2023年秦栋敏大型高炉冷却系统的选择分析.docx

大型高炉冷却系统的选择分析 环工111 秦栋敏 202310701134 1．前言 钢铁工业是用水大户，也是排水大户，采用先进的水处理技术不仅可以节能减排，降低吨钢耗水量，而且节约投资和降低运行费用。在工业用水中，冷却用水占总用水量的60%以上，选择适宜的冷却系统十分重要。另外要减少企业吨铁耗水量，必须做到按质用水、串级用水、循环用水。 2．生产工艺与产排污分析 以本溪北营3200m3高炉为例，分析几种不同的冷却循环系统的耗水耗电情况。该炼铁厂的主要生产流程示意图如下: 图1.炼铁生产简要流程图 其主要的用水节点为高炉和热风炉冷却、高炉煤气洗涤、鼓风机站机组冷却、炉渣粒化，另外还有一些水量较小的用户，润湿炉料和煤粉、平台洒水、煤气水封阀用水等。主要的排污节点有设备间接冷却废水、设备直接冷却废水、煤气洗涤废水、冲渣废水。 高炉冷却系统现采用工业净化水敞开式循环系统，该系统水循环率不高，大量排污，需要补充大量新水。在开路循环系统时，水中含有的污染物有固体悬浮物、胶体物质，盐类等，随着冷却过程中的灰尘落入和水蒸发，污染物浓度逐渐升高，水硬度增加，并且易滋生细菌、藻类。其废水水质如表1： 项目 数值 项目 数值 pH值 7.5~9 总含盐量/ mg·L-1 200~3000 总硬度/dH° 225~1000 悬浮物/ mg·L-1 500~3000 Cl-/mg·L-1 40~200 氰化物/ mg·L-1 0.1~3.0 SO42-/ mg·L-1 30~2500 酚/ mg·L-1 0.05~0.40 Fe/ mg·L-1 0.05~1.25 硫化物/ mg·L-1 0.1~0.5 表1.敞开式冷却循环系统废水水质 敞开式循环系统循环率一般为95%，总循环水量5500m3/h，那么每小时有275t污水排放。 该系统存在的问题主要是： ① 钙、镁硬度引起的水垢热阻降低冷却能力，降低冷却效率，并使冷却设备从热面加速烧损； ② 敞开式冷却塔与空气接触会产生淤泥堆积，引起管道腐蚀与堵塞； ③ 细菌和藻类会使水中含氧量增加，氧气的饱和引起碳钢的去极化腐蚀；菌藻类形成的沉积物也会加速金属的腐蚀； ④ 运行本钱高，其原因主要在三个方面，一是其循环总水量大，由于要尽可能的降低高炉各部位的水温以降低水垢的产生，对高炉各局部采用并联供水，二是补充水量大，因为敞开式冷却塔蒸发冷却，水量损失大，三是水泵除了要克服阻力损失，还要克服冷却设备高度产生的液体静压，要求水泵的扬程的，能耗也大。 3．污染预防措施 软水密闭循环系统水循环率高，水质好，其水质要求为： 项目 数值 项目 数值 pH值 8~9 SiO2/ mg·L-1 ≤40 总硬度/dH° ≤1 SS/ mg·L-1 ≤5 Cl-/mg·L-1 ≤50 溶解固体/ mg·L-1 ≤400 SO42-/ mg·L-1 ≤150 油/ mg·L-1 无 Fe/ mg·L-1 ≤0.2 导电率/μs·cm-1 50 表2.软水密闭循环系统水质 1〕独立软水密闭循环系统 独立软水密闭循环系统冷却强度高、效果好，各系统之间相对独立，相互不存在干扰，而且节约用水。其流程示意图如下： 图2. 独立软水密闭循环系统流程图 其循环原理大致为：降温后的软水(一次水)用泵分别送到炉底、冷却壁、风口和热风阀，供其冷却使用。在冷却上述高炉部件时，一次水温度上升，因此要通过板式热交换器来降温，然后再用泵送给高炉循环使用。净环水〔二次水〕 用泵送到板式热交换器，给一次水降温，同时自身温度有所上升，然后利用机械通风式冷却塔给二次水降温，降温后的水再用泵送给热交换器循环使用。 