王 迪

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，上海200333）

高爐鼓風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能方案的可行性分析

王 迪

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，上海200333）

結(jié)合高爐煉鐵的工藝要求及高爐鼓風(fēng)機(jī)站的實際運行情況，從影響鼓風(fēng)機(jī)的運行因素著手，以整個鼓風(fēng)系統(tǒng)安全和高效運行為前提，提出相應(yīng)可行的節(jié)能運行改造措施。每年高爐鼓風(fēng)站的脫濕系統(tǒng)會產(chǎn)生大量的低溫冷凝水，這些低溫冷凝水可作為夏季中央空調(diào)的冷媒介質(zhì)，深入挖掘了高爐鼓風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能潛力，實現(xiàn)了能源的綜合利用。

節(jié)能；高爐；鼓風(fēng)系統(tǒng)；脫濕；冷凝水；冷媒；利用；改造

0 概 述

在高爐鼓風(fēng)工藝流程中，空氣被鼓入高爐之前的含濕量，應(yīng)控制在10 g/m3左右，以滿足高爐煉鐵的工藝要求。因此，寶鋼公司的鼓風(fēng)機(jī)站配置了多臺脫濕器設(shè)備。每臺脫濕器會產(chǎn)生大量10℃左右的低溫冷凝水，因水質(zhì)處理方面的問題，寶鋼公司對這些冷凝水均作了放空處理，這勢必造成了能源的浪費。如果在夏季高溫氣候條件下，回收這部分低溫冷凝水，經(jīng)再處理后，可作為鼓風(fēng)機(jī)站周邊區(qū)域的夏季中央空調(diào)的冷媒介質(zhì)，實現(xiàn)能源的綜合利用。

1 脫濕冷凝水的回收利用

通過對高爐鼓風(fēng)送風(fēng)系統(tǒng)管路阻力損失的計算，當(dāng)空氣流過脫濕器的換熱器，與換熱器中的低溫冷凍水間接接觸，發(fā)生熱量交換，空氣溫度發(fā)生了變化，水蒸氣的相對飽和壓力也隨之發(fā)生變化。當(dāng)空氣被冷凍水冷卻至對應(yīng)壓力下的飽和溫度后，空氣繼續(xù)被冷卻，空氣中的水分沿臨界線左移，不斷有水蒸氣凝結(jié)，其析出的冷凝水量為（d1-d2），冷凝水量的具體計算過程：

單位時間冷凝水量：

式（1）中：Δq-單位時間冷凝水量，g/kg（干空氣）；d1-脫濕前空氣含濕量，g/kg（干空氣）；d2-脫濕后空氣含濕量，g/kg（干空氣）。

干空氣質(zhì)量流量：

式（2）中：qm，a-干空氣質(zhì)量流量，m3/kg；pa干空氣分壓，Pa；p2大氣壓，Pa；pv，2-脫濕器出口水蒸氣分壓，Pa；qk空氣質(zhì)量流量，m3/min；Rg，a干空氣氣體常數(shù)，287J/（kg·K）；T2-脫濕器出口送風(fēng)溫度，K。

每臺脫濕器每小時的脫水量為：

式（3）中：Q0-1臺脫濕器每小時脫水量，t/h。

根據(jù)式（1）、式（2）、式（3）、及相應(yīng)的運行數(shù)據(jù)，計算5臺脫濕器在2014年7～8月的平均冷凝水量。計算凝水量的數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 夏季脫濕器空氣凝水量

