鋼鐵企業壓縮空氣系統節能潛力分析及對策

上海寶山鋼鐵股份有限公司 周佃民 李關定

根據《國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》，“十二五”期間，非化石能源占一次能源消費比重提高到11.4%，單位國內生產總值能耗和二氧化碳排放分別降低16%和17%。在這個大形勢下，在十二五期間，鋼鐵企業節能減排任務更加艱巨，法律法規要求更加嚴格。

作為典型的高耗能的大型工業企業，鋼鐵企業大力進行節能減排工作，既是必須完成的任務，也是重要的社會責任。

在鋼鐵企業所有能源消耗中，壓縮空氣能源消耗占相當比重（約占企業總耗電的5%-15%），壓縮空氣作為鋼鐵企業普遍使用的能源介質，從生產、輸送到使用各個環節更應注意嚴格管理和技術改進，以適應節能減排的形勢。

本文主要針對鋼鐵企業壓縮空氣系統的節能潛力[1]～[4]與對策展開論述，以供同行進行交流與參考。

1 鋼鐵企業中壓縮空氣系統概述

1.1 鋼鐵企業中的空壓站配置

在鋼鐵企業中，空壓站的類型一般有離心機空壓站、螺桿機空壓站和混合式空壓站（離心式空壓機與螺桿式空壓機兼有）。個別鋼鐵企業尚有活塞式空壓機，正在逐步淘汰更新之中。

離心機空壓站一般設置有2-9臺離心機，排氣量一般從100m3/min—300m3/min居多。根據生產的需要，一般設定為多個排氣壓力，比如0.38MPa、0.5MPa、0.8MPa 及 1.3MPa， 其 中0.38MPa、0.5MPa機型多為煉鋼連鑄用空壓機，0.8MPa機型為動力/儀表用空壓機，1.3MPa為高爐噴煤用空壓機。

螺桿機空壓站一般設置有2-8臺螺桿機，排氣量較小，多數為10m3/min-40m3/min以下。螺桿機多數作為離心空壓機的輔助氣源。

按照空壓站是否聯網，可分為分散布置與集中聯網兩種布置方式。伴隨著空壓機設備運行穩定性和控制管理水平的提高，在新型的鋼鐵企業中，一般采用集中聯網這種方式，在老的分散布置的鋼鐵企業中，也多正在進行建立空壓站之間的聯網或分區域聯網的改造規劃。

1.2 壓縮空氣主要用途及用氣特點

在鋼鐵企業中，壓縮空氣的使用包含在各個生產環節之中。其主要用途可以分為：

燒結氣力輸送、高爐噴吹、連鑄汽霧冷卻、轉爐底吹、鋼帶表面吹掃、各種氣動儀表閥門、氣動馬達、脈沖袋式除塵器等。

按照生產環節進行劃分，在煉鐵單元，空壓站分布可分為為燒結區域、原料區域、焦爐區域、高爐區域；在煉鋼單元，壓縮空氣主要用于連鑄、轉爐的氣動設備及吹掃，及為連鑄提供氣霧冷卻用壓縮空氣；在熱軋單元，壓縮空氣主要用于軋機及加熱爐氣動設備用氣及吹掃；在冷軋單元，壓縮空氣主要用于軋機帶鋼吹掃酸洗、連退、熱鍍鋅機組氣動設備及吹掃。

一般來說，在鋼鐵企業的壓縮空氣系統中，空壓機所產出壓縮空氣經過冷干機處理后將含水量降低至壓力露點3-5℃，作為動力（普通）用壓縮空氣供給用戶；或經過冷干機+吸附式干燥機處理后將含水量降低至壓力露點-20℃以下，除塵除油至含塵粒度小于5μm，含塵量小于5mg/m3，含油量不小于1mg/m3，作為儀表用壓縮空氣供給用戶。此外，煉鋼連鑄汽霧冷卻用壓縮空氣對空氣的含水量無要求，空壓機排氣直接供給連鑄使用。

