高炉渣处理热水供暖方案探讨

1高炉渣处理热水供暖方案探讨胡学毅北京首钢设计院100043摘要：本文简述了首钢利用高炉渣余热供暖的历程和其间出现的问题，并指出目前采用先进的高炉渣处理系统和供热交换系统可以较好的解决以上问题。文中通过对高炉渣处理系统的热平衡计算，得到了可利用的热量和系统温度的变化范围。文中还对溴化锂热泵机组提高余热供热温度系统的方案、节能环保效果及技术经济指标进行了深入分析。关键词：高炉渣处理系统冲渣水冷凝热水供热系统溴化锂热泵机组1．前言首钢曹妃甸钢铁基地要实施的是钢铁精品工程，并从可持续发展的战略高度，把资源、环境、能源放在首位，发展循环经济。钢铁企业固体废弃物资源综合利用以及余热资源的利用是发展循环经济的重要内容。在余热利用方面，除利用焦炉排烟气与荒煤气显热来预热焦煤；利用烧结机环冷机废气和主排风烟气进余热锅炉和低温余热发电；高炉渣、转炉渣显热回收等，还有低品位余热水、循环冷却水的热泵利用等新技术。余热利用不仅解决钢铁企业内部的供热需要，而且可提供邻近社区居民生活的热能。本文着重探讨高炉渣的余热利用以及采用吸收式热泵技术解决钢铁企业低品位工业循环水热量的回收利用。2.首钢利用水渣余热采暖历史回顾首钢从1972年4月份开始进行水渣池余热采暖工程的试验研究和设计，到1984年利用泡渣池热水实现供暖面积51.3万m2。90年代4座高炉改造铁水产量提高1倍以上，泡渣改成水力冲渣，渣池水供热面积达152万m2。其供热工艺流程见图1。用户蒸汽交换站蒸汽热水池冷却塔快滤池预沉池冲渣池高炉图1冲渣水供热工艺流程图系统中设计了预沉池和快滤池，滤后渣水浊度可以达到25mg/L以下，但由于其中含有胶体物质，水质具有腐蚀性，长期运行出现了管道、散热器等处发生结垢、堵塞和腐蚀的普遍现象，使供暖系统维修量和维修成本逐年增加；散热器结垢和堵塞，使其散热量减少，以致在寒冷季节室温达不到设计要求。另外，由于水渣水供热面积逐年增加，原系统负荷已不能2满足要求，由于以上原因，于1997年底结束了水渣池25年供暖的历史，由一座供热能力为210万m2的热交换站承担，最大蒸汽用量为250t/h，蒸汽主要由首钢自备电厂抽汽式机组和厂区蒸汽管网提供。虽然由于水质以及系统等问题结束了首钢高炉水渣池供暖的历史，但25年来其为首钢的节能、减少燃煤锅炉对环境的污染仍然功不可没。目前首钢正在曹妃甸建1000万t的现代化新钢厂，要以尽可能少的资源、能源消耗，尽可能少的废物产生和尽可能小的环境代价，取得最好的经济效益。而进一步采取节约资源、能源，降低污染物排放的举措对于建设节约型现代化钢铁制造业是非常重要的。其中水渣热水作为新型厂的冬季采暖的热源是一项非常具有潜力的节能环保技术。新厂5500m3高炉渣处理采用了与传统泡渣池和水力冲渣池完全不同的工艺流程，新的渣处理方法－节水环保型明特法渣处理原理见图2。12345678出渣9图2节水环保型明特法渣处理原理示意图1.高炉；2.冲制粒化箱；3.冷凝塔；4.螺旋出渣；5.滚筒过滤器；6.贮水池；7.热水槽；8.冷却塔；9.温水槽从原理图可见，明特法渣处理分为两个循环系统，即冲渣水的循环系统和蒸汽冷凝水的循环系统。通过冷凝塔实现利用渣的热量产生蒸汽，蒸汽在冷凝塔上部被喷淋冷凝，蒸汽的潜热加热喷淋水成80℃以上的热水，再把热水送进冷却塔冷却为55℃温水，热量通过水的蒸发和冷却再排入大气。由于冷凝水的循环系统不与冲渣水直接接触，所以水质要比原来泡渣水和冲渣水要好得多，另外，还可以通过热交换器对采暖系统的密闭循环水与开式冷凝的循环水进行隔离。而以前供热系统中存在的对散热设备的结垢、堵塞、腐蚀等现象均不会发生了。3.