鋼鐵企業(yè)壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能潛力分析及對(duì)策

上海寶山鋼鐵股份有限公司 周佃民 李關(guān)定

根據(jù)《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要》，“十二五”期間，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重提高到11.4%，單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能耗和二氧化碳排放分別降低16%和17%。在這個(gè)大形勢(shì)下，在十二五期間，鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排任務(wù)更加艱巨，法律法規(guī)要求更加嚴(yán)格。

作為典型的高耗能的大型工業(yè)企業(yè)，鋼鐵企業(yè)大力進(jìn)行節(jié)能減排工作，既是必須完成的任務(wù)，也是重要的社會(huì)責(zé)任。

在鋼鐵企業(yè)所有能源消耗中，壓縮空氣能源消耗占相當(dāng)比重（約占企業(yè)總耗電的5%-15%），壓縮空氣作為鋼鐵企業(yè)普遍使用的能源介質(zhì)，從生產(chǎn)、輸送到使用各個(gè)環(huán)節(jié)更應(yīng)注意嚴(yán)格管理和技術(shù)改進(jìn)，以適應(yīng)節(jié)能減排的形勢(shì)。

本文主要針對(duì)鋼鐵企業(yè)壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能潛力[1]～[4]與對(duì)策展開論述，以供同行進(jìn)行交流與參考。

1 鋼鐵企業(yè)中壓縮空氣系統(tǒng)概述

1.1 鋼鐵企業(yè)中的空壓站配置

在鋼鐵企業(yè)中，空壓站的類型一般有離心機(jī)空壓站、螺桿機(jī)空壓站和混合式空壓站（離心式空壓機(jī)與螺桿式空壓機(jī)兼有）。個(gè)別鋼鐵企業(yè)尚有活塞式空壓機(jī)，正在逐步淘汰更新之中。

離心機(jī)空壓站一般設(shè)置有2-9臺(tái)離心機(jī)，排氣量一般從100m3/min—300m3/min居多。根據(jù)生產(chǎn)的需要，一般設(shè)定為多個(gè)排氣壓力，比如0.38MPa、0.5MPa、0.8MPa 及 1.3MPa， 其 中0.38MPa、0.5MPa機(jī)型多為煉鋼連鑄用空壓機(jī)，0.8MPa機(jī)型為動(dòng)力/儀表用空壓機(jī)，1.3MPa為高爐噴煤用空壓機(jī)。

螺桿機(jī)空壓站一般設(shè)置有2-8臺(tái)螺桿機(jī)，排氣量較小，多數(shù)為10m3/min-40m3/min以下。螺桿機(jī)多數(shù)作為離心空壓機(jī)的輔助氣源。

按照空壓站是否聯(lián)網(wǎng)，可分為分散布置與集中聯(lián)網(wǎng)兩種布置方式。伴隨著空壓機(jī)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性和控制管理水平的提高，在新型的鋼鐵企業(yè)中，一般采用集中聯(lián)網(wǎng)這種方式，在老的分散布置的鋼鐵企業(yè)中，也多正在進(jìn)行建立空壓站之間的聯(lián)網(wǎng)或分區(qū)域聯(lián)網(wǎng)的改造規(guī)劃。

1.2 壓縮空氣主要用途及用氣特點(diǎn)

在鋼鐵企業(yè)中，壓縮空氣的使用包含在各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)之中。其主要用途可以分為：

燒結(jié)氣力輸送、高爐噴吹、連鑄汽霧冷卻、轉(zhuǎn)爐底吹、鋼帶表面吹掃、各種氣動(dòng)儀表閥門、氣動(dòng)馬達(dá)、脈沖袋式除塵器等。

按照生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行劃分，在煉鐵單元，空壓站分布可分為為燒結(jié)區(qū)域、原料區(qū)域、焦?fàn)t區(qū)域、高爐區(qū)域；在煉鋼單元，壓縮空氣主要用于連鑄、轉(zhuǎn)爐的氣動(dòng)設(shè)備及吹掃，及為連鑄提供氣霧冷卻用壓縮空氣；在熱軋單元，壓縮空氣主要用于軋機(jī)及加熱爐氣動(dòng)設(shè)備用氣及吹掃；在冷軋單元，壓縮空氣主要用于軋機(jī)帶鋼吹掃酸洗、連退、熱鍍鋅機(jī)組氣動(dòng)設(shè)備及吹掃。

