不锈钢管厂高炉冲渣水余热利用
文章来源：不锈钢U型管
作者：外链代发
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2022-06-14 13:37:53
为了利用高炉冲渣水的低温余热资源和解决矿业公司燃煤锅炉禁用后热源需求问题，不锈钢管厂通过精密过滤、高效换热及合理阻垢等技术方案，提取高炉冲渣水余热用于居民供暖，成功解决了冲渣水难于利用、易堵塞、易结垢问题。实现年节能23383tce，年减少CO2的排放量约58458t，减少SO2的排放量354t，符合国家节能减排政策，同时供热创效收入1600余万元，社会、经济效益十分显著。
目前已得到开发利用，并涌现出较多的成功案例。
首钢矿业公司南区居民生活区和生产厂区近邻不锈钢管厂，矿业公司南区居民生活区和生产区总采暖面积约98.4万m2，最大热负荷需求为85.56MW，由小型燃煤锅炉（4台14/h，1台35t/h）及烧结余热锅炉供暖。为彻底根治京津冀地区环境污染问题，国家及地方各级政府出台了一系列环保高压政策，矿业公司南区供暖环保形势日益严峻，燃煤锅炉面临淘汰或进一步环保治理的局面。
不锈钢管厂2号高炉冲渣水余热利用系统已于2014年10月建成投入使用，主要用于迁钢厂区生产厂房及控制室和办公室冬季采暖，成功解决了高炉冲渣水的易堵塞、易结垢问题，并取得了良好的运行效果。为避免在原锅炉系统投入大量的改造资金，不锈钢管厂对1号、3号高炉冲渣水余热资源进行了开发利用，彻底取消矿业公司南区燃煤锅炉，解决首钢矿业公司冬季供暖问题。
1不锈钢管厂高炉冲渣水余热资源现状
不锈钢管厂现有高炉3座，其中1号、2号高炉容量为2650m3，3号高炉容量为4000m3，均采用明特法水冲渣处理工艺，工艺流程如图1所示。高炉熔渣与铁水分离后，经渣沟进入熔渣粒化区，水渣冲制箱喷出的高速水流使熔渣水淬粒化冷却。炉渣在水渣沟内进一步粒化缓冲后，流入装有水渣分离器的搅笼池中，由带有螺旋叶片的搅笼机（也称螺旋机）将水渣混合物中的炉渣分离出来，经脱水后成为干渣。干渣由皮带机输送到堆场，外运销售。过滤器将冲渣水过滤成干净水，送入贮水池和吸水井，再抽回冲制箱循环使用。
不锈钢管厂2号高炉冲渣水余热回收利用项目已成功解决了腐蚀和结垢问题，为1号、3号高炉冲渣水余热利用提供了详实技术依据。高炉冲渣水进人吸水井的平均温度在70~80℃之间，完全可以利用该技术工艺提取出60~70℃的二次热水用于居民供暖。
2不锈钢管厂高炉冲渣水供暖方案
2.1矿业公司南区热负荷需求
首钢矿业公司南区生活区及生产区采暖面积合计98.4万m2，其中居民生活区为80.3万m2，厂矿生产区为18.1万m2。用户大多为车间厂房、办公室、职工住宅等旧有建筑，无节能保温措施。因此，考虑多方面因素确定各类建筑采暖热指标为：厂区（厂房和办公）综合热指标为100~180W/m2，住宅建筑综合热指标为50~70W/m2，公共建筑综合热指标80~140W/m2，冬季热负荷需求合计为85.56MW。
2.2供暖改造方案实施
2.2.1高炉冲渣水余热热量计算
高炉渣主要成分为二氧化硅、氧化钙、氧化镁、氧化铝和少量的二氧化钛、单质硫以及微量的氧化亚铁，根据1号、3号高炉的实际生产情况，对炉渣成分进行成分分析如表1所示，1号高炉日产铁水6200t，3号高炉日产铁水9350t，取炉渣热焙值为1800kJ/kg，渣铁比为0.3。
由表1可知，1号、3号高炉炉渣各主要成分近似相同，通过取样对炉渣成分进行差式扫描量热法分析可得炉渣比热约为0.878kJ/（kg℃）。
根据热平衡原理，高炉冲渣水系统的热平衡关系为：
