摘  要：本文通过对高炉冲渣水及冲渣蒸汽余热回收综合应用成功案例的分析，为尚未开发和利用的高炉冲渣水及冲渣蒸汽余热综合应用提供理论基础和技术支持。特别是针对INBA法和平流法冲渣方式下的渣水成功过滤及换热有创新性的运用，解决了高炉冲渣水余热回收应用过程中出现的堵塞、结垢和腐蚀问题，并能够高效提取渣水低温余热，换热温差小于5℃，节能效果显著，投资回收期短，具有良好应用前景，为进一步拓宽高炉冲渣水全面高效回收应用奠定了技术和实践基础。节约能源，具有良好的应用前景。

关键词：高炉冲渣水  高炉冲渣蒸汽 过滤  换热 采暖 发电 海水淡化 制冷

Research and application of Waster Heat Recovery System of Slag Water and Slag Steam in Blast Furnace

LIU Sen1，LI Jing2，LU Feng3，LI Jing4，Li Xiaojuan5，CANG Daqiang6

(1.IVYQUEN Energy Saving Technologies Beijing, Beijing 1022001,China; 2. University of Science & Technology Beijing, Beijing 100083, China.)

Abstract: This paper proposes an analysis of the successful engineering project of how to use the waste water including the slag water and slag steam in blast furnace to generate electricity power, and provides the theoretical basis and technical support for other same applications. The energy-saving effect is remarkable, especially the payback investment period is short, and saving energy has a good application prospect.

Keywords：Slag water; Slag steam; Filtering; Exchange heat; Heating; Power generation; Seawater-desalination; Cooling

1 引言

近年中国冶金发展迅速，生铁产量占世界总产量的50%以上；同时中国冶金行业能耗率很高，有着巨大的节能空间和市场潜力[1]。随着钢铁企业节能降耗、资源综合利用水平不断提高，能源产业结构发生改变，加强能源优化利用、发展循环经济、余热余能利用已成为钢铁企业发展的趋势。在良好的大环境影响下，开发利用余热、余能已蔚然成风，特别是以往难于利用的高炉冲渣水的低温余热资源，目前已得以开发利用，并涌现出较多的成功案例。高炉炉渣余热回收是中国未来10年节能的方向之一。

在高炉冲渣水低温余热回收工艺中，过滤和换热是一个永恒的课题，而相对应的过滤器和换热器就是一个非常关键的工艺设备[2][3]。由于冲渣水中含有很多杂质（特别冲渣方式是INBA法和平流法），对常规换热器和过滤器有较强的腐蚀作用，极易在短时间内造成换热器，过滤器和管道的堵塞，是余热回收系统无法正常进行工作，也就严重影响了回收系统的实际应用。

本文在某钢厂项目成功应用基础上，介绍了其一套完整的高炉冲渣水和高炉冲渣蒸汽余热回收工艺系统设计和其冲渣水专用换热器及专用过滤器的设备研发。同时，针对冶金行业高效节能的环境背景，对该套系统进行节能计算及投资回收期计算，以供行业内参考。

2 常规渣水处理

2.1 冲渣工艺流程

高炉冲渣有多种方式，国内主要有平流法、底滤法、图拉法和印巴法(INBA)几种[4]。其中，底滤法是这几种冲渣方式中，水质最好，其次是平流法，最恶劣的就是INBA法。而目前冶金行业，大型高炉的冲渣方式主要是INBA法。

2.2 冲渣水质特点

高炉冲渣时，大量水急剧熄灭熔渣时，首先使冲渣水的温度急剧上升，甚至可以达到接近100 ℃其次是受到熔渣的影响，使水的组成发生很大变化[5]。典型高炉冲渣水组成及水渣颗粒组成见表所示。废水组成随炼铁原料、燃料成分以及供水中的化学成分不同而异。特别是冶炼铁合金的厂，如锰铁高炉还古有酚、氰、硫化物等有害物质[3][4]。饱和水时水渣的堆密度为1.20 -1.22t/m3，烘干后的堆密度为1.16-1.20t/m3.随着冲渣水的不断使用，浓缩倍数会越来越高，其中影响设备选型的关键参数CL-1的含量最高能够达到1000毫克每升以上。

