吳俊國

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津301500）

0 引言

高爐冶煉過程中會產(chǎn)生大量的熾熱高爐渣。高爐渣是由鐵礦石、煤炭和溶劑等，在高爐內(nèi)經(jīng)過高溫冶煉后留下的脈石、灰分非揮發(fā)性物質(zhì)組成的副產(chǎn)品。高爐渣從高爐放出時處于高溫熔融狀態(tài)，溫度大約在14 00～1 500℃，當(dāng)高爐渣從1 400℃的高溫熔融狀態(tài)冷卻至常溫固態(tài)時，所放出的熱量約為1 550～1 750 kJ/kg，這部分熱量稱之為顯熱。

鋼鐵企業(yè)在生產(chǎn)過程中能耗很大，以天鋼聯(lián)合特鋼為例，2016年噸鋼平均耗能為597.46 kg標(biāo)準(zhǔn)煤。以年產(chǎn)420萬t鋼計算，則1年消耗250.93萬t標(biāo)準(zhǔn)煤。天鋼聯(lián)合特鋼有限公司自投產(chǎn)以來，針對如何有效的回收利用高爐渣顯熱，一直在探討取熱、用熱方案。如何利用高爐渣顯熱，提高能源利用率，減少消耗已迫在眉睫。經(jīng)過研究，采用熱交換器回收高爐渣顯熱，能夠提高能源利用率，獲得經(jīng)濟(jì)效益。

1 天鋼聯(lián)合特鋼2#高爐渣情況

天鋼聯(lián)合特鋼2#高爐有效容積為1 080 m3高爐，每天出鐵水10～13次，每年平均利用系數(shù)約為1.8 t/m3·d，每年生產(chǎn)鐵水約100萬t。按每生產(chǎn)1t鐵水產(chǎn)生0.3 t高爐渣計算，2#高爐每年大約產(chǎn)生30萬t高爐渣。每噸鐵產(chǎn)生的爐渣在高溫熔融狀態(tài)下的1 400℃冷卻至常溫固態(tài)時，所放出的熱量相當(dāng)于15.89 kg標(biāo)準(zhǔn)煤。每年產(chǎn)生高爐渣所含的顯熱相當(dāng)于1.59萬t標(biāo)準(zhǔn)煤。2#高爐爐渣采用水沖渣的工藝，之前的爐渣顯熱未被利用。

2 高爐渣顯熱回收方案分析及確定

2.1 高爐渣顯熱回收方案

高爐渣顯熱回收必須以處理后的高爐渣具有優(yōu)良的再利用價值為前提條件，熔融高爐渣具有如下特點：導(dǎo)熱系數(shù)較低，換熱速度慢，回收熱量難度增加；粘度隨著溫度的降低急速升高，處理熔融高爐渣操作的溫度范圍有限。

由于熔融高爐渣具有的獨特性質(zhì)，以至于熔融高爐渣顯熱回收利用存在難度，目前國內(nèi)外熔融高爐渣顯熱回收主要有以下幾個方案。

2.1.1 利用熔融高爐渣和熔融高爐渣的顯熱生產(chǎn)礦巖棉制品

該項目主要是利用熔融高爐渣并與煤粉、石英砂等一起生產(chǎn)礦巖棉制品，在生產(chǎn)礦巖棉制品時，能充分利用高溫熔融高爐渣顯熱，其熱效率可達(dá)80%以上。該項目能夠?qū)崿F(xiàn)資源綜合利用，節(jié)約能源，減少了SO2的排放，符合國家建設(shè)綠色、環(huán)保型產(chǎn)業(yè)政策的要求。

該項目需要設(shè)備投資約2億元，需要廠房8 000 m2。

2.1.2 風(fēng)淬法利用高爐渣顯熱

該項目首先將倒入換熱器中，同時由噴嘴噴出的高速氣流，將熔融高爐渣制造成顆粒，高爐渣顆粒在換熱器中被從下向上吹入的空氣冷卻，空氣被加熱，帶走了熔融高爐渣的熱量，熱空氣輸送給余熱鍋爐，將余熱鍋爐水加熱成蒸汽供發(fā)電使用。

