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(1.北京首钢股份有限公司；2.首钢集团有限公司技术研究院3.泰斯达科技有限公司）

摘  要  燃煤锅炉禁用后，首钢矿业公司南区的居民区和生产厂区冬季取暖的热源问题是一个难题，参照首钢股份公司2号高炉冲渣水余热回收利用模式，设计了利用1,3号高炉冲渣水余热供暖的方案，制定了利用1,3号高炉冲渣水余热供暖的工艺流程，选用了可以对高炉冲渣水进行精密过滤、高效换热和合理阻垢的专用设备，追踪了实施效果，并进行了效益分析，同时提出首钢股份公司高炉冲渣水余热利用过程中仍旧存在的问题。

关键词  高炉冲渣水余热采暖效益

近年来，随着钢铁行业节能降耗和资源综合利用水平的不断提高，能源产业结构也在不断发生变化，加强能源优化、发展循环经济和对余热余能的再次利用已经成为钢铁行业发展的趋势。在大环境影响下，以往难以利用的高炉冲渣水余热资源也得以开发利用，并涌现出了较多的成功案例[1]。

首钢矿业公司（简称矿业公司）南区（包括居民生活区和生产厂区）邻近北京首钢股份有限公司（简称首钢股份公司）,矿业公司南区总采暖面积约为98.4万m2,最大热负荷需求为85.56MW,分别由4台蒸发量为14t/h、1台蒸发量为35t/h的小型燃煤锅炉和1台烧结余热锅炉供暖。为治理京津冀地区环境污染问题，国家和各级地方政府出台了一系列环保政策，矿业公司南区的燃煤锅炉供暖方式面临淘汰或被环保治理的局面。

首钢股份公司2号高炉的高炉冲渣水余热回收利用系统已于2014年10月建成并投入使用，该系统主要用于首钢股份公司生产厂区的厂房、控制室和办公室冬季的供暖，且在使用过程中成功解决了高炉冲渣水易堵塞和易结垢的问题，取得了良好的运行效果。为避免在改造原燃煤锅炉系统中再投入大量的资金，参照2号高炉冲渣水余热回收利用系统进行供暖的成功经验，首钢股份公司建设1,3号高炉冲渣水余热回收利用项目，以解决取缔燃煤锅炉后矿业公司南区冬季供暖热源问题。

1  高炉冲渣水余热利用现状

首钢股份公司现有3座高炉，其中1,2号高炉有效容积为2650m3,3号高炉有效容积为4000m3,均采用明特法水渣处理工艺，工艺流程如图1所示。

图1 明特法水渣处理工艺流程图

由图1可见，高炉熔渣与铁水分离后，经熔渣沟进入冲渣水池的熔渣粒化区，冲制箱喷出的高速水流使熔渣水粹粒化冷却。炉渣在熔渣沟内进一步粒化后，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（螺旋机）将水渣混合物中的炉渣分离出来，炉渣经脱水后成为干渣。干渣由皮带传输机输送到堆场，外运销售。冲渣水经过滤器过滤成干净水后进入贮水池和吸水井，经冲渣泵抽回冲制箱循环使用。冲渣过程中，冲渣水吸收炉渣的热量，自身温度升高，一部分热量经过冲渣水的汽化蒸发后通过烟卤排出，另一部分余热通过冲渣水带走，在沉淀池和熔渣沟中散失。

首钢股份公司2号高炉冲渣水余热回收利用项目已成功解决了冲渣水因易腐蚀和易结垢导致难以回收利用的问题，为1,3号高炉冲渣水余热的回收利用提供了可靠的技术依据。高炉冲渣水进入吸水井的平均温度在70~80℃之间，完全可以利用该技术提取60~70℃的热水用于向居民供暖。

2  高炉冲渣水供暖方案

2.1  矿业公司南区热负荷需求

矿业公司南区采暖面积合计为98.4万㎡，其中居民生活区采暖面积为80.3万㎡，生产厂区采暖面积为18.1万㎡，使用区域大多为车间厂房、办公室、职工住宅和一些公共建筑等老旧建筑，无节能保温措施。因此，经多方考虑，最终确定厂房和办公室综合热指标为100~180W/m2,职工住宅和居民生活区综合热指标为50~70W/㎡，公共建筑综合热指标为80~140W/m2,热负荷需求合计为85.56MW。

