一种制氧工序余热梯级利用系统及方法与流程

本发明涉及钢铁行业节能技术领域，尤其涉及一种制氧工序余热梯级利用系统及方法。

背景技术：

钢铁企业在冶炼生产过程中需要大量高纯氧气、氮气等能源介质，因此大型钢铁企业通常有自己的制氧生产工序，拥有多台制氧机及氧气管网，制氧机生产的氧气通过管网送给各个耗氧用户；当制氧工序中某台制氧机出现跳机故障，所生产氧气量无法满足下游耗氧用户需求时，会造成氧气管网压力不足，制氧机的跳机故障一般最长需要15～20小时进行恢复；为保证下游耗氧用户生产稳定，生产厂通常会备有多台液氧罐用于存储大量液氧，当氧气管网压力不足时可将液氧罐中备用存放的液氧加热成常温气体输送到氧气管网中，即通过热源加热方式将液氧从零下183℃加热升温至20℃送入管网供给耗氧用户。由于对低温液氧的加热属于非计划、间歇式加热，而且瞬间加热量大。目前，国内大多氧气厂采用水浴式换热方式对液氧进行加热，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。

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，就近用于氧气工序的生产、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，国内针对制氧工序的空压机余热回收及利用开展了多项研究与应用。通过查新，检索到一些相关的专利，如专利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，制氧工序余热在利用系统及方法还存在一些问题。主要体现在，现有制氧工序空压机余热利用系统、方法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；同时对于空压机余热回收如何有效适应热用户需求波动上，没有给解决方案。而且制氧工序余热资源在回收后主要用于生活供热，而生活供热通常受到供热量及供热半径限制，无法充分利用制氧工序的大量余热资源。因此，探寻更加实用有效的制氧工序余热梯级利用系统及方法，使得制氧工序余热能够就近充分用于氧气工序的生产、生活供热是非常必要的。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种制氧工序余热梯级利用系统及方法。实现了制氧工序余热能够梯级用于氧气工序的生产、生活供热，利用空压机余热有效适应了热用户的需求波动。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种制氧工序余热梯级利用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、供暖用户、热泵机组、冷却塔、给水池、高温蓄水槽、低温液体换热器、流量计和以上设备之间连接的各种阀门。

其中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通过开关调节阀与热泵机组入口连接，同时以并联方式通过开关阀与供暖用户入口连接；二、三级换热器水侧出口通过开关阀与制冷用户入口连接；制冷用户出口以并联方式分别通过开关阀与高温蓄水槽入口和供暖用户入口连接；热泵机组出口通过开关阀与高温蓄水槽入口连接；高温蓄水槽出口也以并联方式分别通过开关阀与低温液体换热器入口和供暖用户入口连接；供暖用户出口通过开关阀与冷却塔入口连接。

低温液体换热器的出口以并联方式分别通过开关调节阀和开关阀连接热泵机组驱动热源入口与冷却塔入口；冷却塔出口通过开关阀与热泵机组驱动热源出口及给水池出口汇聚，同时以并联方式与给水池入口连接；汇聚点与流量计入口连接，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，流量计的反馈信号与给水池出口开关调节阀连接。

一种制氧工序余热梯级利用方法包含两种运行模型，一是低温换热器非运行模式；二是低温换热器运行模式。

一、低温换热器非运行模式：

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50℃～60℃，通过开关阀进入供暖用户的入口；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℃后，通过开关阀进入制冷用户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70℃～75℃流出制冷用户，并通过开关阀全部进入高温蓄水槽。

高温蓄水槽中30％～50％的70℃～75℃热水通过开关调节阀与一级换热器出来的温度为55℃～65℃低温水汇聚作为供热水进入供暖用户，50％～70％的70℃～75℃热水留在高温蓄水槽中；供热后水温降至40℃～50℃流出供暖用户，通过开关阀进入冷却塔降温至30℃～35℃，从开关阀流出经过流量计重新作为空压机冷却水进行循环使用；由于50％～70％的热水留在高温蓄水槽中，需要给水池通过开关调节阀进行等量补水；在以上运行过程中供暖用户属于低负荷运行。

系统运行25～35小时后，1500nm³～2000nm³高温蓄水槽中的蓄水量达到可满足低温液体换热器运行一次所需水量；此时调整溴化锂机组制冷参数，驱动溴化锂机组制冷后热水温度降至65℃～70℃从制冷用户流出，同时关闭连接高温蓄水槽的开关阀，通过开关阀流出与一级换热器出来的温度为55℃～65℃低温热水汇聚作为供热水进入供暖用户；经过这样一个循环运行后，供给供暖用户的热水量达到稳定状态，属于正常负荷运行；而且高温蓄水槽中蓄水量可完全满足低温液体换热器运行一次所需水量。

