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        天鋼聯(lián)合特鋼2#高爐熱鐵渣熱量的回收與利用

        2018-09-10 09:02:00吳俊國(guó)
        天津冶金 2018年4期
        關(guān)鍵詞:沖渣水沖特鋼

        吳俊國(guó)

        (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(guò)程中會(huì)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(guò)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(shí)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(shí),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(guò)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(wàn)t鋼計(jì)算,則1年消耗250.93萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤。天鋼聯(lián)合特鋼有限公司自投產(chǎn)以來(lái),針對(duì)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(guò)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(wàn)t。按每生產(chǎn)1t鐵水產(chǎn)生0.3 t高爐渣計(jì)算,2#高爐每年大約產(chǎn)生30萬(wàn)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(shí),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(wàn)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(jià)值為前提條件,熔融高爐渣具有如下特點(diǎn):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(dú)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(guó)內(nèi)外熔融高爐渣顯熱回收主要有以下幾個(gè)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(xiàng)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(shí),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(xiàng)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(guó)家建設(shè)綠色、環(huán)保型產(chǎn)業(yè)政策的要求。

        該項(xiàng)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(xiàng)目首先將倒入換熱器中,同時(shí)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(xiàng)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(xiàng)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(duì)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(lái)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(duì)高爐渣的利用,因此不考慮該技術(shù)。

        該項(xiàng)目需要設(shè)備投資約8 000萬(wàn)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(wú)法進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用,如:

        (1)熔融高爐渣在進(jìn)行快速冷卻、顆粒化的過(guò)程中,要放出大量的熱,而煤氣化時(shí)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(guò)吸熱發(fā)生化學(xué)反應(yīng),會(huì)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(guó)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(shí),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(guò)渣溝進(jìn)入沖渣槽時(shí)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(guò)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(lái)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?duì)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(jiǎn)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(duì)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(guò)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(shí)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(jì)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(jì)方案。這種方案相對(duì)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(jiǎn)單。初步設(shè)計(jì)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(yùn)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(jì)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(jì)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(jì)

        3.3.1 提升泵揚(yáng)程的計(jì)算

        式中,H為泵的揚(yáng)程,MPa;H1為最不利點(diǎn)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(diǎn)所需的最低工作壓力,kPa,一般指距泵最遠(yuǎn)、地勢(shì)最高的用水點(diǎn)所需的壓力,當(dāng)有多處條件相近時(shí),需經(jīng)計(jì)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(jì)算:

        式中,h1為沿程水頭損失,kPa;L為管道計(jì)算長(zhǎng)度,m;i為管道單位長(zhǎng)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(jì)算[1]。

        3.3.2 水泵選擇

        根據(jù)設(shè)計(jì)流量所需揚(yáng)程選泵,但考慮因磨損等原因造成水泵出力下降,計(jì)算所得揚(yáng)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(jì)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(shí)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(dú)特設(shè)計(jì),沖渣水在流道內(nèi)始終以高速渦流狀態(tài)流動(dòng),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(wú)交叉接觸點(diǎn),沖渣水可在換熱流道內(nèi)自由流動(dòng),渣粒、渣棉等不會(huì)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(jì)采用箱式標(biāo)準(zhǔn)泵站,集成循環(huán)泵、補(bǔ)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(wú)需建設(shè)土建機(jī)房,投資少。采用模塊化設(shè)計(jì),根據(jù)需求整體移動(dòng)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(jì)工程設(shè)備投資230萬(wàn)元。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        2#高爐沖渣水余熱回收利用初步項(xiàng)目于2018年初建成投入運(yùn)行,從幾個(gè)月的運(yùn)行情況來(lái)看,整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定,運(yùn)行正常,換熱效果達(dá)到了設(shè)計(jì)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(jì)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(yàn)。我們?cè)谝怨?jié)能減排為工作重點(diǎn),努力提高能源利用率的同時(shí),獲得了一定的經(jīng)濟(jì)效益,實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)保雙豐收。

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