高炉冲渣水渣的主要成分是硅酸钙和硅酸铝，从水处理-过滤的角度来说分为4种，其特点如表1所示。

序号	渣质成分	渣质特点
1	沉渣	密度大于水
2	浮渣	密度小于水
3	悬渣	密度接近水
4	渣棉	成分和特性类似细微玻璃丝

其中，沉渣和浮渣都很容易除掉，但是悬渣和渣棉除去非常困难，这也是困扰高炉冲渣水有效利用的一个难题。

2.3  冲渣水常规处理应用

多年来，冲渣水的余废热一直得到冶金行业内的重视，也有很多种利用的实际案例，渣水处理方式主要包括直接处理法和简单过滤换热法。

2.3.1  直接处理法

将冲渣水处理之后直接供暖。中间费用比较高，而且过程复杂，供水水质不好，采暖管道容易堵塞和腐蚀。国内最早使用的是东北的一些钢厂，使用不到一个采暖季就会暴漏问题，在系统未端流速和温度降低，失去了冲刷的作用，悬浮物极易沉积，造成管道堵塞，影响未端采暖效果。另外由于冲渣水的总溶解固溶物太高，水平衡状很容易被打破，溶解度低的物质易析出而形成松散水垢，造成未端管道堵塞。

2.3.2  简单过滤换热法

将冲渣水简单过滤后进入换热器换热，将换热后的干净的水供暖。这种方法的优点是供出的水是干净的水，采暖管道短期内不会堵塞。缺点是仅适合底滤法的高炉冲渣系统，对图拉法、印巴法除渣的高炉冲渣水不适用，极易发生热源短的换热器堵塞。另外由于底滤法高炉冲渣水温度本来就低（最高70℃），换热后温度很难达到55度以上，换热温差大于10℃以上，采暖管网及用户内的暖气片都需要加大容量才能保证冬季的采暖温度，如果是改造工程，热网本身改造投资非常大。

3 专用余热回收综合利用系统

目前为止，以上两种方法已经不再适合高效节能环保的应用，本项目就是在充分了解高炉冲渣工艺流程基础上，同时针对INBA法和平流法的渣质进行详尽分析，提出了一套行之有效的高炉冲渣水及冲渣蒸汽余热回收高效循环系统。

3.1系统工艺流程

本文是基于冲渣水高效节能过滤设备，冲渣水高效换热设备，冲渣蒸汽回收设备、智能自动控制设备和仪表采集监控设备为一体的冲渣水余热回收高效循环系统。本系统主要由高效过滤系统、高效换热系统、水循环系统、温度控制系统和压力控制系统组成。图1是某钢厂第三期高炉冲渣水及冲渣蒸汽余热采暖间接发电等综合项目工艺流程图。

图1高炉冲渣水及冲渣蒸汽余热回收项目工艺流程图

余热回收系统主要包括冲渣水池取水系统，管道设计系统，根据用户需要设计的高炉冲渣水专用过滤机组（图中设计4套），高炉冲渣水专用换热器（图中设计4套），补水系统，采暖水循环系统，间接发电系统，高炉冲渣蒸汽机组系统。

（1）冲渣水循环系统工艺流程为:冲渣水循环泵抽取冲渣水沉淀池冲渣水→经过冲渣水专用过滤机组(一、二级精密过滤器)过滤→至板式换热器快速、高效换热→冲渣水沉淀池。提取的冲渣水在经过过滤机组时，其自带的反冲洗功能全程进行反冲洗以保证过滤性能，同时，在PLC控制下，按照所需流量流经换热器，自动调节系统的热负荷，避免出现的过冷、过热，最大程度地节省能耗。

（2）采暖水循环系统工艺流程为:采暖水经过专用板式换热器与冲渣循环水换热→输送到采暖供水干管→采暖用户→采暖回水干管→采暖水过滤器→经过采暖水循环泵加压→输送至板式换热器与冲渣循环水换热。采暖水为闭式循环系统，采用软化水，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。