Qm+Qm=Qm+Q，+Q1+Q2+Q。+Q。
式中：Qan为炉渣热量，kJ/h；Qm为补水热量，kJ/h；Q.为冲渣水的热量，kJ/h；Q.为渣带走的热量，kJ/h；Qs1为冲渣水池水面蒸发带走的热量，kJ/h；Q2为冲渣水池壁面散热量，kJ/h；Q。
为冷却塔带走的热量，kJ/h；Q。为出渣期间冲渣水升温的热量，kJ/h。
理论上，冷却塔带走的热量可以作为供暖余热热源总量。经计算1号高炉冲渣水外供热量为32.8MW，根据生产实际情况，3号高炉冲渣水外供热量为51.5MW，合计总供热量为84.3MW，可基本满足矿业公司负荷需求。
2.2.2热源负荷匹配
为缩短采暖水输送管线长度，减少冲渣水热损失，节省投资，在1号、3号高炉冲渣水池附近分别建设1座换热站，各自单独铺设采暖管线接入原有锅炉房；由1号高炉冲渣水换热站负责35Vh燃煤锅炉房采暖用户，由3号高炉冲渣水换热站负责4台14t/h燃煤锅炉房采暖用户。换热站供热负荷分配如表2所示。
由表2可以看出，实际供热量的稳态计算值稍有亏欠。但是，实际供暖期室外温度是变化的，此种负荷分配可满足采暖期绝大部分时间用户热负荷需求，在最冷月以及极寒天气不能完全保证采暖热负荷需求，因此，在最冷月内设计备用的蒸汽换热器少量补热，以保证最冷月的采暖用户使用要求。
2.2.3采暖工艺流程
在不锈钢管厂1号、3号高炉冲渣水池附近分别建设一座换热站，主要设备包括：高炉冲渣水专用过滤机组、渣水专用换热器、过滤器配套设备、防结晶阻垢设备、水泵阀门系统设备、仪表系统设备和电控系统设备等。配套渣水换热站建设二次采暖水外部管线供至矿业公司原有锅炉房，换热站通过新增外线供回水管道系统向矿业公司采暖用户供应采暖水，以满足各个区域用户需求，如图2所示。
换热站一次侧水系统为高炉冲渣水，进、出水温为75、55℃，1号高炉冲渣水量为1600m3/h，3号高炉冲渣水量为2440m3/h。冬季75℃的高炉冲渣水经提升泵进入冲渣水专用过滤机组净化后，通过高炉冲渣水均流泵进人高炉冲渣水专用板式换热器进行换热，换热后冲渣水温度降低至55℃，继续用于高炉冲渣。为保证系统的正常使用，一次水系统过滤机组利用换热器出口的冲渣水回水持续反冲洗，保证过滤器的正常使用及过滤效果。同时，在PLC控制下，按照所需流量调整流经换热器的冲渣水量，自动调节系统的热负荷，避免出现过冷、过热，最大程度地节省能耗。
二次侧水系统为采暖热水循环系统，进、出水温50、70℃，1号高炉冲渣水余热利用换热站的采暖水循环量为1508m2/h，3号高炉冲渣水余热利用换热站的采暖水循环量为2366m3/h。从采暖用户回来的50℃热水经除污器过滤后，再经采暖循环水泵加压送入换热器吸取冲渣水余热，加热到70℃后经外部管网送至锅炉房采暖用户。采暖系统为闭式系统，系统水质为除盐水，与一次冲渣水由板片隔开，互不交叉，避免管道及散热片结垢；在采暖循环泵前设置定压补水系统，采用变频补水泵自动补水。
为保证高炉停产检修时采暖用户的供热需求，在换热站内设置汽水换热器作为备用，采用蒸汽补热时凝结水回收至补水箱循环利用。
2.3供暖设备选型特点
高炉冲渣水中含有大量渣率，有较大颗粒物，也有细微的渣棉，而且冲渣水的腐蚀性强，浓缩倍数大，非常容易结晶和结垢，该设计采用了精密过滤、高效换热及合理阻垢等方案。
（1）过滤器。冲渣水过滤机组是关键设备之一，设有两级过滤器，过滤器精度为30目，能够有效地去除冲渣水中的渣棉、水渣等颗粒物；同时具备连续稳定的反冲洗功能，能够保证过滤效果，整体运行可靠，无需定期冲洗及维护等。