一般來(lái)說(shuō)，在鋼鐵企業(yè)的壓縮空氣系統(tǒng)中，空壓機(jī)所產(chǎn)出壓縮空氣經(jīng)過(guò)冷干機(jī)處理后將含水量降低至壓力露點(diǎn)3-5℃，作為動(dòng)力（普通）用壓縮空氣供給用戶；或經(jīng)過(guò)冷干機(jī)+吸附式干燥機(jī)處理后將含水量降低至壓力露點(diǎn)-20℃以下，除塵除油至含塵粒度小于5μm，含塵量小于5mg/m3，含油量不小于1mg/m3，作為儀表用壓縮空氣供給用戶。此外，煉鋼連鑄汽霧冷卻用壓縮空氣對(duì)空氣的含水量無(wú)要求，空壓機(jī)排氣直接供給連鑄使用。

2 鋼鐵企業(yè)壓縮空氣節(jié)能潛力及對(duì)策

2.1 壓縮空氣不合理使用

1）典型的不合理現(xiàn)象

現(xiàn)象a：將高壓氣體供給低壓用戶使用。

如：開路吹掃，噴射（廢水處理工藝中的曝氣、攪拌），給水霧化，稀釋相運(yùn)輸（除塵灰氣力輸送）等情況。

上述工況所需空氣的壓力較低，可以考慮采用風(fēng)機(jī)供氣，以減少壓縮空氣在減壓過(guò)程中造成的能源浪費(fèi)。

此外，因個(gè)別用戶需要供氣壓力高，或不合理的供氣壓力要求，會(huì)造成空壓站提高出口設(shè)置壓力，從而提高了整體能耗。

現(xiàn)象b：將儀表用壓縮空氣作為普通壓縮空氣使用。

如寶鋼：按照《寶鋼工程設(shè)計(jì)統(tǒng)一規(guī)定》儀表氣源的要求為：“氣體露點(diǎn)低于—20℃（工況條件下），含塵粒度小于5μm，含塵量小于5mg/m3，含油量不小于1mg/m3”。儀表用壓縮空氣一般是通過(guò)空壓站內(nèi)冷凍干燥機(jī)及吸附干燥機(jī)處理后得到的，采用儀表用氣供應(yīng)普通用氣的場(chǎng)合則造成能源的浪費(fèi)。

2)對(duì)策及潛力分析：

關(guān)于壓縮空氣不合理使用的情況，不同的鋼鐵企業(yè)因管理水平的不同而有很大區(qū)別，這方面無(wú)具體數(shù)據(jù)。僅根據(jù)美國(guó)電機(jī)系統(tǒng)挑戰(zhàn)項(xiàng)目和中國(guó)電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)作為參考，消除不合理使用的原因可達(dá)到5%～10%的節(jié)能效果。（注：1、美國(guó)電機(jī)系統(tǒng)挑戰(zhàn)項(xiàng)目：1993年，美國(guó)能源部（USDOE）啟動(dòng)了電機(jī)系統(tǒng)挑戰(zhàn)項(xiàng)目，目的是提高電機(jī)系統(tǒng)的能效和環(huán)境質(zhì)量，其中，壓縮空氣挑戰(zhàn)是這個(gè)項(xiàng)目的重要部分。2、中國(guó)電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能項(xiàng)目：2001年，中國(guó)政府與聯(lián)合國(guó)工業(yè)發(fā)展組織（UNIDO)，美國(guó)能源部（USDOE），能源基金會(huì)（EF）合作啟動(dòng)了中國(guó)電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能項(xiàng)目。項(xiàng)目技術(shù)支持由美國(guó)勞倫斯—伯克利（LBNL）國(guó)家試驗(yàn)室負(fù)責(zé)，在上海市和江蘇省進(jìn)行實(shí)施，目的是開發(fā)一系列電機(jī)系統(tǒng)培訓(xùn)資料，分析工具和示范項(xiàng)目。）

建議企業(yè)建立專業(yè)能源審計(jì)團(tuán)隊(duì)與制度，定期（建議每年）對(duì)全廠各區(qū)域壓縮空氣使用情況進(jìn)行審計(jì)，并提出整改意見，采用滾動(dòng)優(yōu)化改進(jìn)的方式減少壓縮空氣的不合理使用。

2.2 壓縮空氣泄漏

1）情況

根據(jù)相關(guān)資料，直徑4mm的小孔，在0.6MPa時(shí)壓縮空氣消耗量為0.98m3/min,功率損耗約6.5kW，由于泄漏而造成的能源浪費(fèi)相當(dāng)可觀。泄漏問(wèn)題普遍存在于氣缸、電磁閥門、氣動(dòng)閥門、空氣處理元件等處。

另外在很多鋼鐵企業(yè)中，空壓站多數(shù)冷干機(jī)排水的同時(shí)都存在氣水混合的情況，也造成不同程度的浪費(fèi)，更為嚴(yán)重的是現(xiàn)場(chǎng)管理人員遠(yuǎn)遠(yuǎn)低估了泄漏造成的損失。

