鋼鐵企業(yè)壓縮空氣節(jié)能分析和實(shí)踐

王長華

（南京鋼鐵聯(lián)合股份有限公司制氧廠，江蘇南京210035）

制氧

鋼鐵企業(yè)壓縮空氣節(jié)能分析和實(shí)踐

王長華

（南京鋼鐵聯(lián)合股份有限公司制氧廠，江蘇南京210035）

壓縮空氣加工過程中需要消耗電能和蒸汽。從設(shè)備、工藝及輔助系統(tǒng)幾個方面闡述了壓縮空氣生產(chǎn)過程中的節(jié)能空間與措施，并以幾個實(shí)例論證了節(jié)能效果。

壓縮空氣；節(jié)能；效果；實(shí)踐

1 概述

壓縮空氣作為鋼鐵企業(yè)的動力氣源被廣泛使用在儀表、氣體動力等方面，其重要性不言而喻。聯(lián)合型鋼鐵企業(yè)由于生產(chǎn)流程長、工藝復(fù)雜，大量使用壓縮空氣，壓縮空氣的需求量巨大。一座1000萬t的鋼鐵企業(yè)，壓縮空氣的使用量達(dá)到15萬～20萬m3/h。在加工壓縮空氣的過程中需要消耗大量的電和蒸汽，雖然這部分能耗占鋼鐵企業(yè)總能耗比例不是很大，但是從精細(xì)管理出發(fā)，對成本的影響還是十分可觀的。因此，做好壓縮空氣的節(jié)能工作，對于節(jié)能減排和企業(yè)效益是十分重要的。

2 現(xiàn)狀

鋼鐵企業(yè)的壓縮空氣供應(yīng)，各個企業(yè)由于各種原因形式各異。

2.1 供應(yīng)模式

供應(yīng)模式主要有：

（1）集中供應(yīng)：在工廠根據(jù)用戶的位置和需求，設(shè)置一至二處集中空壓站，通過管網(wǎng)輸送到各個用戶。

（2）分散供應(yīng)：各個生產(chǎn)單元獨(dú)立配置壓縮空氣動力氣源，彼此互不干涉。

2.2 供應(yīng)的壓力、質(zhì)量

壓縮空氣的供應(yīng)壓力一般在0.5～0.8 MPa之間，部分用戶點(diǎn)壓力點(diǎn)需求較高，比如噴煤等工序達(dá)到1.2 MPa以上。對于氣體的質(zhì)量要求一般分為普通氣、-10℃以下的干燥氣，-20℃以下的干燥氣,特殊需要露點(diǎn)可能在-40℃以上。氣源無雜質(zhì)、穩(wěn)定。

2.3 供應(yīng)裝置

2.3.1 壓縮設(shè)備

壓縮設(shè)備是壓縮空氣供應(yīng)的核心機(jī)組。主要有3類：活塞式壓縮機(jī)、離心式壓縮機(jī)、螺桿式壓縮機(jī)。

（1）活塞式壓縮機(jī)：壓力范圍寬、技術(shù)成熟；缺點(diǎn)是壓縮氣量范圍受限，設(shè)備故障率高、維修費(fèi)用相對較高、能耗偏高。

（2）離心式壓縮機(jī)機(jī)組：壓縮氣量大、故障率低、維修工作量小、集成度高，易于自動化控制、能耗低；缺點(diǎn)是設(shè)備投資較高、氣量大，不好調(diào)節(jié)。

（3）螺桿機(jī)組：結(jié)構(gòu)緊湊，故障率低、能耗低、自動化程度高；缺點(diǎn)是氣量范圍較小，后期維修費(fèi)用高。

2.3.2 凈化設(shè)備

壓縮空氣根據(jù)用戶需求不同,提供不同的凈化設(shè)備和流程而取得。壓縮空氣凈化主要處理含塵量、含水量。

（1）除塵。除塵主要依靠壓縮機(jī)進(jìn)氣側(cè)除塵，除塵設(shè)備多樣。主要有自潔式過濾器、普通紙質(zhì)過濾器、袋式過濾器等?，F(xiàn)場常用是自潔式過濾器居多。

