高炉软水密闭循环及不同冷却方式的经济效益分析.doc

高炉软水密闭循环及不同冷却方式的经济效益分析

[提要]  本文介绍重钢6#高炉冷却水系统的工艺流程、运行工艺条件，并结合重钢5#高炉运行的相关能耗情况，对高炉常用的不同冷却方式进行经济效益分析比较，结果表明采用软水密闭循环冷却方式及蒸发空冷方式综合效益明显，认为采用软水密闭循环冷却方式和蒸发空冷方式是重大的技术进步，各单位应结合各自条件进一步总结研究，推广采用，以提高我国高炉冷却技术水平，达到节约用水，降低能耗，取得更大经济效益和社会效益的目的。
关键词   高炉  密闭循环蒸发空冷器 经济效益
1 前言
目前我国经济正处于高速发展阶段，钢材的市场需求也平稳增长，钢铁产品依然呈现供不应求态势，导致价格连续上涨，企业销售收入、利润等指标大幅提高。国内钢铁业在高价格的刺激下加大了对钢铁的投资力度，在建或准备新建高炉数量急剧增加，为此正确、合理选择高炉的冷却方式对提高我国炼铁工业的节水降耗水平，延长高炉寿命具有重要的指导作用和现实意义，将对我国的钢铁业产生深远影响。
重钢6#高炉容积为750m3,2003.9月开始供水，2003.11月初高炉投产。分设三个独立的循环子系统对高炉的不同部位冷却设备进行冷却。其中冷却壁、热风阀及风渣口采用软水密闭循环系统，而风口和渣口小套采用高压敞开式循环系统（水泵出口压力140米），其中软水密闭循环系统见工艺流程及管网图。软水密闭循环的二次冷却系统采用技术先进、节能效果好的蒸发空冷器。系统运行4个多月来，运行可靠，各项功能及工艺参数达到了设计要求，整个水系统没有发生任何设备事故，满足了高炉的生产要求，与敞开式循环系统和非蒸发空冷器冷却方式相比，能耗指标低，经济效益明显，充分显示其优越性，因此掌握和推广该项技术具有重要意义。
2 高炉敞开循环与软水密闭循环的分析比较
高炉工业净化水敞开循环系统和软水密闭循环系统是高炉最常用的冷却方式，在此只比较这两种冷却方式的优缺点。
2.1 敞开循环冷却方式由于实现了工业水的循环使用，较直流冷却方式有明显的节约用水作用，由于水质较好，通过化学或物理处理方法，能够保证高炉对水质的要求。但由于水的蒸发浓缩，含盐量将逐步增加，同时由于水站地处高炉附近，空气中的尘埃较大，水冷却时把空气中的灰尘、泥砂及微生物等洗涤带入循环水中，使水中的浊度及有害物质增加，使循环系统易发生结垢，滋生菌藻和泥垢沉积等问题，从而影响高炉的热交换，对高炉的冷却不利。
2.2 高炉软水密闭循环系统在上世纪90年代逐步在国内采用，在近几年的新建高炉水系统中运用较多。软水密闭循环系统的软水在使用过程中不与大气接触，软水把从高炉传来的热量通过二次冷却系统带走。与敞开循环冷却系统相比，主要有如下优点：
（1）便于调节水泵出水压力，延长水泵使用寿命。由于软水密闭循环系统可以通过调节系统回水压力来提高或降低水泵的出水水压，满足高炉对水压的要求，目前重钢6#高炉的出水水压可以上下变化达30多米。而敞开式循环系统水泵一般从水池吸水，压力基本恒定，不能调节水泵进口压力，当水泵因叶轮磨损而导致扬程降低时，就只能更换水泵，而软水密闭循环系统可以提高水泵进水压力来解决扬程降低的问题。
（2）传热效率高，冷却效果好。采用软水的主要作用是因为水中的结垢成份钙、镁等金属离子已被除去，在高炉热元件及管道中不会结垢，热交换效率高。而敞开循环系统由于钙镁离子结垢和污物沉积产生水垢，至使热阻大增，水垢的热阻约为钢的40来倍，因此采用软水密闭循环能够解决因水垢导致的高炉冷却件被烧坏的问题，能够延长高炉使用寿命。
（3）补充水量小，循环率高。在敞开循环冷却系统中，水由于被蒸发、风机抽吸带走，还因排污和管网及设备漏损等损失，一般补水量为循环水量的6%左右，水的循环率为94%左右，对于重钢5#高炉而言，2003年全年补充新水171.29万t，全年循环水总量2900.4万t，循环率为94.094%,全年平均电单耗为0.4692Kw.h/t（水）。而在软水密闭循环系统中，因循环软水不与大气接触不蒸发不浓缩，基本上不排污（但当水中总Fe含量达到一定浓度时，应适当排污），只需向系统补充极少量的新水来弥补整个系统的漏损。重钢6#高炉软水实际循环量为3050t/h，而每天平均补充新水量为15t,软水循环率高达99.9795%,出水电单耗为026069kW.h/t（水）,两者指标比较见表1