2〕联合软水密闭循环系统 假设将开式冷却系统改为联合软水密闭循环系统，可以很大程度上解决存在的问题。高炉软水密闭循环系统冷却工艺流程图如下： 图3. 联合软水密闭循环系统流程图 其循环原理是：主供水泵组将冷却后的软水送至冷却壁供水管，一局部水冷却冷却壁直管，一局部水先经过炉底再冷却冷却壁蛇型管，两局部回水回至冷却壁回水集管；回水中的一局部经高压增压泵组加压供冷却风口小套，一局部经中压增压泵组加压供风口二套、直吹管及热风阀冷却，其余回水采用旁通，三局部回水经脱气罐脱气，再经回水总管进入换热器，经冷却后循环使用。 高炉软水密闭循环系统的优点： ① 补充水用量小，密闭循环系统中，冷却水不蒸发不浓缩无污染，补充水主要是系统泄漏损失，国内软水密闭循环冷却系统的一般指标为99.00%，甚至可以到达更高，新水补充量一般为1‰，而开式循环系统的新水补充量为5%； ② 水质好，腐蚀小，无外界灰尘进入，没有阳光，藻类不易繁殖，减少药剂的消耗，溶氧量低，抑制腐蚀； ③ 传热效率高，冷却效果好，水质好，不易结垢，提高了传热效率并防止了冷却元件被烧毁，延长了高炉寿命； ④ 节能效果显著，可节省电力能源； ⑤ 占地少，软水密闭循环系统占地一般为开式循环系统的30~40%。 密闭循环冷却系统的换热器均采用蒸发式空冷器，较板式换热器而言，虽初期投资较大，但其运行费用低，且不用设置二次冷却塔，可有效降低电耗、水耗与药剂用量，且使用寿命长〔为10~15年，而板式换热器一般小于10年〕。其原理是，通过蒸发冷却器把热量传给管束外的水膜，水膜迅速蒸发带走热量，蒸发后的湿空气由上方的风机抽走， 并由下面再进来的新的冷空气，如此反复循环。 3〕炼铁系统串级用水 串级按质用水是减少排污和节约用水最主要的措施。炉体间接冷却水、高炉喷淋冷却水、高炉煤气洗涤水、高炉粒化用水，可处理后各自回用并按次序串级使用，冲渣对水质要求不高，冲渣废水可完全回用。示意图如下： 图4.高炉系统循环串级用水示意图 4．经济效益与可行性分析 1〕与净化水敞开式循环系统比拟 3200m3高炉，其循环水量按5500t/h计算，净化水敞开式循环年补充新水量319.3万t、耗电量2285.5万KW·h；软水密闭循环年补充新水量软水为3.1272万t、耗电量1502.3万KW·h，净化水为136.0886万t、耗电量415.0万KW·h，按工业净化水〔含水资源费与排污费〕3元/t，软化水5元/t，电费1元/KW·h；系统密封，水质较好，药品投加量也相应减少，节约药品费用，以开始系统药费0.05元/m3，密闭系统0.002元/m3 分别计算，结果如表3： 项目 工业净化水敞开式循环 水/水冷却软水密闭循环 两项之差 一次水〔软化水〕 二次水〔净化水〕 合计 新水耗量与费用 年补充新水量/万t 319.3 3.1272 136.0886 139.2 180.1 年补充水水费/万元 957.9 9.3816 408.2658 41.84 37.99 冷却高炉单位容积日耗新水量/t·(m3·d)-1 2.73 0.0268 1.165 1.1918 1.5382 冷却高炉单位容积日耗新水费/元·(m3·d)-1 8.19 0.134 3.495 3.629 4.561 耗电能及电费 年耗电量/万kW·h 2285.8 1502.3 415 1917.3 368.5 年耗电费用/万元 2285.8 1502.3 415 1917.3 368.5 高炉单位容积日冷却水耗电能/kW·h·〔m3·d〕-1 19.67 12.86 3.55 16.41 3.16 高炉单位容积日冷却水电费/元·〔m3·d〕-1 19.67 12.86 3.55 16.41 3.16 药耗 年耗药费/万元 220 8.8 211.2 表3.