為了利用高爐沖渣水的低溫余熱資源和解決礦業(yè)公司燃煤鍋爐禁用后熱源需求問題，不銹鋼管廠通過精密過濾、高效換熱及合理阻垢等技術方案，提取高爐沖渣水余熱用于居民供暖，成功解決了沖渣水難于利用、易堵塞、易結垢問題。實現(xiàn)年節(jié)能23383tce，年減少CO2的排放量約58458t，減少SO2的排放量354t，符合國家節(jié)能減排政策，同時供熱創(chuàng)效收入1600余萬元，社會、經(jīng)濟效益十分顯著。
目前已得到開發(fā)利用，并涌現(xiàn)出較多的成功案例。
首鋼礦業(yè)公司南區(qū)居民生活區(qū)和生產(chǎn)廠區(qū)近鄰不銹鋼管廠，礦業(yè)公司南區(qū)居民生活區(qū)和生產(chǎn)區(qū)總采暖面積約98.4萬m2，最大熱負荷需求為85.56MW，由小型燃煤鍋爐（4臺14/h，1臺35t/h）及燒結余熱鍋爐供暖。為徹底根治京津冀地區(qū)環(huán)境污染問題，國家及地方各級政府出臺了一系列環(huán)保高壓政策，礦業(yè)公司南區(qū)供暖環(huán)保形勢日益嚴峻，燃煤鍋爐面臨淘汰或進一步環(huán)保治理的局面。
不銹鋼管廠2號高爐沖渣水余熱利用系統(tǒng)已于2014年10月建成投入使用，主要用于遷鋼廠區(qū)生產(chǎn)廠房及控制室和辦公室冬季采暖，成功解決了高爐沖渣水的易堵塞、易結垢問題，并取得了良好的運行效果。為避免在原鍋爐系統(tǒng)投入大量的改造資金，不銹鋼管廠對1號、3號高爐沖渣水余熱資源進行了開發(fā)利用，徹底取消礦業(yè)公司南區(qū)燃煤鍋爐，解決首鋼礦業(yè)公司冬季供暖問題。
1不銹鋼管廠高爐沖渣水余熱資源現(xiàn)狀
不銹鋼管廠現(xiàn)有高爐3座，其中1號、2號高爐容量為2650m3，3號高爐容量為4000m3，均采用明特法水沖渣處理工藝，工藝流程如圖1所示。高爐熔渣與鐵水分離后，經(jīng)渣溝進入熔渣粒化區(qū)，水渣沖制箱噴出的高速水流使熔渣水淬粒化冷卻。爐渣在水渣溝內進一步粒化緩沖后，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（也稱螺旋機）將水渣混合物中的爐渣分離出來，經(jīng)脫水后成為干渣。干渣由皮帶機輸送到堆場，外運銷售。過濾器將沖渣水過濾成干凈水，送入貯水池和吸水井，再抽回沖制箱循環(huán)使用。
不銹鋼管廠2號高爐沖渣水余熱回收利用項目已成功解決了腐蝕和結垢問題，為1號、3號高爐沖渣水余熱利用提供了詳實技術依據(jù)。高爐沖渣水進人吸水井的平均溫度在70~80℃之間，完全可以利用該技術工藝提取出60~70℃的二次熱水用于居民供暖。
2不銹鋼管廠高爐沖渣水供暖方案
2.1礦業(yè)公司南區(qū)熱負荷需求
首鋼礦業(yè)公司南區(qū)生活區(qū)及生產(chǎn)區(qū)采暖面積合計98.4萬m2，其中居民生活區(qū)為80.3萬m2，廠礦生產(chǎn)區(qū)為18.1萬m2。用戶大多為車間廠房、辦公室、職工住宅等舊有建筑，無節(jié)能保溫措施。因此，考慮多方面因素確定各類建筑采暖熱指標為：廠區(qū)（廠房和辦公）綜合熱指標為100~180W/m2，住宅建筑綜合熱指標為50~70W/m2，公共建筑綜合熱指標80~140W/m2，冬季熱負荷需求合計為85.56MW。
2.2供暖改造方案實施
2.2.1高爐沖渣水余熱熱量計算
高爐渣主要成分為二氧化硅、氧化鈣、氧化鎂、氧化鋁和少量的二氧化鈦、單質硫以及微量的氧化亞鐵，根據(jù)1號、3號高爐的實際生產(chǎn)情況，對爐渣成分進行成分分析如表1所示，1號高爐日產(chǎn)鐵水6200t，3號高爐日產(chǎn)鐵水9350t，取爐渣熱焙值為1800kJ/kg，渣鐵比為0.3。
