高炉冲渣水余热回收技术的创新与应用

内容摘要:一、冲渣水余热高效回收的必要性高炉熔融炉渣温度高达1400~1500℃,热量大,属高品质的余热资源。其处理工艺在我国主要采用水淬

一、冲渣水余热高效回收的必要性

高炉熔融炉渣温度高达1400~1500℃,热量大,属高品质的余热资源。其处理工艺在我国主要采用水淬处理。大量高温炉渣通过冲渣水进行冷却,产生大量温度在70~85℃的热水。通常为了保证冲渣水的循环利用效果,需要将这部分冲渣水在沉淀过滤后引入空冷塔,降温到50℃以下再次循环冲渣,或进行自然降温后继续循环冲渣,大量的热量被白白损失,既造成了能源的浪费,又对环境造成了热污染。高炉冲渣水作为一种废热能源,凭借其温度稳定、流量大的特点,正逐渐成为余热回收利用的研究热点。

高炉冲渣水低温余热的特点是热源温度较低,但其流量却相当大。回收高炉冲渣水的余热,既能节约能源,又能保护环境,具有重要现实意义。

目前,对冲渣水余热的回收方式有利用冲渣水采暖、浴池用水和余热发电。冲渣水余热发电无疑是一种最有价值的研发方向,但因其技术要求相对较高,投资回收期较长,目前还处于研究开发阶段。利用冲渣水采暖或作浴池用水,已被北方地区部分钢厂采纳使用,并带来较好的经济效益。

高炉水渣含有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,杂质将会使采暖系统中的管道、阀门、散热器发生大面积淤积、堵塞,所以高炉冲渣水作为采暖热源不适于直接使用,而通过间接换热的形式重复利用冲渣水进行采暖或作为浴池用水是首要方向。

二、冲渣水余热高效回收技术的创新

1. 冲渣水专用换热器

冲渣水专用换热器是由研发专利“螺旋扁管冷压成型机”( 专利号:200810054492. 7) 冷压而成的螺旋状扁管换热元件制造而成的新型高效换热器,获得国家实用新型专利(专利号:201120132067.2)。螺旋扁管的截面为椭圆形,其管内外流道均呈螺旋状。

冲渣水专用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。

(1)压降小

管壳式换热器在壳程为了减少死区和短路设置了一定数量的折流板,相应增加了阻力; 螺旋扁管的应用使得壳程中介质的曲折流动变为直接螺旋地流动,没有死区,没有必要设置折流板。取消折流板,相应降低了阻力,并大大增加了每个压力降单位的热传递效率。一般热传递效率在同一压力降的情况下提高40%以上。反之,在同一热传递效率下,压力降减少一半。冲渣水专用换热器和螺旋板式换热器的压降约≤30kPa,而板式换热器和固定管板式换热器均在50~100kPa。

(2)传热效率高

在管程,流体的螺旋流动提高了其湍流程度,减薄了作为传热主要热阻的滞流内层的厚度,使管内传热得以强化。在壳程,因螺旋扁管之间的流道也呈螺旋状,流体在其间运动时受离心力的作用而周期性地改变速度和方向,从而加强了流体的纵向混合。加之流体经过相邻管子的螺旋线接触点时形成脱离管壁的尾流,增强了流体自身的湍流程度,使得壳程的传热也得以强化。管内、管外传热同时强化的结果,使其传热效果较普通管壳式换热器有大幅度提高,特别对流体悬浮物较大,粘度较大,一侧或两侧呈滞流流动的换热过程体,其效果尤为突出 。

(3)不易结垢

换热管内外流体均螺旋状、离心式流动,不断冲刷管内、外壁,使换热管不易结垢。壳体中无盲区,壳程和管程上的涡流降低了污垢的沉积。在同样的条件下螺旋扁管换热器压力降比传统的管壳式换热器和板式换热器低,可产生较高的流速,从而降低了换热管阻塞和结垢的几率。

(4)不堵塞

特殊换热元件具有自洁特性,一旦杂质进入换热器,尤其是冲渣水中丝状悬浮物的聚集,,不易在换热元件内停留形成挂壁,不易使换热器堵塞,保持换热器长期正常运行。

(5)检修维护简易

冲渣水专用换热器采用模块化设计,根据客户需求可自由组合成不同系统,每个模块由2台冲渣水专用换热器组成,正常运行时两台换热器同时工作,最大限度地将冲渣水热量传递给采暖水,保证采暖供水温度;在采暖初、末期或换热器维护时又可单独使用,以保证采暖期换热系统的正常运行。并可在设计时预留换热能力,可增加模块,检修更换非常方便。由于换热器的无污堵,大大减少维护量,仅在采暖期结束停止供暖时,打开清洁机构检查清理管箱,以备来年使用。并在正常运行使用时可做到无人值守。

