李創(chuàng)國l雷仲存1李勁松2楊小龍2張倩3

(1.北京首鋼股份有限公司；2.首鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院3.泰斯達(dá)科技有限公司）

摘  要  燃煤鍋爐禁用后，首鋼礦業(yè)公司南區(qū)的居民區(qū)和生產(chǎn)廠區(qū)冬季取暖的熱源問題是一個難題，參照首鋼股份公司2號高爐沖渣水余熱回收利用模式，設(shè)計了利用1,3號高爐沖渣水余熱供暖的方案，制定了利用1,3號高爐沖渣水余熱供暖的工藝流程，選用了可以對高爐沖渣水進(jìn)行精密過濾、高效換熱和合理阻垢的專用設(shè)備，追蹤了實施效果，并進(jìn)行了效益分析，同時提出首鋼股份公司高爐沖渣水余熱利用過程中仍舊存在的問題。

關(guān)鍵詞  高爐沖渣水余熱采暖效益

近年來，隨著鋼鐵行業(yè)節(jié)能降耗和資源綜合利用水平的不斷提高，能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也在不斷發(fā)生變化，加強(qiáng)能源優(yōu)化、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和對余熱余能的再次利用已經(jīng)成為鋼鐵行業(yè)發(fā)展的趨勢。在大環(huán)境影響下，以往難以利用的高爐沖渣水余熱資源也得以開發(fā)利用，并涌現(xiàn)出了較多的成功案例[1]。

首鋼礦業(yè)公司（簡稱礦業(yè)公司）南區(qū)（包括居民生活區(qū)和生產(chǎn)廠區(qū)）鄰近北京首鋼股份有限公司（簡稱首鋼股份公司）,礦業(yè)公司南區(qū)總采暖面積約為98.4萬m2,最大熱負(fù)荷需求為85.56MW,分別由4臺蒸發(fā)量為14t/h、1臺蒸發(fā)量為35t/h的小型燃煤鍋爐和1臺燒結(jié)余熱鍋爐供暖。為治理京津冀地區(qū)環(huán)境污染問題，國家和各級地方政府出臺了一系列環(huán)保政策，礦業(yè)公司南區(qū)的燃煤鍋爐供暖方式面臨淘汰或被環(huán)保治理的局面。

首鋼股份公司2號高爐的高爐沖渣水余熱回收利用系統(tǒng)已于2014年10月建成并投入使用，該系統(tǒng)主要用于首鋼股份公司生產(chǎn)廠區(qū)的廠房、控制室和辦公室冬季的供暖，且在使用過程中成功解決了高爐沖渣水易堵塞和易結(jié)垢的問題，取得了良好的運(yùn)行效果。為避免在改造原燃煤鍋爐系統(tǒng)中再投入大量的資金，參照2號高爐沖渣水余熱回收利用系統(tǒng)進(jìn)行供暖的成功經(jīng)驗，首鋼股份公司建設(shè)1,3號高爐沖渣水余熱回收利用項目，以解決取締燃煤鍋爐后礦業(yè)公司南區(qū)冬季供暖熱源問題。

1  高爐沖渣水余熱利用現(xiàn)狀

首鋼股份公司現(xiàn)有3座高爐，其中1,2號高爐有效容積為2650m3,3號高爐有效容積為4000m3,均采用明特法水渣處理工藝，工藝流程如圖1所示。

圖1 明特法水渣處理工藝流程圖

由圖1可見，高爐熔渣與鐵水分離后，經(jīng)熔渣溝進(jìn)入沖渣水池的熔渣?；瘏^(qū)，沖制箱噴出的高速水流使熔渣水粹?；鋮s。爐渣在熔渣溝內(nèi)進(jìn)一步?；?，流入裝有水渣分離器的攪籠池中，由帶有螺旋葉片的攪籠機(jī)（螺旋機(jī)）將水渣混合物中的爐渣分離出來，爐渣經(jīng)脫水后成為干渣。干渣由皮帶傳輸機(jī)輸送到堆場，外運(yùn)銷售。沖渣水經(jīng)過濾器過濾成干凈水后進(jìn)入貯水池和吸水井，經(jīng)沖渣泵抽回沖制箱循環(huán)使用。沖渣過程中，沖渣水吸收爐渣的熱量，自身溫度升高，一部分熱量經(jīng)過沖渣水的汽化蒸發(fā)后通過煙鹵排出，另一部分余熱通過沖渣水帶走，在沉淀池和熔渣溝中散失。

