高炉冲渣水余热利用探讨

陈蓉华

(中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆 401122)

钢铁企业是工业生产耗能大户,国家统计数据显示，中国钢铁工业总能耗占工业总能耗的23%，占全国总能耗的16.3%[1]。钢铁企业在生产过程中产生的余热资源占全部生产能耗的60%左右,可回收的余热资源十分丰富。随着钢铁节能技术的发展，钢铁企业中品质较高且稳定的余热资源如各类剩余煤气、高温烟气余热等目前已经得到较为充分的回收利用，而低品味余热资源如高炉冲渣水余热利用率还较低。做好高炉冲渣水余热回收工作，既能节约能源，又能保护周边环境，具有重要的实际意义。

1 高炉冲渣水余热资源特点

1.1 余热利用潜力巨大

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来进行冷却。其工艺流程为：在主铁沟与铁水分离后的熔渣在渣沟末端被冲制箱喷出的高速水流水淬粒化，粒化后的渣水混合物经脱水过滤后送至水渣堆场，脱出的水进入热水池，产生了大量70～85 ℃的冲渣热水，为了保证冲渣水的循环利用效果，需要将这部分冲渣热水在沉淀过滤后引入空冷塔，降温到60 ℃以下通过粒化泵站再次送至冲制点循环冲渣，或进行自然降温后继续循环冲渣，这一过程中大量的热量被白白浪费，既造成了能源的浪费，又对环境造成了热污染。高炉冲渣水低温余热的一个显著特点是：热源温度较低，但其流量却相当大。以年产生铁量250万t的3 000 m3级高炉为例，其循环冲渣热水量就高达2 200 m3/h，冲渣水热负荷约40 MW，高炉冲渣循环水水量巨大，余热利用潜力大。

1.2 腐蚀性强

随着环保要求的不断提高，很多钢铁厂为了降低废水的排放量，将焦化、脱硫、烧结、酸洗等工序产生的含盐量较高的废水送至高炉用于冲渣，导致高炉冲渣水中的含盐量持续升高，高炉冲渣水中磷酸根离子、氯离子等大量聚集，冲渣水中磷酸根离子、氯离子高达2 000～8 000 mg/L，这些离子根对碳钢的腐蚀作用很强，容易对高炉冲渣水系统中的设备造成腐蚀，影响系统设备的正常运行。

1.3 易造成换热设备堵塞

高炉冲渣水在冲渣过程中直接接触高炉熔渣，熔渣中的部分化学成分大量溶解于高炉冲渣水中。高炉冲渣水中含有氧化钙、二氧化硅、氧化镁、氧化铝等氧化物，随着系统的不断循环运行和换热过程中冲渣水的降温，这些溶质以晶体的形式析出，附着在渣水管道内壁和换热设备表面，容易造成渣水管道及换热装置的污堵，影响高炉冲渣水系统正常运行。

1.4 冲渣水热源不稳定

高炉出渣是间断的，根据操作水平的不同，每日出渣10～15次不等，每次出渣时间约60～80 min。出渣过程中冲渣水的温度也不稳定，刚开始出渣时，渣水池温度偏低，随着出渣时间的加长，渣水温度逐步升高，到出渣结束铁口封堵前，渣水温度达到最高值。冲渣水温度的波动，影响其余热资源的有效利用。

2 高炉冲渣水余热主要利用方式。

2.1 高炉冲渣水余热采暖技术

高炉冲渣水余热采暖技术主要包括直接换热、间接换热两种方式。直接换热方式是将过滤后的冲渣水作为采暖热源直接进入采暖终端设备如暖气片等进行换热。由于冲渣水腐蚀性强并且容易堵塞管道和设备，同时高炉冲渣水热源的不稳定，直接换热采暖方式已基本被取缔。目前钢铁企业大多采用间接换热采暖方式，冲渣水作为热源与采暖回水在渣水换热器中进行换热，换热后的采暖热水供至用户终端设备进行采暖，渣水系统和采暖水系统相对独立，可有效解决采暖水管道及暖气片等发生堵塞和腐蚀的问题。

高炉冲渣水余热采暖利用技术相对简单，适用于北方城市冬季使用。

2.2 用于溴化锂吸收式制冷

高炉冲渣水经过滤后进入换热器内间接换热产生60～75℃的热水，产生的热水通过管网送入热水型溴化锂吸收式制冷机组作为其热源制取冷冻水，制取的冷冻水可用于高炉鼓风脱湿工艺，也可用于夏季室内空调制冷。

高炉冲渣水余热用于溴化锂吸收式制冷，可与冲渣水余热采暖联合设置，夏季制冷、冬季采暖，以最大限度地提高冲渣水余热利用效率。

2.3 高炉冲渣水余热用于海水淡化

高炉冲渣水在渣水换热器中与除盐水进行换热，制备约70 ℃左右的高温水，高温水送往海水淡化单元，在闪蒸罐中闪蒸为低温饱和蒸汽送往低温多效海水淡化装置制取淡水。将高炉冲渣水的低温余热回收作为海水淡化的热源，降低了海水淡化成本，适用于在沿海区域配置了海水淡化装置的钢铁企业。

