钢铁企业压缩空气系统节能潜力分析及对策

上海宝山钢铁股份有限公司 周佃民 李关定

根据《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》，“十二五”期间，非化石能源占一次能源消费比重提高到11.4%，单位国内生产总值能耗和二氧化碳排放分别降低16%和17%。在这个大形势下，在十二五期间，钢铁企业节能减排任务更加艰巨，法律法规要求更加严格。

作为典型的高耗能的大型工业企业，钢铁企业大力进行节能减排工作，既是必须完成的任务，也是重要的社会责任。

在钢铁企业所有能源消耗中，压缩空气能源消耗占相当比重（约占企业总耗电的5%-15%），压缩空气作为钢铁企业普遍使用的能源介质，从生产、输送到使用各个环节更应注意严格管理和技术改进，以适应节能减排的形势。

本文主要针对钢铁企业压缩空气系统的节能潜力[1]～[4]与对策展开论述，以供同行进行交流与参考。

1 钢铁企业中压缩空气系统概述

1.1 钢铁企业中的空压站配置

在钢铁企业中，空压站的类型一般有离心机空压站、螺杆机空压站和混合式空压站（离心式空压机与螺杆式空压机兼有）。个别钢铁企业尚有活塞式空压机，正在逐步淘汰更新之中。

离心机空压站一般设置有2-9台离心机，排气量一般从100m3/min—300m3/min居多。根据生产的需要，一般设定为多个排气压力，比如0.38MPa、0.5MPa、0.8MPa 及 1.3MPa， 其 中0.38MPa、0.5MPa机型多为炼钢连铸用空压机，0.8MPa机型为动力/仪表用空压机，1.3MPa为高炉喷煤用空压机。

螺杆机空压站一般设置有2-8台螺杆机，排气量较小，多数为10m3/min-40m3/min以下。螺杆机多数作为离心空压机的辅助气源。

按照空压站是否联网，可分为分散布置与集中联网两种布置方式。伴随着空压机设备运行稳定性和控制管理水平的提高，在新型的钢铁企业中，一般采用集中联网这种方式，在老的分散布置的钢铁企业中，也多正在进行建立空压站之间的联网或分区域联网的改造规划。

1.2 压缩空气主要用途及用气特点

在钢铁企业中，压缩空气的使用包含在各个生产环节之中。其主要用途可以分为：

烧结气力输送、高炉喷吹、连铸汽雾冷却、转炉底吹、钢带表面吹扫、各种气动仪表阀门、气动马达、脉冲袋式除尘器等。

按照生产环节进行划分，在炼铁单元，空压站分布可分为为烧结区域、原料区域、焦炉区域、高炉区域；在炼钢单元，压缩空气主要用于连铸、转炉的气动设备及吹扫，及为连铸提供气雾冷却用压缩空气；在热轧单元，压缩空气主要用于轧机及加热炉气动设备用气及吹扫；在冷轧单元，压缩空气主要用于轧机带钢吹扫酸洗、连退、热镀锌机组气动设备及吹扫。

一般来说，在钢铁企业的压缩空气系统中，空压机所产出压缩空气经过冷干机处理后将含水量降低至压力露点3-5℃，作为动力（普通）用压缩空气供给用户；或经过冷干机+吸附式干燥机处理后将含水量降低至压力露点-20℃以下，除尘除油至含尘粒度小于5μm，含尘量小于5mg/m3，含油量不小于1mg/m3，作为仪表用压缩空气供给用户。此外，炼钢连铸汽雾冷却用压缩空气对空气的含水量无要求，空压机排气直接供给连铸使用。

