第47 卷第 2 期2021 年给水排水WATER 8». WASTEWATER ENGINEERING Vol. 47 No. 2 2021
利用高炉冲渣水加热超滤进水的技术实践
赵萍刘勇
(河北建材职业技术学院建筑T程系，秦皇岛066000)
小乌鸦摘要：以唐山市某不锈钢企业二期超滤水处理设备的进出水为研究对象，基于高炉冲渣废水的 热量平衡、超滤进水量以及管道散热量的合理化分析和计算，对该厂区的水处理设备管线进行改造，确定了利用高炉冲渣废水余热提高超滤进水温度的方法。改造后超滤膜进水温度可达到25 °C以上，从而保证了超滤膜在低温季节的正常运行，且运行费用仅为燃煤锅炉加热费用的4 %左右，同时，对高炉冲渣废水的回用，可避免水热污染的发生，缓解了燃煤锅炉的烟气排放污染。
关键词：超滤膜；高炉冲渣废水；余热；进水温度
中图分类号：TU992 文献标识码：A 文章编号：1002—8471(2021)02—0080—05
DOI：10. 13789/j. cnki. wwel964. 2021. 02. 016
引用本文：赵萍，刘勇.利用高炉冲渣水加热超滤进水的技术实践[J].给水排水，2021，47(2):
80-84. ZHAO P, LIU Y. Technology practice of heating ultrafiltration feed water with blast
furnace slag washing water[J]. Watcr8 Wastewater Engineering,2021,47(2) ：80-84.
Technology practice of heating ultrafiltration feed water with blast
furnace slag washing water
ZHAO Ping, LIU Yong
(Department o f Architecture and Civil Engineering ^Building Materials College ^
Qinhuangdao 066000, China)
Abstract：Taking the inlet and outlet water of UF membrane treatment equipment of a stainless steel enterpri in Tangshan city as the rearch object. Bad on the rational analysis and calculation of heat balance, ultrafiltration water inflow and pipeline heat dissipation of b lav S t furnace slag washing wastewater, the pipeline of water treatment equipment in the plant area was reformed. Then
the method of increasing the temperature of ultrafiltration influent water by using waste heat of blast furnace slag washing wastewater was ud. After modification, the inlet temperature of UF membrane can reach above 25 °C , which ensures the normal operation of UF membrane in low temperature ason. And the operation cost of this method is only about 4% of the heating cost of coal-fired boilers. At the same time，the reu of blast furnace slag-washing wastewater can avoid the occurrence of hydrothermal pollution and reduce the pollution of flue gas emission from coal-fired boilers.
Keywords：UF membrane；Blast furnace slag wastewater；Afterheat；Inlet temperature
基金项目：秦皇岛市科技局（201805A006)。
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第47 卷第2期2021 年给水排水WATER WASTEWATER ENGINEERING Vol. 47 No. 2 2021〇引言
超滤膜法(U F)因具有运行稳定、操作简单、易实现自动化等特点，目前在锅炉水、转炉汽化水和系 统循环补水等工业用水处理中广泛应用。超滤膜处 理过程是以膜两侧压差为驱动力，以机械筛分原理 为基础的一种溶液分离过程。超滤膜孔径在2〜50 nm，由于水的粘度会随温度而发生变化，因此进水 温度对任意工作压力下超滤膜组件的过滤流量或透 膜压差，都会产生直接影响[1]。