2.2  供暖改造方案

2.2.1  高炉冲渣水余热热量计算

首钢股份公司1号高炉产能为6200t/d,3号高炉产能为9350t/d,高炉渣主要成分见表1。

由表1可见，首钢股份公司1,3号高炉的高炉渣主要成分非常接近。

通过差式扫描量热法分析炉渣成分可得，炉渣的比热约为0.878kJ/(kg·℃)。根据热平衡原理，高炉冲渣水系统的热平衡关系式为：QB1+Qbw=Qtw+Q2+Qs1+Qs2+Qc+Qw式中：QB1为炉渣热量，kJ/h;Qbw为补水热量，kJ/h;Qtw为渣带走水的热量，kJ/h;Q2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;Qs2为冲渣水池壁面散热量，kJ/h;QC为冷却塔带走的热量，kJ/h;Qw为出渣期间冲渣水升温的热量，kJ/h

冷却塔带走的热量Q。即为高炉冲渣水余热，为可外供热量，经计算，1号高炉冲渣水余热可外供热量为32.8MW,3号高炉冲渣水余热可外供热量为51.5MW,可外供热量总计为84.3 MW,可基本满足矿业公司热负荷需求。

2.2.2  换热站热负荷分配

为缩短供暖水输送管线的长度，以减少高炉冲渣水余热损失，并节省投资，在1,3号高炉冲渣水池附近各建设了1座高炉冲渣水余热回收利用换热站（简称换热站）,分别为1号换热站和3号换热站，每座换热站均单独铺设供暖管线至原有锅炉房。其中，1号换热站铺设管线至原蒸发量为35t/h的燃煤锅炉房，负责向该锅炉房原负责的区域供暖；3号换热站铺设管线至原4台蒸发量为14t/h的燃煤锅炉房，负责向该锅炉房原负责区域供暖。换热站供热面积和实际所需热负荷见表2,换热站实际可外供热量情况见表3。

由表2,3可见，换热站实际可外供热量与实际所需热负荷相比稍有亏欠，这只是稳态计算的结果。在供暖期内室外温度是波动的，换热站实际可外供热量以这种热负荷分配方式可绝大部分时间满足用户的采暖需求，但在供暖期最冷时期和极寒天气下却不能完全保证满足用户的采暖需求，因此，还设计了备用的蒸汽换热器进行热量补充，以保证最冷时期和极寒天气下用户的采暖需求。

2.2.3  高炉冲渣水供暖工艺流程

首钢股份公司1,3号换热站主要设备包括高炉冲渣水专用过滤机组、冲渣水专用换热器和其他配套设备。高炉冲渣水余热回收利用系统工艺流程如图2所示。

图2  高炉冲渣水余热回收利用系统工艺流程图

由图2可见，换热站一次水系统为高炉冲渣水系统，进出水温度分别为75,55℃，1号高炉的冲渣水量为1600m3/h,3号高炉的冲渣水量为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，过滤后，高炉冲渣水进入冲渣水专用换热器进行换热，换热后的高炉冲渣水温度降至55℃，继续用于高炉冲渣。为保证高炉冲渣水余热回收利用系统的正常使用，冲渣水专用过滤机组利用冲渣水专用换热器出口的高炉冲渣水回水持续反冲洗，以保证过滤器的正常使用和过滤效果。同时，高炉冲渣水按照所需流量流经冲渣水专用换热器，自动调节高炉冲渣水余热回收利用系统的热负荷，避免出现过冷或过热现象，最大程度地节省能耗。二次水系统为采暖水循环系统，采暖水进出水温度分别为50,70℃，1号换热站的采暖水循环量为1508m3/h,3号换热站的采暖水循环量为2366m3/h。从用户回来的采暖水温度为50℃，经除污器过滤后，再经循环水泵加压进入冲渣水专用换热器，吸取高炉冲渣水余热，水温达到鹿风:

70℃后，经外部管网为用户供暖。采暖系统为闭式系统，采暖水质为除盐水，与一次水系统的高炉冲渣水由板片隔开，互不交叉，避免管道和散热片结垢。在循环水泵前设置定压补水系统，采用补给水泵自动补水。为保证高炉停产检修时采暖用户的采暖需求，在换热站内设置汽水换热器作为备用。

