高炉鼓风系统节能方案的可行性分析

王 迪

（上海市特种设备监督检验技术研究院，上海200333）

高炉鼓风系统节能方案的可行性分析

王 迪

（上海市特种设备监督检验技术研究院，上海200333）

结合高炉炼铁的工艺要求及高炉鼓风机站的实际运行情况，从影响鼓风机的运行因素着手，以整个鼓风系统安全和高效运行为前提，提出相应可行的节能运行改造措施。每年高炉鼓风站的脱湿系统会产生大量的低温冷凝水，这些低温冷凝水可作为夏季中央空调的冷媒介质，深入挖掘了高炉鼓风系统的节能潜力，实现了能源的综合利用。

节能；高炉；鼓风系统；脱湿；冷凝水；冷媒；利用；改造

0 概 述

在高炉鼓风工艺流程中，空气被鼓入高炉之前的含湿量，应控制在10 g/m3左右，以满足高炉炼铁的工艺要求。因此，宝钢公司的鼓风机站配置了多台脱湿器设备。每台脱湿器会产生大量10℃左右的低温冷凝水，因水质处理方面的问题，宝钢公司对这些冷凝水均作了放空处理，这势必造成了能源的浪费。如果在夏季高温气候条件下，回收这部分低温冷凝水，经再处理后，可作为鼓风机站周边区域的夏季中央空调的冷媒介质，实现能源的综合利用。

1 脱湿冷凝水的回收利用

通过对高炉鼓风送风系统管路阻力损失的计算，当空气流过脱湿器的换热器，与换热器中的低温冷冻水间接接触，发生热量交换，空气温度发生了变化，水蒸气的相对饱和压力也随之发生变化。当空气被冷冻水冷却至对应压力下的饱和温度后，空气继续被冷却，空气中的水分沿临界线左移，不断有水蒸气凝结，其析出的冷凝水量为（d1-d2），冷凝水量的具体计算过程：

单位时间冷凝水量：

式（1）中：Δq-单位时间冷凝水量，g/kg（干空气）；d1-脱湿前空气含湿量，g/kg（干空气）；d2-脱湿后空气含湿量，g/kg（干空气）。

干空气质量流量：

式（2）中：qm，a-干空气质量流量，m3/kg；pa干空气分压，Pa；p2大气压，Pa；pv，2-脱湿器出口水蒸气分压，Pa；qk空气质量流量，m3/min；Rg，a干空气气体常数，287J/（kg·K）；T2-脱湿器出口送风温度，K。

每台脱湿器每小时的脱水量为：

式（3）中：Q0-1台脱湿器每小时脱水量，t/h。

根据式（1）、式（2）、式（3）、及相应的运行数据，计算5台脱湿器在2014年7～8月的平均冷凝水量。计算凝水量的数据，如表1所示。

表1 夏季脱湿器空气凝水量

根据《公共建筑节能设计标准GB50189-2005》中空气调节冷、热水系统的设计标准，对2014年7～8月的运行数据进行计算分析。在一般情况下，宝钢高炉鼓风的制冷脱湿系统有4台脱湿器同时运行，计算7月份内1号、2号、3号、5号脱湿器日均冷凝水量，则4台脱湿器平均每小时产生22.56 t冷凝水（温度约10℃）。冷凝水温度接近于一般冷冻机组冷水的供水温度，如果能利用，可作为夏季空调的冷媒介质。根据《热工手册》中办公房间空调设计标准，设定房间空调冷冻水供、回水设计温差为5℃，根据房间冷负荷的概算值，空调房间内区的冷负荷约为95 W/m2。由此，可确定在完全利用冷凝水的条件下，能满足办公室区域内冷媒量的需要。对空调制冷的区域面积所需冷媒量进行计算：