（2）除水。壓縮空氣除水根據(jù)露點(diǎn)要求的不同而采用不同的設(shè)備。

（3）冷凍機(jī)除水。利用低溫將空氣降溫將空氣中的水析出，一般露點(diǎn)可以控制在5℃左右。

（4）分子篩、鋁膠吸附。利用分子篩、Al2O3的吸附性將空氣中的水分吸附。該工藝露點(diǎn)可以達(dá)到-20℃以下。

2.3.3 儲存設(shè)備、緩沖設(shè)備、管網(wǎng)

為保證壓縮空氣穩(wěn)定供應(yīng)和穩(wěn)定管網(wǎng)壓力，一般設(shè)置氣體緩沖罐。管網(wǎng)為送到用戶的輸送設(shè)備。

3 節(jié)能措施及實(shí)踐

空壓站耗能較多，如何節(jié)能是空壓站穩(wěn)定運(yùn)行后的主要工作，特別鋼鐵企業(yè)效益下滑的階段，做好空壓站的節(jié)能工作顯得更加重要。

3.1 凈化工藝改進(jìn)

傳統(tǒng)的空氣凈化采用冷干、微熱處理空氣，耗能、耗氣，十分不經(jīng)濟(jì)。

3.1.1 采用余熱干燥裝置

壓縮熱再生式空氣干燥機(jī)是利用空壓機(jī)高溫排氣的熱量，對吸附干燥劑直接加熱，使干燥劑得到徹底再生，由于其利用壓縮機(jī)的末級壓縮熱作為干燥劑的活化熱源，省去加熱電爐或者蒸氣，加熱再生時(shí)無耗氣，最大程度地節(jié)約了能量。

3.1.2 零耗氣裝置

零耗氣除了采用壓縮機(jī)余熱加熱技術(shù)外，還循環(huán)利用冷吹系統(tǒng)的干燥空氣，從而實(shí)現(xiàn)零耗氣，節(jié)約能耗。該技術(shù)目前是空壓氣處理中最優(yōu)技術(shù)。

3.1.2.1 主要工藝流程如圖1

圖1 主要工藝流程

3.1.2.2 流程簡介

（1）平行運(yùn)行：

從空壓機(jī)末端排出的壓縮空氣進(jìn)入干燥機(jī)管道，經(jīng)后冷卻器冷卻后降至吸附溫度，含有冷凝水的壓縮空氣經(jīng)氣液分離器分離水分，而后經(jīng)排污閥排出。分離后的氣體則由V1閥門后，經(jīng)V3閥門（V4閥門）進(jìn)入A（B）塔，在吸附劑的吸附作用下，使氣體進(jìn)一步除水干燥，達(dá)到設(shè)計(jì)的露點(diǎn)，然后經(jīng)V5閥門（V6閥門）輸出。

（2）吸附/解析：

從空壓機(jī)末端排出的壓縮空氣經(jīng)V13閥門進(jìn)入輔助電加熱器被加熱，而后經(jīng)V10閥門自吸附塔頂部進(jìn)入吸附塔內(nèi)，將塔內(nèi)吸附劑加熱到脫附溫度而再生，加熱后的濕空氣經(jīng)V4閥門和V2閥門進(jìn)入中間冷卻器冷卻至吸附溫度，含有冷凝水的壓縮空氣經(jīng)氣液分離器進(jìn)行分離水分，分離出的水迅速經(jīng)排污閥排出。氣體則由V11閥門進(jìn)入吸附塔，在吸附劑的吸附作用下，使氣體進(jìn)一步除水干燥，達(dá)到設(shè)計(jì)的露點(diǎn)，然后經(jīng)V5閥門輸出。

