浅析高炉冲渣水余热利用

文 _ 王晓东 胡兰辉 刘颜军 魏国顺 秦皇岛首秦金属材料有限公司

浅析高炉冲渣水余热利用

文 _ 王晓东 胡兰辉 刘颜军 魏国顺 秦皇岛首秦金属材料有限公司

1 前言

高炉冲渣池是冶炼过程中最末端工艺，高炉炼铁后产生的大量高温炉渣通过冲渣水进行冷却，在这个过程中能够产生大量温度在70～85℃的热水。高炉冲渣水低温余热具有热源温度较低、流量大的特点，将其回收利用既能节约能源，又能保护环境。

2 高炉冲渣水余热利用方式

目前，国内对冲渣水余热的回收方式主要有两种：一是利用冲渣水采暖或洗浴用水；二是冲渣水余热发电。利用冲渣水采暖或洗浴用水，已广泛被一些北方的钢厂采用，并带来一定的经济效益。而冲渣水余热发电技术目前还处于研究实验阶段。

2.1 采暖

高炉冲渣水采暖是国内比较成熟的技术，其基本工艺流程为：高炉冲渣水通过冲渣水泵输送至换热站，然后经过冲渣水过滤器将冲渣水中的固体颗粒和悬浮物过滤，再通过换热器与采暖水换热回到冲渣池中。

另外，该项技术还需考虑高炉检修的情况，需备用蒸汽-水换热器或者锅炉用于应对高炉检修情况下的居民供暖，保证供暖质量的稳定。

2.1.1 冲渣水采暖需要解决的问题

高炉冲渣水余热用于采暖主要面临两个问题：一是冲渣水中含有CaO、SiO2、MgO、Al2O3以及少量的 Fe2O3，pH值大于7，显弱碱性，水渣杂质在冲渣水中以固体颗粒或悬浮物的形式存在，日积月累，将会使采暖系统中的管道、阀门、散热器发生大面积堵塞， 所以高炉冲渣水作为采暖热源不适于直接使用，需要通过间接换热的形式用于供暖，并且需要采用冲渣水专用的换热器，防止结垢和堵塞。二是根据化验结果，首秦高炉冲渣水中Cl-1含量235ppm，对换热器材质的抗腐蚀性要求较高，需采用特殊材质的换热器保证设备长期稳定使用。

对于冲渣水中的杂质，通常的做法是在换热器前安装过滤器，过滤水中的固体颗粒和悬浮物；有的企业还研发了阻垢仪，防止过滤器、换热器和管道的结晶结垢；也有将换热器置于冲渣汲水井中，可免去冲渣水泵和过滤器，在冲渣池中直接进行热交换。

目前，冲渣水换热器主要有以下几种：

①螺旋扁管换热器。目前该项技术在国内多家钢铁企业应用，该换热器管子的截面为椭圆形，其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，更不受管径、壁厚、材质的限制。该换热器除了具有压降小、传热效率高、不易结垢的特点，更具有在换热介质高污物的环境下不污堵且维护简易等特性。

②板式换热器。采用板式换热器，换热效率高，但板式换热器对水质要求较高，否则容易堵塞，所以需要配套安装过滤器和阻垢仪。

③高分子聚合物换热器。该换热器采用高分子聚合物为材质，对冲渣水具有极强的抗腐蚀能力；且该换热器可将换热器单元浸没在冲渣水池内，冲渣水不进入设备内部，开放空间流动换热，从根本上避免了堵塞。

高炉冲渣水采暖目前主要受地域和时间的限制，只有北方冬季才能开展，而且到了夏季只能用于洗浴使用，能源回收受到限制。

2.1.2 高炉冲渣水采暖运行方式

高炉冲渣水采暖一般采用高炉冲渣水专用换热器、采暖水循环泵、补水泵、冲渣水过滤器、冲渣水供水泵、仪器仪表等设备，高炉冲渣水在渣水池中通过冲渣水供水泵输送至冲渣水过滤器过滤，经冲渣水换热器与供暖用软水进行换热后，回到渣水池中，采暖水通过采暖水循环泵经过换热器和用户循环使用。

2.2 低温余热发电

高炉冲渣水具有余热量大、品位低的特点，目前国内多家企业和科研单位在研究低温余热发电技术。对于低温余热发电，目前比较广泛受到认可的方式是利用低沸点工质，和螺杆膨胀机进行发电。

采用低沸点工质是由于水在80℃不具有膨胀性。采用螺杆膨胀机是由于该设备具有热源使用范围广、变工况能力优越、维护费用低和不存在重大安全隐患的特点，适合高炉冲渣水温度不稳定、温度低的特性。

螺杆膨胀机发电做功流程为：高压气体由吸气口进入阴、阳螺杆齿间膨胀推动阴、阳螺杆反向旋转做功。具体工艺流程为：工质通过换热器与冲渣水换热形成蒸汽，进入螺杆膨胀机膨胀做功，带动发电机转动发电，做功后工质变成低压蒸汽进入冷凝器放出热量，变成低温低压液体工质，然后由工质泵送至换热器中吸热，再次变成蒸汽进入螺杆膨胀机做功，工质在此循环过程中完成朗肯循环，将热水中的热量源源不断地提取出来，生成高品位的电能。

但是低温余热发电目前最大的瓶颈在于发电效率低，建设成本高，每千瓦建设成本约需2万元，投资回收期长，要大规模推广此项技术，还需提高发电效率和降低建设成本。

3 应用实例分析

以首秦公司现有2座高炉为例，1#高炉1200m3，2#高炉1780m3，2座高炉日产生高温炉渣量约2200t/日，渣温1300℃左右，冲渣后渣水温度在70～85℃,冲渣水可提供的流量两座高炉共2800t/h。

高炉渣的热量：

式中：m渣为高炉渣量；h渣为高炉渣的焓值1700MJ/t，所以首秦高炉渣具有43287kW的热量。

冲渣水的可用热量：

式中：m水为冲渣水循环量，Δh为水在利用前后的焓变，考虑水的温度变化为75～65℃计算，高炉冲渣水可用热量约为32.6MW。

3.1 采暖效益分析

首秦高炉冲渣水的热量按95% 的热转换效率，可以提供给采暖的换热量31MW。由于周边小区均采用地板辐射采暖方式，采暖热指标按60W/m2计 ，约可供约50万m2居民住宅采暖。按照秦皇岛市热力采暖（6.97/m2/月）的收费标准，供暖期5个月，可取得年收益1740万元，该项目投资约需1000万元，不到一个供暖期即可回收成本。

3.2 发电效益分析

目前采用螺杆发电的效率较低，按照80℃水温的利用效率，国内仅能达到7%的发电效率。按照冲渣水所具有的热量，首秦公司冲渣水产生2.3MW电量，年电量1840万kWh，可获年效益920万元，2.3MW低温余热发电项目投资约需4600万元，约需5年才能回收成本。

3.3 应用建议

经过以上分析可以看出，采暖的经济效益远大于发电，且投资回收期短。在经济允许的情况下两个项目共同实施，采暖期供暖，非采暖期发电综合采暖及发电的方式，形成冲渣水余热综合利用项目，可以克服冲渣水采暖的时间限制，又可利用采暖的高回报缓冲发电项目的长回收期，可取得年经济效益2200万元，而两个项目共同实施投资约5600万元，3年内可回收成本。

4结论

结合以上经济效益分析，综合高炉冲渣水采暖和发电两个利用方向，可避免供暖利用时间的限制，又可避免单纯发电投资回收期长的缺陷，并取得巨大的经济效益，在较短的时间内回收成本，值得在钢铁行业推广。