一种空压机余热高效回收系统及方法与流程

本发明涉及钢铁行业的节能技术领域，特别涉及一种空压机余热高效回收系统及方法。

背景技术：

大型钢铁企业中多设有制氧工序，工序过程中会生产液氧、液氮、液氦等能源介质，当生产需要相应能源介质时需要将液氧、液氮、液氦等进行加热气化，并通过管网将气体能源介质输送给用户。目前，国内大多制氧工序采用水浴式气化器对低温能源介质进行加热，加热热源一般为蒸汽，这种加热方式会消耗大量高品质能源，增加企业生产成本。同时在制氧生产过程中有多台空压机；空压机在运行时，真正用于增加空气势能所消耗的电能，在总耗电量中只占很小的一部分，约15％左右。约85％的耗电转化为热量存在于压缩气体中，并通过风冷或者水冷的方式排放到空气中去。如果将压缩气体的这部分余热加以回收，就近用于制氧工序的生产、生活供热，即可以提高能源利用效率，又可以减低企业成本；同时也有利于减少燃煤量，降低燃煤对环境的污染。

目前，国内针对空压机余热回收及利用开展了多项研究与应用。

专利cn106762557a公开一种基于空压机余热回收的智能供热水设备；该发明通过在换热器与热用户之间增加缓存储热设备实现了智能供热水。该方法虽然实现了供热系统的稳定性，但中间换热、储热设备过多造成系统的热损失较大。专利cn108150422a公开了空压机余热回收利用系统，该系统通过回收空压机余热以热水方式驱动溴化锂吸收式冷水机组制取冷水；但对于驱动溴化锂吸收式冷水机组后的热水(一般在70℃～75℃左右)没有利用，使其能源利用率较低。专利cn107178934a公开一种空压机余热深度回收利用系统，该系统的空压机三级压缩分别经过三级换热，换热后高温水进入余热取热装置经过再次换热转化为高温余热水进入余热深度回收利用系统；该系统没有提及空压机一级压缩后空气温度较低，余热回收后无法有效利用的问题。

综上所述，空压机余热回收系统及方法还存在一些问题。主要体现在，现有空压机余热回收系统、方法中间换热设备过多造成系统的热损失较大；而且没有考虑到实际运行中空压机一级压缩后空气温度较低，余热回收后无法有效利用等问题。因此，探寻更加实用高效的空压机高效余热回收系统及方法是非常必要的。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种空压机余热高效回收系统，通过对空压机冷却水余热的直接利用，减少了中间换热设备，避免了系统的过多热损失，并通过一级压缩空气余热回收用于驱动热泵的方法，提高了系统的余热利用效率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种空压机余热高效回收系统，包括空压机一级压缩、空压机二级压缩、空压机三级压缩、一级换热器、二级换热器、三级换热器、制氧机、制冷用户、供热用户、热泵机组、冷却塔、给水池、水浴式气化器、流量计；

空压机一级压缩出口与一级换热器气侧入口连接，一级换热器气侧出口与空压机二级压缩入口连接，空压机二级压缩出口与二级换热器气侧入口连接，二级换热器气侧出口与空压机三级压缩入口连接，空压机三级压缩出口与三级换热器气侧入口连接，三级换热器气侧出口与制氧机入口连接；一级换热器水侧出口与热泵机组驱动热源入口连接，一级换热器水侧并联出口与二级换热器水侧出口、三级换热器水侧出口交汇连接，然后与制冷用户和供热用户的入口连接；制冷用户和供热用户的出口均与热泵机组入口、水浴式气化器入口、冷却塔入口连接；水浴式气化器出口连接冷却塔入口；热泵机组出口与一级换热器水侧并联出口连接，热泵机组驱动热源出口与冷却塔入口连接，给水池与冷却塔出口连接，并与流量计入口连接，流量计出口分别与一级换热器、二级换热器、三级换热器的水侧入口连接，流量计的反馈信号传送给给水池。

所述的制冷用户由溴化锂机组制冷。

上述系余热回收方法，包括制冷用户模式和供热用户模式，具体为：

一.制冷用户模式

在制冷用户运行模式下，常温常压空气经过空压机一级压缩后温度达75℃～95℃，进入一级换热器与30℃～35℃冷却水进行换热，换热后压缩空气温度为35℃～40℃并进入空压机二级压缩、空压机三级压缩，二级压缩空气和三级压缩空气温度可达100℃～120℃，在压缩后进入二级换热器、三级换热器换热，最后经过三级压缩及冷却的空气进入制氧机；

