高炉鼓风系统效率提升及节电潜力探讨∗

朱红兵 林奕逸 郁鸿凌

（1.上海宝钢节能环保技术有限公司；2.宝山钢铁股份有限公司；3.上海理工大学）

高炉鼓风系统效率提升及节电潜力探讨∗

朱红兵1林奕逸2郁鸿凌3

（1.上海宝钢节能环保技术有限公司；2.宝山钢铁股份有限公司；3.上海理工大学）

从高炉鼓风系统的几个主要子系统入手，着重剖析了鼓风除尘过滤系统、鼓风制冷脱湿系统以及送风管网系统的组成结构，针对自洁式过滤器和管路送风系统的阻力进行了计算分析，从理论上对能量损耗进行了计算分析，并以此为依据，提出可行的优化和改造方案：针对空气除尘过滤系统，提出反吹间隔时间的最佳值，可有效延长滤筒使用寿命，降低风机电耗。针对制冷脱湿系统，提出冷凝水回收再利用节能措施；针对送风管网系统，指出降低机前鼓风阻力损失是降低整个管网系统能耗的关键，提出在现有管网系统中加装旁通管路，每年为鼓风站节约45万余度电，节省电费约27万元。

高炉鼓风，鼓风机，节能，效率潜力，鼓风除尘过滤系统，鼓风制冷脱湿系统，送风管网系统

0 引言

大、中型高炉所用的鼓风机中，大多采用汽轮机驱动的离心式压缩机和轴流式压缩机。近年来随着电机技术的不断发展，高炉鼓风机一般都采用大容量同步电动轴流式压缩机，这种压缩机的电气设备较多，耗电量大，但相比较汽轮机驱动方式投资较少[1]。以某大型钢铁公司高炉鼓风站的数据为例，该高炉鼓风站由5台全静叶可调轴流式高炉鼓风机组成，并由5台功率为48MW的同步电动机驱动，运行模式采用4用1备，担负着向全厂4座高炉全年连续送风的重任，整个鼓风机站的电能消耗约为每年11亿度，约占到整个厂区总电耗的10%。根据某年运行数据统计得出，5台鼓风机电机耗电量为11.38亿度，而鼓风机站总耗电量为11.64亿度，占总耗电量的97.7%以上，可见鼓风机的耗电量巨大[2]。

高炉鼓风机站所消耗的能源由数个辅助子系统组成，包括：鼓风制冷脱湿系统、鼓风富氧系统、鼓风除尘过滤系统以及送风管网系统等，这些辅助子系统的运行状况直接影响到鼓风机组的整体运行效率，对高炉鼓风系统能耗有较大的影响。这些因素包括：鼓风机本体的运行效率、除尘过滤及脱湿系统的阻力损失、脱湿效率以及管网输送阻力损失等。

对于高炉鼓风系统效率方面的分析研究，大部分是针对鼓风机送风量过大，出现放风，造成能量损失进行改造；或者是针对高炉鼓风机的防喘振控制策略进行研究。尤其是戚学锋等人进行了高炉鼓风机设备在运行过程中的寻优控制方法的研究，并在包头钢铁公司进行了应用，该方法的原理是在已获得鼓风机特性曲线的基础上，结合风机的效率—流量曲线，通过控制风机的转速和静叶角度，使风机能运行在具有较高运行效率和适宜的喘振裕度的工作点上[3]。但该法仅是针对鼓风机设备本体，并未涉及到对周边子系统的分析和研究。而目前针对提高整个高炉鼓风系统的运行效率和节电潜力的研究是鼓风站节能降耗的一个重要研究课题。以某大型钢铁公司高炉鼓风站的数据为例，如果能够提高鼓风机系统效率0.05个百分点，按照该鼓风机站年耗电量11亿度计算，则每年可以节电约50万度，按企业用电0.6元/度计算，则一年仅在鼓风机站就可以节省电费约30万元。