（4）节电效果好 软水密闭循环能够利用回水水压，选型时可降低水泵扬程而节电，按利用回水水压30米计，则重钢6#高炉每年能节电298.17kW.h,重钢电价0.44元/kWh，则每年节约电费：131.19万元。但是软水密闭循环较敞开循环系统对高炉冷却元件及管道的腐蚀率要大一些，其主要原因是软水系统的循环水温要高于敞开循环系统10-13℃，一般情况下，水温每升高10℃，钢铁的腐蚀速率约增加30%，这是由于当温度升高时氧扩散系数增大，使得溶解氧更容易达到阴极表面而发生去极化作用，同时水的电导增加，腐蚀电流增大，以及水的粘度减小，有利于阳极和阴极反应的去极化作用。另外工业净环水中的钙镁虽然易在热交换元件及管道内形成水垢，但是适量的钙镁存积对阻止腐蚀有一定作用。当然，只要对系统进行预膜处理，并投加合适的药剂，腐蚀问题完全可以解决的。
3、高炉敞开循环与软水密闭循环的经济比较
为了便于比较，本文将重钢5#高炉（1200m3）相关指标折算成容积为750 m3高炉与重钢6#高炉（750 m3）进行比较。
3.1 耗水量及水费比较
重钢750 m3高炉两种不同冷却方式补水量及水费比较如表2所示

从上表2可知，对于重钢750m3采用软水密闭循环加蒸发空冷器冷却方式与目前重钢采用的工业净化水敞开循环冷却方式相比，每年节约新水89.05万吨，减少补水费用52.77万元（重钢工业水0.60元/t），由于少补水89.05万吨，则每年可节约水资源费7.1万元（按规定收取水资源费0.08元/t，排污费0.15元/t）每年可少缴纳排污费4.1万元（按补充水量的30%计），上述三项每年可节约63.97万元。
3.2 能耗及费用比较
敞开式循环系统由于其回水压力不能直接上凉水塔冷却，需要回水泵提升，提升高度按15米计，则每年需耗电量：
W电=Nt=rHQ/(102η传η泵)×t=1000×15×3050/(102×88%×83%×98%×3600)×24×365=152.48kWh
(其中：电机效率：88%，水泵效率：83%，传动效率：98%)
另外，软水密闭循环系统相对于敞开循环系统来说，只需克服系统的沿程阻力和局部阻力，理论上与用户的高程位置和要求的供水压力无关，即可以无限利用密闭系统的回水压力，但是在实际运用中回水压力一般利用范围在0.30Mpa—0.40Mpa间比较适宜，因为回水压力太大，水泵的泵盖与泵座间会发生较严重的泄漏，因此密闭循环系统利用回水水压可以节约电能为（按利用回水水压0.30Mpa计）：
W压=1000×30×3050×24×365/（102×88%×83%×98%×3600）=304.96万kWh
但由于软水密闭循环系统增加了二次冷却系统，因此要增加二次系统水泵耗能，重钢采用蒸发空冷器冷却，共5台管道泵，每台水泵电机功率仅为7.5kW，并且冬季只需开两台水泵就可满足冷却效果，计算耗能按全部全年运行，则
W二=（5×7.5）×24×365=32.85万Kwh
故而采用工业水敞开循环的冷却塔风机的能耗与密闭循环方式的二次冷却水的风机耗能基本持平，在此不作比较，故软水密闭循环与工业净化水敞开循环系统相比，节约的电能耗为回水泵电耗与利用回水压力的电耗和减去二次冷却系统水泵所耗电能：
Ｗ节＝152.48+304.96-32.85=424.59万kWh
年节约电费：425.59×0.44=186.82（万元）
４、软水密闭循环二次冷却方式的比较
４.1 几种典型冷却方式比较
对于二次冷却系统来，常用的传统冷却方式有空气冷却器和换热器+泵+冷却塔的冷却方式，最近两年，另外一种冷却方式---蒸发冷却器也逐步被各大钢厂所采用，下面将这几种方式作一个简单比较。
（1）蒸发冷却器  该工艺流程如图所示，工艺介质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，并由下面再进来新的冷空气，如此循环。该系统利用管外水腊蒸发带走热量，因此大大强化了传热，同时该设备的冷却水系统在设备上自身循环，用水量小。该设备冷却方式占地面积小（可放在屋顶），冷却效果、运行成本低、维护维修简单方便等特点。