高炉明特法冲渣水的热平衡计算3.1计算基本参数以5500m3高炉为例，高炉日产铁水25300t，平均产渣量264t/h，有4个出铁口，配置两套节水环保型明特法渣处理系统，每套系统负责两个出铁口，两套系统交替使用，少量时间重叠运行。系统补水量157t/h，其中渣带走的水量45t/h，其余蒸发到大气中。热水池、贮水池等两个系统总散热面积458m2，池壁等散热面积约1000m2。3.2各项热量计算①高炉渣的热量Qz(kJ/h)Qz=GzCz=264000×1800=47520×104(kJ/h)3其中Gz－高炉小时平均出渣量kg；Cz－渣的含热量kJ/kg。②补充水的热量QBs(kJ/h)QBs=4.18×GBtB=4.18×157000×35=2296.9×104(kJ/h)其中GB－系统补充水量kg/h；tB－补充水温度℃。③渣带走水的热量QP(kJ/h)QP=4.18×GPth=4.18×45000×80=1504.8×104(kJ/h)其中GP－渣带走的水量kg；th－冲渣水池的水温℃。④渣带走的热量QZP(kJ/h)QZP=GzCZbth=264000×0.878×80=1854.3×104(kJ/h)其中GZb－渣的比热kJ/kg℃⑤池水面蒸发热量QS(kJ/h)QS=(4.05＋9V)PF=(4.05＋9×3)×2286×458=3250.9×104(kJ/h)其中V－池表面风速m/s,这里表面风速取3m/s；P－对应池水温度的水蒸发分压力Pa；F－池水的表面积m2。⑥池壁等的散热量QB(kJ/h)QB=KbFb(th－tb)=0.5×1000×(70－15)=2.75×104(kJ/h)其中Kb－传热系数kJ/℃m2；Fb—池壁面积m2tb－大地的平均计算温度℃。⑦冷却塔带走的热量QL(kJ/h)QL=4.18(G1t1－G2t2)=4.18×(3120000×80－2880000×55)=38121.6×104(kJ/h)其中G1－进冷却塔的水量Kg；t1－进冷却塔水温度℃；G2－出冷却塔的水量Kg；T2－出冷却塔水温度℃。⑧渣水热平衡Qz＋QBs=QL＋QP＋QZP＋QS＋QB＋Q其中：Q为出渣期间使热水升温的热量(kJ/kg)Q=4.18×GZS×Δt其中GZS－池的总容水量kg；Δt－池水温升℃。根据平衡式可以得出:Q=5082.6×104(kJ/h)Δt=Q/(4.18×Gzs)=5082.6×104/(4.18×1500000)=8.1℃即连续出渣1小时可使总循环水的温度上升8.1℃左右，由于两套渣处理系统交替使用，水池的温度可在不出渣的系统中得到降温，由于出渣的时间长短不同，水池温度的波动高于10℃以上。QL/Qz=0.8，即高炉渣的80％的热量是可以利用的。4.新高炉冲渣水供采暖系统方案4高炉采用明特法渣处理后，从冷凝塔冷凝下来的热水水质要明显好于泡渣水和普通冲渣水，特别是杂质、絮状物和钙镁离子等。对于水中含有少量的可溶性挥发物，如硫化物等可通过调节系统水的PH值来去除。采暖热水引出系统见图3。冲渣热水循环与采暖供热系统间采用了水－水间接换热器，该系统主要有以下几点值得说明:①不影响原明特法渣处理的热水冷却系统；②采暖系统可采用闭式循环系统，可确保供空调系统和散热器的水质要求；③明特法热水系统水质呈弱酸性，可采取调整热水系统PH值的方法,换热器采用耐腐蚀材料或采取防腐措施加以解决；④循环系统的流量和温度调整。从图3的工作原理可以看出，两套系统交替出渣，需设电动阀进行切换，冬季采暖期关1阀开2阀，热水池的热水通过泵进入热交换器，返回冷却塔下的温水槽，温水槽的水经冷凝塔被加热后返回热水池，完成热交换的循环。