1 鼓风系统效率影响因素分析

从以下两个方面阐述影响高炉鼓风系统运行效率的因素：

第一，结合高炉炼铁工艺要求对除尘过滤系统、制冷脱湿系统、管网送风系统等重要辅助系统进行运行状况分析，找出影响各自能耗的因素，提出节能运行建议。

第二，对影响鼓风机主机运行效率的因素，如过滤系统的阻力损失、管网阻力损失等问题进行分析研究，并提出调整改进措施，达到节约能源的目的。

典型的高炉鼓风系统流程图见图1。

图1 高炉鼓风系统流程图Fig.1 The blast furnace blower system flow chart

1.1 鼓风除尘过滤系统

1.1.1 自洁式空气过滤器应用

高炉鼓风进口端过滤器主要采用自洁式空气过滤器，过滤元件为刚性滤筒。空气通过粗滤筒过滤后，经由自洁式过滤器进行细过滤得到洁净空气，当滤筒内外压力差值达到设定值时，启动反吹系统，进行滤筒自洁清理。

高炉鼓风过滤器也有采用布袋式除尘过滤器的，过滤元件为细长的口袋。由于具有除尘效率高、结构简单、平时维护量小的特点，该类型过滤器得到迅速推广和应用。我公司是国内高炉鼓风机首家使用布袋式空气过滤器的用户，除尘效果良好，鼓风机运行近二十年，鼓风机叶片磨损较少。但由于自洁式过滤器的除尘性能更加优越，安装维护更加简便（表1），我公司在4年内在5#鼓风机、3#鼓风机、1#、2#鼓风机及4#鼓风机上将布袋过滤器更换为自洁式空气过滤器。

表1 布袋式过滤器与自洁式过滤器性能比较Tab.1 Cloth bag filter and the self-cleaning filter performance comparison

自洁式空气过滤器是由鼓风机抽吸形成负压，过滤器吸入周围空气，经由粗滤筒将空气中悬浮较大物体进行粗过滤，空气中的粉尘在经过滤芯时，由于粉尘重力作用或静电作用以及颗粒碰撞接触作用被阻留在滤筒外，洁净空气经过文氏管加速后，由出口管送出，见图2。

图2 自洁式空气过滤器自动反吹过滤系统工作原理图[4]Fig.2 Self-cleaning air filter automatically reverse filtration system working principle diagram

1.1.2 空气除尘过滤系统对鼓风效率的影响

高炉鼓风机高速旋转的叶轮或叶片，对吸入空气中的飘尘十分敏感，粉尘(直径≥4μm)对风机叶片的磨损是影响设备长期正常运行的主要原因之一。钢铁企业的空气中主要成分为粉尘颗粒，大气中所含的粗糙矿物尘粒及各种气体的混合物对鼓风机有以下危害：

1）对于前几级叶片，粉尘附着于叶片表面，容易对叶片造成点状腐蚀；

2）后几级叶片，空气温度升高，粉尘难于附着于叶片表面，而是随气流对叶片造成冲刷磨损；

3）由于上述因素影响，鼓风机风量降低，喘振线下移，有效运行范围缩小，风机效率降低，甚至被迫停机检修；

4）因自洁式除尘器运行阻力上升，会导致风机的运行点发生偏移，风机消耗功率随之增加。

我公司大型轴流式鼓风机揭缸检修时，发现鼓风机动叶（第一级）磨损厉害，原因是自洁式滤筒过滤器过滤颗粒直径较大。因此，在鼓风机机前配备有效的空气过滤器是很有必要的。

高炉鼓风机对空气过滤器的基本要求有：除尘效率高，在当地大气含尘量的情况下能满足高炉鼓风机对粉尘含量的要求，同时流动阻力尽量小，此外还应考虑鼓风机周边空气不被严重污染，以及在低温天气或者空气湿度较大时，不会发生结冰或积灰等堵塞问题[5]。

一般自洁式过滤器滤筒初始压力差为200～300Pa，但当滤筒压差持续保持在1 200Pa以上时，鼓风机电耗增大，需更换滤筒，一般滤筒使用寿命为2年。

图3 自洁式过滤器滤筒一个更换周期压差变化趋势图Fig.3 Self-cleaning air filter tube pressure difference change trend in one cycle

