钢铁企业压缩空气节能分析和实践

王长华

（南京钢铁联合股份有限公司制氧厂，江苏南京210035）

制氧

钢铁企业压缩空气节能分析和实践

王长华

（南京钢铁联合股份有限公司制氧厂，江苏南京210035）

压缩空气加工过程中需要消耗电能和蒸汽。从设备、工艺及辅助系统几个方面阐述了压缩空气生产过程中的节能空间与措施，并以几个实例论证了节能效果。

压缩空气；节能；效果；实践

1 概述

压缩空气作为钢铁企业的动力气源被广泛使用在仪表、气体动力等方面，其重要性不言而喻。联合型钢铁企业由于生产流程长、工艺复杂，大量使用压缩空气，压缩空气的需求量巨大。一座1000万t的钢铁企业，压缩空气的使用量达到15万～20万m3/h。在加工压缩空气的过程中需要消耗大量的电和蒸汽，虽然这部分能耗占钢铁企业总能耗比例不是很大，但是从精细管理出发，对成本的影响还是十分可观的。因此，做好压缩空气的节能工作，对于节能减排和企业效益是十分重要的。

2 现状

钢铁企业的压缩空气供应，各个企业由于各种原因形式各异。

2.1 供应模式

供应模式主要有：

（1）集中供应：在工厂根据用户的位置和需求，设置一至二处集中空压站，通过管网输送到各个用户。

（2）分散供应：各个生产单元独立配置压缩空气动力气源，彼此互不干涉。

2.2 供应的压力、质量

压缩空气的供应压力一般在0.5～0.8 MPa之间，部分用户点压力点需求较高，比如喷煤等工序达到1.2 MPa以上。对于气体的质量要求一般分为普通气、-10℃以下的干燥气，-20℃以下的干燥气,特殊需要露点可能在-40℃以上。气源无杂质、稳定。

2.3 供应装置

2.3.1 压缩设备

压缩设备是压缩空气供应的核心机组。主要有3类：活塞式压缩机、离心式压缩机、螺杆式压缩机。

（1）活塞式压缩机：压力范围宽、技术成熟；缺点是压缩气量范围受限，设备故障率高、维修费用相对较高、能耗偏高。

（2）离心式压缩机机组：压缩气量大、故障率低、维修工作量小、集成度高，易于自动化控制、能耗低；缺点是设备投资较高、气量大，不好调节。

（3）螺杆机组：结构紧凑，故障率低、能耗低、自动化程度高；缺点是气量范围较小，后期维修费用高。

2.3.2 净化设备

压缩空气根据用户需求不同,提供不同的净化设备和流程而取得。压缩空气净化主要处理含尘量、含水量。

（1）除尘。除尘主要依靠压缩机进气侧除尘，除尘设备多样。主要有自洁式过滤器、普通纸质过滤器、袋式过滤器等。现场常用是自洁式过滤器居多。

（2）除水。压缩空气除水根据露点要求的不同而采用不同的设备。

（3）冷冻机除水。利用低温将空气降温将空气中的水析出，一般露点可以控制在5℃左右。

（4）分子筛、铝胶吸附。利用分子筛、Al2O3的吸附性将空气中的水分吸附。该工艺露点可以达到-20℃以下。

2.3.3 储存设备、缓冲设备、管网

为保证压缩空气稳定供应和稳定管网压力，一般设置气体缓冲罐。管网为送到用户的输送设备。

3 节能措施及实践

空压站耗能较多，如何节能是空压站稳定运行后的主要工作，特别钢铁企业效益下滑的阶段，做好空压站的节能工作显得更加重要。

3.1 净化工艺改进

传统的空气净化采用冷干、微热处理空气，耗能、耗气，十分不经济。

3.1.1 采用余热干燥装置

压缩热再生式空气干燥机是利用空压机高温排气的热量，对吸附干燥剂直接加热，使干燥剂得到彻底再生，由于其利用压缩机的末级压缩热作为干燥剂的活化热源，省去加热电炉或者蒸气，加热再生时无耗气，最大程度地节约了能量。

3.1.2 零耗气装置

零耗气除了采用压缩机余热加热技术外，还循环利用冷吹系统的干燥空气，从而实现零耗气，节约能耗。该技术目前是空压气处理中最优技术。

3.1.2.1 主要工艺流程如图1

图1 主要工艺流程

3.1.2.2 流程简介

（1）平行运行：

从空压机末端排出的压缩空气进入干燥机管道，经后冷却器冷却后降至吸附温度，含有冷凝水的压缩空气经气液分离器分离水分，而后经排污阀排出。分离后的气体则由V1阀门后，经V3阀门（V4阀门）进入A（B）塔，在吸附剂的吸附作用下，使气体进一步除水干燥，达到设计的露点，然后经V5阀门（V6阀门）输出。