該項目需要設(shè)備投資約1億元，需要廠房4 000 m2。

2.1.3 連鑄式余熱鍋爐高爐熔渣顯熱回收法

該項目主要是將熔融高爐渣倒在渣池，熔融高爐渣從渣池的渣嘴連續(xù)流到水冷輥，水冷輥由成對安裝的反向旋轉(zhuǎn)輥組成，水冷輥中的水被加熱。之后熔融高爐渣然后進(jìn)入鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)，在鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)下部鼓入空氣，空氣被加熱，帶走了熔融高爐渣的熱量，熱空氣輸送給換熱器，將從水冷輥出來的熱水進(jìn)一步加熱成蒸汽，蒸汽供發(fā)電使用。該方法不利于后續(xù)對高爐渣的利用，因此不考慮該技術(shù)。

該項目需要設(shè)備投資約8 000萬元，需要廠房4 000 m2。

2.1.4 利用化學(xué)反應(yīng)法回收熔融高爐渣顯熱

利用化學(xué)反應(yīng)法回收高爐渣顯熱目前處于探索階段，技術(shù)還不成熟，無法進(jìn)入實際應(yīng)用，如：

（1）熔融高爐渣在進(jìn)行快速冷卻、顆?；倪^程中，要放出大量的熱，而煤氣化時需要吸收大量的熱，用此方法利用熔融高爐渣顯熱。

（2）利用熔融高爐渣的熱量，使甲烷水蒸氣通過吸熱發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，會生成H2和CO2。

2.1.5 使用水沖渣工藝處理熔融高爐渣，回收利用沖渣水余熱

目前我國高爐爐渣處理工藝普遍采用的是水沖渣工藝方式，高爐生產(chǎn)時，高爐內(nèi)1 400～1 500℃的高溫熔融狀態(tài)的高爐渣經(jīng)出渣口處流出，經(jīng)過渣溝進(jìn)入沖渣槽時被水沖走。水要具備一定的壓力和足夠量，流槽要有一定的坡度，水與高溫熔高爐渣成一定的夾角。高溫熔高爐渣的熱量被水帶走。沖渣水經(jīng)過冷卻被循環(huán)利用。

高爐渣被沖擊淬化成小顆粒水渣，稱之為高爐水沖渣。高爐水沖渣可以用于生產(chǎn)硅酸鹽水泥的原材料，也可以為生產(chǎn)耐火材料提供原材料，也可以用來制造渣棉、鑄石等。

沖渣水的溫度范圍在60～85℃，屬于工業(yè)低溫?zé)嵩?，目前對沖渣水余熱的利用主要是直接用于冬季采暖，這種利用方式技術(shù)簡單，改造成本低，但因沖渣水含有大量的雜質(zhì)，進(jìn)入管網(wǎng)后易造成管網(wǎng)堵塞，且采暖管網(wǎng)系統(tǒng)龐大，清洗難度很大。

2.2 高爐渣顯熱回收方案對比分析

各種高爐渣顯熱利用方案基本情況見表1。

目前天鋼聯(lián)合特鋼2#高爐采用水沖渣的工藝，水沖渣工藝流程示意圖見圖1。高爐渣所含的顯熱被沖渣水帶走，經(jīng)過水淬后的高爐渣可以用作生產(chǎn)硅酸鹽水泥的原材料，也可以為生產(chǎn)耐火建材提供原材料。

考慮天鋼聯(lián)合特鋼有限公司現(xiàn)有生產(chǎn)裝備，采用高爐沖渣水熱量回收利用的方法，投資少、見效快、易實施。

3 制定高爐沖渣水余熱回收方案

3.1 高爐沖渣水工況參數(shù)