（2）换热器。选用冲渣水专用板式换热器，板片采用钛板材料，使用纳米涂层技术，具有极高的耐腐蚀、磨蚀性能，能够完全防止渣棉、硅酸盐结垢及二氧化硅结晶体的附着，阻垢效果显著。另外，该换热器还具有换热效率高、温差小的特点，其标准设计在5℃以内。
3不锈钢管厂高炉冲渣水居民供暖实施效果及运行经济性分析
3.1实施效果
2015年年初该项目开始筹备、开工建设，2015年10月底完成首期工程换热站及外线管网施工，2015年11月中旬开始为矿业公司南区居民生活区供暖，次年完成矿业公司南区生产厂矿汽改水二期施工，自2016年11月15日起项目全部建成，并正式利用高炉冲渣水余热为矿业公司南区供暖。
该项目投运至今已连续运行4个采暖季，高炉正常生产时供热稳定、连续，无堵塞情况发生，取得了较好的供热效果。供暖期实际采暖水供回水温度均在60或50℃以上，比之前燃煤锅炉供热的稳定性有了较大提升，矿业公司居民普遍反映较好，完全满足采暖用户需求。每个采暖季结束后，迁钢公司对核心设备——渣水换热机组进行拆检、清洗，板式换热片内部通道表面保持清洁光滑，基本无附着物堵塞。
3.2运行经济性分析
不锈钢管厂利用1号、3号高炉冲渣水余热为矿业公司南区供暖项目的成功应用，结束了矿业公司燃煤供暖历史，避免了在原锅炉系统投入大量的改造资金，彻底解决了矿业公司南区热源问题，推动了首钢集团迁安地区用能结构的整体优化。同时，实现年节能量23383tce，年减少CO，的排放量约58458t，减少SO，的排放量354t，符合国家节能减排政策，节能环保效果、社会效益、经济效益十分显著。
首钢矿业公司取消南区全部燃煤锅炉（4台14t/h，1台35t/h），节省环保设施投入3981万元，减少锅炉系统运行成本1946万元/a，避免增加脱硫运行费用340万元/a，减少排污费200万元/a。不锈钢管厂参照当地市政居民供暖价格，每年供热创效收入1600余万元。
迁钢公司高炉冲渣水余热利用还存在以下不足之处：
（1）该项目运行后冲渣水温度偏低，尤其3号高炉天气寒冷时需要补充蒸汽维持供水温度。
（2）目前高炉冲渣水余热利用仍局限于冬季采暖，非采暖季节没有经济合理的利用途径，造成余热资源持续浪费。
目前已得到开发利用，并涌现出较多的成功案例。
首钢矿业公司南区居民生活区和生产厂区近邻不锈钢管厂，矿业公司南区居民生活区和生产区总采暖面积约98.4万m2，最大热负荷需求为85.56MW，由小型燃煤锅炉（4台14/h，1台35t/h）及烧结余热锅炉供暖。为彻底根治京津冀地区环境污染问题，国家及地方各级政府出台了一系列环保高压政策，矿业公司南区供暖环保形势日益严峻，燃煤锅炉面临淘汰或进一步环保治理的局面。
不锈钢管厂2号高炉冲渣水余热利用系统已于2014年10月建成投入使用，主要用于迁钢厂区生产厂房及控制室和办公室冬季采暖，成功解决了高炉冲渣水的易堵塞、易结垢问题，并取得了良好的运行效果。为避免在原锅炉系统投入大量的改造资金，不锈钢管厂对1号、3号高炉冲渣水余热资源进行了开发利用，彻底取消矿业公司南区燃煤锅炉，解决首钢矿业公司冬季供暖问题。
1不锈钢管厂高炉冲渣水余热资源现状
不锈钢管厂现有高炉3座，其中1号、2号高炉容量为2650m3，3号高炉容量为4000m3，均采用明特法水冲渣处理工艺，工艺流程如图1所示。高炉熔渣与铁水分离后，经渣沟进入熔渣粒化区，水渣冲制箱喷出的高速水流使熔渣水淬粒化冷却。炉渣在水渣沟内进一步粒化缓冲后，流入装有水渣分离器的搅笼池中，由带有螺旋叶片的搅笼机（也称螺旋机）将水渣混合物中的炉渣分离出来，经脱水后成为干渣。干渣由皮带机输送到堆场，外运销售。过滤器将冲渣水过滤成干净水，送入贮水池和吸水井，再抽回冲制箱循环使用。