由表1可知，1號、3號高爐爐渣各主要成分近似相同，通過取樣對爐渣成分進行差式掃描量熱法分析可得爐渣比熱約為0.878kJ/（kg℃）。
根據(jù)熱平衡原理，高爐沖渣水系統(tǒng)的熱平衡關系為：
Qm+Qm=Qm+Q，+Q1+Q2+Q。+Q。
式中：Qan為爐渣熱量，kJ/h；Qm為補水熱量，kJ/h；Q.為沖渣水的熱量，kJ/h；Q.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；Q2為沖渣水池壁面散熱量，kJ/h；Q。
為冷卻塔帶走的熱量，kJ/h；Q。為出渣期間沖渣水升溫的熱量，kJ/h。
理論上，冷卻塔帶走的熱量可以作為供暖余熱熱源總量。經(jīng)計算1號高爐沖渣水外供熱量為32.8MW，根據(jù)生產(chǎn)實際情況，3號高爐沖渣水外供熱量為51.5MW，合計總供熱量為84.3MW，可基本滿足礦業(yè)公司負荷需求。
2.2.2熱源負荷匹配
為縮短采暖水輸送管線長度，減少沖渣水熱損失，節(jié)省投資，在1號、3號高爐沖渣水池附近分別建設1座換熱站，各自單獨鋪設采暖管線接入原有鍋爐房；由1號高爐沖渣水換熱站負責35Vh燃煤鍋爐房采暖用戶，由3號高爐沖渣水換熱站負責4臺14t/h燃煤鍋爐房采暖用戶。換熱站供熱負荷分配如表2所示。
由表2可以看出，實際供熱量的穩(wěn)態(tài)計算值稍有虧欠。但是，實際供暖期室外溫度是變化的，此種負荷分配可滿足采暖期絕大部分時間用戶熱負荷需求，在最冷月以及極寒天氣不能完全保證采暖熱負荷需求，因此，在最冷月內設計備用的蒸汽換熱器少量補熱，以保證最冷月的采暖用戶使用要求。
2.2.3采暖工藝流程
在不銹鋼管廠1號、3號高爐沖渣水池附近分別建設一座換熱站，主要設備包括：高爐沖渣水專用過濾機組、渣水專用換熱器、過濾器配套設備、防結晶阻垢設備、水泵閥門系統(tǒng)設備、儀表系統(tǒng)設備和電控系統(tǒng)設備等。配套渣水換熱站建設二次采暖水外部管線供至礦業(yè)公司原有鍋爐房，換熱站通過新增外線供回水管道系統(tǒng)向礦業(yè)公司采暖用戶供應采暖水，以滿足各個區(qū)域用戶需求，如圖2所示。
換熱站一次側水系統(tǒng)為高爐沖渣水，進、出水溫為75、55℃，1號高爐沖渣水量為1600m3/h，3號高爐沖渣水量為2440m3/h。冬季75℃的高爐沖渣水經(jīng)提升泵進入沖渣水專用過濾機組凈化后，通過高爐沖渣水均流泵進人高爐沖渣水專用板式換熱器進行換熱，換熱后沖渣水溫度降低至55℃，繼續(xù)用于高爐沖渣。為保證系統(tǒng)的正常使用，一次水系統(tǒng)過濾機組利用換熱器出口的沖渣水回水持續(xù)反沖洗，保證過濾器的正常使用及過濾效果。同時，在PLC控制下，按照所需流量調整流經(jīng)換熱器的沖渣水量，自動調節(jié)系統(tǒng)的熱負荷，避免出現(xiàn)過冷、過熱，最大程度地節(jié)省能耗。
二次側水系統(tǒng)為采暖熱水循環(huán)系統(tǒng)，進、出水溫50、70℃，1號高爐沖渣水余熱利用換熱站的采暖水循環(huán)量為1508m2/h，3號高爐沖渣水余熱利用換熱站的采暖水循環(huán)量為2366m3/h。從采暖用戶回來的50℃熱水經(jīng)除污器過濾后，再經(jīng)采暖循環(huán)水泵加壓送入換熱器吸取沖渣水余熱，加熱到70℃后經(jīng)外部管網(wǎng)送至鍋爐房采暖用戶。采暖系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，系統(tǒng)水質為除鹽水，與一次沖渣水由板片隔開，互不交叉，避免管道及散熱片結垢；在采暖循環(huán)泵前設置定壓補水系統(tǒng)，采用變頻補水泵自動補水。
