鋼鐵企業壓縮空氣節能分析和實踐

王長華

（南京鋼鐵聯合股份有限公司制氧廠，江蘇南京210035）

制氧

鋼鐵企業壓縮空氣節能分析和實踐

王長華

（南京鋼鐵聯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。從設備、工藝及輔助系統幾個方面闡述了壓縮空氣生產過程中的節能空間與措施，并以幾個實例論證了節能效果。

壓縮空氣；節能；效果；實踐

1 概述

壓縮空氣作為鋼鐵企業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。聯合型鋼鐵企業由于生產流程長、工藝復雜，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，壓縮空氣的使用量達到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總能耗比例不是很大，但是從精細管理出發，對成本的影響還是十分可觀的。因此，做好壓縮空氣的節能工作，對于節能減排和企業效益是十分重要的。

2 現狀

鋼鐵企業的壓縮空氣供應，各個企業由于各種原因形式各異。

2.1 供應模式

供應模式主要有：

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

（2）分散供應：各個生產單元獨立配置壓縮空氣動力氣源，彼此互不干涉。

2.2 供應的壓力、質量

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

2.3 供應裝置

2.3.1 壓縮設備

壓縮設備是壓縮空氣供應的核心機組。主要有3類：活塞式壓縮機、離心式壓縮機、螺桿式壓縮機。

（1）活塞式壓縮機：壓力范圍寬、技術成熟；缺點是壓縮氣量范圍受限，設備故障率高、維修費用相對較高、能耗偏高。

（2）離心式壓縮機機組：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；缺點是設備投資較高、氣量大，不好調節。

（3）螺桿機組：結構緊湊，故障率低、能耗低、自動化程度高；缺點是氣量范圍較小，后期維修費用高。

2.3.2 凈化設備

壓縮空氣根據用戶需求不同,提供不同的凈化設備和流程而取得。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進氣側除塵，除塵設備多樣。主要有自潔式過濾器、普通紙質過濾器、袋式過濾器等?，F場常用是自潔式過濾器居多。

（2）除水。壓縮空氣除水根據露點要求的不同而采用不同的設備。

（3）冷凍機除水。利用低溫將空氣降溫將空氣中的水析出，一般露點可以控制在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。該工藝露點可以達到-20℃以下。

2.3.3 儲存設備、緩沖設備、管網

為保證壓縮空氣穩定供應和穩定管網壓力，一般設置氣體緩沖罐。管網為送到用戶的輸送設備。

3 節能措施及實踐

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

3.1 凈化工藝改進

傳統的空氣凈化采用冷干、微熱處理空氣，耗能、耗氣，十分不經濟。

3.1.1 采用余熱干燥裝置

壓縮熱再生式空氣干燥機是利用空壓機高溫排氣的熱量，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，加熱再生時無耗氣，最大程度地節約了能量。

3.1.2 零耗氣裝置

零耗氣除了采用壓縮機余熱加熱技術外，還循環利用冷吹系統的干燥空氣，從而實現零耗氣，節約能耗。該技術目前是空壓氣處理中最優技術。

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）平行運行：

從空壓機末端排出的壓縮空氣進入干燥機管道，經后冷卻器冷卻后降至吸附溫度，含有冷凝水的壓縮空氣經氣液分離器分離水分，而后經排污閥排出。分離后的氣體則由V1閥門后，經V3閥門（V4閥門）進入A（B）塔，在吸附劑的吸附作用下，使氣體進一步除水干燥，達到設計的露點，然后經V5閥門（V6閥門）輸出。

（2）吸附/解析：

從空壓機末端排出的壓縮空氣經V13閥門進入輔助電加熱器被加熱，而后經V10閥門自吸附塔頂部進入吸附塔內，將塔內吸附劑加熱到脫附溫度而再生，加熱后的濕空氣經V4閥門和V2閥門進入中間冷卻器冷卻至吸附溫度，含有冷凝水的壓縮空氣經氣液分離器進行分離水分，分離出的水迅速經排污閥排出。氣體則由V11閥門進入吸附塔，在吸附劑的吸附作用下，使氣體進一步除水干燥，達到設計的露點，然后經V5閥門輸出。