解吸終端溫度達(dá)到設(shè)計(jì)的溫度后，設(shè)備自動停止加熱解吸，轉(zhuǎn)入下一流程。

解析時(shí)V1關(guān)閉，所有氣體先做為解析氣再經(jīng)吸附輸出。

（3）吸附/吹冷：

已解吸的吸附劑還必須再次進(jìn)行冷卻。從壓縮機(jī)末級排出的熱壓縮空氣直接進(jìn)入后冷卻器。經(jīng)后冷卻器冷卻至吸附溫度，含有冷凝水的壓縮空氣經(jīng)氣液分離器進(jìn)行分離水分，分離出的水經(jīng)排污閥迅速排出。氣體則由V1閥門，V4閥門進(jìn)入再生塔吹冷，吹冷后的濕空氣經(jīng)V10閥門和V8閥門進(jìn)入中間冷卻器冷卻至吸附溫度，含有冷凝水的壓縮空氣經(jīng)氣液分離器進(jìn)行分離水分，分離出的水經(jīng)排污閥迅速排出。氣體則由V11閥門吸附塔，在吸附劑的吸附作用下，使氣體進(jìn)一步除水干燥，達(dá)到設(shè)計(jì)的露點(diǎn)，然后經(jīng)V5閥門輸出。吹冷終端溫度達(dá)到設(shè)計(jì)的溫度后，設(shè)備自動停止吹冷，轉(zhuǎn)入下一流程。

3.1.2.3 案例：某鋼鐵企業(yè)原采用冷干機(jī)和微熱處理的模式。2014年對該系統(tǒng)進(jìn)行改造，全部采用零耗氣的處理方案，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。該空壓站每小時(shí)供應(yīng)5萬m3/h空壓氣。

（1）冷干機(jī)節(jié)電：295 kW·h/h。

（2）節(jié)約微熱排氣5000 m3/h，節(jié)約率達(dá)到10%。

3.2 合理配置壓縮機(jī)和設(shè)立壓縮空氣站點(diǎn)

3.2.1 鋼鐵企業(yè)的壓縮空氣站設(shè)置盡可能地安排設(shè)立在用戶集中的區(qū)域，減少壓力輸送損失。

3.2.2 壓縮機(jī)設(shè)計(jì)要與用量匹配。要避免用氣量大使用供氣小的壓縮機(jī)，造成設(shè)備過多，占地過大而且維修費(fèi)用高。也要避免用氣量小而采用大氣量的設(shè)備，容易造成氣體的放散和卸載問題，造成能耗的浪費(fèi)。

3.2.3 實(shí)踐案例

（1）某煉鐵廠需要月3.5萬m3/h的壓縮空氣，配備了18臺2000 m3/h的螺桿壓縮機(jī)。造成廠房占地過大，供氣的能耗高，設(shè)備維修費(fèi)用居高不下等問題突出，類似的設(shè)計(jì)要堅(jiān)決避免。

（2）某煉鋼區(qū)域需要5萬m3/h的壓縮空氣，配備15000 m3/h的壓縮機(jī)。正常運(yùn)行4臺壓縮機(jī)，平時(shí)始終有一臺壓縮機(jī)處于經(jīng)常性的加載和卸載的狀態(tài)，對設(shè)備的穩(wěn)定安全運(yùn)行造成影響，同時(shí)造成壓縮機(jī)空載能耗的浪費(fèi)。

3.3 輔助系統(tǒng)節(jié)能

輔助系統(tǒng)的節(jié)能，是空壓系統(tǒng)節(jié)能的重點(diǎn)內(nèi)容。

3.3.1 供水系統(tǒng)節(jié)能

3.3.1.1 涼水塔

（1）涼水塔主要作用是降低循環(huán)水的溫度。涼水塔的結(jié)構(gòu)形式主要有動力風(fēng)扇和無動力噴霧冷卻兩類。兩種類型各有優(yōu)缺點(diǎn)，主要根據(jù)企業(yè)所處的區(qū)域而定。

（2）涼水塔的處理量要足夠滿足溫度降低，平時(shí)注意關(guān)注涼水塔的風(fēng)扇的運(yùn)行情況，出現(xiàn)故障要及時(shí)維修，保證運(yùn)行。在冬季，可以少開風(fēng)扇節(jié)約能耗。涼水塔出現(xiàn)漏水等情況，要及時(shí)處理，減少水的蒸發(fā)。