进入一级换热器的冷却水经过换热后，温度为55℃～65℃，这部分低温热水通过开关阀进入热泵机组作为驱动热源，降温至40℃～50℃后通过开关阀流经冷却塔降温至30℃～35℃，重新作为空压机冷却水进行循环使用；而进入二级换热器和三级换热器的冷却水经换热升温至80℃～90℃；温度为80℃～90℃的热水进入制冷用户作为热源驱动溴化锂制冷机组，产生冷量供制冷用户所需；驱动溴化锂机组制冷后，热水温度降至70℃～75℃通过开关阀流出制冷用户；70℃～75℃回水中一部分进入热泵机组，以温度为55℃～60℃低温热水作为驱动热源，将70℃～75℃回水加热至80℃～90℃，与二级换热器、三级换热器出来的高温水混合进入制冷用户循环使用；其余的70℃～75℃回水进入水浴式气化器将制氧工序的低温气源进行加热，换热后40℃～50℃回水流经冷却塔降温至30℃～35℃，重新作为空压机冷却水进行循环使用，同时按减少的回水量，由给水池进行等量补充；供给制冷用户的80℃～90℃这部分热水驱动溴化锂机组制冷后降温流出，一部分进入热泵机组，其余70℃～75℃回水进入水浴式气化器将低温气源加热，换热后40℃～50℃回水流经冷却塔降温至30℃～35℃，重新作为空压机冷却水进行循环使用；当循环过程中回水量达到平衡时，给水池不再进行补水，系统按照以上方式循环运行，流量计检测回水量，当回水量低于空压机换热水总量2％～5％时，反馈给给水池进行补水。

二.供热用户模式

在供热用户运行模式下，常温常压空气经过空压机一级压缩后温度达75℃～95℃，进入一级换热器与30℃～35℃冷却水进行换热，换热后压缩空气温度为35℃～40℃并进入空压机二级压缩、空压机三级压缩，二级压缩空气和三级压缩空气温度达100℃～120℃，在压缩后进入二级换热器、三级换热器换热，最后经过三级压缩及冷却的空气进入制氧机；

进入一级换热器的冷却水经过换热后，温度为45℃～55℃；进入二级换热器和三级换热器的冷却水经换热升温至75℃～85℃；温度为75℃～85℃的热水与温度为45℃～55℃的低温水混合成温度为60℃～70℃供热水，热水进入供热用户提供热量；供热后水温降至40℃～50℃流出供热用户；然后流经冷却塔降温至30℃～35℃，重新作为空压机冷却水进行循环使用；水浴式气化器通过自身蒸汽热源进行加热，流量计检测回水量，当回水量低于设计总量2％～5％时，反馈给给水池进行补水。

以上空压机余热高效回收系统及方法中，对余热利用具有缓存调解的主要用户是水浴式气化器，水浴式气化器是氧气工序中用来对低温气源进行加热的设备；由于是将极低温度液态气源进行加热，在加热初期需要大量较高温度热源；在氧气工序中水浴式气化器的常用热源是低压蒸汽，本发明中使用空压机余热作为水浴式气化器的补充热源，部分替代蒸汽。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过对空压机三级压缩空气余热回收方案的设计，提出了一种实用有效的空压机余热高效回收系统及方法，能够对空压机冷却水余热进行直接利用，减少了中间换热设备，避免了系统的过多散热损失，提高了系统的热效率；并通过一级压缩空气余热回收用于驱动热泵的方法，对部分制冷用户回水进行了循环利用，提高了系统的余热利用率；具有节约能源、降低维护成本等特点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：空压机一级压缩1，空压机二级压缩2，空压机三级压缩3，一级换热器4，二级换热器5，三级换热器6，制氧机7，制冷用户8，供热用户9，热泵机组10，冷却塔11，给水池12，水浴式气化器13，开关阀(14、15、16、17、18、19、21、22、23、25、26，20)，开关调节阀24，流量计27。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步说明：

如图1，一种空压机余热高效回收系统，包括空压机一级压缩1、空压机二级压缩2、空压机三级压缩3、一级换热器4、二级换热器5、三级换热器6、制氧机7、制冷用户8、供热用户9、热泵机组10、冷却塔11、给水池12、水浴式气化器13、流量计27。

空压机一级压缩1出口与一级换热器4气侧入口连接，一级换热器4气侧出口与空压机二级压缩2入口连接，空压机二级压缩2出口与二级换热器5气侧入口连接，二级换热器5气侧出口与空压机三级压缩3入口连接，空压机三级压缩3出口与三级换热器6气侧入口连接，三级换热器6气侧出口与制氧机7入口连接；一级换热器4水侧出口与热泵机组10驱动热源入口连接，一级换热器4水侧并联出口与二级换热器5水侧出口、三级换热器6水侧出口交汇连接，然后与制冷用户8和供热用户9的入口连接；制冷用户8和供热用户9的出口均与热泵机组10入口、水浴式气化器13入口、冷却塔11入口连接；水浴式气化器13出口连接冷却塔11入口；热泵机10组出口与一级换热器4水侧并联出口连接，热泵机组10驱动热源出口与冷却塔11入口连接，给水池12与冷却塔11出口连接，并与流量计27入口连接，流量计27出口分别与一级换热器4、二级换热器5、三级换热器6的水侧入口连接，流量计27的反馈信号传送给给水池12。所述的制冷用户8由溴化锂机组制冷。

