第二章  钢铁行业

第七节  制氧站压缩机变频调速节能改造

1 引言

我国是目前世界上第二位能源生产国和消费国但人均资源拥有量小,深入探讨新形势下如何解决我国的能源问题具有极其重要的战略意义。钢铁行业是我国国民经济的重要基础产业, 自改革开放以来,我国钢铁行业的发展十分迅速。我国钢铁企业在高端产品方面的竞争实力还是十分薄弱,并且面临着严重的能源使用制约。钢铁行业也是高耗能行业,在国民经济总能耗中占很大比重。2010年中国钢铁工业的能耗总量占全国能源消费总量的15%左右,占全国工业能源消费总量的23%。钢铁企业的能源成本占到了企业生产成本的30%,成本压力日益突出。因此节能降耗不仅对建设资源节约型、环境友好型社会意义重大,更是企业降低成本、提高产品市场竞争力的重要途径。因此,要实现我国钢铁行业的可持续发展,必须加快推进节能降耗工作的开展。

由于制氧系统属于高耗能、高耗水作业装置,因此年产量约500万吨的钢铁企业的制氧系统平均每年消耗电能至少52000 kW•h/h,每月消耗电能至少4000万kW•h/h。因此,钢铁企业必须积极实现制氧系统的节能降耗作业，首先要选择节能降耗的制氧设备与制氧技术。钢铁企业应当将节能降耗一路贯穿到作业工艺规划、设备选择的整个过程,将设备成本、能耗以及性能都进行全面综合考虑。钢铁企业在规划筹建制氧站时,就应采用国际上最为新型的外压缩分子筛吸附规整调料无氢制作氩气的作业工艺,为了更好地降低氧气放散率,还需配备液化装置。为有效回收空分排放的液体,配置液体储槽。

2 制氧机工作原理

2.1、制氧机特点：

     制氧机又叫空气分离设备。按产品数量不同，可分为800m3/h以下小型设备；1000—6000m3/h中型设备；和10000m3/h以上大型设备。 

2.2、制氧流程简述： 

     原料空气经自洁式空气过滤器除去灰尘和机械杂质，在离心式空压机中被压缩到0.50Mpa，100℃左右，压缩空气经空气冷却塔洗涤冷却至8—10℃，然后进入自动切换使用的分子筛吸附器，以清除水、二氧化碳、乙炔，出分子筛的空气为12—14℃，经过滤器除去分子筛粉尘后，分成三路：  

1）一路进入分馏塔中，空气经过主换热器与返流气体换热，被冷却至液化温度（-173℃）并有少量气体液化，这些气液混合物一起进入下塔。 

2）另一路空气作为膨胀气体，经增压机增压并经冷却器冷却后进入主换热器与返流气体换热，这部分空气（-120℃）从主换热器中部抽出去膨胀机，膨胀后的空气进入热虹吸蒸发器，在热虹吸蒸发器内，被从主冷引出的液氧冷却至-176℃，进入上塔中部，部分液氧复热汽化后夹带液氧返回主冷，形成液氧自循环，进一步除去液氧中的碳氢化合物。

  3）第三路，少量空气去仪表空气系统，作为仪表用气。在下塔，空气被初步分离成氮和富氧液态空气，在塔顶获得99.9%的气氮，进入主冷与液氧换热冷凝成液氮，部分液氮回下塔作为下塔回流液；另一部分液氮经过冷器后节流进入上塔顶部，作为上塔回流液，下塔釜液得到36%富氧液空，经过冷器过冷后节流进入上塔中部参加精馏。

     以不同状态的三股流体进入上塔经再分离后，在上塔顶部得纯度为99.9%的氮气，经过冷器、主换热器复热后出分馏塔，上塔底部的液氧在主冷被下塔的氮气加热而蒸发，其中6000m3/h纯度99.6%的氧气，经主换热器复热后出分馏塔，其余部分作为上升蒸气参加精馏，在上塔尚有约16000m3/h的污氮抽出，仍经主换热器复热引出分馏塔。

     从分馏塔出来的污氮，8000m3/h的污氮去纯化系统，再生分子筛，其余去水冷塔升温，增湿放空。 

合格的氮气出分馏塔，一部分送入氮气压缩机送出，其余部分去预冷系统、水冷却塔升温，增湿后放空。 

    合格的氧气出分馏塔后，由氧压机压缩送出。

 