為保證高爐停產(chǎn)檢修時采暖用戶的供熱需求，在換熱站內設置汽水換熱器作為備用，采用蒸汽補熱時凝結水回收至補水箱循環(huán)利用。
2.3供暖設備選型特點
高爐沖渣水中含有大量渣率，有較大顆粒物，也有細微的渣棉，而且沖渣水的腐蝕性強，濃縮倍數(shù)大，非常容易結晶和結垢，該設計采用了精密過濾、高效換熱及合理阻垢等方案。
（1）過濾器。沖渣水過濾機組是關鍵設備之一，設有兩級過濾器，過濾器精度為30目，能夠有效地去除沖渣水中的渣棉、水渣等顆粒物；同時具備連續(xù)穩(wěn)定的反沖洗功能，能夠保證過濾效果，整體運行可靠，無需定期沖洗及維護等。
（2）換熱器。選用沖渣水專用板式換熱器，板片采用鈦板材料，使用納米涂層技術，具有極高的耐腐蝕、磨蝕性能，能夠完全防止渣棉、硅酸鹽結垢及二氧化硅結晶體的附著，阻垢效果顯著。另外，該換熱器還具有換熱效率高、溫差小的特點，其標準設計在5℃以內。
3不銹鋼管廠高爐沖渣水居民供暖實施效果及運行經(jīng)濟性分析
3.1實施效果
2015年年初該項目開始籌備、開工建設，2015年10月底完成首期工程換熱站及外線管網(wǎng)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，次年完成礦業(yè)公司南區(qū)生產(chǎn)廠礦汽改水二期施工，自2016年11月15日起項目全部建成，并正式利用高爐沖渣水余熱為礦業(yè)公司南區(qū)供暖。
該項目投運至今已連續(xù)運行4個采暖季，高爐正常生產(chǎn)時供熱穩(wěn)定、連續(xù)，無堵塞情況發(fā)生，取得了較好的供熱效果。供暖期實際采暖水供回水溫度均在60或50℃以上，比之前燃煤鍋爐供熱的穩(wěn)定性有了較大提升，礦業(yè)公司居民普遍反映較好，完全滿足采暖用戶需求。每個采暖季結束后，遷鋼公司對核心設備——渣水換熱機組進行拆檢、清洗，板式換熱片內部通道表面保持清潔光滑，基本無附著物堵塞。
3.2運行經(jīng)濟性分析
不銹鋼管廠利用1號、3號高爐沖渣水余熱為礦業(yè)公司南區(qū)供暖項目的成功應用，結束了礦業(yè)公司燃煤供暖歷史，避免了在原鍋爐系統(tǒng)投入大量的改造資金，徹底解決了礦業(yè)公司南區(qū)熱源問題，推動了首鋼集團遷安地區(qū)用能結構的整體優(yōu)化。同時，實現(xiàn)年節(jié)能量23383tce，年減少CO，的排放量約58458t，減少SO，的排放量354t，符合國家節(jié)能減排政策，節(jié)能環(huán)保效果、社會效益、經(jīng)濟效益十分顯著。
首鋼礦業(yè)公司取消南區(qū)全部燃煤鍋爐（4臺14t/h，1臺35t/h），節(jié)省環(huán)保設施投入3981萬元，減少鍋爐系統(tǒng)運行成本1946萬元/a，避免增加脫硫運行費用340萬元/a，減少排污費200萬元/a。不銹鋼管廠參照當?shù)厥姓用窆┡瘍r格，每年供熱創(chuàng)效收入1600余萬元。
遷鋼公司高爐沖渣水余熱利用還存在以下不足之處：
（1）該項目運行后沖渣水溫度偏低，尤其3號高爐天氣寒冷時需要補充蒸汽維持供水溫度。
（2）目前高爐沖渣水余熱利用仍局限于冬季采暖，非采暖季節(jié)沒有經(jīng)濟合理的利用途徑，造成余熱資源持續(xù)浪費。
4結語
回收利用高爐沖渣水余熱用于生活供暖，是一項技術成熟、工藝完善、效果顯著的節(jié)能和環(huán)保技術，可有效回收不銹鋼管廠高爐沖渣水低溫余熱資源。但在項目設計中，需要同步考慮熱源和供暖熱量需求的合理匹配，以及系統(tǒng)管線水力計算等問題，在最大限度地回收高爐沖渣水熱量的同時，可穩(wěn)定并提高供暖質量，實現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運行。