3.3.1.2 循環(huán)水泵

水泵是空氣壓縮工序除壓縮機(jī)外的最大能耗單元，主要存在問題：

（1）在選擇水泵配置時(shí)，一般選擇的水泵流量、揚(yáng)程都偏大。

實(shí)際運(yùn)行中，為控制水泵流量和壓力，人為地將出口閥門關(guān)小，運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。

（2）水系統(tǒng)壓力運(yùn)行偏高，增加能耗。

水系統(tǒng)運(yùn)行壓力偏高，一般壓縮機(jī)的運(yùn)行水壓要求在0.3～0.4 MPa范圍內(nèi)，如果運(yùn)行壓力過高，造成能耗的浪費(fèi)。

水泵系統(tǒng)節(jié)能措施：

（1）根據(jù)需要的壓力和流量，對葉輪進(jìn)行切割。在保證流量的情況下，降低揚(yáng)程，要保證出口閥具備全開的要求。

（2）對運(yùn)行水泵增加變頻控制，能夠有效地降低系統(tǒng)壓力，降低水泵的運(yùn)行電流。

案例實(shí)踐：某鋼鐵企業(yè)空壓站原有3臺水泵供應(yīng)循環(huán)水系統(tǒng)，2用1備。水泵型號350S-75，配備電機(jī)250 kW，節(jié)能改造前運(yùn)行電流為380 A，開2臺水泵，系統(tǒng)壓力為0.6 MPa。經(jīng)過對葉輪的切削改造，并且改造增加了1臺變頻設(shè)備。實(shí)際運(yùn)行依然為2用1備，而2臺的運(yùn)行電流僅為280 A，節(jié)約電流480 A，節(jié)約電耗280 kW/h，全年可以節(jié)約電能245萬kW。

3.3.1.3 水質(zhì)控制

水質(zhì)控制關(guān)系到壓縮機(jī)的氣體換熱效果，從而直接影響壓縮機(jī)的運(yùn)行能耗，對壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行起直接作用。目前多數(shù)企業(yè)水質(zhì)采取由水質(zhì)廠家承包性能，用戶容易忽略對水質(zhì)廠家的管理，而且水質(zhì)廠家一般通過招標(biāo)獲得，價(jià)格偏低，部分存在惡性競爭的問題，水的質(zhì)量堪憂。應(yīng)此必須采取嚴(yán)格控制措施：

（1）制定明確的水質(zhì)指標(biāo)和要求。濁度、硬度、含油、腐蝕等指標(biāo)要提出要求。

（2）對水質(zhì)每天要進(jìn)行監(jiān)控分析，具備條件要定期打開冷卻器檢查。

（3）對冷卻器的冷卻效果要嚴(yán)密監(jiān)控。一旦冷水和出氣的溫差有異常變化，要及時(shí)查明原因。

（4）冷卻器出現(xiàn)結(jié)晶等問題，要及時(shí)清洗，消除結(jié)垢問題。

（5）高度關(guān)注冷卻器的腐蝕情況，水質(zhì)掛片要定期稱重。由于水質(zhì)造成冷卻器的損壞，損失很大。

4 結(jié)語

空壓氣節(jié)能對于降低空壓氣的運(yùn)行成本意義重大，節(jié)能改造工作對于目前冷干和微熱工藝處理的企業(yè)，節(jié)能效果十分明顯。目前空壓氣的運(yùn)行能耗可以控制在0.14 kW·h/m3以下，如果運(yùn)行精細(xì)，可以控制在0.13 kW·h/m3以下。一次性投資改造雖然成本較高，但是收益是十分明顯的。對于資金不足的單位可以采用合同能源管理的模式進(jìn)行改造，是一個雙贏的合作模式。

表1 三種方法的阻力計(jì)算結(jié)果

將實(shí)測值與數(shù)學(xué)計(jì)算、模擬計(jì)算的值相比，差值分別為7.23 Pa、11.3 Pa，考慮到實(shí)際工況與理想工況、模擬工況的差距，可以認(rèn)為實(shí)測值與數(shù)學(xué)計(jì)算、模擬計(jì)算的值是吻合的。這樣從另一方面印證了本煤氣柜呼吸系統(tǒng)模擬與分析方法的正確性。