根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)GB50189-2005》中空氣調(diào)節(jié)冷、熱水系統(tǒng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，對2014年7～8月的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析。在一般情況下，寶鋼高爐鼓風(fēng)的制冷脫濕系統(tǒng)有4臺脫濕器同時運行，計算7月份內(nèi)1號、2號、3號、5號脫濕器日均冷凝水量，則4臺脫濕器平均每小時產(chǎn)生22.56 t冷凝水（溫度約10℃）。冷凝水溫度接近于一般冷凍機(jī)組冷水的供水溫度，如果能利用，可作為夏季空調(diào)的冷媒介質(zhì)。根據(jù)《熱工手冊》中辦公房間空調(diào)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定房間空調(diào)冷凍水供、回水設(shè)計溫差為5℃，根據(jù)房間冷負(fù)荷的概算值，空調(diào)房間內(nèi)區(qū)的冷負(fù)荷約為95 W/m2。由此，可確定在完全利用冷凝水的條件下，能滿足辦公室區(qū)域內(nèi)冷媒量的需要。對空調(diào)制冷的區(qū)域面積所需冷媒量進(jìn)行計算：

式（4）中：A-達(dá)到冷負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)的辦公面積，m2；Q冷-每小時冷凝水的冷量，W；q冷負(fù)荷-夏季辦公室內(nèi)區(qū)冷負(fù)荷，W；Q0-冷凝水量，t/h。

通過式（4）計算，可知寶鋼高爐鼓風(fēng)脫濕系統(tǒng)每小時產(chǎn)生的低溫冷凝水，完全適用于面積約為1 385.26 m2夏季辦公區(qū)域空調(diào)的冷負(fù)荷，可作為空調(diào)的冷媒介質(zhì)使用，無需另外使用空調(diào)制冷設(shè)備為辦公區(qū)域降溫。因此，制冷脫濕系統(tǒng)冷凝水的回收再利用，可以作為寶鋼高爐鼓風(fēng)系統(tǒng)一個有效的節(jié)能措施。

2 非脫濕期送風(fēng)管路旁通設(shè)計

通過計算送風(fēng)系統(tǒng)管路的阻力損失，可知空氣過濾器和脫濕器造成的局部阻力損失，是整個鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中阻力損失最大的兩個設(shè)備。因此，降低這兩部分的阻力損失，對降低整個管路阻力損失值具有重要意義。目前，對裝有脫濕裝置的高爐鼓風(fēng)脫濕系統(tǒng)而言，鼓風(fēng)機(jī)全年向高爐送風(fēng)可分為脫濕期和非脫濕期。寶鋼高爐鼓風(fēng)脫濕期為4～11月份，其他月份由于空氣濕度較低，不需要進(jìn)行脫濕處理。目前，因系統(tǒng)連接上的原因，高爐鼓風(fēng)機(jī)在非脫濕期所輸送的空氣仍需通過脫濕器，致使在非脫濕期，仍在系統(tǒng)中存在阻力損失，增加了鼓風(fēng)機(jī)的耗電量。因此，根據(jù)現(xiàn)行的運行模式，建議在非脫濕期更改空氣的輸送路徑，可采用旁管方式使空氣繞過脫濕器，這樣可消減由脫濕器造成的約1 000 Pa阻力損失。增加高爐鼓風(fēng)系統(tǒng)的旁路管道，如圖1所示。

圖1 增加高爐鼓風(fēng)系統(tǒng)的旁路

對現(xiàn)有管路系統(tǒng)進(jìn)行改造，加裝旁路管道。加裝旁路管道后，空氣繞過了脫濕器，從旁路管道流向富氧混合器。在這段旁路管道上，僅存在閥門及2個彎頭引起的局部阻力損失，沿程阻力損失很小。根據(jù)2014年2月的平均數(shù)據(jù)，對1號鼓風(fēng)機(jī)單體送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行阻力分析計算，這段管路造成的阻力損失約為132 Pa，而原先空氣經(jīng)過脫濕器所造成的局部阻力損失為851 Pa，相差719 Pa。根據(jù)鼓風(fēng)機(jī)的運行經(jīng)驗，當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)吸入壓力每降低100 Pa，有功功率平均上升22 kW，如以700 Pa的阻力損失計算，功率消耗約為154 kW，每臺鼓風(fēng)機(jī)工作1天（24 h）將消耗3 696 k W·h。若以4臺鼓風(fēng)機(jī)計，在非脫濕期內(nèi)（合計4個月）全天連續(xù)運行，則可以減少鼓風(fēng)機(jī)耗電量為1 774 080 kW·h，每年僅在非脫濕期可節(jié)電約177萬余度，節(jié)省電費（按0.6元/度計算）約為106萬元。采用旁路管道送風(fēng)，實際能耗變化的匯總情況，如表2所示。