2.3  高炉冲渣水供暖设备的选型

高炉冲渣水中含有大量渣痒，既含有较大水渣颗粒物也含有细小的渣棉，而且高炉冲渣水的腐蚀性强，浓缩倍数大，非常容易结晶和结垢。

本次供暖设备的选型考虑了精密过滤、高效换热和合理阻垢等方案。

1)过滤器。过滤器选用了冲渣水过滤机组，也是本项目的关键设备之一。该过滤机组设有2级过滤器，过滤器精度为30目，能够有效去除高炉冲渣水中的水渣颗粒物和渣棉等渣宰，同时具备连续、稳定的反冲洗功能，能够保证较好的过滤效果，具有整体运行可靠、无需定期冲洗和维护等优点。

2)换热器。选用冲渣水专用换热器，该换热器的板片采用钛板材料，使用纳米涂层技术具有极高的耐腐蚀和磨蚀性能，能够完全防止渣棉、硅酸盐结晶体和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和温差小的特点，其设计标准温差在5℃以内。

3  高炉冲渣水供暖实施效果及经济效益

3.1 实施效果

首钢股份公司1,3号高炉冲渣水余热回收利用系统于2015年年初开始筹备，继而开工建设，2015年10月底完成首期工程，即换热站和外线管网的施工，2015年11月中旬开始为矿业公司南区居民生活区供暖；2016年完成矿业公司南区生产厂区汽改水的二期施工，2016年11月15日项目全部建成，正式利用高炉冲渣水余热为矿业公司南区的居民生活区和生产厂区供暖。首钢股份公司1,3号高炉冲渣水余热回收利用系统从投产运行至今历经4个供暖季，当高炉正常生产时，能够保证系统外供热量充足，供暖稳定、连续，且供暖管道无堵塞情况发生，取得了良好的供暖效果。在供暖期，实际供暖水温度均在60℃以上，较之前使用燃煤锅炉供暖水的温度稳定性有了较大提升，能够满足采暖用户需求，居民普遍反映较好。每个供暖季结束后，首钢股份公司均对冲渣水专用换热器进行了拆检和清洗，冲渣水专用换热器内部通道表面保清洁光滑，基本无附着物。

3.2  运行经济性分析

首钢股份公司利用1,3号高炉冲渣水余热为矿业公司南区供暖项目的成功，结束了矿业公司使用燃煤锅炉供暖的历史，避免了在原锅炉供暖系统再投入大量改造资金，且彻底解决了矿业公司南区冬季供暖的热源问题，推动了迁安地区能源结构的整体优化，实现节能23383t/a标准煤，减少CO2排放量约58458t/a,减少SO2排放量354t/a,符合国家节能减排政策，社会效益和经济效益十分显著。

取消矿业公司南区燃煤锅炉后，减免购买环保设施的花费约为3981万元，减少锅炉系统运行成本约为1946万元/a,减免增加脱硫设备费用为340万元/a,减少排污费为200万元/a。参照当地市政居民供暖价格收费，首钢股份公司利用1,3号高炉冲渣水余热为矿业公司南区供暖项目收入为1600余万元/a。

4  高炉冲渣水余热供暖的不足

目前，高炉冲渣水余热供暖不足主要体现在以下2点：

1)首钢股份公司利用1,3号高炉冲渣水余热为矿业公司南区供暖项目运行后，冲渣水温度偏低，尤其3号高炉冲渣水，在天气寒冷时需要对3号换热站补充蒸汽，以维持供水温度。

2)目前高炉冲渣水余热的利用仍局限于供暖季，在非供暖季，高炉冲渣水余热仍没有经济合理的利用途径，造成余热资源的浪费。

5  结语

通过回收利用高炉冲渣水余热用于生活供暖是一项技术成熟、工艺完善和效果显著的节能环

保技术，可有效回收钢铁行业高炉冲渣水余热资源，把原生产工艺需要冷却和放散掉的余热用于生活供暖，从而取代燃煤供暖，不但提高了能源利用效率和供热质量，而且极大程度地节约了能源，降低了供暖成本和生产成本，减少了碳排放和大气污染，经济效益和社会效益显著。但在项目前期设计中，要考虑供暖能力和热负荷需求的合理分配，在最大程度回收高炉冲渣水余热的同时，还可保证供暖质量，实现高炉冲渣水余热回收利用系统的连续、稳定运行。

6  参考文献

[1]  陶寿松，谢其湘，张新华.高炉冲渣余热利用分析和展望[J].冶金动力，2018(9):51-54.