高爐沖渣水工況參數(shù)見表2。

3.2 高爐沖渣水余熱回收設(shè)計方案

表1 高爐渣顯熱利用方案

考慮沖渣水含有大量的雜質(zhì)，進(jìn)入管網(wǎng)后，管網(wǎng)容易造成堵塞，且采暖管網(wǎng)系統(tǒng)龐大，清洗難度很大，擬采用將高爐沖渣水送給熱交換器，用渣水余熱制造熱水供下游用戶使用的設(shè)計方案。這種方案相對于直接用于冬季采暖的方案，回收熱量系統(tǒng)設(shè)備系統(tǒng)簡單。初步設(shè)計取部分高爐沖渣水流量，回收其熱量用于采暖和職工洗浴等系統(tǒng)，運行正常后再進(jìn)一步加大回收沖渣水余熱的量，向發(fā)電鍋爐提供熱水。設(shè)計方案見表3。高爐沖渣水余熱回收利用系統(tǒng)圖見圖2。

圖1 水沖渣工藝流程示意圖

表2 2#高爐沖渣水工況參數(shù)

表3 初步設(shè)計熱交換器工作參數(shù)

圖2 高爐沖渣水余熱回收利用系統(tǒng)圖

3.3 熱水泵設(shè)計

3.3.1 提升泵揚程的計算

式中，H為泵的揚程，MPa；H1為最不利點與蓄水池最低水位的高程差，m；H2為管道的全部水頭損失，kPa，是給水管道的沿程水頭損失h1之和；H3為最不利點所需的最低工作壓力，kPa，一般指距泵最遠(yuǎn)、地勢最高的用水點所需的壓力，當(dāng)有多處條件相近時，需經(jīng)計算、比較方可確定。

給水管道的沿程水頭損失應(yīng)按公式（2）計算：

式中，h1為沿程水頭損失，kPa；L為管道計算長度，m；i為管道單位長度水頭損失，kPa/m。

局部水頭損失可按沿程水頭損失的25%～30%計算[1]。

3.3.2 水泵選擇

根據(jù)設(shè)計流量所需揚程選泵，但考慮因磨損等原因造成水泵出力下降，計算所得揚程H×（1.05-1.10）系數(shù)后選泵[1]。

3.4 采取的技術(shù)措施

（1）為有效克服渣水管道結(jié)垢堵塞的技術(shù)難題，高爐沖渣水余熱交換站設(shè)計安裝在渣水池最近距離旁安裝，保證渣水管道距離最短，同時利用沖渣水含有的高爐渣顆粒在流速作用下的沖擊、摩擦作用，達(dá)到減少渣水管道結(jié)垢堵塞的目的。

（2）采用特制換熱器，要求流道采用獨特設(shè)計，沖渣水在流道內(nèi)始終以高速渦流狀態(tài)流動，有效防止結(jié)垢體和結(jié)晶體沉積在換熱表面上。換熱流道內(nèi)無交叉接觸點，沖渣水可在換熱流道內(nèi)自由流動，渣粒、渣棉等不會堵塞換熱器。換熱器換熱元件采用金屬表面耐腐蝕、硬度高耐磨損。

（3）泵站總體結(jié)構(gòu)設(shè)計采用箱式標(biāo)準(zhǔn)泵站，集成循環(huán)泵、補水泵、軟化水設(shè)備、軟化水箱、電控系統(tǒng)、管路閥門于一體，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，占地面積少，容易安裝。無需建設(shè)土建機(jī)房，投資少。采用模塊化設(shè)計，根據(jù)需求整體移動安裝位置，增擴(kuò)容方便，施工周期短。高爐沖渣水余熱回收初步設(shè)計工程設(shè)備投資230萬元。

4 結(jié)束語

2#高爐沖渣水余熱回收利用初步項目于2018年初建成投入運行，從幾個月的運行情況來看，整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定，運行正常，換熱效果達(dá)到了設(shè)計要求，每月生產(chǎn)熱水48 600 t，熱水平均溫升45℃，以1t水升高1℃需要熱量4.2×103kJ計算，每月回收熱量為9185×106kJ，折合標(biāo)煤314 t，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，為以后進(jìn)一步擴(kuò)大高爐沖渣水余熱回收利用提供了寶貴的經(jīng)驗。我們在以節(jié)能減排為工作重點，努力提高能源利用率的同時，獲得了一定的經(jīng)濟(jì)效益，實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)保雙豐收。