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真空相變換熱技術(shù)在高爐沖渣水余熱集中供熱項目中的應(yīng)用

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摘要

真空相變換熱技術(shù)是根據(jù)水的沸點隨壓力變化而變化的特性，通過降低環(huán)境的壓力，使得水在低壓環(huán)境下轉(zhuǎn)化為蒸汽，來提取工業(yè)余熱。本文針對真空相變技術(shù)在邯鄲鋼廠高爐沖渣水余熱集中供熱項目上的應(yīng)用，對余熱資源和水質(zhì)進(jìn)行了分析。針對沖渣水這一特殊的水質(zhì)，易造成析晶結(jié)垢的特性，選取直熱機(jī)進(jìn)行換熱。經(jīng)實地檢測，該設(shè)備運(yùn)行狀況良好，換熱量、傳熱溫差等各項主要指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求，渣水側(cè)未發(fā)現(xiàn)明顯析晶、結(jié)垢以及腐蝕跡象。

關(guān)鍵詞：真空相變工業(yè)余熱高爐沖渣水余熱利用集中供熱

前言

城市集中供熱是城市的基礎(chǔ)設(shè)施之一，也是改善城市人居環(huán)境、改善城市大氣質(zhì)量、提高城市現(xiàn)代化水平的重要措施。但目前我國集中供熱所用能源仍以煤炭為主，據(jù)不完全統(tǒng)計，北方地區(qū)冬季供暖能源消耗約折合1.7億噸標(biāo)煤。我國近年來頻繁出現(xiàn)的大面積霧霾天氣與供熱燃煤不無關(guān)系。

我國目前一次能源及各種余熱資源利用水平較低，根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，我國工業(yè)能源消費量占總消費量的70%以上，而能源利用率僅為30%，而余熱資源回收率僅34.9%，大量余熱以各種形式被排放到大氣中，僅在4個月供暖期內(nèi)的排放量就折合標(biāo)煤約1億噸。如果這些低品位工業(yè)余熱都得到科學(xué)有效的開發(fā)利用，對我國集中供熱能耗模式將起到極大的優(yōu)化和改善。

邯鄲市熱力公司作為一家國有大型供熱公司，在新能源、新技術(shù)領(lǐng)域一直進(jìn)行積極的探索和嘗試，2014年為進(jìn)一步提高邯鄲市集中供熱的技術(shù)水平、節(jié)約能源、改善大氣質(zhì)量、提高供熱品質(zhì)，結(jié)合邯鄲工業(yè)余熱和集中供熱管網(wǎng)現(xiàn)狀，與邯鄲鋼鐵集團(tuán)達(dá)成余熱開發(fā)協(xié)議，采用該集團(tuán)的高爐沖渣水作為低位熱源，為邯鋼周邊約600萬㎡既有供熱建筑進(jìn)行熱源改造。

2014年實施一期工程，利用邯鋼高爐沖渣水余熱實現(xiàn)100萬㎡供熱面積的熱源及管網(wǎng)改造，其中4、5號高爐沖渣水采用了哈爾濱工大金濤科技股份有限公司自主研發(fā)的真空相變換熱設(shè)備—“直熱機(jī)”作為沖渣水余熱的熱能采集設(shè)備。該設(shè)備采用真空相變原理，使水質(zhì)比較復(fù)雜的沖渣水在真空環(huán)境下閃蒸，以相對清潔的水蒸氣進(jìn)入常規(guī)換熱設(shè)備進(jìn)行汽水換熱，從而有效的避免了高爐沖渣水在熱能采集過程中容易出現(xiàn)的結(jié)垢、析晶以及腐蝕現(xiàn)象。為冶金、化工、造紙等行業(yè)產(chǎn)生的水質(zhì)復(fù)雜的各類工業(yè)廢水以及工藝循環(huán)水的余熱開發(fā)提供了一個有效解決途徑。