表2 不同送風(fēng)模式下能耗變化情況

因此，在現(xiàn)有送風(fēng)管道及送風(fēng)模式下，加裝了旁路管道。在非脫濕期間，將旁通閥門打開，用擋板封閉空氣過濾器和脫濕器之間的流通通道，讓過濾后的空氣直接從旁通管路流向富氧混合器，這樣可減少鼓風(fēng)機(jī)的能耗，是較經(jīng)濟(jì)且可行的節(jié)能改造措施。

3 降低循環(huán)冷卻水溫度

對制冷機(jī)和脫濕器的運行狀況進(jìn)行綜合計算后，發(fā)現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)站的部分脫濕器，因冷量供應(yīng)不足，造成鼓風(fēng)空氣的含濕量高于工藝要求的10g/m3，影響了高爐煉鐵的綜合能耗。因此，需進(jìn)一步降低冷凍機(jī)循環(huán)冷卻水的溫度，增加冷凍機(jī)的實際供冷量，進(jìn)而提高整個鋼廠的綜合效率。

為此，需對換熱效率進(jìn)行計算分析。采用換熱器設(shè)計中兩個基本關(guān)系式，即傳熱方程式和熱平衡方程式。傳熱方程式的基本形式為：

式（5）中：Q-換熱量，W；K-整個傳熱面上的平均傳熱系數(shù)，W/m2·℃；F-傳熱面積，m2；tm-兩種流體之間的對數(shù)平均溫差，℃。

式（5）中的對數(shù)平均溫差，可表示為：式（6）中：Δtmax代表Δt′和Δt″兩者中的較大者，而Δtmin代表兩者中的較小者，在不考慮散熱損失的情況下，則冷流體所吸收的熱量等于熱流體所放出的熱量，這時熱平衡方程的基本形式可表示為：

式（7）中：M1-熱流體的質(zhì)量流量，kg/s；M2-冷流體的質(zhì)量流量，kg/s；h′1-熱流體的進(jìn)口焓值，J/kg；h″1-熱流體的出口焓值，J/kg；h′2-冷流體的進(jìn)口焓值，J/kg；h″2-冷流體的出口焓值，J/kg。

現(xiàn)選用2014年7月11日10：00時，7號冷水冷凍機(jī)冷凝器兩側(cè)流體的進(jìn)出口溫度，計算得出此工況條件下冷凝器的換熱值。并將循環(huán)冷卻水溫度降低1℃之后，采用換熱器的校核計算，迭代得出了（冷卻水入口溫度29.1℃）冷凝器的熱交換數(shù)據(jù)，迭代計算后的數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 7號冷水冷凍機(jī)冷凝器工況及換熱量

由表3數(shù)據(jù)可知，，在壓縮機(jī)功率不變的情況下，降低循環(huán)冷卻水水溫，可以加強(qiáng)冷凝器的換熱效果，即每降低1℃冷卻水的進(jìn)口溫度，可使冷水冷凍機(jī)的冷凝器增加271.8 k W的換熱量。按照7號冷水冷凍機(jī)的設(shè)備參數(shù)，其壓縮機(jī)的額定功率為900 kW，實際循環(huán)冷卻水溫為30.1℃，如采用29.1℃的循環(huán)冷卻水，可使900 kW的冷凍機(jī)產(chǎn)生5 708.5 kW的換熱量。若使冷凝器的換熱量保持不變（5 436.7 kW），只需配備功率為857.15 k W的冷水冷凍機(jī)，相對于功率900 kW的冷水冷凍機(jī)，可減少功率42.85 kW。