解吸終端溫度達到設計的溫度后，設備自動停止加熱解吸，轉入下一流程。

解析時V1關閉，所有氣體先做為解析氣再經吸附輸出。

（3）吸附/吹冷：

已解吸的吸附劑還必須再次進行冷卻。從壓縮機末級排出的熱壓縮空氣直接進入后冷卻器。經后冷卻器冷卻至吸附溫度，含有冷凝水的壓縮空氣經氣液分離器進行分離水分，分離出的水經排污閥迅速排出。氣體則由V1閥門，V4閥門進入再生塔吹冷，吹冷后的濕空氣經V10閥門和V8閥門進入中間冷卻器冷卻至吸附溫度，含有冷凝水的壓縮空氣經氣液分離器進行分離水分，分離出的水經排污閥迅速排出。氣體則由V11閥門吸附塔，在吸附劑的吸附作用下，使氣體進一步除水干燥，達到設計的露點，然后經V5閥門輸出。吹冷終端溫度達到設計的溫度后，設備自動停止吹冷，轉入下一流程。

3.1.2.3 案例：某鋼鐵企業原采用冷干機和微熱處理的模式。2014年對該系統進行改造，全部采用零耗氣的處理方案，取得較好的經濟效益。該空壓站每小時供應5萬m3/h空壓氣。

（1）冷干機節電：295 kW·h/h。

（2）節約微熱排氣5000 m3/h，節約率達到10%。

3.2 合理配置壓縮機和設立壓縮空氣站點

3.2.1 鋼鐵企業的壓縮空氣站設置盡可能地安排設立在用戶集中的區域，減少壓力輸送損失。

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

3.2.3 實踐案例

（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。造成廠房占地過大，供氣的能耗高，設備維修費用居高不下等問題突出，類似的設計要堅決避免。

（2）某煉鋼區域需要5萬m3/h的壓縮空氣，配備15000 m3/h的壓縮機。正常運行4臺壓縮機，平時始終有一臺壓縮機處于經常性的加載和卸載的狀態，對設備的穩定安全運行造成影響，同時造成壓縮機空載能耗的浪費。

3.3 輔助系統節能

輔助系統的節能，是空壓系統節能的重點內容。

3.3.1 供水系統節能

3.3.1.1 涼水塔

（1）涼水塔主要作用是降低循環水的溫度。涼水塔的結構形式主要有動力風扇和無動力噴霧冷卻兩類。兩種類型各有優缺點，主要根據企業所處的區域而定。

（2）涼水塔的處理量要足夠滿足溫度降低，平時注意關注涼水塔的風扇的運行情況，出現故障要及時維修，保證運行。在冬季，可以少開風扇節約能耗。涼水塔出現漏水等情況，要及時處理，減少水的蒸發。

3.3.1.2 循環水泵

水泵是空氣壓縮工序除壓縮機外的最大能耗單元，主要存在問題：

（1）在選擇水泵配置時，一般選擇的水泵流量、揚程都偏大。

實際運行中，為控制水泵流量和壓力，人為地將出口閥門關小，運行不經濟。

（2）水系統壓力運行偏高，增加能耗。

水系統運行壓力偏高，一般壓縮機的運行水壓要求在0.3～0.4 MPa范圍內，如果運行壓力過高，造成能耗的浪費。

水泵系統節能措施：

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

（2）對運行水泵增加變頻控制，能夠有效地降低系統壓力，降低水泵的運行電流。

案例實踐：某鋼鐵企業空壓站原有3臺水泵供應循環水系統，2用1備。水泵型號350S-75，配備電機250 kW，節能改造前運行電流為380 A，開2臺水泵，系統壓力為0.6 MPa。經過對葉輪的切削改造，并且改造增加了1臺變頻設備。實際運行依然為2用1備，而2臺的運行電流僅為280 A，節約電流480 A，節約電耗280 kW/h，全年可以節約電能245萬kW。