本文重點對邯鄲鋼廠高爐沖渣水余熱集中供熱項目的技術(shù)方案以及應(yīng)用情況進(jìn)行一個簡單的論述。

一、余熱資源分析

邯鋼4、5號高爐共用一個渣池，采用底濾法沖渣工藝，補(bǔ)水水源為污水處理廠二級排放水及部分焦化廢水。沖渣水原冷卻工藝為：4臺額定流量1120m³/h（三用一備）和3臺額定流量755 m³/h（兩用一備）的渣水泵將沖渣后的高溫沖渣水送至冷卻塔，冷卻后進(jìn)入涼水池，由另一套循環(huán)泵送至淬渣室再度進(jìn)行沖渣。上塔水溫約70℃左右，下塔水溫約為60℃左右。

具體參數(shù)如下：

序號	項目	單位	4#高爐	5#高爐
1	高爐爐容	m³	1000	2000
2	高爐數(shù)量	座	1	1
3	利用系數(shù)	t/(m³.d)	2.65	2.5
4	出渣次數(shù)	次/d	13	15
5	渣鐵比	t/t	0.34	0.35
6	產(chǎn)鐵量	t/d	2650	5000
7	產(chǎn)渣量	t/d	901	1750
8	沖渣方式	-	底濾法	底濾法
9	沖渣水量	m³/h	2300	2600
10	沖渣水池溫度	℃	70	70

冷卻塔上散掉的熱量即是可以回收的熱量，則根據(jù)上表提供的數(shù)據(jù)分析，可回收利用的熱量分別計算如下：

4#高爐沖渣水余熱量：

Q沖渣水4#=2300000*4.2*10/3600=26800kW=26.8MW

5#高爐沖渣水余熱量：

Q沖渣水5#=2600000*4.2*10/3600=30300kW=30.3MW

4、5號高爐沖渣水共計可提取余熱量為57.1MW，為安全起見，此處渣水余熱的提取量按照50MW設(shè)計。

二、水質(zhì)分析

由于高爐渣的主要成分為CaO、SiO₂、Al₂O₃等物質(zhì)，1400℃左右熔融狀態(tài)的高爐渣在水淬的過程中其主要成分必然會有部分溶解于水中，而沖渣水屬多次重復(fù)利用的循環(huán)冷卻水，其年復(fù)一年的沖渣過程，實際上是沖渣水被不斷濃縮的過程，高爐渣中可溶于水的物質(zhì)必然達(dá)到了一個飽和狀態(tài)。熱能提取過程實際是對沖渣水的一個強(qiáng)制降溫過程，溶解在沖渣水中的高爐渣成分必然會由于渣水溫度的降低而出現(xiàn)過飽和，從而析出并附著在換熱壁表面，造成換熱器傳熱系數(shù)降低，甚至造成堵塞。

根據(jù)邯鋼提供的水質(zhì)報告及現(xiàn)場提取水樣檢驗結(jié)果顯示，此處沖渣水水質(zhì)比較復(fù)雜，主要指標(biāo)如下：堿度（CaCo₃）：43mg/L；氯化物：485mg/L；溶解性總固體：3274mg/L；電導(dǎo)率：4040μs/cm；硫酸鹽：2064mg/L；另外還含有少量的油、鐵和亞硫酸鹽；PH值：8.28。

通過上述數(shù)據(jù)分析，該沖渣水水由于氯化物和硫酸鹽含量較高，對不銹鋼和碳鋼等常用金屬有較強(qiáng)的腐蝕性，因此在換熱設(shè)備選擇上必須注意防腐問題。

雖然報告中給出的溶解性總固體、電導(dǎo)率等指標(biāo)已經(jīng)較高，但我們分析認(rèn)為該數(shù)據(jù)明顯要低于實際換熱工況時的水質(zhì)指標(biāo)，因為水樣送至檢測中心時溫度已經(jīng)降至環(huán)境溫度，部分溶解于水中的可溶解固體隨著水溫的降低已經(jīng)析出，因此檢測結(jié)果中缺少析出部分的固體含量。即便如此，上述數(shù)據(jù)仍可斷定該水必然存在比較嚴(yán)重的析晶、結(jié)垢現(xiàn)象。因此在熱能采集設(shè)備的選擇上必須要考慮防止換熱壁面的污染和堵塞問題。