三種方法得出的阻力的結(jié)果均為70 Pa左右，本文認(rèn)為這也就表征著煤氣柜柜內(nèi)煤氣的壓力的波動值，波動范圍為70/1800≈4%。

為了對結(jié)果進(jìn)行判斷，同樣對國外引進(jìn)的、作為標(biāo)準(zhǔn)柜型的8萬m3橡膠膜密封干式煤氣柜（儲氣兩級壓力分別為2.5、3.2 kPa）做了類似的工作，計(jì)算及測量結(jié)果在95 Pa左右，波動范圍為95/2500≈3.8%。

在缺乏明確的評判標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀下，可以以作為標(biāo)準(zhǔn)柜型的8萬柜的相應(yīng)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，本文研究的15萬柜的阻力值小于8萬柜，波動范圍比8萬柜稍大，筆者認(rèn)為可以判斷出15萬m3橡膠膜密封干式煤氣柜在應(yīng)對活塞高速上升的情況下的壓力波動并不大。

5 結(jié)論

本文給出了橡膠膜密封干式煤氣柜呼吸系統(tǒng)的定義，并對其做了簡要說明，介紹了呼吸系統(tǒng)對于橡膠膜密封干式煤氣柜重要作用。選取了數(shù)學(xué)計(jì)算和模擬計(jì)算兩種方法，對橡膠膜密封干式煤氣柜的呼吸系統(tǒng)進(jìn)行了分析計(jì)算，最后將結(jié)果加以對比，明確了通過數(shù)值模擬計(jì)算來支持設(shè)計(jì)的正確性，同時(shí)也驗(yàn)證了15萬m3橡膠膜密封干式煤氣柜呼吸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

本文只是以理論分析、數(shù)學(xué)計(jì)算、模擬計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)測四種方法為基礎(chǔ)，加以對比計(jì)算，對比分析，對于橡膠膜密封干式煤氣柜呼吸系統(tǒng)的本質(zhì)的探討仍有一定的局限性，同時(shí)由于條件所限，計(jì)算出的值并沒有一個明確的評判標(biāo)準(zhǔn)，只能依照以往的工程經(jīng)驗(yàn)加以簡單比較，同時(shí)，在同等條件下，沒有對煤氣輸出時(shí)，空氣的阻力值對活塞壓力的變化深入分析，也是本次研究的一點(diǎn)遺憾。?？傊?，橡膠膜密封干式煤氣柜呼吸系統(tǒng)模擬與分析的方法從工程設(shè)計(jì)層面來說，對煤氣柜的擴(kuò)壓、擴(kuò)容開發(fā)工作是適用的，同時(shí)也對今后該種柜型的煤氣柜的深入研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]鋼鐵企業(yè)燃?xì)庠O(shè)計(jì)參考資料(煤氣部分)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1979.

[2]谷中秀.橡膠膜型干式煤氣柜[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

收稿日期：2014－01－15

作者簡介：付重重（1984-），男，2009年畢業(yè)于華中科技大學(xué)供熱、供燃?xì)?、通風(fēng)及空調(diào)工程專業(yè)，碩士研究生學(xué)歷，工程師，現(xiàn)從事冶金燃?xì)庠O(shè)計(jì)及研發(fā)工作。

Analysis and Application of Energy Saving in the Production Process of Condensed Air in Steelmakers

WANG Changhua
（The Oxygen-making Plant of Nanjing iron and Steel Co.Ltd.,Nanjing,Jiangsu 210035,China）

The production process of condensed air consumes electricity and steam.The space and measures for energy saving during the production process of condensed air are described from the aspects of equipment,process and auxiliary system and the energy saving effect is also showed with some practical examples.

condensed air;energy saving;effect;practice

TH45

B

1006-6764(2015)05-0019-04

2015－02－27

王長華（1972-），男，1992年畢業(yè)于南京化工學(xué)?；C(jī)械專業(yè)，高級工程師，現(xiàn)從事制氧設(shè)備管理工作。