式（4）中：A-达到冷负荷标准的办公面积，m2；Q冷-每小时冷凝水的冷量，W；q冷负荷-夏季办公室内区冷负荷，W；Q0-冷凝水量，t/h。

通过式（4）计算，可知宝钢高炉鼓风脱湿系统每小时产生的低温冷凝水，完全适用于面积约为1 385.26 m2夏季办公区域空调的冷负荷，可作为空调的冷媒介质使用，无需另外使用空调制冷设备为办公区域降温。因此，制冷脱湿系统冷凝水的回收再利用，可以作为宝钢高炉鼓风系统一个有效的节能措施。

2 非脱湿期送风管路旁通设计

通过计算送风系统管路的阻力损失，可知空气过滤器和脱湿器造成的局部阻力损失，是整个鼓风机系统中阻力损失最大的两个设备。因此，降低这两部分的阻力损失，对降低整个管路阻力损失值具有重要意义。目前，对装有脱湿装置的高炉鼓风脱湿系统而言，鼓风机全年向高炉送风可分为脱湿期和非脱湿期。宝钢高炉鼓风脱湿期为4～11月份，其他月份由于空气湿度较低，不需要进行脱湿处理。目前，因系统连接上的原因，高炉鼓风机在非脱湿期所输送的空气仍需通过脱湿器，致使在非脱湿期，仍在系统中存在阻力损失，增加了鼓风机的耗电量。因此，根据现行的运行模式，建议在非脱湿期更改空气的输送路径，可采用旁管方式使空气绕过脱湿器，这样可消减由脱湿器造成的约1 000 Pa阻力损失。增加高炉鼓风系统的旁路管道，如图1所示。

图1 增加高炉鼓风系统的旁路

对现有管路系统进行改造，加装旁路管道。加装旁路管道后，空气绕过了脱湿器，从旁路管道流向富氧混合器。在这段旁路管道上，仅存在阀门及2个弯头引起的局部阻力损失，沿程阻力损失很小。根据2014年2月的平均数据，对1号鼓风机单体送风系统进行阻力分析计算，这段管路造成的阻力损失约为132 Pa，而原先空气经过脱湿器所造成的局部阻力损失为851 Pa，相差719 Pa。根据鼓风机的运行经验，当鼓风机吸入压力每降低100 Pa，有功功率平均上升22 kW，如以700 Pa的阻力损失计算，功率消耗约为154 kW，每台鼓风机工作1天（24 h）将消耗3 696 k W·h。若以4台鼓风机计，在非脱湿期内（合计4个月）全天连续运行，则可以减少鼓风机耗电量为1 774 080 kW·h，每年仅在非脱湿期可节电约177万余度，节省电费（按0.6元/度计算）约为106万元。采用旁路管道送风，实际能耗变化的汇总情况，如表2所示。

表2 不同送风模式下能耗变化情况

因此，在现有送风管道及送风模式下，加装了旁路管道。在非脱湿期间，将旁通阀门打开，用挡板封闭空气过滤器和脱湿器之间的流通通道，让过滤后的空气直接从旁通管路流向富氧混合器，这样可减少鼓风机的能耗，是较经济且可行的节能改造措施。

3 降低循环冷却水温度

对制冷机和脱湿器的运行状况进行综合计算后，发现鼓风机站的部分脱湿器，因冷量供应不足，造成鼓风空气的含湿量高于工艺要求的10g/m3，影响了高炉炼铁的综合能耗。因此，需进一步降低冷冻机循环冷却水的温度，增加冷冻机的实际供冷量，进而提高整个钢厂的综合效率。

为此，需对换热效率进行计算分析。采用换热器设计中两个基本关系式，即传热方程式和热平衡方程式。传热方程式的基本形式为：

式（5）中：Q-换热量，W；K-整个传热面上的平均传热系数，W/m2·℃；F-传热面积，m2；tm-两种流体之间的对数平均温差，℃。

式（5）中的对数平均温差，可表示为：式（6）中：Δtmax代表Δt′和Δt″两者中的较大者，而Δtmin代表两者中的较小者，在不考虑散热损失的情况下，则冷流体所吸收的热量等于热流体所放出的热量，这时热平衡方程的基本形式可表示为：