唐山市某不锈钢企业二期水处理超滤进水为地 表水，冬季最低水温为2 °C左右，超滤膜无法正常运 行，如采用燃煤锅炉加热提温，投资和运行成本较 高，并需增设烟气回收处理设备。公司现有2X 450 m3高炉冲渣水系统，结合公司实际情况，利用 其余热与超滤进水用板式换热器进行换热，可使进 水水温达到25 °C，保证冬季超滤正常产水[2]，并且 避免了水热污染和资源浪费。
1主要原始条件及技术指标
1.1 一次水（冲渣水)情况
2X450 m3高炉冲渣水系统由4座冲液过滤 池，5 台冲渣栗(单台 Q=735 rrvVh.f f=50m，iV= 160 kW.4用1备），2台排空泵(单台<3=700 mVh，H=26 m，iV=75 kW,l用1备），以及附属管路组 成，2座高炉正常生产冲渣时水量约2 100 m:7h。冬季冲渣水滤后水温约70 °C。
1.2二次水(超滤进水)情况
二期软水站有6台超滤进水泵（单台Q=200 m V h)，正常情况下运行4台可满足生产要求。为保证超滤及反渗透的产水量及水温，按500 m V h的V型滤池产水量从2 °C提高到25 °C进行计算。为减少管线投资，选取合适的V型滤池产水作为二次 水跟一次水（冲渣水）进行换热.换热后的二次水再 和一部分超滤进水混合至水温约25 °C。
1.3 —次水、二次水管线
二期软水站距离热源（高炉水冲渣泵房）约 1km，由于碳钢管易腐蚀.对超滤一反渗透膜产生 铁离子污染[3]，而不锈钢管造价太高，因此二次水管 道选用内衬P E钢管。敷设方式为架空，管道做保 温，二次水供、回水管道的敷设距离各约1km。
一次水管道采用碳钢管道.管道做保温.在冲渣
高炉
冲渣用水
一次
水循环泵
H板式盔麟卜水
■；提升栗水管
图1工艺系统
Fig. 1Pnxress Flow
泵房旁新建一构筑物.内部安装换热器。工艺流程
见图1。
2理论计算
2.1已知数据
高炉冲渣系统数据见表1。
故宫珍宝馆表12X4S0 ni3高炉冲渣水系统数据
生姜洗发Tab. 1Data of slag-washing water system for 2 X 450 nv'
blast furnace
项目正常生产备注
高炉炉容/m3450
高炉数量/座2共用〗套渣池
高炉利用系数 4.0
出渣次数/次15
出渣系数0. 30
出渣温度/t：1400
渣比热容/「!〇•〇«•t：)_n 1.227
2.2热量平衡计算
热量和水量平衡见表2和图2。
表2 2X450 高炉运行数据
Tab. 2 Operation data of 2X450 m3blast furnace
项目正常生产备注
每天产铁遍y(f d1) 3 600 〜 4 0002座
每天出渣.《y(t*d 1)12002座
冲渣水循环量/(m、h 2 10024 h运行
冲渣水温度/°c70
(1)使500 m3/h的V型滤池产水从2 °C加温
至25 °C所需热量见式（1):
Qv =c vw vA/v =4. 18 X 500 X 1000 X
(25-2) =4. 807 Xl07(kj/h) (1)
(2) 冲渣过程每小时产生的总热量见式(2):
Qz =c zm zA tz = 1. 227 X 1200 X 1000/24 X
(1 400 - 70) =8. 16 X107(kJ/h) (2)
(3) 冲渣时蒸发损失、与大气对流散热将损失掉 约30%的热量，则平均每小时冲渣水可利用的有效
热量见式(3):
Q, =Q Z X (1 -30%) =8. 16 X107X
运动方案70%=5. 712X107(kJ/h) (3)
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高炉
冲渣泵
450 m3/h 一次水循环粟
o
炉冲渣池
冲渣泵房
超滤午照轉300 m'/h
板式换热器
二次水循1环泵 ^产水池接自4
300 mVh 接超滤供水泵7^77_吸水_管_
表4二次水参数
Tab. 4
Secondan water parameters 项目
正常丁况
备注
超滤进水前温度/°c 二次水量八〇13^二次水输送距离/m
二次水管路温降/t ：
2
200 2 0002
考虑拐弯等不利因素
根据管路散热计算•保温完好
B 寸，温降<2 °
C ，按2 °C 考虑
(2) 则经过换热器换热后二次水所携带的热量
见式(5):
Q 2 =Q v +<3丨.=4. 807 X 107 + 1. 67 X 106 =
4. 974 X l 07(kj /h ) (5)
<Q ,，可见考虑了管路散热损失后，冲渣
水带来的热量仍可以满足500 m 'V h 的超滤进水提 温要求。
(3)
该热量可使200 m 3/h 的二次水升温至？2
利用校核二次循环水管路散热及温降.根据设计
手册选取保温厚度为30 mm ，计算得温降<2 °C ，说 明按2 °C 考虑是合理的见式（6):
Q ： I ,
4. 974 X 10* I
〜。=4. 18X 200X 1 000 + 2—62(0
壮族风俗
(
6)