2. 冲渣水专用换热器与其它换热器对比

由于冲渣水中的杂质很多,尤其是丝状悬浮物的聚集,易使换热器堵塞,冲渣水专用换热器与其他换热器比较具有优越性。冲渣水专用换热器与其它换热器比较见表1 所示。

表1  冲渣水专用换热器与其它换热器比较

三、冲渣水余热高效回收的应用

1. 余热回收应用案例

某公司3 座高炉,冲渣水循环水量4200t /h,70~85℃的低温热水,最少可提供48800kW 热量,按利用95%的热效率,可供建筑面积近60万m2的居民采暖、建筑面积8万m2 的厂区采暖及3000人职工洗浴。这些热量如不利用不仅会白白浪费,还会对周围环境造成热污染。如果将冲渣水的余热代替住宅区的区域锅炉房,不但有居民采暖收益,还节约了锅炉燃煤,减轻了厂区内的热污染,杜绝了由于锅炉房燃煤向大气排放的SO2、NOX、CO2和粉尘等大气污染及锅炉房排污造成的水污染。同时由于冲渣水温度降低,还可提高高炉炉渣的品质,提高炉渣制成的水泥活性。另外,厂区内的8万m2的综合楼、办公楼、宿舍、车间等采用蒸汽采暖,如果将高炉冲渣水的余热代替原来用于采暖的蒸汽,将蒸汽用于发电,可有效缓解电力不足。投资1025万元,约3个月或一个采暖期即可收回投资。

2.冲渣水专用换热器的应用

目前我国北方地区钢厂高炉冲渣水的余热利用多以采暖为主。国内已有多家采用高炉冲渣水专用换热器,利用高炉冲渣水为居民小区和厂区供暖,取得良好的运行效果,技术工艺非常成熟。典型用户有河北钢铁集团鑫达钢铁有限公司(一期、二期、三期)、河北钢铁集团唐山荣信钢铁有限公司、吉林鑫达钢铁有限公司、河北普阳钢铁有限公司(一期、二期)、山东莱钢永锋钢铁有限公司(一期、二期、三期和四期)、新兴铸管股份有限公司、河北新武安钢铁集团鑫山钢铁有限公司、山东石衡特钢有限公司、山东传洋集团有限公司(一期、二期、三期和四期)、唐山东海钢铁集团有限公司、凌源钢铁股份有限公司、首秦金属材料有限公司等20多家企业。

  四、效益分析

高炉冲渣水余热回收高效利用的经济效益、环境效益和社会效益分析如下:

1.经济效益  

目前高炉冲渣水余热利用可用于钢铁企业的鼓风预热,除盐水预热,混料加热,设备的除湿、食堂澡堂热水等供应。该技术在钢铁企业推广可减少钢企节能减排的压力,增加钢企非钢产业的收入。项目投资回收期仅为一个采暖期,同时该项目还能申请国家节能资金补助,更加缩短了投资回收期,并且通过收取采暖费的方式,为钢企创造了效益,节约了成本。同时,由于高炉冲渣水余热回收利用回收期短,经济效益显著,为钢厂发展非钢产业提供了新的途径。

2.环境效益

高炉冲渣水高效回收利用技术可大大减轻或消除雾霾产生。北方地区采用高炉冲渣水余热回收,替换燃煤锅炉采暖(或置换燃气锅炉的煤气用于发电),彻底解决了燃煤锅炉外排废气、SO2等污染物的排放,减轻或从源头上消除雾霾的发生。同时不需要购买大量的燃气或不需要储存燃煤的仓库,也没有运输燃煤的物流环节,人力、物力成本也大大减少,同时给城市运转减少压力,并有效解决了长期困扰城市供暖资金短缺问题。南方地区钢厂通过“政用产学研”协同发展开发低温余热资源产业化发展最成熟的技术—有机朗肯低温余热发电技术(ORC),将高炉冲渣水余热回收用于低温余热发电,其市场前景广阔。

3.社会效益

高炉冲渣水余热回收利用技术和创新管理“驱动”钢厂与城市绿色融合,开辟了城市与钢铁企业融合发展提供了新途径,为城市型钢铁企业的融合发展提供了新模式,为加速城市型钢厂绿色转型、融入城市经济圈提供了重要支撑。据不完全统计全国有39家城市型钢厂或都市型钢铁企业。钢厂为城市居民小区供热采暖或制冷,城市中水或其它工业废水供城市型钢铁企业进行处理回用,钢企与城市水资源利用形成梯级循环利用、和谐发展。城市型钢铁企业与城市形成了互相依存、和谐共融的健康发展局面,促进了钢厂与城市融合发展,走出了一条钢厂与环境、城市和谐发展的新道路。

五、高炉冲渣水专用换热器应用效果分析

从2012年4月份开始推广高炉冲渣水专用换热器以来,截止2012年底,已为11家钢厂设计施工,并应用厂区及家属区的采暖及洗浴。共计为用户节煤5.25万吨,按每吨标准煤1000元计,可为用户节省5250万元,减排二氧化碳19万吨,减排粉尘118.8吨。2013年全年与20余家企业签订并实施该项目,按解决582平方采暖面积计算,当年可为用户节煤15.43万吨,减排二氧化碳55.87万吨,减排二氧化硫178吨,减排氮氧化物1550吨,减排粉尘349.2吨。

预测2015年我国年产7.6亿吨生铁,则每年高炉渣量约2.43亿吨;预计2015年30%的高炉炉渣余热高效回收利用,则每年可利用的高炉渣量有0.73亿吨,1吨高炉渣所含的热量相当于0.058吨标准煤,年节能能力423万tce,碳减排量1117万t CO2/tce。我公司按10%推广比例,年节能能力141万tce,碳减排量372万t CO2/tce。

六、结论

高炉冲渣水专用换热用于采暖,使冲渣水得到降温,减少冲渣水量的蒸发,降低了生产成本和采暖成本,经济效益、环保效益和社会效益显著。高炉冲渣水拥有巨大的余热资源是钢铁厂节能减排的难点和重点,为钢铁企业高效余热回收开辟了一条有效可行的途径。  
标签: 余热利用
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