供暖用户回水温度降至40℃～50℃流出，通过开关阀进入冷却塔降温至30℃～35℃，并从开关阀流出经过流量计重新作为空压机冷却水进行循环使用；流量计检测回水量，当回水量低于总量2％～5％时时，反馈回给水池的开关调节阀进行补水。

二、低温换热器运行模式：

当制氧工序中某台制氧机出现跳机故障，所生产氧气量无法满足下游耗氧用户需求时，会造成氧气管网压力不足；制氧机的跳机故障一般最长需要15～20小时进行恢复，为保证下游耗氧用户生产稳定，需要将液氧灌中备用存放的液氧加热成常温气体输送到氧气管网中，即通过低温液体换热器将液氧从零下183℃加热升温至20℃送入管网；根据制氧机故障缺失的氧气量，氧气管网需要的补充量为3～5万标立/小时，最长需要持续15～20小时。在此基础上，设计高温蓄水槽的蓄水量为1500nm³～2000nm³，蓄水量可满足低温液体换热器运行一次所需水量。

低温换热器运行模式下，停止向供暖用户供暖；高温蓄水槽中的70℃～75℃水通过开关调节阀以180t/h～300t/h的流量进入低温液体换热器中加热低温液氧，使其升温至20℃进入氧气管网，70℃～75℃水换热后降温至45℃～55℃流出低温液体换热器，其中20％～40％低温水通过开关调节阀进入热泵机组作为驱动热源，驱动热泵机组后降温至30℃～35℃，从驱动热源出口通过开关阀流出；60％～80％低温水通过开关阀进入冷却塔降温至30℃～35℃。

一级换热器出来的温度为50℃～60℃换热水经开关调节阀进入热泵机组被加热升温至70℃～75℃，然后从开关阀流出进入高温蓄水槽中；相对于低温换热器非运行模式下，低温换热器运行模式下高温蓄水槽的入水流量增加50％～80％，而出水流量增加100％～300％；对于1500nm3～2000nm3高温蓄水槽出水流量可达180t/h～300t/h；运行15～20小时后，制氧机恢复运行，高温蓄水槽中的蓄水量最大可降至满负荷量的5％；制氧机恢复后，系统从低温换热器运行模式切换至低温换热器非运行模式，一直到高温蓄水槽中水量升至满负荷，以供下一次低温换热器运行所需。

与现有方法相比，本发明的有益效果是：

本发明实现了空压机余热的梯级利用；并通过制氧工序余热梯级利用系统及方法的优化设计解决了低温液氧加热存在的非计划、间歇式及瞬间加热量大的问题，实现了制氧工序余热在生产、生活中的有效利用。同时解决了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，提高了系统的余热利用效率。具有节约能源、降低维护成本等特点。

附图说明

图1是本发明结构示意及工艺原理图。

图中：

1、空压机一级压缩，2、空压机二级压缩，3、空压机三级压缩，4、一级换热器，5、二级换热器，6、三级换热器，7、制氧机，8、制冷用户，9、供暖用户，10、热泵机组，11、冷却塔，12、给水池，13、高温蓄水槽，14、低温液体换热器，15、16、19、21、22、23、25、28、29开关阀，17、18、20、24、26、27开关调节阀，30流量计。

具体实施方式

本发明公开了一种制氧工序余热梯级利用系统及方法。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。

一种制氧工序余热梯级利用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、供暖用户9、热泵机组10、冷却塔11、给水池12、高温蓄水槽13、低温液体换热器14、流量计30和以上设备之间连接的各种阀门。

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水侧出口通过开关调节阀17与热泵机组10入口连接，同时以并联方式通过开关阀与供暖用户9入口连接；二级换热器5与三级换热器6水侧出口通过开关阀与制冷用户8入口连接。

制冷用户8出口以并联方式分别通过开关阀与高温蓄水槽13入口和供暖用户9入口连接；热泵机组10出口通过开关阀与高温蓄水槽13入口连接；高温蓄水槽13出口也以并联方式分别通过开关阀与低温液体换热器14入口和供暖用户9入口连接；

供暖用户9出口通过开关阀与冷却塔11入口连接；低温液体换热器14的出口以并联方式分别通过开关调节阀17和开关阀连接热泵机组10驱动热源入口与冷却塔11入口；

冷却塔11出口通过开关阀与热泵机组10驱动热源出口及给水池出口汇聚，同时以并联方式与给水池12入口连接；汇聚点与流量计30入口连接，流量计30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30的反馈信号与给水池12出口开关调节阀17连接。

实施例1：

低温换热器非运行模式：

在低温换热器非运行模式下，开关阀15、16、22、23、25处于开启状态，开关阀19、21、28、29处于关闭状态；开关调节阀17、24处于开启状态，开关调节阀18、20、26、27处于关闭状态。高温蓄水槽13的设计最大蓄水量为1800m³。