随着鼓风机运行时间增加，滤筒的过滤能力将逐步下降，滤筒附着的灰尘也逐渐难以清除，即使反吹系统一直在运行，滤筒的内外压差逐渐上升，引起过滤器阻力上升，使得风机耗电量增加。

1.1.3 空气除尘过滤系统的节能措施

1.1.3.1 实时控制反吹间隔时间

自洁式过滤器设置的反吹周期是当滤筒压力差小于600Pa时，每30s反吹一次；压力差大于600Pa时，每15s反吹一次，一次反吹2组滤筒。如果缩短反吹间隔时间，滤筒压力差将会迅速下降。由于反吹间隔时间缩短，压力差增长速度放缓。

根据实验数据，滤筒压差由582Pa至608Pa，反吹间隔时间为30s时，需要24h；若将反吹间隔时间修改为15s，当滤筒压差达到608Pa，需要52h，即延长滤筒使用寿命28h。

图4 反吹间隔时间对压力差影响程度示意图Fig.4 Filter tube pressure difference change trend under counter blowing interval time

1.1.3.2 人工吹扫与风机耗电量的关系分析

考虑到阴雨天气，导致大气湿度增加，严重影响自洁式空气过滤器的自洁效果，针对还未使用到两年滤筒压差却大于1 200Pa的滤筒而言，可考虑采用人工吹扫方法对其进行拆卸清扫。为不影响鼓风机的正常运行，人工清扫采用的是不停机清扫，即每次只拆卸一组滤筒，其余滤筒正常运行，清扫完毕后，拆卸另一组滤筒继续清扫[6]。

根据鼓风机运行数据统计，滤筒阻力（进出口压力差）每增加100Pa，在提供相同的鼓风风量的前提下，鼓风机有功功率要增加22kW，由此可得出人工清扫一次节约电耗为

式中，ΔI为人工清扫后鼓风机节约电量，kW·h；ΔP为人工清扫后滤筒运行阻力下降值，Pa；T为人工清扫后滤筒在允许压差下的运行周期，h。

由于滤筒运行阻力随着运行时间而逐步上升，运行阻力上升趋势以及有效运行时间的长短与环境条件有密切关系，因此，上述计算出的节电量与实际状况略有差异。

1.1.3.2 滤筒材料选用

空气过滤器的滤筒材料：①透气性能好，以保证滤芯的流动阻力小；②滤筒结构简单，且有一定刚性强度，即能承受吸气时外部的压力，又能承受反吹时的冲击力；③滤筒材料孔隙度适当，滤清效率高，不易侵灰，以保证过滤效率和精度。

1.2 鼓风制冷脱湿系统[7]

高炉除湿鼓风作为一项炼铁界所公认的节能技术，其不仅能有效减少高炉能量消耗，又有利于高炉生产的稳定，提高产品产量。

鼓风制冷脱湿系统由制冷系统和脱湿系统两部分组成。一般采用在鼓风机吸入管侧装置冷却器、利用大型冷冻机冷却介质、再由介质冷却空气的间接冷冻脱湿的方法。空气经过冷却器冷却后使空气温度下降，从而脱去空气中的湿分，低温低湿的空气进入高炉鼓风机。产生了以下直接经济效益和间接经济效益。

1.2.1 高炉顺行增产效益

高炉除湿鼓风后，鼓风机进口的空气密度提高，根据钢铁行业的经验数据显示，在相同风量的情况下，鼓风含湿量每降低1g/Nm3，高炉炼铁产量能够增加0.1%～0.5%。

1.2.2 降低综合焦比

高炉鼓风除湿后，加热需要的燃料减少,根据经验可知,含湿量每降低1g/Nm3，可降低综合焦比0.8kg/t铁；同时每吨铁水可多喷煤粉量1.7kg/t铁，按煤代焦置换系数0.8计算，每吨铁水可以减少焦炭用量1.36kg/t铁。

1.2.3 节约鼓风机能耗

高炉除湿鼓风后，鼓风机进口的空气密度提高,在高炉产量相同的情况下，可减少鼓风风量使其能耗下降，平均节能5%～10%。虽然除湿系统需要增加部分能耗，但其增加值小于鼓风能耗的下降值。