2.5 —次水量的选择
一次水作为热源，在换热量一定的情况下，一次 水量和换热温差成反比关系。因受现有场地的限 制，选择一次水量为400 m V h ，计算得换热面积约为 250 m 2。
一次循环水换热后温度见式(7):
Q 2
一
4. 974 X 107 t \ =t {)---■-70-
c m
i
4. 18 X 400 X 1 000
:62(〇C )
(7)
2.6参数汇总(见表5)
表5 —次、二次水换热参数
Tab. 5 Heat transfer parameters of primarv and condary water 项目
正常T .况
备注一次水量八1113*11400
一次水换热前温度/°c 60正常生产
一次水换热后温度/°c 40二次水M A m 3*!!—1)200二次水换热前温度/°C 2二次水换热后温度/°c 62换热器面积/m 2
250
单台
3
主要设备选型
3. 1 —次水循环栗
新增一次水循环泵2台（1用1备），安装于冲换热站
图2
换热系统和水置平衡
Fig. 2 Heat exchange system and water balance
可见，冲渣水带来的热量可以满足500 m 3/h 的
V 型滤池产水升温要求。2. 3
二次水量的选择
为减少管网投资以及输送成本，可选取一部分 V 型滤池产水作为二次水进行加热，提升输送温度, 到达使用地点再将小流量、高温度的二次水与就地 低温水混合W 。
二次水量分别为200 m 3/h 、300 m 3/h 和400
m V h 进行投资比较，具体分析见表3。
表3
投资比较
Tab. 3 Investment comparison
项目
比较
二次水量/(m 3*h 4
200
300400二次水换热前温度/°C 222二次水换热后温度/t 624233换热器换热面积/m 2250150130二次水管径/mm
DN250DN 300DN350二次水循环泵电机功率/kW
4575
90
投资(换热器+二次循环泵
+管道+施工)/万元
基准
增加〜125增加〜280二次水循环泵的运行电费
(按采暖期计算）/万元
基准
增加〜3. 2
增加〜6. 3
根据表3的比较.随着二次水量的降低.换热器、 二次循环杲和内衬P E 管道部分的总投资越低，运行 电费也越低。为保证板式换热器的最小换热温差，并
充分考虑投资成本，选取二次循环水量为200 m 3/h 。
2.4
管道散热量计算
零是正数吗管道散热量计算二次水参数见表4。
(1)二次循环水管路管路散热量见式(4):Q
丨
=(7772
4. 18 X 200 X 1 000 X 2 =1. 67 X l 06(k j /h )
(4)
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第47 卷第 2 期2021 年给水排水WATER &. WASTEWATER ENGINEERING Vol. 47 No. 2 2021
渣水泵间。泵的吸水口从现有冲渣泵吸水母管离冲 渣泵最远端接出，考虑到不影响高炉冲渣水流量、压 力，出水经换热器换热后从现有冲渣泵吸水母管离 冲渣泵最近端接入，冲渣水总量不减少[5]见表6。
表6 —次水循环泵参数
Tab. 6 Primary water circulation pump parameters
项目数量一次循环泵台数/台2
单台循环泵设计流量/(m'J T1)450
站内换热器及管道阻力/MPa0. 15
外网主干线阻力/MPa0. 03
用户端最高点/m10
设计余量/m8
循环泵扬程/m36
电机功率/kW75
表7二次水循环泵参数
Tab. 7 Parameters of condary water circulation pump
项目数量二次循环泵台数/台2
单台循环泵设计流a/(m3*h ”230
站内换热器及管道阻力/MPa0. 15
外网主干线阻力/MPa0. 18
用户端最高点/m10
设计余量/m5
文控
循环泵扬程/m48
电机功率/kW45
表8板式换热器参数
Tab. 8 Plate heat exchanger parameters
项目数量换热器材质不锈钢254 SMO
单台换热面积/m2250
一次侧流量.，'_(1>13_11、400
一次侧进水温度/X：60
一次侧回水温度/t:40
二次侧流量A m'h4200
二次侧进水温度/•〇2
二次侧回水温度/X：62
表9 2018年12月3.2二次水循环泵
新增一次水循环泵2台（1用1备），安装于二 期软水站清水泵间。泵的吸水口从清水泵间生产水 供水泵入口母管接出，出水经换热器换热后接至清 水泵间6组超滤吸水泵人口母管，分别加阀门，可控 制热水、冷水混合量.使水温保持在25 °C左右。二 次循环泵参数见表7。
3.3换热器
综合考虑各工况，选择水一水间接换热效率高、占地小、清洗方便的板式换热器作为热交换器。
由于高炉冲液水c r离子含量高.尤其在温度 高于60 °C时，对普通不锈钢有一定腐蚀性，因此采 用超级不锈钢254 SMO，此种材料投资约为316 L 的2倍.但低于纯钛板，约为纯钛板的50%[6]。
采用2台板式换热器进行换热（1用1备），初 步确定参数见表8。
