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      真空相變換熱技術在高爐沖渣水余熱集中供熱項目中的應用

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      人氣:-發表時間:2015-10-15 09:07【

      摘要

              真空相變換熱技術是根據水的沸點隨壓力變化而變化的特性,通過降低環境的壓力,使得水在低壓環境下轉化為蒸汽,來提取工業余熱。本文針對真空相變技術在邯鄲鋼廠高爐沖渣水余熱集中供熱項目上的應用,對余熱資源和水質進行了分析。針對沖渣水這一特殊的水質,易造成析晶結垢的特性,選取直熱機進行換熱。經實地檢測,該設備運行狀況良好,換熱量、傳熱溫差等各項主要指標均達到設計要求,渣水側未發現明顯析晶、結垢以及腐蝕跡象。

      關鍵詞:真空相變  工業余熱  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設施之一,也是改善城市人居環境、改善城市大氣質量、提高城市現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,據不完全統計,北方地區冬季供暖能源消耗約折合1.7億噸標煤。我國近年來頻繁出現的大面積霧霾天氣與供熱燃煤不無關系。

               我國目前一次能源及各種余熱資源利用水平較低,根據有關統計,我國工業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個月供暖期內的排放量就折合標煤約1億噸。如果這些低品位工業余熱都得到科學有效的開發利用,對我國集中供熱能耗模式將起到極大的優化和改善。

              邯鄲市熱力公司作為一家國有大型供熱公司,在新能源、新技術領域一直進行積極的探索和嘗試,2014年為進一步提高邯鄲市集中供熱的技術水平、節約能源、改善大氣質量、提高供熱品質,結合邯鄲工業余熱和集中供熱管網現狀,與邯鄲鋼鐵集團達成余熱開發協議,采用該集團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100萬㎡供熱面積的熱源及管網改造,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的真空相變換熱設備—“直熱機”作為沖渣水余熱的熱能采集設備。該設備采用真空相變原理,使水質比較復雜的沖渣水在真空環境下閃蒸,以相對清潔的水蒸氣進入常規換熱設備進行汽水換熱,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的結垢、析晶以及腐蝕現象。為冶金、化工、造紙等行業產生的水質復雜的各類工業廢水以及工藝循環水的余熱開發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方案以及應用情況進行一個簡單的論述。

      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,冷卻后進入涼水池,由另一套循環泵送至淬渣室再度進行沖渣。上塔水溫約70℃左右,下塔水溫約為60℃左右。

      具體參數如下:

       

      序號

      項目

      單位

      4#高爐

      5#高爐

      1

      高爐爐容

      m3

      1000

      2000

      2

      高爐數量

      1

      1

      3

      利用系數

      t/(m3.d)

      2.65

      2.5

      4

      出渣次數

      次/d

      13

      15

      5

      渣鐵比

      t/t

      0.34

      0.35

      6

      產鐵量

      t/d

      2650

      5000

      7

      產渣量

      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,則根據上表提供的數據分析,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設計。

      二、水質分析

                由于高爐渣的主要成分為CaO、SiO2、Al2O3等物質,1400℃左右熔融狀態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利用的循環冷卻水,其年復一年的沖渣過程,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必然達到了一個飽和狀態。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降低,甚至造成堵塞。

               根據邯鋼提供的水質報告及現場提取水樣檢驗結果顯示,此處沖渣水水質比較復雜,主要指標如下:堿度(CaCo3):43mg/L;氯化物:485mg/L;溶解性總固體:3274mg/L;電導率: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。

                通過上述數據分析,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、電導率等指標已經較高,但我們分析認為該數據明顯要低于實際換熱工況時的水質指標,因為水樣送至檢測中心時溫度已經降至環境溫度,部分溶解于水中的可溶解固體隨著水溫的降低已經析出,因此檢測結果中缺少析出部分的固體含量。即便如此,上述數據仍可斷定該水必然存在比較嚴重的析晶、結垢現象。因此在熱能采集設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,通過水質分析以及其他鋼廠類似項目的實地調研,發現以往很多采用板式、殼管式、螺旋板式等常規的換熱設備的沖渣水余熱利用項目的換熱設備都出現了不同程度的污染甚至堵塞現象,另外大多存在比較嚴重的腐蝕情況。