1.2.4 脱湿冷凝水回收再利用

由于制冷脱湿系统是保证高炉鼓风送风湿度的主要辅机设备，同时也是所有的辅机中所占能耗比重最大的设备，因此针对制冷脱湿系统的运行特点提出节能措施，可以进一步减少鼓风机运行的系统整体能耗。

根据制冷脱湿系统的冷冻机和脱湿器的运行状况分析，以及制冷脱湿系统的运行特点，提出一个脱湿冷凝水回收再利用主要的节能措施。

高炉鼓风系统采用的脱湿方法大多是冷凝脱湿，每年每台脱湿器在脱湿期内都会产生大量10℃左右的低温冷凝水。在夏季高温气候条件下，如果将这些冷凝水收集起来，用于办公室房间空调制冷，可以达到良好的节能效果。

以我公司高炉鼓风制冷脱湿系统为例，在7月份的脱湿期间，平均每小时可产生22.56吨、温度为10℃的冷凝水，接近了冷水机组冷水供水温度值，可以作为冷冻水用。冷冻水供、回水设计温差设定为5℃。按照《热工手册》上夏季房间冷负荷概算值，办公室内区的冷负荷在95W/m2，因此，可以计算出高炉鼓风制冷脱湿系统每日产生的冷凝水冷量，在完全利用的条件下，能否满足办公室空间内的冷量需求。

式中，A为达到冷负荷标准的办公面积，m2；Q冷为每小时冷凝水的冷量，W；q冷负荷为夏季办公室内区冷负荷，W/m2；C冷为水的热比容，J/kg.℃；qm为脱湿系统每小时产生的冷凝水量，kg/h；△t为冷冻水供回水温差，℃。

根据计算结果，可以得出高炉鼓风脱湿系统在脱湿期间，每小时产生的冷凝水冷量对应设定的夏季办公室内区的冷负荷值，可以供应1 385.26m2的区域使用，因此，高炉鼓风制冷脱湿系统的冷凝水回收再利用，可以作为高炉鼓风系统一个有效的节能措施。

1.3 送风管网系统

高炉鼓风机单体送风流程系统的组成主要有空气过滤器、脱湿器、制冷机、富氧混合器、鼓风机等，并配风道的阀门附件，如逆止阀、防阻塞阀、吐出阀、送风切换阀等，同时为了满足工艺和设备保护要求，旁路上配有防风阀门和急速减压阀等附件，鼓风机单体送风流程如图5所示。

图5 鼓风机单体送风流程简图Fig.5 Blower blast process

1.3.1 送风流程能耗阻力分析

鼓风机在输送空气的过程中，必须要保证足够的出口风压来克服送风系统阻力损失、高炉炉料阻力损失，并且提供一定的高炉炉顶压力值。这些阻力直接影响鼓风机的能耗，因此，降低系统的阻力损失以减少鼓风机能耗具有实质性作用。

图6 第一管段管网布置图Fig.6 The pipe network arrangement of first pipe section

鼓风机单体送风流程管网布置较为简单，由于鼓风风量相当大，所以引起的风压阻力损失不容忽视。如果鼓风机进风口的流动阻力增大，将直接导致鼓风机进风负压升高，鼓风机实际工况点向非正常工况区域(喘振区域)偏移，鼓风机效率下降，造成电动机能耗增加。

为了保证鼓风送风的稳定性，一般要求在输送管网中产生相对较小的阻力损失，其包括沿程阻力损失和局部阻力损失两部分。沿程阻力主要与管道长度和材料以及管道走向有关，局部阻力则与管网上的部件和装置有关，如：管道的变径、阀门、弯头等[8]。

根据送风管网的实际运行状况，计算管网阻力损失时将送风管网系统分成两段进行分析研究。

第一管段：过滤器进口到鼓风机进口

第二管段：鼓风机出口到送风切换阀出口

由于鼓风采用的是机前富氧的方式，对吸入的空气进行加氧处理的，因此送风量在富氧混合器前后的风量将有所变化，又以富氧混合器为界将第一管段分成A和B两段分别进行阻力计算。同时根据富氧混合器的构造以及空气富氧的方式，可以认为富氧混合器所造成的压力损失忽略不计。