（2）吸附/解析：

从空压机末端排出的压缩空气经V13阀门进入辅助电加热器被加热，而后经V10阀门自吸附塔顶部进入吸附塔内，将塔内吸附剂加热到脱附温度而再生，加热后的湿空气经V4阀门和V2阀门进入中间冷却器冷却至吸附温度，含有冷凝水的压缩空气经气液分离器进行分离水分，分离出的水迅速经排污阀排出。气体则由V11阀门进入吸附塔，在吸附剂的吸附作用下，使气体进一步除水干燥，达到设计的露点，然后经V5阀门输出。

解吸终端温度达到设计的温度后，设备自动停止加热解吸，转入下一流程。

解析时V1关闭，所有气体先做为解析气再经吸附输出。

（3）吸附/吹冷：

已解吸的吸附剂还必须再次进行冷却。从压缩机末级排出的热压缩空气直接进入后冷却器。经后冷却器冷却至吸附温度，含有冷凝水的压缩空气经气液分离器进行分离水分，分离出的水经排污阀迅速排出。气体则由V1阀门，V4阀门进入再生塔吹冷，吹冷后的湿空气经V10阀门和V8阀门进入中间冷却器冷却至吸附温度，含有冷凝水的压缩空气经气液分离器进行分离水分，分离出的水经排污阀迅速排出。气体则由V11阀门吸附塔，在吸附剂的吸附作用下，使气体进一步除水干燥，达到设计的露点，然后经V5阀门输出。吹冷终端温度达到设计的温度后，设备自动停止吹冷，转入下一流程。

3.1.2.3 案例：某钢铁企业原采用冷干机和微热处理的模式。2014年对该系统进行改造，全部采用零耗气的处理方案，取得较好的经济效益。该空压站每小时供应5万m3/h空压气。

（1）冷干机节电：295 kW·h/h。

（2）节约微热排气5000 m3/h，节约率达到10%。

3.2 合理配置压缩机和设立压缩空气站点

3.2.1 钢铁企业的压缩空气站设置尽可能地安排设立在用户集中的区域，减少压力输送损失。

3.2.2 压缩机设计要与用量匹配。要避免用气量大使用供气小的压缩机，造成设备过多，占地过大而且维修费用高。也要避免用气量小而采用大气量的设备，容易造成气体的放散和卸载问题，造成能耗的浪费。

3.2.3 实践案例

（1）某炼铁厂需要月3.5万m3/h的压缩空气，配备了18台2000 m3/h的螺杆压缩机。造成厂房占地过大，供气的能耗高，设备维修费用居高不下等问题突出，类似的设计要坚决避免。

（2）某炼钢区域需要5万m3/h的压缩空气，配备15000 m3/h的压缩机。正常运行4台压缩机，平时始终有一台压缩机处于经常性的加载和卸载的状态，对设备的稳定安全运行造成影响，同时造成压缩机空载能耗的浪费。

3.3 辅助系统节能

辅助系统的节能，是空压系统节能的重点内容。

3.3.1 供水系统节能

3.3.1.1 凉水塔

（1）凉水塔主要作用是降低循环水的温度。凉水塔的结构形式主要有动力风扇和无动力喷雾冷却两类。两种类型各有优缺点，主要根据企业所处的区域而定。

（2）凉水塔的处理量要足够满足温度降低，平时注意关注凉水塔的风扇的运行情况，出现故障要及时维修，保证运行。在冬季，可以少开风扇节约能耗。凉水塔出现漏水等情况，要及时处理，减少水的蒸发。

3.3.1.2 循环水泵

水泵是空气压缩工序除压缩机外的最大能耗单元，主要存在问题：

（1）在选择水泵配置时，一般选择的水泵流量、扬程都偏大。

实际运行中，为控制水泵流量和压力，人为地将出口阀门关小，运行不经济。

（2）水系统压力运行偏高，增加能耗。

水系统运行压力偏高，一般压缩机的运行水压要求在0.3～0.4 MPa范围内，如果运行压力过高，造成能耗的浪费。

水泵系统节能措施：

（1）根据需要的压力和流量，对叶轮进行切割。在保证流量的情况下，降低扬程，要保证出口阀具备全开的要求。

（2）对运行水泵增加变频控制，能够有效地降低系统压力，降低水泵的运行电流。

案例实践：某钢铁企业空压站原有3台水泵供应循环水系统，2用1备。水泵型号350S-75，配备电机250 kW，节能改造前运行电流为380 A，开2台水泵，系统压力为0.6 MPa。经过对叶轮的切削改造，并且改造增加了1台变频设备。实际运行依然为2用1备，而2台的运行电流仅为280 A，节约电流480 A，节约电耗280 kW/h，全年可以节约电能245万kW。