               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致過飽和,從而產生析晶、結垢現象造成的,因此常規的物理過濾措施效果不佳。

                另外近些年在市場上新出現的污水專用換熱器,由于其污水側通道較寬大,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下效果較好,但在高爐沖渣水項目上應用效果不佳,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、結垢現象發生的技術措施可能有效。類似的方法邯鄲市熱力公司在2014年也進行了嘗試,但具體效果還有待觀察。

               為有效應對本項目沖渣水在熱能提取過程中可能發生的析晶、結垢現象造成的換熱器堵塞和腐蝕等問題,在常規條件下,必須避免廢水與換熱面直接接觸,但傳統的換熱設備難以實現。

               哈工大金濤公司當時提交的采用 “真空相變技術”進行熱能采集的方案滿足了這一要求。利用水在負壓環境下沸點降低的特性,人為制造一個負壓環境,使沖渣水在負壓容器內沸點降低,從而實現無需加熱,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行換熱,從而實現清潔、高效提取沖渣水熱能的目的。

                依據該方法研制成功的工業廢水熱能提取設備——“直熱機”,無需對廢水進行過濾及二次加熱,僅需要消耗極小的電能維持一個負壓環境,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晶、掛垢、腐蝕等問題。

      四、設備選型

                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設計。按照熱負荷50W/㎡計算,冬季可為大約100萬㎡建筑進行供暖。

               充分考慮系統安全及供熱調節能力,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運行,10臺設備互為備用。

      單臺直熱機運行參數 

       

      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

       微電腦全自動控制,PID調節

      熱源水側

      進出口溫度

      70℃-52℃

      流量

      m³∕h

      240

      接口尺寸

      mm

      200

      循環水側

      進出口溫度

      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,沖渣水設計最大用量2400m³/h,渣水溫降18℃。制出流量為215m³/h,進出水溫度為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。系統水循環系統等附屬設備屬常規配置,這里不再贅述。

      五、運行情況分析

               該系統設計供熱能力50MW,約可滿足100萬平米建筑采暖需求,由于本項目系該產品首次大規模投入使用,充分考慮供熱安全,本采暖季實際并網面積約65萬㎡,根據需要開機臺數一般在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已安全運行60余天,供暖效果良好。

              經實地檢測,該設備的換熱量、傳熱溫差等各項主要指標均達到設計要求,渣水側未發現明顯析晶、結垢以及腐蝕跡象。根據目前情況判斷該設備一個采暖期內無需清洗維護,該系統完全可以滿足100萬平米的供熱需求。

               為驗證系統運行能耗是否達標,于2015年元月16日9:50分開始,隨機進行了一次為期72小時的數據統計分析,該系統72小時累計輸出熱量:4843.1GJ;累計耗電量:21768kW.h(包含采暖系統水泵、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,優于原設計要求,是非常經濟、高效的熱能采集設備。

      六、總結

               本項目熱能采集設備—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分別進行,沖渣水側沒有換熱壁面,溶解于水中的大量無機鹽類等易結晶物質無處附著,從而徹底杜絕了傳統間壁式換熱器在換熱過程中換熱壁面結晶掛垢問題,同時也便于與沖渣水接觸的蒸發器內部進行防腐處理,且不影響傳熱;同時采用逐級蒸發、分段冷凝的專利結構設計,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。

              該技術為我國工業廢水余熱開發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新、積極探索的又一成功案例,為我國供熱行業改善能耗模式、提高經濟效益開辟了一條新途徑,必將起到良好的引領示范作用。


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