2)對(duì)策及潛力分析：

查找壓縮空氣系統(tǒng)的漏氣點(diǎn)，提高管理人員對(duì)于壓縮空氣泄漏損失的意識(shí)。針對(duì)冷干機(jī)排氣存在氣水混合的情況，改用先進(jìn)的不銹鋼內(nèi)膽的汽水分離器與液位控制排水器，達(dá)到冷干機(jī)排水不排氣的效果。通過(guò)上述改進(jìn)，同時(shí)考慮實(shí)際操作情況，取50%系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)壓縮空氣的電耗可降低約3%。

泄露點(diǎn)的監(jiān)測(cè)方法相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)泄露位置的整治可以通過(guò)能耗與投資的對(duì)比分析來(lái)決定是否整改。建議通過(guò)制定考核獎(jiǎng)懲制度來(lái)定期治理。

2.3 壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)有待優(yōu)化

1）控制系統(tǒng)

現(xiàn)象：螺桿機(jī)空壓站多數(shù)按照壓力梯度對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行加載、卸載設(shè)置或者人工對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行加載、卸載設(shè)置，缺少智能化集控設(shè)施及節(jié)能控制的手段，造成能源的浪費(fèi)。

對(duì)策及潛力分析：新型的螺桿機(jī)集控器，可設(shè)置單壓帶，使能源效率達(dá)到最大，同時(shí)通過(guò)優(yōu)化的控制，減少空壓機(jī)的卸載時(shí)間，節(jié)約能耗。

2）管網(wǎng)系統(tǒng)

現(xiàn)象：由于不斷新增技改項(xiàng)目，壓縮空氣的需求量不斷增加，而由于壓縮空氣管網(wǎng)沒有改造過(guò)，管網(wǎng)的輸送壓縮空氣的能力已不能適應(yīng)新的需求情況，壓縮空氣輸送過(guò)程中阻力損失較大。

對(duì)策及潛力分析：通過(guò)對(duì)需求量分析，管道設(shè)計(jì)流速選擇，合理的設(shè)置管路，減少壓縮空氣管路損失，節(jié)約能耗；

通過(guò)聯(lián)通管道，調(diào)節(jié)不同空壓站內(nèi)空壓機(jī)負(fù)荷，減少空載及放散，節(jié)約能耗。

3)空壓站設(shè)備

現(xiàn)象：根據(jù)某鋼鐵企業(yè)冷軋單元空壓機(jī)比功率進(jìn)行的測(cè)算，單獨(dú)空壓機(jī)的比功率為6.5kW/（m3/min)，加上干燥裝置為8.7kW/（m3/min)，而通過(guò)傳輸壓降后變?yōu)?.6kW/（m3/min)。結(jié)合實(shí)際情況認(rèn)為冷凍干燥機(jī)的排水存在氣水混合及微熱再生吸附干燥機(jī)的再生耗氣（約7%），是造成了比功率大幅度增加的主要原因。

對(duì)策及潛力分析：采用壓縮熱干燥機(jī)（再生耗氣約2%）代替微熱再生式干燥機(jī)可節(jié)省約5%的耗氣量，但往往由于壓縮熱干燥機(jī)出口空氣露點(diǎn)（含水量）不能穩(wěn)定，需輔助電加熱?？紤]到采用壓縮熱干燥機(jī)代替微熱再生式干燥機(jī)存在較大的節(jié)能潛力，應(yīng)盡快推廣。

2.4 螺桿機(jī)變頻有待推廣

螺桿機(jī)變頻技術(shù)為較為成熟的技術(shù)，通過(guò)變頻節(jié)能的改造，改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，產(chǎn)氣量根據(jù)系統(tǒng)壓力值進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)，節(jié)能效果明顯。根據(jù)寶鋼二期焦?fàn)t空壓站改造的經(jīng)驗(yàn)，能耗降低約20%。

2.5 空壓機(jī)潤(rùn)滑油

通過(guò)將礦物油改為合成油，在寶鋼2#彩涂空壓站，1420空壓站進(jìn)行試點(diǎn)，已經(jīng)取得了很好的效果，目前螺桿機(jī)能耗降低約5%，離心機(jī)能耗降低約2%。