3.3.1.3 水质控制

水质控制关系到压缩机的气体换热效果，从而直接影响压缩机的运行能耗，对压缩机的稳定运行起直接作用。目前多数企业水质采取由水质厂家承包性能，用户容易忽略对水质厂家的管理，而且水质厂家一般通过招标获得，价格偏低，部分存在恶性竞争的问题，水的质量堪忧。应此必须采取严格控制措施：

（1）制定明确的水质指标和要求。浊度、硬度、含油、腐蚀等指标要提出要求。

（2）对水质每天要进行监控分析，具备条件要定期打开冷却器检查。

（3）对冷却器的冷却效果要严密监控。一旦冷水和出气的温差有异常变化，要及时查明原因。

（4）冷却器出现结晶等问题，要及时清洗，消除结垢问题。

（5）高度关注冷却器的腐蚀情况，水质挂片要定期称重。由于水质造成冷却器的损坏，损失很大。

4 结语

空压气节能对于降低空压气的运行成本意义重大，节能改造工作对于目前冷干和微热工艺处理的企业，节能效果十分明显。目前空压气的运行能耗可以控制在0.14 kW·h/m3以下，如果运行精细，可以控制在0.13 kW·h/m3以下。一次性投资改造虽然成本较高，但是收益是十分明显的。对于资金不足的单位可以采用合同能源管理的模式进行改造，是一个双赢的合作模式。

表1 三种方法的阻力计算结果

将实测值与数学计算、模拟计算的值相比，差值分别为7.23 Pa、11.3 Pa，考虑到实际工况与理想工况、模拟工况的差距，可以认为实测值与数学计算、模拟计算的值是吻合的。这样从另一方面印证了本煤气柜呼吸系统模拟与分析方法的正确性。

三种方法得出的阻力的结果均为70 Pa左右，本文认为这也就表征着煤气柜柜内煤气的压力的波动值，波动范围为70/1800≈4%。

为了对结果进行判断，同样对国外引进的、作为标准柜型的8万m3橡胶膜密封干式煤气柜（储气两级压力分别为2.5、3.2 kPa）做了类似的工作，计算及测量结果在95 Pa左右，波动范围为95/2500≈3.8%。

在缺乏明确的评判标准的现状下，可以以作为标准柜型的8万柜的相应数据为标准，本文研究的15万柜的阻力值小于8万柜，波动范围比8万柜稍大，笔者认为可以判断出15万m3橡胶膜密封干式煤气柜在应对活塞高速上升的情况下的压力波动并不大。

5 结论

本文给出了橡胶膜密封干式煤气柜呼吸系统的定义，并对其做了简要说明，介绍了呼吸系统对于橡胶膜密封干式煤气柜重要作用。选取了数学计算和模拟计算两种方法，对橡胶膜密封干式煤气柜的呼吸系统进行了分析计算，最后将结果加以对比，明确了通过数值模拟计算来支持设计的正确性，同时也验证了15万m3橡胶膜密封干式煤气柜呼吸系统设计的合理性。

本文只是以理论分析、数学计算、模拟计算和现场实测四种方法为基础，加以对比计算，对比分析，对于橡胶膜密封干式煤气柜呼吸系统的本质的探讨仍有一定的局限性，同时由于条件所限，计算出的值并没有一个明确的评判标准，只能依照以往的工程经验加以简单比较，同时，在同等条件下，没有对煤气输出时，空气的阻力值对活塞压力的变化深入分析，也是本次研究的一点遗憾。。总之，橡胶膜密封干式煤气柜呼吸系统模拟与分析的方法从工程设计层面来说，对煤气柜的扩压、扩容开发工作是适用的，同时也对今后该种柜型的煤气柜的深入研究打下了坚实的基础。

[1]钢铁企业燃气设计参考资料(煤气部分)[M].北京：冶金工业出版社，1979.

[2]谷中秀.橡胶膜型干式煤气柜[M].北京：冶金工业出版社，2010.

收稿日期：2014－01－15

作者简介：付重重（1984-），男，2009年毕业于华中科技大学供热、供燃气、通风及空调工程专业，硕士研究生学历，工程师，现从事冶金燃气设计及研发工作。

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

王长华（1972-），男，1992年毕业于南京化工学校化工机械专业，高级工程师，现从事制氧设备管理工作。