（2）空气冷却器  该工艺流程如图所示。工艺介质通过空气冷却器管束把热量传给翅片管外的空气，热空气通过上方的风机抽走，再从侧面进入新的冷空气进行循环。该冷却方式的优点是无需冷却水，运行成本较低，特别适用于缺水地区。其缺点是：一次性投资大，夏季无法把工艺介质冷却到48℃以下，翅片中的积沉物难以清除，在北方防冻效果差。

（3）换热器+泵+冷却塔  该工艺流程如图所示，工艺介质通过换热器把热量传递给冷却水，受热后的冷却水通过水泵输送到冷却塔上进行冷却，再通过水泵把水送回换热器，如此循环。该冷却方式所需冷却水通常是被冷却工艺介质流量的60%--70%，所需水量较大，水泵电耗较大，补充新水较多，同时该系统比较复杂，它由换热器、泵站、冷却塔、水池等组成，占地面积大，安装费用高、维护工作量大，运行成本高。
4.2 蒸发冷却器与水/水冷却的其它传统换热方式经济效益比较
4.2.1 耗水量比较
蒸发冷却器由于循环水量小，对于重钢6#高炉而言，蒸发冷却器循环水量为500t/h，考虑冬季蒸发空冷器循环水量为200t/h，全年平均每小时补水量按20t/h计是合适的，全年补充工业净化水总量为17.5万吨，而采用水/水冷却的其它传统换热方式，一般二次水（工业净化水）的循环量为一次水（软水）的65%左右，对于重钢6#高炉，需二次循环水3050×65%=1980t/h,补充新水量按循环量的5%计，则全年需补充新水86.7万吨，采用蒸发空冷器全年可节约补水69.2万吨，节约水费41.5万元，节约水资源费5.5万元，排污费3.1万元，全年三项费用总共可节约50.1万元。
4.2.2 能耗及费用比较
重钢6#高炉蒸发空冷器系统所配水泵功率为7.5KW,全年耗电总量为：7.5×5×24×365=32.85万kWh,采用水/水冷却的其它传统换热方式水泵的耗能为（按二次冷却出水水压0.28Mpa计）：全年耗电总量为：
W=1000×28×1980×24×365/（102×88%×83%×98%×3600）=184.77万kWh,全年可节电151.92万kWh
年节约电费：66.84万元。
另外，由于水/水冷却的其它传统换热方式其整个系统由换热器、泵站、冷却塔、水池、及辅助设施（闸阀及连接管道等）组成，系统复杂，投资费用较大，比采用蒸发空冷器约多120万元左右。
5 结论
实践证明，采用软水密闭循环冷却方式，能有效延长高炉寿命，强化高炉生产，与传统方式相比节水、节电效果明显，能产生显著的经济效益。如果能配合采用蒸发冷却的二次冷却方式，能大幅度减少二次水补充水量和循环量，具有运行成本低、投资少、维护维修简单方便等特点，这使得软水密闭循环+蒸发冷却的冷却方式的推广更有吸引力。各单位应结合各自条件进一步总结研究，推广采用，以提高我国高炉冷却技术水平，达到节约用水，降低能耗，取得更大经济效益和社会效益的目的。