（3）冲渣蒸汽系统工艺流程为：采用直接换热方案进行回收，粒化塔内的冲渣蒸汽进入蒸汽回收装置，回收的热量用来加热采暖水，把采暖水由50℃加热到70℃，同时蒸汽冷凝水回流到冲渣水系统中。冲渣蒸汽的热量也是非常可观的，其跟冲渣温度有着密切关系，冲渣温度越高，粒化塔内的蒸汽热量就越高。

（4）间接发电系统工艺流程为：高炉冲渣水及冲渣蒸汽余热加热电厂冷凝水，给电厂的热力系统补热，减少汽轮机组低压加热抽汽和高压加热的抽汽量，把省下的蒸汽用来多发电，从而减少高炉煤气的消耗量。高炉冲渣水间接发电技术的优点是热效率高（15%-20%），单位投资少，投资回收期短；更大程度回收了高炉冲渣过程的余热能源。

（5）考虑采暖季节高炉检修取热问题，在换热站设置汽水换热器，采用蒸汽补热保证供暖，凝结水回收至补水箱循环利用。

3.2  应用案例

自2011年以来，北京亿玮坤公司应用专利技术成功完成的案例包括五矿营钢高炉冲渣水及冲渣蒸汽余热供暖一期/二期/三期项目、首钢迁安高炉冲渣水余热回收一期、二期项目、河北钢铁邯郸分公司高炉冲渣水及冲渣蒸汽余热回收一期和二期项目、河北敬业钢铁集团高炉冲渣水一期项目、天津天重江天高炉冲渣水余热回收综合利用一期项目、青钢高炉冲渣水余热回收综合利用项目和江苏镔鑫特钢高炉冲渣水余热回收综合应用项目等20余个项目。包括在建的海水淡化项目和制冷项目。

3.3  关键技术对比

根据近年来的研究及应用效果，该套系统关键设备在INBA除渣方式中有较强的优势，表2是国内相关设备和设备的对比情况统计。

表2 技术特点对照分析

序号	对比项目内容	亿玮坤	其他厂家
1	冲渣水专用过滤机组	冲渣水精密过滤机组，过滤精度标准设计为40目，最高过滤精度为60目。	目前没有发现超过10目的稳定运行冲渣水过滤器。
2	冲渣水专用换热器	使用国外先进技术的拼装式板式换热器；换热武器体积为管壳式换热器的六分之一。	使用管壳式换热器、板壳式换热器及螺旋板换热器，螺旋扁管亦属管壳式换热器。
3	换热效率	换热效率高，标准设计温差在5℃以内，供水温度高，能够大幅度缩小运行成本和外网投资成本。	换热效率普遍较低，换热温差大15℃以上，提热能力差，水量大，运行成本高。
4	冲渣水高效循环技术	专利技术，高炉渣水换热后可以直接去高炉冲渣。	无该项技术
5	占地面积	体积小，节约70%以上占地面积，节省土建投资。	体积大，占地面积大。
6	使用领域	适合INBA法、明特法、平流法、嘉恒法、马钢法、底滤法等各种水淬高炉渣处理方法。	勉强能在底滤法系统中使用，很难防止冲渣水的结晶和结垢。
7	冲渣水阻垢技术	成熟	无
8	耐腐蚀能力	可以使用钛合金，耐极端工况腐蚀	使用钛合金成本太昂贵

3.4  关键设备应用对比

图3和图4为某两个钢铁厂运行不到一个月后换热器结垢和堵塞照片。图5为改造某一个钢厂，采用本套专用技术，经过一个采暖季后，打开关键设备后看到的照片，从图中可以看到，没有任何堵塞、结垢现象。

图3 凌钢换热器堵塞（2015）

图4 石钢管壳式换热器堵塞（2012）

 

