優(yōu)點是熱效率高(15%-20%)，單位投資少，投資回收期短；更大程度回收了高爐沖渣過程的余熱能源?？紤]采暖季節(jié)高爐檢修取熱問題，在換熱站設置汽水換熱器，采用蒸汽補熱保證供暖，凝結水回收至補水箱循環(huán)利用。3.2應用案例自2011年以來，北京億瑋坤公司應用專利技術成功完成的案例包括五礦營鋼高爐沖渣水及沖渣蒸汽余熱供暖一期/二期/三期項目、首鋼遷安高爐沖渣水余熱回收一期、二期項目、河北鋼鐵邯鄲分公司高爐沖渣水及沖渣蒸汽余熱回收一期和二期項目、河北敬業(yè)鋼鐵集

14、團高爐沖渣水一期項目、天津天重江天高爐沖渣水余熱回收綜合利用一期項目、青鋼高爐沖渣水余熱回收綜合利用項目和江蘇鑌鑫特鋼高爐沖渣水余熱回收綜合應用項目等20余個項目。包括在建的海水淡化項目和制冷項目。關鍵技術對比根據近年來的研究及應用效果，該套系統(tǒng)關鍵設備在INBA除渣方式中有較強的優(yōu)勢，表2是國內相關設備和設備的對比情況統(tǒng)計。表2技術特點對照分析序號對比項目內容億瑋坤其他廠家1沖渣水專用過濾機組沖渣水精密過濾機組，過濾精度標準設計為40目，最高過濾精度為60目。目前沒有發(fā)現超過10目的穩(wěn)定運行沖渣水過濾器。2沖渣水專用換熱使用國外先進技術的拼裝式板式換熱器；換使用管殼式換熱器、板殼式換熱器及螺

15、旋板序號對比項目內容億瑋坤其他廠家器熱武器體積為管殼式換熱器的六分之一。換熱器，螺旋扁管亦屬管殼式換熱器。3換熱效率換熱效率高，標準設計溫差在5C以內，供水溫度高，能夠大幅度縮小運行成本和外網投資成本。換熱效率普遍較低，換熱溫差大15C以上，提熱能力差，水量大，運行成本高。4沖渣水高效循環(huán)技術專利技術，高爐渣水換熱后可以直接去高爐沖渣。無該項技術5占地面積體積小，節(jié)約70%以上占地面積，節(jié)省土建投資。體積大，占地面積大。6使用領域適合INBA法、明特法、平流法、嘉恒法、馬鋼法、底濾法等各種水淬高爐渣處理方法。勉強能在底濾法系統(tǒng)中使用，很難防止沖渣水的結晶和結垢。7沖渣水阻垢技術成熟無8耐腐蝕能

16、力可以使用鈦合金，耐極端工況腐蝕使用鈦合金成本太昂貴關鍵設備應用對比圖3和圖4為某兩個鋼鐵廠運行不到一個月后換熱器結垢和堵塞照片。圖5為改造某一個鋼廠，采用本套專用技術，經過一個采暖季后，打開關鍵設備后看到的照片，從圖中可以看到，沒有任何堵塞、結垢現象。圖3凌鋼換熱器堵塞（2015）圖4石鋼管殼式換熱器堵塞（2012）圖5石鋼改造后采暖季結束后無結垢和堵塞(2013)實施效果以首鋼遷安項目為例，本工程2014年8月中旬開工建設，10月底全部建成，在2014年11月14日正式投入供暖，按時為廠區(qū)供暖。該項目自投運后連續(xù)運行4個月，供熱穩(wěn)定、連續(xù)，取得了較好的供熱效果。據統(tǒng)計，沖渣水供水溫度為74

17、.8C時，采暖水換熱后供水溫度達到70.4C,熱端溫差僅為4.4C,顯示了優(yōu)異的換熱效果，實際采暖水供回水溫度均在60C/50C以上，完全滿足采暖用戶需求。采暖季結束后，對核心設備渣水板式換熱器進行了拆檢，內部通道表面清潔光滑、無污物堵塞情況。利用2#高爐沖渣水余熱，替代公司廠區(qū)原有蒸汽采暖模式，可節(jié)省蒸汽約20t/h，年采暖季相當于節(jié)約燃煤7000t，減少二氧化碳排放量約18200t，節(jié)能環(huán)保效果顯著。高爐沖渣余熱利用發(fā)展預測以高爐沖渣余熱為代表的低溫余熱亦蘊含著巨大的能量，高爐熔渣的潛熱(1.6GJ/T)儲量大，以中國2014年8.23億噸的粗鋼產量計算，高爐爐渣產量約2.59億噸，其熱量

18、可折算為1411萬噸標煤的熱量，如這部分熱量完全利用可冬季為1億平米的城市民用住宅建筑供暖，占全國集中供暖面積的11.6%。自2015開始，隨著我國環(huán)境保護和城市霧霾治理的力度不斷加大，城市燃煤供暖很難滿足排放指標，高爐沖渣水余熱供暖以其成本低、無排放等優(yōu)勢得到了熱力公司的青睞，成為不少城市的“藍天工程”。隨著北京億瑋坤節(jié)能科技有限公司高爐沖渣余熱高效回收技術的創(chuàng)新發(fā)展，高爐沖渣水余熱回收市場面臨著戰(zhàn)略性的市場機遇。除北方地區(qū)離城市距離近的高爐沖渣余熱可用于冬季供暖外，中國南方地區(qū)、北方地區(qū)其他三季高爐沖渣余熱可以在鋼鐵公司內部用于采暖、洗浴及生活熱水、加熱電廠冷凝水及補水、制冷、加熱轉爐蒸汽余熱回收補水等，以沖渣余熱置換蒸汽，置換出的蒸汽用于發(fā)電，經濟效益也非?？捎^。以高爐沖渣余熱回收換熱站30萬元/MW的指標，按照我國所有高爐熔渣30%的余熱