式（7）中：M1-热流体的质量流量，kg/s；M2-冷流体的质量流量，kg/s；h′1-热流体的进口焓值，J/kg；h″1-热流体的出口焓值，J/kg；h′2-冷流体的进口焓值，J/kg；h″2-冷流体的出口焓值，J/kg。

现选用2014年7月11日10：00时，7号冷水冷冻机冷凝器两侧流体的进出口温度，计算得出此工况条件下冷凝器的换热值。并将循环冷却水温度降低1℃之后，采用换热器的校核计算，迭代得出了（冷却水入口温度29.1℃）冷凝器的热交换数据，迭代计算后的数据，如表3所示。

表3 7号冷水冷冻机冷凝器工况及换热量

由表3数据可知，，在压缩机功率不变的情况下，降低循环冷却水水温，可以加强冷凝器的换热效果，即每降低1℃冷却水的进口温度，可使冷水冷冻机的冷凝器增加271.8 k W的换热量。按照7号冷水冷冻机的设备参数，其压缩机的额定功率为900 kW，实际循环冷却水温为30.1℃，如采用29.1℃的循环冷却水，可使900 kW的冷冻机产生5 708.5 kW的换热量。若使冷凝器的换热量保持不变（5 436.7 kW），只需配备功率为857.15 k W的冷水冷冻机，相对于功率900 kW的冷水冷冻机，可减少功率42.85 kW。

同理，选取4号盐水冷冻机在同一时段的冷凝器两侧进出口温度，在降低1℃循环冷却水进口温度条件下，计算得出冷凝器的热交换值。计算结果，如表4所示。

表4 4号盐水冷冻机冷凝器工况及换热量

由表4数据可知，降低1℃循环冷却水温，可使盐水冷冻机的冷凝器增加187.8 kW的换热量。按照4号盐水冷冻机的设备参数，其压缩机的额定功率为870k W，实际循环冷却水温为30.1℃，如采用29.1℃的循环冷却水，可使870 k W的冷冻机产生3774.6 kW的换热量。若冷凝器的换热量保持不变（3586.8k W），只需配备功率为826.71 k W的盐水冷冻机，相对于功率870 k W的盐水冷冻机，可减少功率43.29 k W。

因此，每降低1℃循环冷却水温度，可使冷水冷冻机功率降低42.85 k W、盐水冷冻机功率降低43.29 kW，就可达到目前冷凝器的实际换热量。以此类推，计算了夏季（7～8月）高温时，每降低1℃循环冷却水温度，冷冻机组的耗电变化。计算后的数据，如表5所示。

表5 降低循环冷却水温冷冻机组耗电变化情况

从表5的计算结果可知，若在7～8月份降低循环冷却水温1℃，则每月冷水冷冻机可节电约3.19万度、盐水冷冻机可节电约3.22万度，节能的潜力很大。

4 人工清扫过滤器

宝钢5台高炉鼓风机配套的过滤器为自洁式空气过滤器，过滤器设置有脉冲喷吹系统，根据设定的喷吹周期，脉冲喷吹系统定期向滤筒喷吹具有一定压力的氮气，清除滤筒上积附的灰尘，以降低过滤器的阻力损失。

根据鼓风机站的运行状况，可优化空气过滤器的运行控制，适时进行人工清扫。

（1）反吹系统中，采用1个电磁控制阀控制5个反吹气源喷头，并且5个喷头呈并联排列，由于反吹管程阻力的影响，反吹时，靠近气体源的喷头压力较大，滤筒被反吹清灰的效果较好，远离气体源的喷头压力较小，滤筒的清灰效果较差。此外，又不能增加反吹清灰的频度，因为在反吹过程中，氮气作为吹扫气源被吸入鼓风机送往高炉，对高炉的生产不利。