两种冷却系统耗电耗水耗药比拟 可见采用软水密闭循环系统比净化水敞开式循环系统有明显的优越性，其节水节电效果显著。软水密闭循环比敞开式循环每年节约新水180.1万t，减少补充水费38万元，每年节约电能368.5万kW•h，节省电费368.5万元，另外系统密封，水质较好，药品投加量也相应减少，节约药品费用。软水密闭循环冷却系统比采用工业净化水敞开循环系统设施约节省建设用地30~40%。 采用软水密闭循环冷却系统，并配备其他技术装备措施和科学的管理操作制度，使管理有效稳定的生产，可防止中修，减少停产损失和节省中修费用，按高炉日产铁6000t，中修期45天计，少生产生铁27万t，每吨生铁利润200元，那么损失5400万元，再加上中修费用3500万元，直接经济损失8900万元。 2〕与单独软水密闭循环系统比拟 联合软水密闭循环系统与单独软水密闭循环系统的基建与运行费用也不尽相同，比拟如下： 联合软水系统 独立软水系统 投资 80% 100% 水量 50% 100% 能耗 82% 100% 经上述技术及经济分析可知，采用联合软水密闭循环系统节水节电，经济与环保效益更加显著。 3〕可行性与可靠性分析 独立软水密闭循环冷却系统最早由武钢将其应用于1991 年建成投产的5 号高炉上，后有宝钢1991 年建成投产的4350 m3高炉闭路系统采用脱盐水。武钢5 号高炉投产运行近20年内，没有进行过中修。此后，在武钢4号高炉也采用了这种冷却方式，运行稳定可靠。 而联合软水密闭循环冷却系统国内首次应用在武钢1 号高炉大修改造工程中，现已使用十多年，运行稳定。此后，武钢相继在6、7、8 号高炉采用此种供水方式。目前国内已经采用的钢厂有涟钢、安钢、新钢、邯钢、沙钢、湘钢等近20 多套大型和超大型高炉，运行效果良好。 5．结论 软水密闭冷却循环系统〔适宜采用蒸发式换热器〕比工业净化水敞开式冷却循环系统每年减少补充水费38万元，节省电费368.5万元；省下中修费用3500万元，延长生产时间，多产钢铁27万t；节约药品费用211.2万元；节省建设用地30~40%。可见，采用软水密闭冷却循环系统可取得良好的经济效益与环保效益。 参考文献 [1] 林清鹏.高炉冷却水处理技术比拟与探讨 [2] 俞琴.炼钢软水密闭循环水系统工艺及冷却设备比拟 [3] 张芳.再生水回用于电厂循环冷却水指标与处理工艺探讨 [4] 车国华.敞开式循环冷却水系统水质变化及改造实践 [5] 李杰.高炉软水系统设计探讨 [6] 赖雪怡.密闭式工业循环冷却水系统设计 [7] 马彦珍.高炉采用密闭循环冷却水技术的节水研究 [8] 王大中.高炉密闭循环冷却水系统的设计 [9] 陶志.高炉组合式软水密闭循环冷却技术的应用实践 [10] 丁煜.联合软水密闭循环冷却新技术在武钢8#高炉工程中的应用及创新 [11] 王苓.高炉水冷却工艺的技术比拟和经济分析 [12] 吴南旭.浅议唐钢南3200m3高炉采用纯水闭路循环技术的优势 [13] 李智广.鄂钢新1号高炉炉体工艺设计 [14] 唐清华.涟钢1号高炉软水密闭循环冷却系统改造 [15] 付铭.昆钢6号高炉纯水密闭循环冷却系统的运行管理 [16] 陆明春.天钢3200m3高炉综合长寿技术的特点 [17] 李东旭.北营3200m3高炉技术特点