同理，選取4號鹽水冷凍機(jī)在同一時段的冷凝器兩側(cè)進(jìn)出口溫度，在降低1℃循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度條件下，計算得出冷凝器的熱交換值。計算結(jié)果，如表4所示。

表4 4號鹽水冷凍機(jī)冷凝器工況及換熱量

由表4數(shù)據(jù)可知，降低1℃循環(huán)冷卻水溫，可使鹽水冷凍機(jī)的冷凝器增加187.8 kW的換熱量。按照4號鹽水冷凍機(jī)的設(shè)備參數(shù)，其壓縮機(jī)的額定功率為870k W，實際循環(huán)冷卻水溫為30.1℃，如采用29.1℃的循環(huán)冷卻水，可使870 k W的冷凍機(jī)產(chǎn)生3774.6 kW的換熱量。若冷凝器的換熱量保持不變（3586.8k W），只需配備功率為826.71 k W的鹽水冷凍機(jī)，相對于功率870 k W的鹽水冷凍機(jī)，可減少功率43.29 k W。

因此，每降低1℃循環(huán)冷卻水溫度，可使冷水冷凍機(jī)功率降低42.85 k W、鹽水冷凍機(jī)功率降低43.29 kW，就可達(dá)到目前冷凝器的實際換熱量。以此類推，計算了夏季（7～8月）高溫時，每降低1℃循環(huán)冷卻水溫度，冷凍機(jī)組的耗電變化。計算后的數(shù)據(jù)，如表5所示。

表5 降低循環(huán)冷卻水溫冷凍機(jī)組耗電變化情況

從表5的計算結(jié)果可知，若在7～8月份降低循環(huán)冷卻水溫1℃，則每月冷水冷凍機(jī)可節(jié)電約3.19萬度、鹽水冷凍機(jī)可節(jié)電約3.22萬度，節(jié)能的潛力很大。

4 人工清掃過濾器

寶鋼5臺高爐鼓風(fēng)機(jī)配套的過濾器為自潔式空氣過濾器，過濾器設(shè)置有脈沖噴吹系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)定的噴吹周期，脈沖噴吹系統(tǒng)定期向濾筒噴吹具有一定壓力的氮氣，清除濾筒上積附的灰塵，以降低過濾器的阻力損失。

根據(jù)鼓風(fēng)機(jī)站的運行狀況，可優(yōu)化空氣過濾器的運行控制，適時進(jìn)行人工清掃。

（1）反吹系統(tǒng)中，采用1個電磁控制閥控制5個反吹氣源噴頭，并且5個噴頭呈并聯(lián)排列，由于反吹管程阻力的影響，反吹時，靠近氣體源的噴頭壓力較大，濾筒被反吹清灰的效果較好，遠(yuǎn)離氣體源的噴頭壓力較小，濾筒的清灰效果較差。此外，又不能增加反吹清灰的頻度，因為在反吹過程中，氮氣作為吹掃氣源被吸入鼓風(fēng)機(jī)送往高爐，對高爐的生產(chǎn)不利。

（2）在連續(xù)陰雨、多霧的氣候條件下，大氣的濕度較大，使得受潮懸浮塵埃黏附在濾筒上，影響了反吹系統(tǒng)的清灰效果。

（3）空氣過濾器未設(shè)置專門的清灰斗，不能及時清除反吹下來的塵埃。另外，在反吹過程中，因過濾器處于負(fù)壓狀態(tài)下，反吹后的塵埃很容易重新吸附在濾筒上，所以，反吹的效果不佳。針對這些問題，曾采用人工清掃的方式，對過濾器進(jìn)行了清灰處理。在2014年5月，對2號鼓風(fēng)機(jī)配備的空氣過濾器進(jìn)行了人工清掃處理，清掃前后（一個月內(nèi)）過濾器壓差變化情況，如圖2所示。當(dāng)濾筒的壓差達(dá)到1 200 Pa，進(jìn)行了人工清掃處理，濾筒的壓差下降了569 Pa，且在人工清掃完成之后，在隨后的一段時間內(nèi)，濾筒的壓差比較穩(wěn)定。