（2）在连续阴雨、多雾的气候条件下，大气的湿度较大，使得受潮悬浮尘埃黏附在滤筒上，影响了反吹系统的清灰效果。

（3）空气过滤器未设置专门的清灰斗，不能及时清除反吹下来的尘埃。另外，在反吹过程中，因过滤器处于负压状态下，反吹后的尘埃很容易重新吸附在滤筒上，所以，反吹的效果不佳。针对这些问题，曾采用人工清扫的方式，对过滤器进行了清灰处理。在2014年5月，对2号鼓风机配备的空气过滤器进行了人工清扫处理，清扫前后（一个月内）过滤器压差变化情况，如图2所示。当滤筒的压差达到1 200 Pa，进行了人工清扫处理，滤筒的压差下降了569 Pa，且在人工清扫完成之后，在随后的一段时间内，滤筒的压差比较稳定。

图2 2号鼓风机过滤器人工清扫前后压差变化情况

当然，人工清扫增加了人工费用成本。根据现时的人工价格，清扫一次的人工费用约为1～2万元，考虑价格浮动因素，取最大值2万元进行计算分析。目前市场上一套自洁式空气过滤器滤筒的更换成本为30万元，额定使用寿命为2年，即滤筒每月平均折旧费用为1.25万元。

为使人工清扫滤筒能达到预期的经济效益，在进行一次人工清扫后，其人工清扫费用成本需小于滤筒清扫后延长使用寿命的价格，而1台自洁式空气过滤器有520个滤筒，每使用一个月，折旧费用为1.25万元。由此推算，人工清扫一次滤筒的费用为2万元，折合滤筒需使用48天的折旧费用。也就是说，在人工清扫滤筒后，滤筒需延长使用期约为48天，才可认为人工清扫滤筒是经济的。

根据目前的实际运行情况，当过滤器滤筒的压差为1 200 Pa时，才进行人工清扫，压力值下降400 Pa左右，而且后续使用时间远大于48天。因此，经综合考虑，人工清扫滤筒也是比较经济的。

5 结 语

对高炉鼓风系统的运行状态进行了分析，并结合高炉炼铁工艺及鼓风机站的实际情况，制订了针对高炉鼓风系统的节能措施。

（1）脱湿冷凝水的回收利用。针对冷凝脱湿的特性，对冷凝水的回收利用进行了计算分析，鼓风脱湿系统每天产生的10℃冷凝水，其冷量可供夏季办公区域的空调使用。

（2）增加非脱湿期送风管路的旁路设计。针对非脱湿期送风系统管路设计的不合理性，设置了旁路管道，在非脱湿期间改变送风路径，降低了管路的阻力损失，进而降低了鼓风机的能耗。

（3）降低循环冷却水温度。针对夏季高温时鼓风系统的脱湿效果差，未能达到炼铁的工艺要求，提出降低循环冷却水温度，以提高冷冻机组的供冷能力，提高鼓风系统的脱湿效果。

（4）人工清扫过滤器。针对自洁式空气过滤器脉冲反吹清灰的效果不佳，提出人工清扫空气过滤器滤筒。经核算，采用人工操作的方法也是比较经济的。

［1］胡明齐，谷守业.高炉鼓风系统的节能［J］.冶金能源，1984，3（5）：9-11.

［2］周鑫宝.自洁式空气过滤器在特殊天气条件时的应用探讨［J］.杭氧科技，2006（3）：5-8.

［3］信保定.高炉鼓风机过滤器的选择［J］.钢铁厂设计，2001（6）：44-48.

The Feasibility analysis of the Energy Saving Project of the Blast Furnace Blast System

WANG Di

（Shanghai Special Equipment Supervision and Inspection Technology Institute，Shanghai 200333，China）

Combining requirement of the blast furnace iron making process and the real operation of blast furnace blower station，the paper proposed the practical rebuild for energy saving which starts with the factor influence blast operation.Each year the blast furnace station has produced lots of low temperature condensate.These can be the coolant of central air conditioner in summer.Then the energy-saving potential of the furnace blower system in the existing operation mode was excavated deeply.

energy saving；the blast furnace；blast system；drain；coolant；condensate；application；rebuild

TK223.26

：B

1672-0210（2015）01-0050-05

2014-11-07

王迪（1977-），男，本科学历，从事特种设备的技术检验工作。