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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用

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摘要

        真空相變換熱技術(shù)是根據水的沸點(diǎn)隨壓力變化而變化的特性,通過(guò)降低環(huán)境的壓力,使得水在低壓環(huán)境下轉化為蒸汽,來(lái)提取工業(yè)余熱。本文針對真空相變技術(shù)在邯鄲鋼廠(chǎng)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(zhì)進(jìn)行了分析。針對沖渣水這一特殊的水質(zhì),易造成析晶結垢的特性,選取直熱機進(jìn)行換熱。經(jīng)實(shí)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(fā)現明顯析晶、結垢以及腐蝕跡象。

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設施之一,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(lái)頻繁出現的大面積霧霾天氣與供熱燃煤不無(wú)關(guān)系。

         我國目前一次能源及各種余熱資源利用水平較低,根據有關(guān)統計,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(gè)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(yè)余熱都得到科學(xué)有效的開(kāi)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、節約能源、改善大氣質(zhì)量、提高供熱品質(zhì),結合邯鄲工業(yè)余熱和集中供熱管網(wǎng)現狀,與邯鄲鋼鐵集團達成余熱開(kāi)發(fā)協(xié)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(wàn)㎡既有供熱建筑進(jìn)行熱源改造。

         2014年實(shí)施一期工程,利用邯鋼高爐沖渣水余熱實(shí)現100萬(wàn)㎡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(zhì)比較復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)入常規換熱設備進(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(guò)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(yè)產(chǎn)生的水質(zhì)復雜的各類(lèi)工業(yè)廢水以及工藝循環(huán)水的余熱開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)有效解決途徑。

         本文重點(diǎn)對邯鄲鋼廠(chǎng)高爐沖渣水余熱集中供熱項目的技術(shù)方案以及應用情況進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的論述。

一、余熱資源分析

         邯鋼4、5號高爐共用一個(gè)渣池,采用底濾法沖渣工藝,補水水源為污水處理廠(chǎng)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(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(jiàn),此處渣水余熱的提取量按照50MW設計。

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(guò)程中其主要成分必然會(huì )有部分溶解于水中,而沖渣水屬多次重復利用的循環(huán)冷卻水,其年復一年的沖渣過(guò)程,實(shí)際上是沖渣水被不斷濃縮的過(guò)程,高爐渣中可溶于水的物質(zhì)必然達到了一個(gè)飽和狀態(tài)。熱能提取過(guò)程實(shí)際是對沖渣水的一個(gè)強制降溫過(guò)程,溶解在沖渣水中的高爐渣成分必然會(huì )由于渣水溫度的降低而出現過(guò)飽和,從而析出并附著(zhù)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(zhì)報告及現場(chǎng)提取水樣檢驗結果顯示,此處沖渣水水質(zhì)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(guò)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(wèn)題。

          雖然報告中給出的溶解性總固體、電導率等指標已經(jīng)較高,但我們分析認為該數據明顯要低于實(shí)際換熱工況時(shí)的水質(zhì)指標,因為水樣送至檢測中心時(shí)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(zhù)水溫的降低已經(jīng)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(wèn)題。

三、項目論證

         項目論證過(guò)程中,通過(guò)水質(zhì)分析以及其他鋼廠(chǎng)類(lèi)似項目的實(shí)地調研,發(fā)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(lèi)似項目中也采用了纖維過(guò)濾器等前置過(guò)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(jiàn)的固體污雜物造成的,而是在熱能提取過(guò)程中由于渣水溫度降低導致過(guò)飽和,從而產(chǎn)生析晶、結垢現象造成的,因此常規的物理過(guò)濾措施效果不佳。

          另外近些年在市場(chǎng)上新出現的污水專(zhuān)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(zhì)下效果較好,但在高爐沖渣水項目上應用效果不佳,無(wú)法徹底避免換熱壁面的污染與堵塞問(wèn)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(fā)生的技術(shù)措施可能有效。類(lèi)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(guān)察。

         為有效應對本項目沖渣水在熱能提取過(guò)程中可能發(fā)生的析晶、結垢現象造成的換熱器堵塞和腐蝕等問(wèn)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(shí)現。

         哈工大金濤公司當時(shí)提交的采用 “真空相變技術(shù)”進(jìn)行熱能采集的方案滿(mǎn)足了這一要求。利用水在負壓環(huán)境下沸點(diǎn)降低的特性,人為制造一個(gè)負壓環(huán)境,使沖渣水在負壓容器內沸點(diǎn)降低,從而實(shí)現無(wú)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(shí)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(yè)廢水熱能提取設備——“直熱機”,無(wú)需對廢水進(jìn)行過(guò)濾及二次加熱,僅需要消耗極小的電能維持一個(gè)負壓環(huán)境,從廢水中提取出大量熱能。從而徹底解決熱能提取過(guò)程中換熱裝置的換熱壁面結晶、掛垢、腐蝕等問(wèn)題。

四、設備選型

          通過(guò)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(jiàn),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(wàn)㎡建筑進(jìn)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(lián)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(dòng)控制,PID調節

熱源水側

進(jìn)出口溫度

70℃-52℃

流量

m³∕h

240

接口尺寸

mm

200

循環(huán)水側

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(gè)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(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。系統水循環(huán)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(mǎn)足100萬(wàn)平米建筑采暖需求,由于本項目系該產(chǎn)品首次大規模投入使用,充分考慮供熱安全,本采暖季實(shí)際并網(wǎng)面積約65萬(wàn)㎡,根據需要開(kāi)機臺數一般在4-6臺。自2014年11月中旬投入運行以來(lái),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(jīng)實(shí)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(fā)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(gè)采暖期內無(wú)需清洗維護,該系統完全可以滿(mǎn)足100萬(wàn)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(kāi)始,隨機進(jìn)行了一次為期72小時(shí)的數據統計分析,該系統72小時(shí)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(yōu)于原設計要求,是非常經(jīng)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(gè)容器內分別進(jìn)行,沖渣水側沒(méi)有換熱壁面,溶解于水中的大量無(wú)機鹽類(lèi)等易結晶物質(zhì)無(wú)處附著(zhù),從而徹底杜絕了傳統間壁式換熱器在換熱過(guò)程中換熱壁面結晶掛垢問(wèn)題,同時(shí)也便于與沖渣水接觸的蒸發(fā)器內部進(jìn)行防腐處理,且不影響傳熱;同時(shí)采用逐級蒸發(fā)、分段冷凝的專(zhuān)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(shù)為我國工業(yè)廢水余熱開(kāi)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)濟效益開(kāi)辟了一條新途徑,必將起到良好的引領(lǐng)示范作用。