图7 第二管段管网布置图Fig.7 The pipe network arrangement of second pipe section

表2 脱湿期第一管段阻力损失计算汇总表Tab.2 Resistance losses of first pipe section at dehumidifying period

实际管网阻力损失△p=101 820-98 970=2 850Pa，理论阻力损失与实际阻力损失相差534.6Pa，实际值比理论值高出23%。

表3 脱湿期第二管段阻力损失计算汇总表Tab.3 Resistance losses of second pipe section at dehumidifying period

实际管网阻力损失△p=444 080-437 070=7 010Pa，理论阻力损失与实际阻力损失相差120.6Pa，实际值比理论值高出1.75%。

表4 非脱湿期第一管段阻力损失计算汇总表Tab.4 Resistance losses of first pipe section at Non-dehumidifying period

实际管网阻力损失△p=1032900-1010 056=228 4.4 Pa，理论阻力损失与实际阻力损失相差784.0Pa，实际值比理论值高出52.2%。

表5 非脱湿期第二管段阻力损失计算汇总表Tab.5 Resistance losses of second pipe section at Non-dehumidifying period

实际管网阻力损失△p=441 712-435 090=6 622，理论阻力损失与实际阻力损失相差62Pa，实际值比理论值高出0.95%。

通过以上计算，将脱湿期和非脱湿期计算结果汇总见表6。

表6 管网阻力汇总表Tab.6 Pipe network losses

从表6计算结果可以明显看出以下几点：

a.脱湿期的管网阻力损失要大于非脱湿期的管网阻力损失。

b.第一管段阻力计算理论值与实际阻力损失之间偏差大。根据该管段的特点，空气依次经过空气过滤器、脱湿器、富氧混合器然后到达鼓风机进口处，中间还有管道弯头、阀门附件等，气体在这段经过的设备结构较为复杂，影响气体阻力损失的因素也增多，因此，造成这段管道局部阻力损失较大。另外，在理论计算过程中，忽略了富氧混合器对阻力损失的影响，同时也忽略了管道气体的泄漏对阻力计算的影响。

c.第二管段的阻力损失理论计算值与实际阻力损失值相差不大，考虑到计算误差以及忽略气体的泄漏等问题，可以基本上认为第二管段实际阻力损失是属于正常的管道阻力损失。

d.目前使用的过滤脱湿一体化装置，其过滤器和脱湿器还是分开的，只是安装在同一个密闭的空间内，因此，过滤器和脱湿器之间的过渡段仍然存在一定的局部阻力损失，另外，一体化装置内部结构复杂，阻力损失大。这些都使理论计算值偏小，进而造成与实际阻力损失值之间偏差增大。

1.3.2 送风管网节能措施

在上述计算结果中，可以发现在整个管网阻力损失中脱湿器和空气过滤器所造成的局部阻力损失约占第一管段总损失的70%。对这两部分的基本构造进行优化设计是降低整个管网阻力损失的关键[9]。

对于一般装有脱湿装置的高炉鼓风系统而言，鼓风机全年向高炉送风可以分为脱湿期和非脱湿期两个阶段。一般高炉鼓风脱湿期为4～11月份，其他月份由于空气湿度低，不需要进行脱湿处理。但是在实际的鼓风操作中，非脱湿期的空气仍然通过脱湿器，这样会造成很大的局部阻力损失，增加了鼓风机的耗电量。因此，可以在非脱湿期更改空气输送路径，通过安装旁通管道，使空气绕过脱湿器，这样可以减少脱湿器造成的约1 000Pa的局部阻力损失。如图8所示。

图8 鼓风系统流程节能改造图Fig.8 Energy-saving reconstruction technological process for blast furnace blowing system