2 钢铁企业压缩空气节能潜力及对策

2.1 压缩空气不合理使用

1）典型的不合理现象

现象a：将高压气体供给低压用户使用。

如：开路吹扫，喷射（废水处理工艺中的曝气、搅拌），给水雾化，稀释相运输（除尘灰气力输送）等情况。

上述工况所需空气的压力较低，可以考虑采用风机供气，以减少压缩空气在减压过程中造成的能源浪费。

此外，因个别用户需要供气压力高，或不合理的供气压力要求，会造成空压站提高出口设置压力，从而提高了整体能耗。

现象b：将仪表用压缩空气作为普通压缩空气使用。

如宝钢：按照《宝钢工程设计统一规定》仪表气源的要求为：“气体露点低于—20℃（工况条件下），含尘粒度小于5μm，含尘量小于5mg/m3，含油量不小于1mg/m3”。仪表用压缩空气一般是通过空压站内冷冻干燥机及吸附干燥机处理后得到的，采用仪表用气供应普通用气的场合则造成能源的浪费。

2)对策及潜力分析：

关于压缩空气不合理使用的情况，不同的钢铁企业因管理水平的不同而有很大区别，这方面无具体数据。仅根据美国电机系统挑战项目和中国电机系统节能的实践经验作为参考，消除不合理使用的原因可达到5%～10%的节能效果。（注：1、美国电机系统挑战项目：1993年，美国能源部（USDOE）启动了电机系统挑战项目，目的是提高电机系统的能效和环境质量，其中，压缩空气挑战是这个项目的重要部分。2、中国电机系统节能项目：2001年，中国政府与联合国工业发展组织（UNIDO)，美国能源部（USDOE），能源基金会（EF）合作启动了中国电机系统节能项目。项目技术支持由美国劳伦斯—伯克利（LBNL）国家试验室负责，在上海市和江苏省进行实施，目的是开发一系列电机系统培训资料，分析工具和示范项目。）

建议企业建立专业能源审计团队与制度，定期（建议每年）对全厂各区域压缩空气使用情况进行审计，并提出整改意见，采用滚动优化改进的方式减少压缩空气的不合理使用。

2.2 压缩空气泄漏

1）情况

根据相关资料，直径4mm的小孔，在0.6MPa时压缩空气消耗量为0.98m3/min,功率损耗约6.5kW，由于泄漏而造成的能源浪费相当可观。泄漏问题普遍存在于气缸、电磁阀门、气动阀门、空气处理元件等处。

另外在很多钢铁企业中，空压站多数冷干机排水的同时都存在气水混合的情况，也造成不同程度的浪费，更为严重的是现场管理人员远远低估了泄漏造成的损失。

2)对策及潜力分析：

查找压缩空气系统的漏气点，提高管理人员对于压缩空气泄漏损失的意识。针对冷干机排气存在气水混合的情况，改用先进的不锈钢内胆的汽水分离器与液位控制排水器，达到冷干机排水不排气的效果。通过上述改进，同时考虑实际操作情况，取50%系数，根据经验估计压缩空气的电耗可降低约3%。

泄露点的监测方法相对简单，对泄露位置的整治可以通过能耗与投资的对比分析来决定是否整改。建议通过制定考核奖惩制度来定期治理。

2.3 压缩空气系统设计有待优化

1）控制系统

现象：螺杆机空压站多数按照压力梯度对空压机进行加载、卸载设置或者人工对空压机进行加载、卸载设置，缺少智能化集控设施及节能控制的手段，造成能源的浪费。

对策及潜力分析：新型的螺杆机集控器，可设置单压带，使能源效率达到最大，同时通过优化的控制，减少空压机的卸载时间，节约能耗。

2）管网系统

现象：由于不断新增技改项目，压缩空气的需求量不断增加，而由于压缩空气管网没有改造过，管网的输送压缩空气的能力已不能适应新的需求情况，压缩空气输送过程中阻力损失较大。

对策及潜力分析：通过对需求量分析，管道设计流速选择，合理的设置管路，减少压缩空气管路损失，节约能耗；

通过联通管道，调节不同空压站内空压机负荷，减少空载及放散，节约能耗。

3)空压站设备

现象：根据某钢铁企业冷轧单元空压机比功率进行的测算，单独空压机的比功率为6.5kW/（m3/min)，加上干燥装置为8.7kW/（m3/min)，而通过传输压降后变为9.6kW/（m3/min)。结合实际情况认为冷冻干燥机的排水存在气水混合及微热再生吸附干燥机的再生耗气（约7%），是造成了比功率大幅度增加的主要原因。