高炉1＃冷凝塔2＃冷凝塔1＃热水槽2＃热水槽5500m31＃冷却塔2＃冷却塔1＃温水槽2＃温水槽各分区冷热供应站热交换站112222图3采暖热水引出系统流程图通过调节1、2阀的开度，可以分配上冷却塔和热交换站的水量，以调整热量平衡。非采暖期关闭2阀，开1阀，热水上冷却塔冷却。若热交换站建在渣处理设施的附近，可利用原45m扬程热水泵的循环回到6m高的温水槽。5.供热方案探讨及其经济分析5.1供热方案探讨如某钢铁公司厂区集中供热利用高炉冲渣余热水方案，初步统计厂区供暖，130℃高温水直接厂区供暖127900kW，准备采用余热95℃/70℃采暖热水95000kW，65℃/55℃空调供热12100kW。冲渣热水端供水80℃，回水55℃，温度波动＋5℃，温差25℃，最大循环水量3120m3/h，最大可供热量105893kW。经换热器后供暖端供水65℃，回水45℃，温差20℃，最大循环水量3900m3/h。考虑管网和热交换过程中有10％的热损失，最大可供热量为95304kW。空调系统热负荷直接由热交换的水供给，厂区95℃/70℃的热水需采用第一类用蒸汽为动力的溴化锂热泵机组，把65℃/45℃的水提高至95℃/70℃。一类溴化锂热泵机组COP在1.8左右，即用1份的蒸汽热量，可提供1.8份的95℃/70℃的热水的热量。另外0.8份热量由65℃/45℃水渣余热水提供。如按供热95000kW计算，需余热水42222kW，蒸汽90t/h。水渣热水剩余40982kW，可作他用，如提供生活热水，用于食堂、澡堂等处，5总体上需看水渣余热水有没有被充分利用，首先应考虑增加65℃/45℃水的直接供暖面积。一类溴化锂热泵机组供热方案见图4。第一类热泵蒸汽0.6MPa凝结水90C发生器蒸发器冷凝器吸收器余热水进65C余热水出45C热水出95C热水出70C高炉水渣热水80C/55C采暖用户采暖用户空调阀B阀A阀C阀D图4一类溴化锂热泵机组供热方案由于采暖期各个时间段需要的供热量不同，如北京地区按150天计，在采暖初期15天和采暖末期15天关闭热泵机组，并将热泵的余热水和热水阀门C、D、E、F关闭，打开余热水和热水管路间的连通管路的阀门A、B，直接用65℃的余热水供暖，节省能源。在主采暖期120天内，将热泵的余热水和热水阀门C、D、E、F打开，关闭余热水和热水管路间的连接管路的阀门A、B，采用热泵制热。5.2采用高炉冲渣水余热供热的经济分析如按在采暖期平均热负荷为最大热负荷的70％，采暖天150天计，不采用水渣余热供热时需蒸汽128.8t/h。采用余热与热泵机组联合供热后平均需蒸汽63t/h，少用蒸汽65.8t/h，采暖期总共少用蒸汽236880t，若按每吨蒸汽70元计，则每年可节省运行费用1658万元；余热利用后冲渣补水可以平均减少77t/h，采暖期节水277200t，若按海水淡化成本5元/t计，可节省水费138.6万元；余热应用后要增加设备运行费用约为200万元，三项合计可节省运行费用1596.6万元。采用余热利用方案后需要增加设备的投资估计在2500万元左右，回收年限1.57年。6．结束语1)采用新型高炉渣处理工艺和密闭循环采暖系统，可以防止冲渣水对供热末端设备的堵塞、结垢和腐蚀等问题出现。2)冲渣水的温度随冲渣情况波动，渣的80％余热可以被利用，采暖年余热利用率在23％左右，其利用率与采暖的地区和利用情况有关。3)采用一类溴化锂热泵机组，可以把65℃/45℃余热水提高到95℃/70℃热水，其COP在1.8左右。余热回收供热系统可节省约50％的蒸汽，增加65℃/45℃供暖面积，可以减少蒸汽用量，减少设备投资，提高余热的利用率。4)余热回收供热系统与蒸汽－水供热系统比较，减少了蒸汽能源和渣处理补水的消耗和运行费用，其投资回收年限在1～2年。