实施例1

空压机余热高效回收系统的余热回收方法，具体为：

制冷用户模式：

在制冷用户模式运行模式下，开关阀14、15、18、19、21、22、23处于开启状态，开关阀16、17、25、26处于关闭状态。开关调节阀20、24处于开启状态。

15万nm³/h常温常压空气经过空压机一级压缩1后温度达85℃，进入一级换热器4与35℃冷却水进行换热，换热后压缩空气温度为40℃并进入空压机二级压缩、空压机三级压缩，二级压缩空气和三级压缩空气温度可达115℃，在压缩后进入二级换热器5、三级换热器6换热，最后经过三级压缩及冷却的空气进入制氧机7。

进入一级换热器4约77t/h冷却水经过换热后，温度为60℃，这部分低温热水通过开关阀18进入热泵机组作为驱动热源，降温至45℃后通过开关阀21经冷却塔11降温至35℃，重新作为空压机冷却水进行循环使用。而进入二级换热器5和三级换热器6的冷却水分别为58t/h左右，经换热升温至90℃；约116t/h温度为90℃的热水通过开关阀14进入制冷用户8作为热源驱动溴化锂制冷机组，产生冷量供用户所需。驱动溴化锂机组制冷后，热水温度降至75℃通过开关阀15流出制冷用户；75℃回水中约102t/h左右通过开关调节阀20进入热泵机组10，以77t/h温度为60℃换热水作为驱动热源，将102t/h左右75℃回水加热至90℃，通过开关阀19与二级换热器5、三级换热器6出来的高温水混合进入制冷用户8循环使用。77t/h的低温热水驱动热泵机组10之后温度降至45℃，通过开关阀21流出经冷却塔11冷却重新作为空压机冷却水进行循环使用。其余约14t/h的75℃回水通过开关阀22进入水浴式气化器13将制氧工序的低温气源进行加热，换热后45℃回水通过开关阀23流经冷却塔降温至35℃，重新作为空压机冷却水进行循环使用。同时由于回水量减少了45t/h，由给水池12通过开关调节阀24进行等量补充。

经过一个循环后，供给制冷用户8的90℃热水量达到218t/h，提高了将近88％的供热量；这部分热水驱动溴化锂机组制冷后，通过开关阀15流出，仍是约102t/h左右通过开关调节阀20进入热泵机组10加热循环用于制冷用户8，其余约116t/h的75℃回水通过开关阀22进入水浴式气化器13将低温气源加热，换热后45℃回水通过开关阀23流经冷却塔降温至35℃，重新作为空压机冷却水进行循环使用。在此循环中回水量达到平衡，不在需要给水池12进行补水，将开关调节阀24关闭。此后系统按照以上方式循环运行，流量计27检测回水量，当回水量低于设计总量3％时，反馈给开关调节阀24通过给水池12进行补水。

实施例2

空压机余热高效回收系统的余热回收方法，具体为：

供热用户模式：

在供热用户运行模式下，开关阀16、17、25、26处于开启状态，开关阀14、15、18、19、21、22、23和开关调节阀20、24处于关闭状态。

15万nm³/h常温常压空气经过空压机一级压缩1后温度达80℃，进入一级换热器4与35℃冷却水进行换热，换热后压缩空气温度为40℃并进入空压机二级压缩、空压机三级压缩，二级压缩空气和三级压缩空气温度可达105℃，在压缩后进入二级换热器5、三级换热器6换热，最后经过三级压缩及冷却的空气进入制氧机7。

进入一级换热器4约114t/h冷却水经过换热后，温度为50℃；进入二级换热器5和三级换热器6的冷却水分别为62t/h左右，经换热升温至80℃；约124t/h温度为80℃的热水与约114t/h温度为50℃的低温水混合成238t/h温度为65℃供热水，供热水通过开关阀16进入供热用户9为供暖等供热需求提供热量。供热后水温降至45℃通过开关阀17流出供热用户9；然后通过开关阀26流经冷却塔降温至35℃，重新作为空压机冷却水进行循环使用。水浴式气化器13通过自身蒸汽热源进行加热。流量计27检测回水量，当回水量低于设计总量5％时，反馈给开关调节阀24通过给水池12进行补水。

通过以上系统及方法，对空压机冷却水余热进行直接利用，减少了中间换热设备，避免了系统的过多散热损失，提高了系统的热效率；并通过一级压缩空气余热回收用于驱动热泵的方法，对部分制冷用户回水进行了循环利用，提高了系统的余热利用率；解决了空压机余热回收系统热效率较低及空压机一级压缩后气体温度偏低进行余热回收后无法有效利用的问题。

上面所述仅是本发明的基本原理，并非对本发明作任何限制，凡是依据本发明对其进行等同变化和修饰，均在本专利技术保护方案的范畴之内。