首鋼股份公司2號高爐沖渣水余熱回收利用項目已成功解決了沖渣水因易腐蝕和易結(jié)垢導(dǎo)致難以回收利用的問題，為1,3號高爐沖渣水余熱的回收利用提供了可靠的技術(shù)依據(jù)。高爐沖渣水進(jìn)入吸水井的平均溫度在70~80℃之間，完全可以利用該技術(shù)提取60~70℃的熱水用于向居民供暖。

2  高爐沖渣水供暖方案

2.1  礦業(yè)公司南區(qū)熱負(fù)荷需求

礦業(yè)公司南區(qū)采暖面積合計為98.4萬㎡，其中居民生活區(qū)采暖面積為80.3萬㎡，生產(chǎn)廠區(qū)采暖面積為18.1萬㎡，使用區(qū)域大多為車間廠房、辦公室、職工住宅和一些公共建筑等老舊建筑，無節(jié)能保溫措施。因此，經(jīng)多方考慮，最終確定廠房和辦公室綜合熱指標(biāo)為100~180W/m2,職工住宅和居民生活區(qū)綜合熱指標(biāo)為50~70W/㎡，公共建筑綜合熱指標(biāo)為80~140W/m2,熱負(fù)荷需求合計為85.56MW。

2.2  供暖改造方案

2.2.1  高爐沖渣水余熱熱量計算

首鋼股份公司1號高爐產(chǎn)能為6200t/d,3號高爐產(chǎn)能為9350t/d,高爐渣主要成分見表1。

由表1可見，首鋼股份公司1,3號高爐的高爐渣主要成分非常接近。

通過差式掃描量熱法分析爐渣成分可得，爐渣的比熱約為0.878kJ/(kg·℃)。根據(jù)熱平衡原理，高爐沖渣水系統(tǒng)的熱平衡關(guān)系式為：QB1+Qbw=Qtw+Q2+Qs1+Qs2+Qc+Qw式中：QB1為爐渣熱量，kJ/h;Qbw為補(bǔ)水熱量，kJ/h;Qtw為渣帶走水的熱量，kJ/h;Q2為渣帶走的熱量，kJ/h;Qs1為沖渣水池水面蒸發(fā)帶走的熱量，kJ/h;Qs2為沖渣水池壁面散熱量，kJ/h;QC為冷卻塔帶走的熱量，kJ/h;Qw為出渣期間沖渣水升溫的熱量，kJ/h

冷卻塔帶走的熱量Q。即為高爐沖渣水余熱，為可外供熱量，經(jīng)計算，1號高爐沖渣水余熱可外供熱量為32.8MW,3號高爐沖渣水余熱可外供熱量為51.5MW,可外供熱量總計為84.3 MW,可基本滿足礦業(yè)公司熱負(fù)荷需求。

2.2.2  換熱站熱負(fù)荷分配

為縮短供暖水輸送管線的長度，以減少高爐沖渣水余熱損失，并節(jié)省投資，在1,3號高爐沖渣水池附近各建設(shè)了1座高爐沖渣水余熱回收利用換熱站（簡稱換熱站）,分別為1號換熱站和3號換熱站，每座換熱站均單獨鋪設(shè)供暖管線至原有鍋爐房。其中，1號換熱站鋪設(shè)管線至原蒸發(fā)量為35t/h的燃煤鍋爐房，負(fù)責(zé)向該鍋爐房原負(fù)責(zé)的區(qū)域供暖；3號換熱站鋪設(shè)管線至原4臺蒸發(fā)量為14t/h的燃煤鍋爐房，負(fù)責(zé)向該鍋爐房原負(fù)責(zé)區(qū)域供暖。換熱站供熱面積和實際所需熱負(fù)荷見表2,換熱站實際可外供熱量情況見表3。

由表2,3可見，換熱站實際可外供熱量與實際所需熱負(fù)荷相比稍有虧欠，這只是穩(wěn)態(tài)計算的結(jié)果。在供暖期內(nèi)室外溫度是波動的，換熱站實際可外供熱量以這種熱負(fù)荷分配方式可絕大部分時間滿足用戶的采暖需求，但在供暖期最冷時期和極寒天氣下卻不能完全保證滿足用戶的采暖需求，因此，還設(shè)計了備用的蒸汽換熱器進(jìn)行熱量補(bǔ)充，以保證最冷時期和極寒天氣下用戶的采暖需求。