3.3.1.3 水質控制

水質控制關系到壓縮機的氣體換熱效果，從而直接影響壓縮機的運行能耗，對壓縮機的穩定運行起直接作用。目前多數企業水質采取由水質廠家承包性能，用戶容易忽略對水質廠家的管理，而且水質廠家一般通過招標獲得，價格偏低，部分存在惡性競爭的問題，水的質量堪憂。應此必須采取嚴格控制措施：

（1）制定明確的水質指標和要求。濁度、硬度、含油、腐蝕等指標要提出要求。

（2）對水質每天要進行監控分析，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密監控。一旦冷水和出氣的溫差有異常變化，要及時查明原因。

（4）冷卻器出現結晶等問題，要及時清洗，消除結垢問題。

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

4 結語

空壓氣節能對于降低空壓氣的運行成本意義重大，節能改造工作對于目前冷干和微熱工藝處理的企業，節能效果十分明顯。目前空壓氣的運行能耗可以控制在0.14 kW·h/m3以下，如果運行精細，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行改造，是一個雙贏的合作模式。

表1 三種方法的阻力計算結果

將實測值與數學計算、模擬計算的值相比，差值分別為7.23 Pa、11.3 Pa，考慮到實際工況與理想工況、模擬工況的差距，可以認為實測值與數學計算、模擬計算的值是吻合的。這樣從另一方面印證了本煤氣柜呼吸系統模擬與分析方法的正確性。

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

為了對結果進行判斷，同樣對國外引進的、作為標準柜型的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，計算及測量結果在95 Pa左右，波動范圍為95/2500≈3.8%。

在缺乏明確的評判標準的現狀下，可以以作為標準柜型的8萬柜的相應數據為標準，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，筆者認為可以判斷出15萬m3橡膠膜密封干式煤氣柜在應對活塞高速上升的情況下的壓力波動并不大。

5 結論

本文給出了橡膠膜密封干式煤氣柜呼吸系統的定義，并對其做了簡要說明，介紹了呼吸系統對于橡膠膜密封干式煤氣柜重要作用。選取了數學計算和模擬計算兩種方法，對橡膠膜密封干式煤氣柜的呼吸系統進行了分析計算，最后將結果加以對比，明確了通過數值模擬計算來支持設計的正確性，同時也驗證了15萬m3橡膠膜密封干式煤氣柜呼吸系統設計的合理性。

本文只是以理論分析、數學計算、模擬計算和現場實測四種方法為基礎，加以對比計算，對比分析，對于橡膠膜密封干式煤氣柜呼吸系統的本質的探討仍有一定的局限性，同時由于條件所限，計算出的值并沒有一個明確的評判標準，只能依照以往的工程經驗加以簡單比較，同時，在同等條件下，沒有對煤氣輸出時，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遺憾。?？傊?，橡膠膜密封干式煤氣柜呼吸系統模擬與分析的方法從工程設計層面來說，對煤氣柜的擴壓、擴容開發工作是適用的，同時也對今后該種柜型的煤氣柜的深入研究打下了堅實的基礎。

[1]鋼鐵企業燃氣設計參考資料(煤氣部分)[M].北京：冶金工業出版社，1979.

[2]谷中秀.橡膠膜型干式煤氣柜[M].北京：冶金工業出版社，2010.

收稿日期：2014－01－15

作者簡介：付重重（1984-），男，2009年畢業于華中科技大學供熱、供燃氣、通風及空調工程專業，碩士研究生學歷，工程師，現從事冶金燃氣設計及研發工作。

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年畢業于南京化工學?；C械專業，高級工程師，現從事制氧設備管理工作。