三、項目論證

項目論證過程中，通過水質(zhì)分析以及其他鋼廠類似項目的實地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)以往很多采用板式、殼管式、螺旋板式等常規(guī)的換熱設(shè)備的沖渣水余熱利用項目的換熱設(shè)備都出現(xiàn)了不同程度的污染甚至堵塞現(xiàn)象，另外大多存在比較嚴(yán)重的腐蝕情況。

雖然有些類似項目中也采用了纖維過濾器等前置過濾措施，但由于高爐沖渣水的堵塞并非由易沉固體、懸浮物等可見的固體污雜物造成的，而是在熱能提取過程中由于渣水溫度降低導(dǎo)致過飽和，從而產(chǎn)生析晶、結(jié)垢現(xiàn)象造成的，因此常規(guī)的物理過濾措施效果不佳。

另外近些年在市場上新出現(xiàn)的污水專用換熱器，由于其污水側(cè)通道較寬大，具備較強(qiáng)的抗堵性能，在城市污水等固體污雜物含量較高的水質(zhì)下效果較好，但在高爐沖渣水項目上應(yīng)用效果不佳，無法徹底避免換熱壁面的污染與堵塞問題?；蛟S采用特殊的防污材料或其他能夠阻止析晶、結(jié)垢現(xiàn)象發(fā)生的技術(shù)措施可能有效。類似的方法邯鄲市熱力公司在2014年也進(jìn)行了嘗試，但具體效果還有待觀察。

為有效應(yīng)對本項目沖渣水在熱能提取過程中可能發(fā)生的析晶、結(jié)垢現(xiàn)象造成的換熱器堵塞和腐蝕等問題，在常規(guī)條件下，必須避免廢水與換熱面直接接觸，但傳統(tǒng)的換熱設(shè)備難以實現(xiàn)。

哈工大金濤公司當(dāng)時提交的采用 “真空相變技術(shù)”進(jìn)行熱能采集的方案滿足了這一要求。利用水在負(fù)壓環(huán)境下沸點降低的特性，人為制造一個負(fù)壓環(huán)境，使沖渣水在負(fù)壓容器內(nèi)沸點降低，從而實現(xiàn)無需加熱，使部分沖渣水閃蒸、汽化，以清潔的水蒸氣攜帶大量汽化潛熱與清水進(jìn)行換熱，從而實現(xiàn)清潔、高效提取沖渣水熱能的目的。

依據(jù)該方法研制成功的工業(yè)廢水熱能提取設(shè)備——“直熱機(jī)”，無需對廢水進(jìn)行過濾及二次加熱，僅需要消耗極小的電能維持一個負(fù)壓環(huán)境，從廢水中提取出大量熱能。從而徹底解決熱能提取過程中換熱裝置的換熱壁面結(jié)晶、掛垢、腐蝕等問題。

四、設(shè)備選型

通過沖渣水余熱資源分析，邯鋼4、5號高爐沖渣水可利用熱量為57.1MW，為安全起見，渣水余熱的提取量按照50MW設(shè)計。按照熱負(fù)荷50W/㎡計算，冬季可為大約100萬㎡建筑進(jìn)行供暖。

充分考慮系統(tǒng)安全及供熱調(diào)節(jié)能力，本項目共計選取10臺單機(jī)換熱量為5MW的JTZH-5.0-500-0.1/0.1-01型直熱機(jī)，即可單獨運(yùn)行又可并聯(lián)運(yùn)行，10臺設(shè)備互為備用。

單臺直熱機(jī)運(yùn)行參數(shù)