2.2.3  高爐沖渣水供暖工藝流程

首鋼股份公司1,3號換熱站主要設(shè)備包括高爐沖渣水專用過濾機(jī)組、沖渣水專用換熱器和其他配套設(shè)備。高爐沖渣水余熱回收利用系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。

圖2  高爐沖渣水余熱回收利用系統(tǒng)工藝流程圖

由圖2可見，換熱站一次水系統(tǒng)為高爐沖渣水系統(tǒng)，進(jìn)出水溫度分別為75,55℃，1號高爐的沖渣水量為1600m3/h,3號高爐的沖渣水量為2440m3/h。冬季，75℃的高爐沖渣水經(jīng)提升泵進(jìn)入沖渣水專用過濾機(jī)組，過濾后，高爐沖渣水進(jìn)入沖渣水專用換熱器進(jìn)行換熱，換熱后的高爐沖渣水溫度降至55℃，繼續(xù)用于高爐沖渣。為保證高爐沖渣水余熱回收利用系統(tǒng)的正常使用，沖渣水專用過濾機(jī)組利用沖渣水專用換熱器出口的高爐沖渣水回水持續(xù)反沖洗，以保證過濾器的正常使用和過濾效果。同時，高爐沖渣水按照所需流量流經(jīng)沖渣水專用換熱器，自動調(diào)節(jié)高爐沖渣水余熱回收利用系統(tǒng)的熱負(fù)荷，避免出現(xiàn)過冷或過熱現(xiàn)象，最大程度地節(jié)省能耗。二次水系統(tǒng)為采暖水循環(huán)系統(tǒng)，采暖水進(jìn)出水溫度分別為50,70℃，1號換熱站的采暖水循環(huán)量為1508m3/h,3號換熱站的采暖水循環(huán)量為2366m3/h。從用戶回來的采暖水溫度為50℃，經(jīng)除污器過濾后，再經(jīng)循環(huán)水泵加壓進(jìn)入沖渣水專用換熱器，吸取高爐沖渣水余熱，水溫達(dá)到鹿風(fēng):

70℃后，經(jīng)外部管網(wǎng)為用戶供暖。采暖系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，采暖水質(zhì)為除鹽水，與一次水系統(tǒng)的高爐沖渣水由板片隔開，互不交叉，避免管道和散熱片結(jié)垢。在循環(huán)水泵前設(shè)置定壓補(bǔ)水系統(tǒng)，采用補(bǔ)給水泵自動補(bǔ)水。為保證高爐停產(chǎn)檢修時采暖用戶的采暖需求，在換熱站內(nèi)設(shè)置汽水換熱器作為備用。

2.3  高爐沖渣水供暖設(shè)備的選型

高爐沖渣水中含有大量渣癢，既含有較大水渣顆粒物也含有細(xì)小的渣棉，而且高爐沖渣水的腐蝕性強(qiáng)，濃縮倍數(shù)大，非常容易結(jié)晶和結(jié)垢。

本次供暖設(shè)備的選型考慮了精密過濾、高效換熱和合理阻垢等方案。

1)過濾器。過濾器選用了沖渣水過濾機(jī)組，也是本項目的關(guān)鍵設(shè)備之一。該過濾機(jī)組設(shè)有2級過濾器，過濾器精度為30目，能夠有效去除高爐沖渣水中的水渣顆粒物和渣棉等渣宰，同時具備連續(xù)、穩(wěn)定的反沖洗功能，能夠保證較好的過濾效果，具有整體運(yùn)行可靠、無需定期沖洗和維護(hù)等優(yōu)點。

2)換熱器。選用沖渣水專用換熱器，該換熱器的板片采用鈦板材料，使用納米涂層技術(shù)具有極高的耐腐蝕和磨蝕性能，能夠完全防止渣棉、硅酸鹽結(jié)晶體和二氧化硅結(jié)晶體的附著，阻垢效果顯著。另外，該換熱器還具有換熱效率高和溫差小的特點，其設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)溫差在5℃以內(nèi)。

