真空相变换热技术在高炉冲渣水余热集中供热项目中的应用

　　城市集中供热是城市的基础设施之一，也是改善城市人居环境、改善城市大气质量、提高城市现代化水平的重要措施。但目前我国集中供热所用能源仍以煤炭为主，据不完全统计，北方地区冬季供暖能源消耗约折合1.7亿吨标煤。我国近年来频繁出现的大面积雾霾天气与供热燃煤不无关系。

　　我国目前一次能源及各种余热资源利用水平较低，根据有关统计，我国工业能源消费量占总消费量的70%以上，而能源利用率仅为30%，而余热资源回收率仅34.9%，大量余热以各种形式被排放到大气中，仅在4个月供暖期内的排放量就折合标煤约1亿吨。如果这些低品位工业余热都得到科学有效的开发利用，对我国集中供热能耗模式将起到极大的优化和改善。

一、余热资源分析

　某钢厂4、5号高炉共用一个渣池，采用底滤法冲渣工艺，补水水源为污水处理厂二级排放水及部分焦化废水。冲渣水原冷却工艺为：4台额定流量1120m³/h（三用一备）和3台额定流量755 m³/h（两用一备）的渣水泵将冲渣后的高温冲渣水送至冷却塔，冷却后进入凉水池，由另一套循环泵送至淬渣室再度进行冲渣。上塔水温约70℃左右，下塔水温约为60℃左右。

具体参数如下：

       冷却塔上散掉的热量即是可以回收的热量，则根据上表提供的数据分析，可回收利用的热量分别计算如下：

　　4#高炉冲渣水余热量：

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

　　5#高炉冲渣水余热量：

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

　　4、5号高炉冲渣水共计可提取余热量为57.1MW，为安全起见，此处渣水余热的提取量按照50MW设计。

二、水质分析

　　由于高炉渣的主要成分为CaO、SiO2、Al2O3等物质，1400℃左右熔融状态的高炉渣在水淬的过程中其主要成分必然会有部分溶解于水中，而冲渣水属多次重复利用的循环冷却水，其年复一年的冲渣过程，实际上是冲渣水被不断浓缩的过程，高炉渣中可溶于水的物质必然达到了一个饱和状态。热能提取过程实际是对冲渣水的一个强制降温过程，溶解在冲渣水中的高炉渣成分必然会由于渣水温度的降低而出现过饱和，从而析出并附着在换热壁表面，造成换热器传热系数降低，甚至造成堵塞。

　　根据某钢厂提供的水质报告及现场提取水样检验结果显示，此处冲渣水水质比较复杂，主要指标如下：碱度（CaCo3）：43mg/L；氯化物：485mg/L；溶解性总固体：3274mg/L；电导率：4040μs/cm；硫酸盐：2064mg/L；另外还含有少量的油、铁和亚硫酸盐；PH值：8.28。

　　通过上述数据分析，该冲渣水水由于氯化物和硫酸盐含量较高，对不锈钢和碳钢等常用金属有较强的腐蚀性，因此在换热设备选择上必须注意防腐问题。

　　虽然报告中给出的溶解性总固体、电导率等指标已经较高，但我们分析认为该数据明显要低于实际换热工况时的水质指标，因为水样送至检测中心时温度已经降至环境温度，部分溶解于水中的可溶解固体随着水温的降低已经析出，因此检测结果中缺少析出部分的固体含量。即便如此，上述数据仍可断定该水必然存在比较严重的析晶、结垢现象。因此在热能采集设备的选择上必须要考虑防止换热壁面的污染和堵塞问题。

三、项目论证

　　项目论证过程中，通过水质分析以及其他钢厂类似项目的实地调研，发现以往很多采用板式、壳管式、螺旋板式等常规的换热设备的冲渣水余热利用项目的换热设备都出现了不同程度的污染甚至堵塞现象，另外大多存在比较严重的腐蚀情况。

       虽然有些类似项目中也采用了纤维过滤器等前置过滤措施，但由于高炉冲渣水的堵塞并非由易沉固体、悬浮物等可见的固体污杂物造成的，而是在热能提取过程中由于渣水温度降低导致过饱和，从而产生析晶、结垢现象造成的，因此常规的物理过滤措施效果不佳。