不锈钢管厂2号高炉冲渣水余热回收利用项目已成功解决了腐蚀和结垢问题，为1号、3号高炉冲渣水余热利用提供了详实技术依据。高炉冲渣水进人吸水井的平均温度在70~80℃之间，完全可以利用该技术工艺提取出60~70℃的二次热水用于居民供暖。
2不锈钢管厂高炉冲渣水供暖方案
2.1矿业公司南区热负荷需求
首钢矿业公司南区生活区及生产区采暖面积合计98.4万m2，其中居民生活区为80.3万m2，厂矿生产区为18.1万m2。用户大多为车间厂房、办公室、职工住宅等旧有建筑，无节能保温措施。因此，考虑多方面因素确定各类建筑采暖热指标为：厂区（厂房和办公）综合热指标为100~180W/m2，住宅建筑综合热指标为50~70W/m2，公共建筑综合热指标80~140W/m2，冬季热负荷需求合计为85.56MW。
2.2供暖改造方案实施
2.2.1高炉冲渣水余热热量计算
高炉渣主要成分为二氧化硅、氧化钙、氧化镁、氧化铝和少量的二氧化钛、单质硫以及微量的氧化亚铁，根据1号、3号高炉的实际生产情况，对炉渣成分进行成分分析如表1所示，1号高炉日产铁水6200t，3号高炉日产铁水9350t，取炉渣热焙值为1800kJ/kg，渣铁比为0.3。
由表1可知，1号、3号高炉炉渣各主要成分近似相同，通过取样对炉渣成分进行差式扫描量热法分析可得炉渣比热约为0.878kJ/（kg℃）。
根据热平衡原理，高炉冲渣水系统的热平衡关系为：
Qm+Qm=Qm+Q，+Q1+Q2+Q。+Q。
式中：Qan为炉渣热量，kJ/h；Qm为补水热量，kJ/h；Q.为冲渣水的热量，kJ/h；Q.为渣带走的热量，kJ/h；Qs1为冲渣水池水面蒸发带走的热量，kJ/h；Q2为冲渣水池壁面散热量，kJ/h；Q。
为冷却塔带走的热量，kJ/h；Q。为出渣期间冲渣水升温的热量，kJ/h。
理论上，冷却塔带走的热量可以作为供暖余热热源总量。经计算1号高炉冲渣水外供热量为32.8MW，根据生产实际情况，3号高炉冲渣水外供热量为51.5MW，合计总供热量为84.3MW，可基本满足矿业公司负荷需求。
2.2.2热源负荷匹配
为缩短采暖水输送管线长度，减少冲渣水热损失，节省投资，在1号、3号高炉冲渣水池附近分别建设1座换热站，各自单独铺设采暖管线接入原有锅炉房；由1号高炉冲渣水换热站负责35Vh燃煤锅炉房采暖用户，由3号高炉冲渣水换热站负责4台14t/h燃煤锅炉房采暖用户。换热站供热负荷分配如表2所示。
由表2可以看出，实际供热量的稳态计算值稍有亏欠。但是，实际供暖期室外温度是变化的，此种负荷分配可满足采暖期绝大部分时间用户热负荷需求，在最冷月以及极寒天气不能完全保证采暖热负荷需求，因此，在最冷月内设计备用的蒸汽换热器少量补热，以保证最冷月的采暖用户使用要求。
2.2.3采暖工艺流程
在不锈钢管厂1号、3号高炉冲渣水池附近分别建设一座换热站，主要设备包括：高炉冲渣水专用过滤机组、渣水专用换热器、过滤器配套设备、防结晶阻垢设备、水泵阀门系统设备、仪表系统设备和电控系统设备等。配套渣水换热站建设二次采暖水外部管线供至矿业公司原有锅炉房，换热站通过新增外线供回水管道系统向矿业公司采暖用户供应采暖水，以满足各个区域用户需求，如图2所示。
换热站一次侧水系统为高炉冲渣水，进、出水温为75、55℃，1号高炉冲渣水量为1600m3/h，3号高炉冲渣水量为2440m3/h。冬季75℃的高炉冲渣水经提升泵进入冲渣水专用过滤机组净化后，通过高炉冲渣水均流泵进人高炉冲渣水专用板式换热器进行换热，换热后冲渣水温度降低至55℃，继续用于高炉冲渣。为保证系统的正常使用，一次水系统过滤机组利用换热器出口的冲渣水回水持续反冲洗，保证过滤器的正常使用及过滤效果。同时，在PLC控制下，按照所需流量调整流经换热器的冲渣水量，自动调节系统的热负荷，避免出现过冷、过热，最大程度地节省能耗。