15万nm³/h常温常压空气经过空压机一级压缩1后温度达95℃，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120℃，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72t/h冷却水经过换热后温度为60℃，通过开关阀25进入供热用户9的入口；进入二级换热器5和三级换热器6的冷却水分别约为48t/h左右，经换热升温至90℃；约96t/h温度为90℃的热水通过开关阀15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℃从制冷用户流出，通过开关阀16约96t/h的75℃水进入高温蓄水槽13。

之后高温蓄水槽13中的75℃水通过开关调节阀17流出36t/h与一级换热器4出来的72t/h温度为60℃低温热水汇聚成108t/h的65℃供热水进入供热用户9，剩余60t/h的75℃水留在高温蓄水槽13中；供热后水温降至45℃流出供热用户9，通过开关阀22进入冷却塔11降温至35℃，从开关阀23流出经过流量计30重新作为空压机冷却水进行循环使用。

由于60t/h的75℃水留在高温蓄水槽13中，需要给水池12通过开关调节阀24进行等量补水。系统运行30小时后，高温蓄水槽13中的蓄水量达到1800m³，这个蓄水量可满足低温液体换热器14运行一次所需水量；此时调整溴化锂机组制冷参数，热水温度降至70℃从制冷用户流出，同时关闭开关阀16，开启开关阀29；通过开关调节阀29流出96t/h与一级换热器4出来的72t/h温度为60℃低温热水汇聚成168t/h的65.7℃供热水进入供热用户9。

经过一个循环稳定运行后，供给供热用户9的热水量达到168t/h，而且高温蓄水槽13中蓄水量达到1800m3，可完全满足一次低温液体换热需求。供热用户9回水温度降至45℃流出，通过开关阀22进入冷却塔11降温至35℃，从开关阀23流出经过流量计30重新作为空压机冷却水进行循环使用；流量计30检测回水量，当回水量低于总量4％时，反馈给开关调节阀24进行补水。

实施例2：

低温换热器运行模式：

在低温换热器运行模式下，开关阀15、16、19、21、23、28处于开启状态，开关阀22、25、29处于关闭状态；开关调节阀18、20、24、26、27处于开启状态，开关调节阀17处于关闭状态。高温蓄水槽13的设计最大蓄水量为1800m³。

15万nm³/h常温常压空气经过空压机一级压缩1后温度达95℃，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120℃，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72t/h冷却水经过换热后温度为60℃，通过开关阀25进入供热用户9的入口；进入二级换热器5和三级换热器6的冷却水分别约为48t/h左右，经换热升温至90℃；约96t/h温度为90℃的热水通过开关阀15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70℃从制冷用户流出，通过开关调节阀29流出约96t/h与一级换热器4出来的72t/h温度为60℃低温热水汇聚成168t/h的65.7℃供热水进入供热用户9。

当某台制氧机出现跳机，氧气管网压力不足时，需要最大补充氧气量为4.5万标立/小时，最长需要持续20小时；这段时间就需要通过低温液体换热器将液氧进行加热从零下183℃升温至20℃，所需75℃的水量为250t/h。低温换热器运行模式下，调整溴化锂机组制冷参数，热水温度降至75℃从制冷用户流出，同时关闭开关阀29，开启开关阀16，使得75℃的96t/h水进入高温蓄水槽13。

高温蓄水槽13中的75℃水通过开关调节阀26以250t/h的流量进入低温液体换热器14中加热低温液氧，使其升温至20℃进入氧气管网，250t/h的75℃水换热后降温至50℃流出低温液体换热器14，其中55t/h的低温水通过开关调节阀20进入热泵机组10作为驱动热源，驱动热泵机组10后降温至35℃，从驱动热源出口通过开关阀21流出；其余195t/h的低温水通过开关调28进入冷却塔11降温至35℃。

同时控制开关阀17、25关闭，高温蓄水槽13停止向供热用户9供热；一级换热器4出来的约72t/h温度为60℃换热水经开关调节阀18进入热泵机组10加热升温至75℃，然后从开关阀19流出进入高温蓄水槽13中；此时高温蓄水槽13的入水流量为168t/h，出水流量为250t/h，运行20小时后制氧机恢复运行，高温蓄水槽14中的蓄水量从1800m3降至160m3。同时系统从低温换热器运行模式切换至低温换热器非运行模式，一直到高温蓄水槽14中水量升至1800m3，以供下一次低温换热器运行所需。

本发明实现了空压机余热的梯级利用；并通过高温蓄水槽的设计解决了低温液氧加热存在的非计划、间歇式及瞬间加热量大的问题，实现了制氧工序余热在生产、生活中的有效利用。同时解决了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，提高了系统的余热利用效率。具有节约能源、降低维护成本等特点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。