图5 石钢改造后采暖季结束后无结垢和堵塞（2013）

3.5 实施效果

以首钢迁安项目为例，本工程2014年8月中旬开工建设，10月底全部建成，在2014年11月14日正式投入供暖，按时为厂区供暖。

该项目自投运后连续运行4个月，供热稳定、连续，取得了较好的供热效果。据统计，冲渣水供水温度为74.8℃时，采暖水换热后供水温度达到70.4℃，热端温差仅为4.4℃，显示了优异的换热效果，实际采暖水供回水温度均在60℃/50℃以上，完全满足采暖用户需求。采暖季结束后，对核心设备—渣水板式换热器进行了拆检，内部通道表面清洁光滑、无污物堵塞情况。

利用2#高炉冲渣水余热，替代公司厂区原有蒸汽采暖模式，可节省蒸汽约20t/h，年采暖季相当于节约燃煤7000t，减少二氧化碳排放量约18200t，节能环保效果显著。

4高炉冲渣余热利用发展预测

以高炉冲渣余热为代表的低温余热亦蕴含着巨大的能量，高炉熔渣的潜热（1.6GJ/T）储量大，以中国2014年8.23亿吨的粗钢产量计算，高炉炉渣产量约2.59亿吨，其热量可折算为1411万吨标煤的热量，如这部分热量完全利用可冬季为1亿平米的城市民用住宅建筑供暖，占全国集中供暖面积的11.6%。自2015开始，随着我国环境保护和城市雾霾治理的力度不断加大，城市燃煤供暖很难满足排放指标，高炉冲渣水余热供暖以其成本低、无排放等优势得到了热力公司的青睐，成为不少城市的“蓝天工程”。随着北京亿玮坤节能科技有限公司高炉冲渣余热高效回收技术的创新发展，高炉冲渣水余热回收市场面临着战略性的市场机遇。

除北方地区离城市距离近的高炉冲渣余热可用于冬季供暖外，中国南方地区、北方地区其他三季高炉冲渣余热可以在钢铁公司内部用于采暖、洗浴及生活热水、加热电厂冷凝水及补水、制冷、加热转炉蒸汽余热回收补水等，以冲渣余热置换蒸汽，置换出的蒸汽用于发电，经济效益也非常可观。

以高炉冲渣余热回收换热站30万元/MW的指标，按照我国所有高炉熔渣30%的余热回收率计算，总装机容量为13151MW，仅核心的高炉冲渣余热换热站的市场份额约11.8亿元；如附加外网投资，仅高炉冲渣余热回收综合利用总的市场份额约47.2亿元。如高炉冲渣余热ORC发电推广成功，ORC发电的总装机容量可达1578MW，市场份额约63亿人民币。

5 结论

实践应用证明，高炉冲渣水及冲渣蒸汽余热资源充足、品位较高，采用成熟可靠的专有技术不仅可以全面提高能源利用效率、提高供热质量、缩减供暖成本，而且可以取代燃煤锅炉、减少碳排放、减轻大气污染、社会和经济效益显著，是一个非常典型和优秀的环保节能应用。另外，在用于采暖的同时还可以应用于非采暖季的开发利用途径，如高炉冲渣水及冲渣蒸汽余热回收间接发电或直接发电，使高炉冲渣过程产生的大量余热得以更高的持续利用。总之高炉冲渣水及冲渣蒸汽的余热回收利用有着广阔的应用前景。

参考文献

[1]国家环保局主编.钢铁工业废水治理[M].北京：中国环境出版社，1992年.

[2] 王邵文等.钢铁工业废水资源回应技术与应用[M].北京：冶金工业出版社，2006年.

[3]王军根.高炉冲渣水的余热利用[J].工业用水与废水，2008年，39(2):31-33.

[4]高炉冲渣余热回收的可行性分析[J].山东冶金，2010年，32(1):26-29.

[5]臧传宝.高炉冲渣水余热采暖的应用[J].山东冶金，2003年，25(1):22-23.

[6]刘森.冲渣水余热回收高效循环系统[P].中国，ZL 2012 2 0190904.1,2013年2月20日.

下载全文———2016冶金节能新技术与能源循环利用研讨会-高炉冲渣水及冲渣蒸汽余热回收的综合应用研究.docx