4运行情况
4.1板式换热器运行参数
根据表9和表10分析.1#板式换热器运行大 约1个月左右，其热交换率下降，一次水侧压差增 加，说明板换一次侧发生堵塞或有结垢现象。将 2井板换投入运行，1#板换投人备用.拆开1并板换.发现一次水侧有大量水渣等杂质，板片上有少量 结垢现象。
4.2超滤运行参数
单组超滤在25 °C温度下运行，设计产水量为 200 m3/h，以25 r为基准设定校正系数1，按实际 温度下超滤的产水量为依据，那么此时标准化产水 量与此时温度下的产水量/校正系数相等。
从表11可以看出，超滤膜产水量对水温的的变
Tab. 9 Operation temperature of 1^plate heat exchanger in December 2018 (单位：X T )项目135791113151719212325272931
一次侧进65625960636264656363656263646163
一次侧出39404041414142424243424343444445
二次侧进 1.82 2.53 2.8 2.6 3.2 2.53 2. 7 3.3 2. 6 2.8 2.5 2. 9 2. 4二次侧出63615859616061605959585756565554
表10 2018年12月丨#板式换热器一次水侧运行压力
Tab. 10 Primary water side operating pressure of 1 #plate heat exchanger in December 2018 (单位：MPa)项目13579111315171921232527
一次水侧进0.310.310. 320. 310.310.310.310. 320.310.310. 320.310.310.31一次水侧出0. 160. 160. 160. 160. 160. 150. 150. 150. 150. 140. 130. 130. 120. 12
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化非常敏感.随着水温的增加.水通量几乎呈线性增 长，这主要归功于透过膜的水分子的粘度下降，扩散 能力增加。
表丨丨超滤膜通量随温度变化情况
Tab. 11
Flux of ultrafiltration membrane varies with temperature 项目
5 V
8 X 、i2 r i6 r 2〇 r 24 r 25 °C 产水量/(m 3«h 4116126146164180196200校正系数
0. 580. 630. 730.820. 900. 981
5经济性分析
5.1冲渣水余热回收项目投资
(1) 本工程总投资：设备费+管道+施工+其他=560(万元）。
(2) 电费：120 k W X 24 h X 30 d X 6X 0.5 元/ (kW • h ) = 26(万元）。
(3) 药剂费用：加药量按3 mg /L 计算，每月缓 蚀阻垢剂费用约1. 5万元，6个月共计9万元。(4)
运行费用为：电费+药剂费用=35(万元）。
5.2新建锅炉投资
将500 m 3/h 的水由2 °C 提高到25 °C ，需要热 量4.807X 107 kj /h ，至少需要40 t 工业锅炉1台， 总投资在600万元以上。
每年按11月下年4月，共6个月加热周期计 算，燃煤按750元/t ，热值按21 000 k j /kg .燃烧效 率按87%，锅炉1年燃煤费用为：4. 807 X 107(21 000X 1 000X 87%) X 750X 24 X 30X 6 = 852. 5(万 元)。
5.3成本比较
热利用运行费用只增加了 2台泵的运行费用及 药剂费用，与锅炉燃煤费用比较只占很小一部分，约 为4%左右，该项目实施后每年可节省费用817.5 万元。6
结论(1)
本次研究按最冷月最大换热量配置，运行后
二次水能达到预期温度且系统运行稳定，表明该系 统基本可保障日常生产要求。需要注意的是该系统 超滤进水为地表水，水温受季节影响较大，在生产中 应对进水温度进行监测，根据实际情况调整一次水、 二次水流量比.避免浪费，并且温度过高会加剧膜材 料的消耗。
(2) 基于板式换热器具有换热面积大.传热系数
高，运行稳定.体积小，便于检修等特点，针对板片结 垢现象，可在一次水侧进水口前加人合适浓度缓蚀 阻垢剂。
(3)
由于冲渣水中固体颗粒杂质较多，而板式换
热器流道较窄，因此需在一次水侧加装过滤器，防止
杂质堵塞换热器，影响换热效果。
(4) 由于一次水取自冲渣泵主管，换热后又回到冲淹泵主管，因此对于高炉冲渣泵正常吸水无明显 影响。参考文献
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A 通信作者：赵萍，女. 1980年出生•河北沧州人.T 学
硕士，讲师。主要研究方向为工业废水处理。
通信处:066000河北省秦皇岛市海港区文育路8号 河北建材职业技术学院 E-mail ：362097625@qq. com 收稿日期：2019- 12-26
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