二次侧水系统为采暖热水循环系统，进、出水温50、70℃，1号高炉冲渣水余热利用换热站的采暖水循环量为1508m2/h，3号高炉冲渣水余热利用换热站的采暖水循环量为2366m3/h。从采暖用户回来的50℃热水经除污器过滤后，再经采暖循环水泵加压送入换热器吸取冲渣水余热，加热到70℃后经外部管网送至锅炉房采暖用户。采暖系统为闭式系统，系统水质为除盐水，与一次冲渣水由板片隔开，互不交叉，避免管道及散热片结垢；在采暖循环泵前设置定压补水系统，采用变频补水泵自动补水。
为保证高炉停产检修时采暖用户的供热需求，在换热站内设置汽水换热器作为备用，采用蒸汽补热时凝结水回收至补水箱循环利用。
2.3供暖设备选型特点
高炉冲渣水中含有大量渣率，有较大颗粒物，也有细微的渣棉，而且冲渣水的腐蚀性强，浓缩倍数大，非常容易结晶和结垢，该设计采用了精密过滤、高效换热及合理阻垢等方案。
（1）过滤器。冲渣水过滤机组是关键设备之一，设有两级过滤器，过滤器精度为30目，能够有效地去除冲渣水中的渣棉、水渣等颗粒物；同时具备连续稳定的反冲洗功能，能够保证过滤效果，整体运行可靠，无需定期冲洗及维护等。
（2）换热器。选用冲渣水专用板式换热器，板片采用钛板材料，使用纳米涂层技术，具有极高的耐腐蚀、磨蚀性能，能够完全防止渣棉、硅酸盐结垢及二氧化硅结晶体的附着，阻垢效果显著。另外，该换热器还具有换热效率高、温差小的特点，其标准设计在5℃以内。
3不锈钢管厂高炉冲渣水居民供暖实施效果及运行经济性分析
3.1实施效果
2015年年初该项目开始筹备、开工建设，2015年10月底完成首期工程换热站及外线管网施工，2015年11月中旬开始为矿业公司南区居民生活区供暖，次年完成矿业公司南区生产厂矿汽改水二期施工，自2016年11月15日起项目全部建成，并正式利用高炉冲渣水余热为矿业公司南区供暖。
该项目投运至今已连续运行4个采暖季，高炉正常生产时供热稳定、连续，无堵塞情况发生，取得了较好的供热效果。供暖期实际采暖水供回水温度均在60或50℃以上，比之前燃煤锅炉供热的稳定性有了较大提升，矿业公司居民普遍反映较好，完全满足采暖用户需求。每个采暖季结束后，迁钢公司对核心设备——渣水换热机组进行拆检、清洗，板式换热片内部通道表面保持清洁光滑，基本无附着物堵塞。
3.2运行经济性分析
不锈钢管厂利用1号、3号高炉冲渣水余热为矿业公司南区供暖项目的成功应用，结束了矿业公司燃煤供暖历史，避免了在原锅炉系统投入大量的改造资金，彻底解决了矿业公司南区热源问题，推动了首钢集团迁安地区用能结构的整体优化。同时，实现年节能量23383tce，年减少CO，的排放量约58458t，减少SO，的排放量354t，符合国家节能减排政策，节能环保效果、社会效益、经济效益十分显著。
首钢矿业公司取消南区全部燃煤锅炉（4台14t/h，1台35t/h），节省环保设施投入3981万元，减少锅炉系统运行成本1946万元/a，避免增加脱硫运行费用340万元/a，减少排污费200万元/a。不锈钢管厂参照当地市政居民供暖价格，每年供热创效收入1600余万元。
迁钢公司高炉冲渣水余热利用还存在以下不足之处：
（1）该项目运行后冲渣水温度偏低，尤其3号高炉天气寒冷时需要补充蒸汽维持供水温度。
（2）目前高炉冲渣水余热利用仍局限于冬季采暖，非采暖季节没有经济合理的利用途径，造成余热资源持续浪费。
上一篇：涡流发生器高度对不锈钢换热器传热影响的仿真分析
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