機(jī)組型號		JTZH-5.0-500-0.1/0.1-01
名義制熱量		kW	5000
名義制熱量		kCal/h	4290000
泵組輸入功率		kW	37．5
控制系統(tǒng)		微電腦全自動控制,PID調(diào)節(jié)
熱源水側(cè)	進(jìn)出口溫度	℃	70℃-52℃
	流量	m³∕h	240
	接口尺寸	mm	200
循環(huán)水側(cè)	進(jìn)出口溫度	℃	65℃-45℃
	流量	m³∕h	215
	接口尺寸	mm	200
外形尺寸		mm	4700530012500

整個熱源站占地面積約450平方米，沖渣水設(shè)計最大用量2400m³/h，渣水溫降18℃。制出流量為215m³/h，進(jìn)出水溫度為65/45℃的采暖水，單臺直熱機(jī)包含一臺渣水排水泵30kW；真空泵7.5kW；冷凝水排水泵2kW，單機(jī)總輸入功率37.5kW。

沖渣水給水利用邯鋼原有沖渣水循環(huán)泵，提熱后由機(jī)組自身配備的排水泵送至邯鋼原有的涼水池。系統(tǒng)水循環(huán)系統(tǒng)等附屬設(shè)備屬常規(guī)配置，這里不再贅述。

五、運(yùn)行情況分析

該系統(tǒng)設(shè)計供熱能力50MW，約可滿足100萬平米建筑采暖需求，由于本項目系該產(chǎn)品首次大規(guī)模投入使用，充分考慮供熱安全，本采暖季實際并網(wǎng)面積約65萬㎡，根據(jù)需要開機(jī)臺數(shù)一般在4-6臺。自2014年11月中旬投入運(yùn)行以來，截至筆者截稿之日起系統(tǒng)已安全運(yùn)行60余天，供暖效果良好。

經(jīng)實地檢測，該設(shè)備的換熱量、傳熱溫差等各項主要指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求，渣水側(cè)未發(fā)現(xiàn)明顯析晶、結(jié)垢以及腐蝕跡象。根據(jù)目前情況判斷該設(shè)備一個采暖期內(nèi)無需清洗維護(hù)，該系統(tǒng)完全可以滿足100萬平米的供熱需求。

為驗證系統(tǒng)運(yùn)行能耗是否達(dá)標(biāo)，于2015年元月16日9：50分開始，隨機(jī)進(jìn)行了一次為期72小時的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，該系統(tǒng)72小時累計輸出熱量：4843.1GJ；累計耗電量：21768kW.h（包含采暖系統(tǒng)水泵、補(bǔ)水泵及照明等日常用電總量）；平均單位熱量能耗為：4.49 kW.h/GJ，優(yōu)于原設(shè)計要求，是非常經(jīng)濟(jì)、高效的熱能采集設(shè)備。

六、總結(jié)

本項目熱能采集設(shè)備—直熱機(jī)，采用真空相變原理，熱能的提取與釋放在兩個容器內(nèi)分別進(jìn)行，沖渣水側(cè)沒有換熱壁面，溶解于水中的大量無機(jī)鹽類等易結(jié)晶物質(zhì)無處附著，從而徹底杜絕了傳統(tǒng)間壁式換熱器在換熱過程中換熱壁面結(jié)晶掛垢問題，同時也便于與沖渣水接觸的蒸發(fā)器內(nèi)部進(jìn)行防腐處理，且不影響傳熱；同時采用逐級蒸發(fā)、分段冷凝的專利結(jié)構(gòu)設(shè)計，既保證了大溫差提熱，又最大限度的縮小了傳熱溫差，從而充分利用了沖渣水較高的熱品位。

該技術(shù)為我國工業(yè)廢水余熱開發(fā)利用提供了一套全新的有效解決方案，該項目的成功運(yùn)行是邯鄲市熱力公司勇于創(chuàng)新、積極探索的又一成功案例，為我國供熱行業(yè)改善能耗模式、提高經(jīng)濟(jì)效益開辟了一條新途徑，必將起到良好的引領(lǐng)示范作用。

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