2 鋼鐵企業壓縮空氣節能潛力及對策

2.1 壓縮空氣不合理使用

1）典型的不合理現象

現象a：將高壓氣體供給低壓用戶使用。

如：開路吹掃，噴射（廢水處理工藝中的曝氣、攪拌），給水霧化，稀釋相運輸（除塵灰氣力輸送）等情況。

上述工況所需空氣的壓力較低，可以考慮采用風機供氣，以減少壓縮空氣在減壓過程中造成的能源浪費。

此外，因個別用戶需要供氣壓力高，或不合理的供氣壓力要求，會造成空壓站提高出口設置壓力，從而提高了整體能耗。

現象b：將儀表用壓縮空氣作為普通壓縮空氣使用。

如寶鋼：按照《寶鋼工程設計統一規定》儀表氣源的要求為：“氣體露點低于—20℃（工況條件下），含塵粒度小于5μm，含塵量小于5mg/m3，含油量不小于1mg/m3”。儀表用壓縮空氣一般是通過空壓站內冷凍干燥機及吸附干燥機處理后得到的，采用儀表用氣供應普通用氣的場合則造成能源的浪費。

2)對策及潛力分析：

關于壓縮空氣不合理使用的情況，不同的鋼鐵企業因管理水平的不同而有很大區別，這方面無具體數據。僅根據美國電機系統挑戰項目和中國電機系統節能的實踐經驗作為參考，消除不合理使用的原因可達到5%～10%的節能效果。（注：1、美國電機系統挑戰項目：1993年，美國能源部（USDOE）啟動了電機系統挑戰項目，目的是提高電機系統的能效和環境質量，其中，壓縮空氣挑戰是這個項目的重要部分。2、中國電機系統節能項目：2001年，中國政府與聯合國工業發展組織（UNIDO)，美國能源部（USDOE），能源基金會（EF）合作啟動了中國電機系統節能項目。項目技術支持由美國勞倫斯—伯克利（LBNL）國家試驗室負責，在上海市和江蘇省進行實施，目的是開發一系列電機系統培訓資料，分析工具和示范項目。）

建議企業建立專業能源審計團隊與制度，定期（建議每年）對全廠各區域壓縮空氣使用情況進行審計，并提出整改意見，采用滾動優化改進的方式減少壓縮空氣的不合理使用。

2.2 壓縮空氣泄漏

1）情況

根據相關資料，直徑4mm的小孔，在0.6MPa時壓縮空氣消耗量為0.98m3/min,功率損耗約6.5kW，由于泄漏而造成的能源浪費相當可觀。泄漏問題普遍存在于氣缸、電磁閥門、氣動閥門、空氣處理元件等處。

另外在很多鋼鐵企業中，空壓站多數冷干機排水的同時都存在氣水混合的情況，也造成不同程度的浪費，更為嚴重的是現場管理人員遠遠低估了泄漏造成的損失。

2)對策及潛力分析：

查找壓縮空氣系統的漏氣點，提高管理人員對于壓縮空氣泄漏損失的意識。針對冷干機排氣存在氣水混合的情況，改用先進的不銹鋼內膽的汽水分離器與液位控制排水器，達到冷干機排水不排氣的效果。通過上述改進，同時考慮實際操作情況，取50%系數，根據經驗估計壓縮空氣的電耗可降低約3%。

泄露點的監測方法相對簡單，對泄露位置的整治可以通過能耗與投資的對比分析來決定是否整改。建議通過制定考核獎懲制度來定期治理。

2.3 壓縮空氣系統設計有待優化

1）控制系統

現象：螺桿機空壓站多數按照壓力梯度對空壓機進行加載、卸載設置或者人工對空壓機進行加載、卸載設置，缺少智能化集控設施及節能控制的手段，造成能源的浪費。

對策及潛力分析：新型的螺桿機集控器，可設置單壓帶，使能源效率達到最大，同時通過優化的控制，減少空壓機的卸載時間，節約能耗。

2）管網系統

現象：由于不斷新增技改項目，壓縮空氣的需求量不斷增加，而由于壓縮空氣管網沒有改造過，管網的輸送壓縮空氣的能力已不能適應新的需求情況，壓縮空氣輸送過程中阻力損失較大。

對策及潛力分析：通過對需求量分析，管道設計流速選擇，合理的設置管路，減少壓縮空氣管路損失，節約能耗；

通過聯通管道，調節不同空壓站內空壓機負荷，減少空載及放散，節約能耗。

3)空壓站設備

現象：根據某鋼鐵企業冷軋單元空壓機比功率進行的測算，單獨空壓機的比功率為6.5kW/（m3/min)，加上干燥裝置為8.7kW/（m3/min)，而通過傳輸壓降后變為9.6kW/（m3/min)。結合實際情況認為冷凍干燥機的排水存在氣水混合及微熱再生吸附干燥機的再生耗氣（約7%），是造成了比功率大幅度增加的主要原因。

