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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,選取直熱機進(jìn)行換熱。經(jīng)實地檢測,該設(shè)備運行狀況良好,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”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

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”,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臺單機換熱量為5MW的JTZH-5.0-500-0.1/0.1-01型直熱機,即可單獨運行又可并聯(lián)運行,10臺設(shè)備互為備用。

單臺直熱機運行參數(shù) 

 

機組型號

JTZH-5.0-500-0.1/0.1-01

名義制熱量  

kW

5000

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

4700*5300*12500

         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,單臺直熱機包含一臺渣水排水泵30kW;真空泵7.5kW;冷凝水排水泵2kW,單機總輸入功率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)需要開機臺數(shù)一般在4-6臺。自2014年11月中旬投入運行以來,截至筆者截稿之日起系統(tǒng)已安全運行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)運行能耗是否達(dá)標(biāo),于2015年元月16日9:50分開始,隨機進(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,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。