圖2 2號鼓風(fēng)機(jī)過濾器人工清掃前后壓差變化情況

當(dāng)然，人工清掃增加了人工費用成本。根據(jù)現(xiàn)時的人工價格，清掃一次的人工費用約為1～2萬元，考慮價格浮動因素，取最大值2萬元進(jìn)行計算分析。目前市場上一套自潔式空氣過濾器濾筒的更換成本為30萬元，額定使用壽命為2年，即濾筒每月平均折舊費用為1.25萬元。

為使人工清掃濾筒能達(dá)到預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效益，在進(jìn)行一次人工清掃后，其人工清掃費用成本需小于濾筒清掃后延長使用壽命的價格，而1臺自潔式空氣過濾器有520個濾筒，每使用一個月，折舊費用為1.25萬元。由此推算，人工清掃一次濾筒的費用為2萬元，折合濾筒需使用48天的折舊費用。也就是說，在人工清掃濾筒后，濾筒需延長使用期約為48天，才可認(rèn)為人工清掃濾筒是經(jīng)濟(jì)的。

根據(jù)目前的實際運行情況，當(dāng)過濾器濾筒的壓差為1 200 Pa時，才進(jìn)行人工清掃，壓力值下降400 Pa左右，而且后續(xù)使用時間遠(yuǎn)大于48天。因此，經(jīng)綜合考慮，人工清掃濾筒也是比較經(jīng)濟(jì)的。

5 結(jié) 語

對高爐鼓風(fēng)系統(tǒng)的運行狀態(tài)進(jìn)行了分析，并結(jié)合高爐煉鐵工藝及鼓風(fēng)機(jī)站的實際情況，制訂了針對高爐鼓風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能措施。

（1）脫濕冷凝水的回收利用。針對冷凝脫濕的特性，對冷凝水的回收利用進(jìn)行了計算分析，鼓風(fēng)脫濕系統(tǒng)每天產(chǎn)生的10℃冷凝水，其冷量可供夏季辦公區(qū)域的空調(diào)使用。

（2）增加非脫濕期送風(fēng)管路的旁路設(shè)計。針對非脫濕期送風(fēng)系統(tǒng)管路設(shè)計的不合理性，設(shè)置了旁路管道，在非脫濕期間改變送風(fēng)路徑，降低了管路的阻力損失，進(jìn)而降低了鼓風(fēng)機(jī)的能耗。

（3）降低循環(huán)冷卻水溫度。針對夏季高溫時鼓風(fēng)系統(tǒng)的脫濕效果差，未能達(dá)到煉鐵的工藝要求，提出降低循環(huán)冷卻水溫度，以提高冷凍機(jī)組的供冷能力，提高鼓風(fēng)系統(tǒng)的脫濕效果。

（4）人工清掃過濾器。針對自潔式空氣過濾器脈沖反吹清灰的效果不佳，提出人工清掃空氣過濾器濾筒。經(jīng)核算，采用人工操作的方法也是比較經(jīng)濟(jì)的。

［1］胡明齊，谷守業(yè).高爐鼓風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能［J］.冶金能源，1984，3（5）：9-11.

［2］周鑫寶.自潔式空氣過濾器在特殊天氣條件時的應(yīng)用探討［J］.杭氧科技，2006（3）：5-8.

［3］信保定.高爐鼓風(fēng)機(jī)過濾器的選擇［J］.鋼鐵廠設(shè)計，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，本科學(xué)歷，從事特種設(shè)備的技術(shù)檢驗工作。