3  高爐沖渣水供暖實施效果及經(jīng)濟(jì)效益

3.1 實施效果

首鋼股份公司1,3號高爐沖渣水余熱回收利用系統(tǒng)于2015年年初開始籌備，繼而開工建設(shè)，2015年10月底完成首期工程，即換熱站和外線管網(wǎng)的施工，2015年11月中旬開始為礦業(yè)公司南區(qū)居民生活區(qū)供暖；2016年完成礦業(yè)公司南區(qū)生產(chǎn)廠區(qū)汽改水的二期施工，2016年11月15日項目全部建成，正式利用高爐沖渣水余熱為礦業(yè)公司南區(qū)的居民生活區(qū)和生產(chǎn)廠區(qū)供暖。首鋼股份公司1,3號高爐沖渣水余熱回收利用系統(tǒng)從投產(chǎn)運(yùn)行至今歷經(jīng)4個供暖季，當(dāng)高爐正常生產(chǎn)時，能夠保證系統(tǒng)外供熱量充足，供暖穩(wěn)定、連續(xù)，且供暖管道無堵塞情況發(fā)生，取得了良好的供暖效果。在供暖期，實際供暖水溫度均在60℃以上，較之前使用燃煤鍋爐供暖水的溫度穩(wěn)定性有了較大提升，能夠滿足采暖用戶需求，居民普遍反映較好。每個供暖季結(jié)束后，首鋼股份公司均對沖渣水專用換熱器進(jìn)行了拆檢和清洗，沖渣水專用換熱器內(nèi)部通道表面保清潔光滑，基本無附著物。

3.2  運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析

首鋼股份公司利用1,3號高爐沖渣水余熱為礦業(yè)公司南區(qū)供暖項目的成功，結(jié)束了礦業(yè)公司使用燃煤鍋爐供暖的歷史，避免了在原鍋爐供暖系統(tǒng)再投入大量改造資金，且徹底解決了礦業(yè)公司南區(qū)冬季供暖的熱源問題，推動了遷安地區(qū)能源結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化，實現(xiàn)節(jié)能23383t/a標(biāo)準(zhǔn)煤，減少CO2排放量約58458t/a,減少SO2排放量354t/a,符合國家節(jié)能減排政策，社會效益和經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

取消礦業(yè)公司南區(qū)燃煤鍋爐后，減免購買環(huán)保設(shè)施的花費(fèi)約為3981萬元，減少鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行成本約為1946萬元/a,減免增加脫硫設(shè)備費(fèi)用為340萬元/a,減少排污費(fèi)為200萬元/a。參照當(dāng)?shù)厥姓用窆┡瘍r格收費(fèi)，首鋼股份公司利用1,3號高爐沖渣水余熱為礦業(yè)公司南區(qū)供暖項目收入為1600余萬元/a。

4  高爐沖渣水余熱供暖的不足

目前，高爐沖渣水余熱供暖不足主要體現(xiàn)在以下2點：

1)首鋼股份公司利用1,3號高爐沖渣水余熱為礦業(yè)公司南區(qū)供暖項目運(yùn)行后，沖渣水溫度偏低，尤其3號高爐沖渣水，在天氣寒冷時需要對3號換熱站補(bǔ)充蒸汽，以維持供水溫度。

2)目前高爐沖渣水余熱的利用仍局限于供暖季，在非供暖季，高爐沖渣水余熱仍沒有經(jīng)濟(jì)合理的利用途徑，造成余熱資源的浪費(fèi)。

5  結(jié)語

通過回收利用高爐沖渣水余熱用于生活供暖是一項技術(shù)成熟、工藝完善和效果顯著的節(jié)能環(huán)

保技術(shù)，可有效回收鋼鐵行業(yè)高爐沖渣水余熱資源，把原生產(chǎn)工藝需要冷卻和放散掉的余熱用于生活供暖，從而取代燃煤供暖，不但提高了能源利用效率和供熱質(zhì)量，而且極大程度地節(jié)約了能源，降低了供暖成本和生產(chǎn)成本，減少了碳排放和大氣污染，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。但在項目前期設(shè)計中，要考慮供暖能力和熱負(fù)荷需求的合理分配，在最大程度回收高爐沖渣水余熱的同時，還可保證供暖質(zhì)量，實現(xiàn)高爐沖渣水余熱回收利用系統(tǒng)的連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行。

6  參考文獻(xiàn)

[1]  陶壽松，謝其湘，張新華.高爐沖渣余熱利用分析和展望[J].冶金動力，2018(9):51-54.