3 寶鋼壓縮空氣節(jié)能的實(shí)踐

寶鋼，壓縮空氣系統(tǒng)大量應(yīng)用，粗略估算，年用電量至少5億kWh以上。寶鋼的壓縮空氣系統(tǒng)在各廠區(qū)相對(duì)獨(dú)立，主要機(jī)型為螺桿式壓縮機(jī)和離心式壓縮機(jī)，電機(jī)的總裝機(jī)容量達(dá)到13萬(wàn)kW。盡管寶鋼的壓縮空氣系統(tǒng)總體運(yùn)行狀況良好，可以滿足生產(chǎn)用氣需要。但是，依舊存在較大的節(jié)能潛力。根據(jù)筆者調(diào)查，目前存在的主要問(wèn)題如下：

○ 終端用氣設(shè)備用氣不合理；

○ 壓縮空氣泄露；

○ 空壓機(jī)老化；

○ 空壓站備機(jī)數(shù)；

○ 供氣壓力與用氣壓力合理匹配；

○ 壓縮機(jī)和管網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)模式優(yōu)化；

○ 壓縮空氣系統(tǒng)能源計(jì)量考核；

○ 壓縮空氣系統(tǒng)的輔助設(shè)備配置；

上述問(wèn)題的存在都會(huì)對(duì)壓縮空氣系統(tǒng)能耗產(chǎn)生較大影響，但是通過(guò)采取一定的技術(shù)措施和管理手段可以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

寶鋼壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能主要從四個(gè)層面考慮：

1）在終端用氣設(shè)備上進(jìn)行“省氣”，除了在管理上增強(qiáng)用氣人員的節(jié)能責(zé)任心，避免不合理用氣、用氣浪費(fèi)等，還有對(duì)終端用氣設(shè)備（如噴嘴）的改進(jìn)，提高用氣的使用效率；

2）機(jī)組性能的提高，包括壓縮機(jī)本體優(yōu)化設(shè)計(jì)和壓縮機(jī)系統(tǒng)的變速調(diào)節(jié)技術(shù)以及輔助設(shè)備技術(shù)的改進(jìn)，潤(rùn)滑油系統(tǒng)改進(jìn)等；

3）壓縮空氣系統(tǒng)的管網(wǎng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行參數(shù)的匹配以及日常管理和維護(hù)；

4）先進(jìn)節(jié)能技術(shù)的使用，比如壓力流量控制技術(shù)、空壓機(jī)集中控制技術(shù)和空壓機(jī)余熱回收技術(shù)等。

目前，寶鋼已經(jīng)專門組建了壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能團(tuán)隊(duì)，通過(guò)大量的調(diào)研與技術(shù)交流，對(duì)全廠的壓縮空氣系統(tǒng)的節(jié)能潛力進(jìn)行梳理，十余個(gè)節(jié)能改造項(xiàng)目正在形成，年節(jié)電量將達(dá)到2000萬(wàn)kWh以上。這項(xiàng)工作正在進(jìn)行之中。

4 結(jié)論

壓縮空氣系統(tǒng)在鋼鐵企業(yè)中是能耗大戶，壓縮空氣從其成本上講，是一種“昂貴”的能源。壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能潛力巨大，應(yīng)該引起國(guó)家與企業(yè)的足夠重視。

對(duì)于高耗能的壓縮空氣系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，提高其運(yùn)行效率，是一個(gè)系統(tǒng)工程，主要包括高效電動(dòng)機(jī)與壓縮機(jī)的優(yōu)化匹配，空壓機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)的提升以及空壓機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù)的更新，優(yōu)化壓縮空氣運(yùn)行參數(shù)和減少壓縮空氣的浪費(fèi)等等技術(shù)應(yīng)用。

做好空壓機(jī)系統(tǒng)的降耗工作，對(duì)降低鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行成本，緩解我國(guó)電力供應(yīng)緊張具有一定作用和意義。

本文主要分析了鋼鐵企業(yè)中壓縮空氣的產(chǎn)生、用途與使用特點(diǎn)，針對(duì)在鋼鐵企業(yè)中普遍存在的壓縮空氣系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能潛力分析，并提出了相應(yīng)的對(duì)策。分析表明，在鋼鐵企業(yè)中壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能潛力非常巨大，有必要在鋼鐵企業(yè)中大力推廣壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)，降低企業(yè)的能源消耗水平。

[1]秦宏波，俞增盛，汪國(guó)興，閔圣愷.壓縮空氣系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)及其應(yīng)用[J].上海節(jié)能，2005，(3)：63-65.

[2]Maolin Cai.Power Assessment of Flowing Compressed Air.Journal of Fluids Engineering.2006（3），Vol.128，P402-405.

[3]Chris Beals，Joseph Ghislain，Henry Kemp，et al. Improving Compressed Air System Performance.U.S.Department of Energy，2003.

[4]周佃民.壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)綜述[J].上海節(jié)能，2010（11）：36-41.