 

3 制氧系统的压缩机

制氧系统共有三种压缩机：空气压缩机、氧气压缩机和氮气压缩机。

空气压缩机的作用是为制氧系统提供源源不断的原料：空气。空气压缩机的出力将直接影响制氧系统的产量。它是制氧系统功率最大的压缩机组，当然也是能耗大户。

氧气压缩机的作用是给钢铁厂各个生产设备提供合格（压力）的氧气，并将多余的氧气送进球形储气罐储存，作为调峰用。

氮气压缩机的作用是将合格的氮气送出，大部分污氮则增湿后放空。

4 氧气压缩机节能运行

4.1 钢铁企业氧气供气压力是可以降低的

   过去钢铁厂空分设备中的氧压机大都采用3MPa压力设计，而在实际使用中对氧气压力的要求远远低于3 MPa，一般说来对压力要求如下：

 转炉顶吹炼钢炉炉前最低压力在0.85-0.9 MPa；

 电炉炼钢用氧气压力为0.4-0.5 MPa；

 高炉富氧炼铁 氧气进入风机出口的压力为0.3-0.35 MPa，也有大于0.5 MPa的（如首钢）；

 COLEX炼铁 氧气压力一般小于0.5 MPa；

过去空分系统的氧气压力采用3 MPa设计，并配置3 MPa压力的大型球罐用于氧气调峰，主要是为了满足氧气的调峰需要，却牺牲了高额的投资费用及能耗费用（运行费用）。目前钢铁企业的调峰手段已由单纯的氧气球罐调峰改为氧气球罐与液氧系统调峰相结合的方法。因此现在个企业都提出是否需要3 MPa氧气压力的问题，实际上有的钢厂已经下降为2.5 MPa，甚至更低。

根据钢铁企业实际空分设备的具体运行情况来看，3 MPa氧气压缩机系统真正在3 MPa压力工作的时间很少，约有50%左右的时间工作在1.07 MPa左右，30-40%的时间工作在2.0-2.5 MPa之间，只有在不炼铁或者某些特殊情况下，氧压机才升压到3 MPa将其送入氧气球罐储存。

降低氧气压力不仅本身因压力降低而节约设备投资，降低运行能耗，而且还可以使氧压机有更多的时间在设计点运行，效率更高，能耗更省。但是必须指出的是：降低氧压机压力就意味着氧气储罐的调峰能力降低，同时氧气的放散率可能会提高。因此必须在调峰措施综合考虑的情况下，降低氧气压力的措施才是合理和可行的。

4.2 氧气压缩机变频调速节能运行

至于降低氧气压力的方法，最好的方法就是使氧压机调速运行。并且由于离心式氧气压缩机为平方转矩型负载，在没有系统反压（不入罐）的情况下，其流量与其转速的一次方成正比，压力与转速的二次方成正比，能耗则与其转速的三次方成正比的下降：当转速下降到80%额定转速时，其供气量亦为80%，而其轴功率只有额定轴功率的51.2%！节能效果十分显著。采用变频调速节能改造的效果最好。投资的经济性较好。

5 空气压缩机和氮气压缩机节能运行

5.1 空气压缩机节能运行

由于空压机负责给制氧系统提供原料的作用，而且制氧系统流程复杂，周期又长，所以不可能依靠空压机的出力来调节钢铁生产系统对氧气量的要求，只能采取其它的调峰手段，如储气罐、液氧等。因此制氧系统的空压机一般都是开足马力工作，很少进行调节。即使进行调节也只是根据长期生产的需氧量进行粗调，实际生产中的氧气压力主要由氧气压缩机调节。所以空压机即使调速运行也只是根据长期生产要求分段定速运行，节能效果有限。并且由于空气压缩机一般采用大功率同步电动机驱动，而大功率同步电动机变频器的投资也很大，因此投资的回收周期就会很长，经济性较差。

5.2 氮气压缩机节能运行

由于大部分污氮已经增湿后放空，经氮压机收集的氮气流量并不多，所以氮气压缩机不像氧气压缩机一样需要频繁调速运行，即使采用调速运行其节能效果也不大。并且由于氮气压缩机功率较小，所以节省的电能有限，投资的经济性较差。