对策及潜力分析：采用压缩热干燥机（再生耗气约2%）代替微热再生式干燥机可节省约5%的耗气量，但往往由于压缩热干燥机出口空气露点（含水量）不能稳定，需辅助电加热。考虑到采用压缩热干燥机代替微热再生式干燥机存在较大的节能潜力，应尽快推广。

2.4 螺杆机变频有待推广

螺杆机变频技术为较为成熟的技术，通过变频节能的改造，改变电机的转速，产气量根据系统压力值进行平滑调节，节能效果明显。根据宝钢二期焦炉空压站改造的经验，能耗降低约20%。

2.5 空压机润滑油

通过将矿物油改为合成油，在宝钢2#彩涂空压站，1420空压站进行试点，已经取得了很好的效果，目前螺杆机能耗降低约5%，离心机能耗降低约2%。

3 宝钢压缩空气节能的实践

宝钢，压缩空气系统大量应用，粗略估算，年用电量至少5亿kWh以上。宝钢的压缩空气系统在各厂区相对独立，主要机型为螺杆式压缩机和离心式压缩机，电机的总装机容量达到13万kW。尽管宝钢的压缩空气系统总体运行状况良好，可以满足生产用气需要。但是，依旧存在较大的节能潜力。根据笔者调查，目前存在的主要问题如下：

○ 终端用气设备用气不合理；

○ 压缩空气泄露；

○ 空压机老化；

○ 空压站备机数；

○ 供气压力与用气压力合理匹配；

○ 压缩机和管网运行调节模式优化；

○ 压缩空气系统能源计量考核；

○ 压缩空气系统的辅助设备配置；

上述问题的存在都会对压缩空气系统能耗产生较大影响，但是通过采取一定的技术措施和管理手段可以达到节能降耗的目的。

宝钢压缩空气系统的节能主要从四个层面考虑：

1）在终端用气设备上进行“省气”，除了在管理上增强用气人员的节能责任心，避免不合理用气、用气浪费等，还有对终端用气设备（如喷嘴）的改进，提高用气的使用效率；

2）机组性能的提高，包括压缩机本体优化设计和压缩机系统的变速调节技术以及辅助设备技术的改进，润滑油系统改进等；

3）压缩空气系统的管网设计、运行参数的匹配以及日常管理和维护；

4）先进节能技术的使用，比如压力流量控制技术、空压机集中控制技术和空压机余热回收技术等。

目前，宝钢已经专门组建了压缩空气系统节能团队，通过大量的调研与技术交流，对全厂的压缩空气系统的节能潜力进行梳理，十余个节能改造项目正在形成，年节电量将达到2000万kWh以上。这项工作正在进行之中。

4 结论

压缩空气系统在钢铁企业中是能耗大户，压缩空气从其成本上讲，是一种“昂贵”的能源。压缩空气系统节能潜力巨大，应该引起国家与企业的足够重视。

对于高耗能的压缩空气系统进行节能改造，提高其运行效率，是一个系统工程，主要包括高效电动机与压缩机的优化匹配，空压机的设计制造技术的提升以及空压机调节技术的更新，优化压缩空气运行参数和减少压缩空气的浪费等等技术应用。

做好空压机系统的降耗工作，对降低钢铁企业生产运行成本，缓解我国电力供应紧张具有一定作用和意义。

本文主要分析了钢铁企业中压缩空气的产生、用途与使用特点，针对在钢铁企业中普遍存在的压缩空气系统进行节能潜力分析，并提出了相应的对策。分析表明，在钢铁企业中压缩空气系统节能潜力非常巨大，有必要在钢铁企业中大力推广压缩空气系统节能技术，降低企业的能源消耗水平。

[1]秦宏波，俞增盛，汪国兴，闵圣恺.压缩空气系统优化技术及其应用[J].上海节能，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.压缩空气系统节能技术综述[J].上海节能，2010（11）：36-41.