2.4 高炉冲渣水余热发电

高炉冲渣水余热发电技术是利用液氨、R134、R600等工质与冲渣水换热以回收冲渣水余热。经过沉淀过滤等预处理后的高炉冲渣水进入专用换热器，将热量传递给工质，换热后温度降低送至冷水池循环使用。工质在换热器内吸收热量后蒸发为过热蒸汽，进入汽轮机膨胀做功，对外输出电能。做工后的工质冷凝后变成低温低压的液体工质送回换热器中吸热，再次变成过热蒸汽进入汽轮机做功。

高炉冲渣水发电余热利用方式，其主要弊端是做工工质安全性存在隐患、设备维护复杂、设备发电成本高。目前国内还在试验运行阶段，根据相关试验数据，低温余热发电效率为4%～5%[2]。

3 高炉冲渣水换热器的选择

目前国内高炉冲渣水的主要利用方式中，除用于余热发电需要特殊工质外，其余均是通过渣水换热器将冲渣水的余热提取出来加以利用，因此冲渣水换热器的选择对整个系统的稳定运行有着重要的影响。根据高炉水渣工艺的不同，常用的换热器形式有带过滤器可拆板式换热器、可拆自由流道板式换热器、宽通道焊接板式换热器、真空相变换热器等几种，各钢铁企业可根据自身特点选择合适的换热设备。

带过滤器可拆板式换热器的流道宽度约3～4 mm，渣水经过粗、精过滤后在可拆板式换热器中换热，传热效率高，但由于其流道宽度的限制，过滤器和换热器容易堵塞，抗堵性较差，清洗周期短，适用于渣水品质相对较好的底滤法水渣工艺。

可拆自由流道板式换热器流道宽度约10～12 mm，采用涡旋管间壁式逆流换热，传热效率高，冲渣水中絮状渣棉容易堵塞流道，增加系统阻力，清洗周期一般为一个采暖季，对渣水的品质有一定的要求，适用于底滤法水渣工艺。

宽通道焊接板式换热器将流道宽度进一步加大至15～30 mm，采用无过滤间壁式逆流换热原理，对污水中常见的固体悬浮物具备较强的抗堵性能，但无法阻止溶解在渣水中的大量盐碱类物质在换热过程中的结晶、结垢现象，长期运行也有堵塞可能，设备自身耗钢量较大，投资成本较大，清洁周期和使用寿命较可拆卸板式换热器长，适用于底滤、平流、嘉恒、印巴等水渣工艺。

真空相变式换热器利用水在真空状态下沸点降低的特点，通过真空泵使蒸发器保持真空状态，渣水进入蒸发器中闪蒸为清洁蒸汽，闪蒸出的清洁蒸汽再进入冷凝器中与系统水进行换热。真空相变式换热器避免了渣水和换热壁面的直接接触，解决了换热过程渣水中的盐碱类杂质结晶、结构现象和腐蚀问题，换热器清洁周期较长，适用于钢厂各种水渣工艺，但其换热效率较板式换热器低，投资成本和占地面积较大。

4 高炉冲渣水余热采暖技术应用

某钢铁企业拟利用高炉冲渣水换热供应厂区和附近居民采暖使用。高炉冲渣采用环保转鼓水渣工艺，出渣时间约80 min，其冲渣水循环水量约2 200 m3/h，冲渣水进水温度约63 ℃，排出温度约78 ℃。冲渣水换热站采用间接换热方式，余热回收系统由冲渣水加压泵、过滤器、换热器、温控装置、电控装置、循环泵、补水泵等组成。高炉冲渣水在PLC控制下经加压泵加压，按照所需流量经过滤器后进入换热器，将热量传递给采暖水，降温后回流到冷却水池；采暖水回水首先进入循环水泵，再进入换热器，获取热量后供至用户，供水温度由温控装置自动控制。采暖水系统采用自动补水装置，采暖水回水压力低于设定范围下限时补水泵自动开启升压，压力达到设定范围上限时补水泵停止。采暖水回水压力超过设定范围上限值时，安全阀排水泄压，维持采暖水回水压力适宜。热力流程图见图1。

图1 冲渣水余热采暖热力流程图

采暖用户供回水温度为67 ℃/55 ℃,换热器热效率按0.94考虑，高炉铁渣所含热量计算见表1，计算结果表明，高炉铁渣蕴含36 MW的热量，考虑可利用其中的60%，则可供利用的热量也达21.6 MW，用于供暖则可供36万m2的面积采暖。

表1 某3 000 m3高炉冲渣热量计算

5 结 语

高炉冲渣水余热利用作为钢铁企业节能减排的一项具体措施，具有明显的经济效益和环保效益。高炉冲渣水余热采暖技术为钢铁企业周边的城市供暖提供了有效的清洁热源，建议在北方钢铁企业中进一步加强推广应用。