　　另外近些年在市场上新出现的污水专用换热器，由于其污水侧通道较宽大，具备较强的抗堵性能，在城市污水等固体污杂物含量较高的水质下效果较好，但在高炉冲渣水项目上应用效果不佳，无法彻底避免换热壁面的污染与堵塞问题。或许采用特殊的防污材料或其他能够阻止析晶、结垢现象发生的技术措施可能有效。

       为有效应对本项目冲渣水在热能提取过程中可能发生的析晶、结垢现象造成的换热器堵塞和腐蚀等问题，在常规条件下，必须避免废水与换热面直接接触，但传统的换热设备难以实现。

　　采用 “真空相变技术”进行热能采集的方案满足了这一要求。利用水在负压环境下沸点降低的特性，人为制造一个负压环境，使冲渣水在负压容器内沸点降低，从而实现无需加热，使部分冲渣水闪蒸、汽化，以清洁的水蒸气携带大量汽化潜热与清水进行换热，从而实现清洁、高效提取冲渣水热能的目的。

       依据该方法研制成功的工业废水热能提取设备——“直热机”，无需对废水进行过滤及二次加热，仅需要消耗极小的电能维持一个负压环境，从废水中提取出大量热能。从而彻底解决热能提取过程中换热装置的换热壁面结晶、挂垢、腐蚀等问题。

四、设备选型

　　通过冲渣水余热资源分析，某钢厂4、5号高炉冲渣水可利用热量为57.1MW，为安全起见，渣水余热的提取量按照50MW设计。按照热负荷50W/㎡计算，冬季可为大约100万㎡建筑进行供暖。

　　充分考虑系统安全及供热调节能力，本项目共计选取10台单机换热量为5MW的JTZH-5.0-500-0.1/0.1-01型直热机，即可单独运行又可并联运行，10台设备互为备用

      单台直热机运行参数

        整个热源站占地面积约450平方米，冲渣水设计最大用量2400m³/h，渣水温降18℃。制出流量为215m³/h，进出水温度为65/45℃的采暖水，单台直热机包含一台渣水排水泵30kW；真空泵7.5kW；冷凝水排水泵2kW，单机总输入功率37.5kW。

　　冲渣水给水利用原有的冲渣水循环泵，提热后由机组自身配备的排水泵送至原有的凉水池。系统水循环系统等附属设备属常规配置，这里不再赘述。

五、运行情况分析

　　该系统设计供热能力50MW，约可满足100万平米建筑采暖需求，由于本项目系该产品首次大规模投入使用，充分考虑供热安全，本采暖季实际并网面积约65万㎡，根据需要开机台数一般在4-6台。自2014年11月中旬投入运行以来，截至笔者截稿之日起系统已安全运行60余天，供暖效果良好。

       经实地检测，该设备的换热量、传热温差等各项主要指标均达到设计要求，渣水侧未发现明显析晶、结垢以及腐蚀迹象。根据目前情况判断该设备一个采暖期内无需清洗维护，该系统完全可以满足100万平米的供热需求。

　　为验证系统运行能耗是否达标，于2015年元月16日9：50分开始，随机进行了一次为期72小时的数据统计分析，该系统72小时累计输出热量：4843.1GJ；累计耗电量：21768kW.h（包含采暖系统水泵、补水泵及照明等日常用电总量）；平均单位热量能耗为：4.49 kW.h/GJ，优于原设计要求，是非常经济、高效的热能采集设备。

六、总　结

　　本项目热能采集设备—直热机，采用真空相变原理，热能的提取与释放在两个容器内分别进行，冲渣水侧没有换热壁面，溶解于水中的大量无机盐类等易结晶物质无处附着，从而彻底杜绝了传统间壁式换热器在换热过程中换热壁面结晶挂垢问题，同时也便于与冲渣水接触的蒸发器内部进行防腐处理，且不影响传热；同时采用逐级蒸发、分段冷凝的专利结构设计，既保证了大温差提热，又最大限度的缩小了传热温差，从而充分利用了冲渣水较高的热品位。

　　该技术为我国工业废水余热开发利用提供了一套全新的有效解决方案，该项目的成功运行是勇于创新、积极探索的又一成功案例，为我国供热行业改善能耗模式、提高经济效益开辟了一条新途径，必将起到良好的引领示范作用。