对现有管路系统进行改造，加装旁通管路。空气绕过脱湿器，从旁通管道流向富氧混合器，在这段旁通管道上，空气流动的阻力损失主要是阀门和两个弯头引起的局部阻力损失，沿程阻力损失很小。根据往年2月份的平均数据进行计算得出，这段管路造成的阻力损失约为132Pa，而空气经过脱湿器所造成的局部阻力损失为851Pa，相差719Pa。根据高炉鼓风运行经验，当鼓风机吸入压力每降低100Pa，在输送相同的鼓风量的前提下，有功功率平均下降22kW计，则以700Pa的阻力损失计算，功率消耗下降值为154kW。若以单台鼓风机在非脱湿期内（按4个月算）全天连续运行计算，则可以减少鼓风机耗电量约45万kW·h，节省电费（按0.6元/kW·h计算）约为27万元。因此，在现有送风管道中，加装一个旁通管路，在非脱湿期将旁通阀门打开，用挡板关闭空气过滤器和脱湿器之间的流通空间，让过滤后的空气直接从旁通管路流向富氧混合器，以减少鼓风机能耗，这个节能改造措施是经济可行的。

2 结论

通过对高炉鼓风辅机系统（主要针对自洁式过滤器、鼓风脱湿装置）以及管路送风系统阻力的计算分析，从理论上对能量的损耗进行推理和计算，寻找出流程上耗能大和能量损失大的因子，并以此为依据，进行理论上的优化，为进一步挖掘高炉鼓风系统的节能潜力，提出可行的优化和改造方案。相关结论如下：

1）空气除尘过滤系统：通过对除尘过滤系统运行数据的分析计算，并且对比反吹间隔时间与滤筒使用寿命和单位时间内风机电耗的关系，提出反吹间隔时间的最佳值，即滤筒压力差小于600Pa时，反吹间隔时间为14s，滤筒压力差大于600Pa时，反吹间隔时间为5s。同时可采用人工清扫滤筒的方式来延长滤筒使用寿命。

2）制冷脱湿系统：针对冷凝脱湿特性，提出冷凝水回收再利用的节能措施。经计算分析可得，夏季脱湿器每天每小时共产生10℃冷水约为22.56t，若用于夏季空调制冷可供约1 300m2的办公室内区使用。

3）鼓风机单体送风流程系统：通过管网阻力计算，可以得出鼓风机机前管网阻力损失偏大，机后的阻力损失在理论计算范围之内，因此对于降低机前鼓风阻力损失是降低整个管网系统的关键，提出在现有管网系统中加装旁通管路的节能改造措施，可以为鼓风站每年节电约45万kW·h，节省电费约为27万元。

[1]王维兴，李忠.高炉炼铁能耗与节能分析[J].中国钢铁业，2007(1)：16-18.

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Increasing the Efficiency and the Power Saving Potential of Blast Furnace Blowers

Hong-bing Zhu1Yi-yi Lin2Hong-ling Yu3
（1.Shanghai Baosteel Energy Saving Technology Co.Ltd；2.Baoshan Steel&Iron Co.Ltd；3.University of Shanghai for Science and Technology）

The subsystem of a blast furnace blower including the air dust removal and filtration system,cooling and dehumidification system,and air supply piping network is analyzed.The flow resistance of the self-cleaning air filter and pipe air supply system is determined and the energy loss of the blast furnace system is analyzed.With an optimization method the best counter blowing time intervals are determined for an extended lifetime of the filter tube and reduction of the power consumption of the fan in the air dust removal and filtration system.In the refrigeration and dehumidification system,the recycling of the condensation water is introduced.The reduction of the resistance loss for the blower system is an important method to reduce the energy consumption for the air supply pipe network system.Installing a bypass line in the pipe network system can save electricity consumption of about 450 000 kW·h corresponding to a value of 270 000 RMB.

blast furnace,blower,energy saving,efficiency potential,air dust removal and filtration system,cooling and dehumidification system,air supply pipe network system

TH452；TK05

1006-8155-(2017)05-0058-08

A

10.16492/j.fjjs.2017.05.0010

国家重点研发计划资金支持（课题号：2016YFB0601402）

2017-04-12 上海 201900