對策及潛力分析：采用壓縮熱干燥機（再生耗氣約2%）代替微熱再生式干燥機可節省約5%的耗氣量，但往往由于壓縮熱干燥機出口空氣露點（含水量）不能穩定，需輔助電加熱。考慮到采用壓縮熱干燥機代替微熱再生式干燥機存在較大的節能潛力，應盡快推廣。

2.4 螺桿機變頻有待推廣

螺桿機變頻技術為較為成熟的技術，通過變頻節能的改造，改變電機的轉速，產氣量根據系統壓力值進行平滑調節，節能效果明顯。根據寶鋼二期焦爐空壓站改造的經驗，能耗降低約20%。

2.5 空壓機潤滑油

通過將礦物油改為合成油，在寶鋼2#彩涂空壓站，1420空壓站進行試點，已經取得了很好的效果，目前螺桿機能耗降低約5%，離心機能耗降低約2%。

3 寶鋼壓縮空氣節能的實踐

寶鋼，壓縮空氣系統大量應用，粗略估算，年用電量至少5億kWh以上。寶鋼的壓縮空氣系統在各廠區相對獨立，主要機型為螺桿式壓縮機和離心式壓縮機，電機的總裝機容量達到13萬kW。盡管寶鋼的壓縮空氣系統總體運行狀況良好，可以滿足生產用氣需要。但是，依舊存在較大的節能潛力。根據筆者調查，目前存在的主要問題如下：

○ 終端用氣設備用氣不合理；

○ 壓縮空氣泄露；

○ 空壓機老化；

○ 空壓站備機數；

○ 供氣壓力與用氣壓力合理匹配；

○ 壓縮機和管網運行調節模式優化；

○ 壓縮空氣系統能源計量考核；

○ 壓縮空氣系統的輔助設備配置；

上述問題的存在都會對壓縮空氣系統能耗產生較大影響，但是通過采取一定的技術措施和管理手段可以達到節能降耗的目的。

寶鋼壓縮空氣系統的節能主要從四個層面考慮：

1）在終端用氣設備上進行“省氣”，除了在管理上增強用氣人員的節能責任心，避免不合理用氣、用氣浪費等，還有對終端用氣設備（如噴嘴）的改進，提高用氣的使用效率；

2）機組性能的提高，包括壓縮機本體優化設計和壓縮機系統的變速調節技術以及輔助設備技術的改進，潤滑油系統改進等；

3）壓縮空氣系統的管網設計、運行參數的匹配以及日常管理和維護；

4）先進節能技術的使用，比如壓力流量控制技術、空壓機集中控制技術和空壓機余熱回收技術等。

目前，寶鋼已經專門組建了壓縮空氣系統節能團隊，通過大量的調研與技術交流，對全廠的壓縮空氣系統的節能潛力進行梳理，十余個節能改造項目正在形成，年節電量將達到2000萬kWh以上。這項工作正在進行之中。

4 結論

壓縮空氣系統在鋼鐵企業中是能耗大戶，壓縮空氣從其成本上講，是一種“昂貴”的能源。壓縮空氣系統節能潛力巨大，應該引起國家與企業的足夠重視。

對于高耗能的壓縮空氣系統進行節能改造，提高其運行效率，是一個系統工程，主要包括高效電動機與壓縮機的優化匹配，空壓機的設計制造技術的提升以及空壓機調節技術的更新，優化壓縮空氣運行參數和減少壓縮空氣的浪費等等技術應用。

做好空壓機系統的降耗工作，對降低鋼鐵企業生產運行成本，緩解我國電力供應緊張具有一定作用和意義。

本文主要分析了鋼鐵企業中壓縮空氣的產生、用途與使用特點，針對在鋼鐵企業中普遍存在的壓縮空氣系統進行節能潛力分析，并提出了相應的對策。分析表明，在鋼鐵企業中壓縮空氣系統節能潛力非常巨大，有必要在鋼鐵企業中大力推廣壓縮空氣系統節能技術，降低企業的能源消耗水平。

[1]秦宏波，俞增盛，汪國興，閔圣愷.壓縮空氣系統優化技術及其應用[J].上海節能，2005，(3)：63-65.

[2]Maolin Cai.Power Assessment of Flowing Compressed Air.Journal of Fluids Engineering.2006（3），Vol.128，P402-405.

[3]Chris Beals，Joseph Ghislain，Henry Kemp，et al. Improving Compressed Air System Performance.U.S.Department of Energy，2003.

[4]周佃民.壓縮空氣系統節能技術綜述[J].上海節能，2010（11）：36-41.