一种冶炼余热回收用于空气分离系统节能的方法、系统及空气分离装置与流程

本发明属于空气分离技术领域，具体涉及一种冶炼余热回收用于空气分离系统节能的方法、系统及空气分离装置。

背景技术：

冶炼、钢铁厂大系统一般由焦化、烧结、高炉、转炉、空气分离、发电、供水等小系统组成(部分有色冶炼小系统工序有所不同)。为使冶炼、钢铁厂在冶炼加热燃烧过程中能够提高炉温，减少燃料使用，需加入助燃剂氧气。因此，在计划设计和建造冶炼、钢铁厂时，通常配备有空气分离制氧系统。

目前工业氧化生产主要采用深度冷冻法和变压吸附法，深度冷冻法因其生产量大、经济性好、产品纯度高等特点成为大型空分装置的首选工艺。深度冷冻法的工作原理是先将空气液化，然后利用氧、氮沸点的差异，通过精馏将氧、氮分离。

深度冷冻法空气分离的主要步骤包括空气压缩、预冷、分子筛纯化、冷却、精馏步骤，其中，预冷步骤是将空气预冷却至8～10℃，以满足后续的分子筛纯化步骤的吸附要求，目前，预冷是通过对空气依次进行常温水喷淋、冷冻水(水温5℃左右)喷淋实现的，常温水来自晾水塔循环水系统，冷冻水是采用制冷机将常温水进行冷却制得。此外，空气分离装置涉及大量机械冷却器的使用，如压缩机级间的冷却器、后冷却器、油冷却器、电机冷却器、直接冷却器、蒸发冷却器等，这些冷却器的冷却效果与所用的冷却水的温度、流量有关，冷却水的流量越高、温度越低，冷却效果越好，而冷却水主要来源于晾水塔循环水系统。晾水塔循环水系统的水温取决于环境温度的高低，一般在10～30℃之间，这就造成空气分离装置的夏季电耗比冬季约高15％以上。冷却器用循环水系统的循环水水温主要是“靠天说话”，无法保证节能省电效果。

系统分析冶炼流程中的碳素流代谢过程，其能源利用的潜力依然很大：冶金生产过程中消耗的有效能量仅占总能耗的28.3％，而转化为余热的能耗占到总能耗的71.7％。目前，经过十几年的节能环保治理，大部分冶炼、钢铁厂已将300℃以上的高品位余热进行了回收，用于发电等节能项目。但是，多数企业无法对300℃以下的低品位余热进行有效回收利用，大多采用直接排放处理，造成对环境的破坏及能源的浪费十分惊人。

综合来看，冶炼、钢铁企业的空气分离装置能耗较大，余热利用系统的浪费较为严重。如何创新冶炼大系统内的工序设计，使冶炼行业的节能降耗获得更大突破，具有重要的现实意义。

技术实现要素：

本发明的第一个目的在于提供一种冶炼余热回收用于空气分离系统节能的方法，从而解决冶炼、钢铁企业的空气分离装置能耗大，低品位余热没有得到有效利用的问题。

本发明的第二个目的在于提供一种冶炼余热回收用于空气分离系统节能的系统。

本发明的第三个目的在于提供一种空气分离装置。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种冶炼余热回收用于空气分离系统节能的方法，包括：将冶炼余热通过蒸汽发生器制备余热蒸汽，将余热蒸汽经喷射制冷制备冷冻水，将冷冻水用于空气分离装置的空气预冷，和/或将冷冻水加入到空气分离装置的冷却器用循环水系统中。

本发明提供的冶炼余热回收用于空气分离系统节能的方法，对冶炼大系统内的空气分离装置和余热利用系统进行通盘考虑，利用低品位余热产生蒸汽，并利用蒸汽喷射制冷，取代空分预冷的电动冷冻水机组和循环水系统的晾水塔，改变了空气分离装置的低温循环水要靠制冷机组耗电或“靠天说话”的传统模式，避免了低品位热源直接排放造成的环境破坏，并使冶炼、钢铁厂的节能降耗效果得到明显的提高。

冷冻水经空气预冷后产生预冷回水，循环水系统中的循环水经冷却器后产生冷却回水，将预冷回水和冷却回水合并后作为所述喷射制冷用水源。余热蒸汽经喷射制冷后产生冷能以降低循环水的温度。

通过以上循环水路的设计，既满足了空气分离装置的用水需要，也可降低循环水系统的循环水温度，从而有利于降低空气分离装置的电耗，提高冷却器的冷却效果。

为进一步提高冶炼余热的利用效率，利用余热蒸汽带动蒸汽汽轮机做功，并将功输出至空气分离装置的空气压缩机。

该过程是低品位热能通过蒸汽发生器，产生蒸汽驱动汽轮机，输出动能，与空气压缩机轴并轴，以降低空气压缩机实际电能的消耗。此系统可通过相应的自控系统，通过离合器实现并轴运转。

将蒸汽汽轮机做功后产生的余汽与空气分离装置产生的污氮气进行热交换。对污氮气进行预加热可对再生空气分离纯化系统的分子筛吸附剂进行干燥，去除一氧化碳、水份等杂质，使分子筛吸附剂达到再生重复使用的目的。一般是采用电加热器将污氮气加热至190℃左右，通过利用蒸汽汽轮机做功后产生的余汽并利用通入蒸汽加热器对污氮气进行预热，可将污氮气预加热至120℃左右，从而改变了原有完全靠电加热器使污氮升温再生工艺。以此达到节省电加热器的用电量的目的。

所述冶炼余热为温度在300℃以下的低品位余热。通过低品位余热的利用，可进一步完善钢铁、冶炼企业的余热利用系统，节省能耗并减轻对环境的破坏。

通过以上节能手段的使用，可使冶炼企业大系统内的余热利用系统与空气分离装置得到有机整合，充分提高低品位余热的利用效率，降低空气分离装置的耗电量，具有低碳、绿色、节能、环保等优点，对于大多配备有多套空气分离装置的冶炼企业而言，经济效益十分显著。

本发明的冶炼余热回收用于空气分离系统节能的系统所采用的技术方案是：

一种冶炼余热回收用于空气分离系统节能的系统，包括依次相连的蒸汽发生器和喷射制冷装置，所述喷射制冷装置具有冷冻水出口，所述冷冻水出口用来与空气分离装置的空气预冷系统的入水口，和/或空气分离装置的冷却器用循环水系统的入水口相连接。

所述喷射制冷装置设有入水口，所述喷射制冷装置的入水口用来与所述空气预冷系统的出水口和/或所述冷却器的出水口相连接。所述喷射制冷装置设有蒸汽出口，所述蒸汽出口与所述蒸汽发生器的蒸汽进口相连接。通过上述结构设置，可实现空气分离装置用水实现闭路循环，通过将冶炼余热的热能转化为所述的冷能，进而实现冶炼余热的利用，并极大程度降低的电耗。

针对热能回收量足够大的冶炼企业，所述蒸汽发生器具有用来与喷射制冷装置相连的余热蒸汽出口，所述余热蒸汽出口还连接有蒸汽汽轮机，所述蒸汽汽轮机用来与空气分离装置的空气压缩机传动连接。所述空气压缩机还通过增速器与驱动电机相连接。通过余热蒸汽带动蒸汽汽轮机做功，将输出动能带动空气压缩机运转，可有效降低空气压缩机电机的负荷，降低空气分离装置中，空气压缩环节的电能损耗。

所述蒸汽汽轮机上连接有用来对产生的污氮气进行预热的蒸汽加热器，蒸汽汽轮机上设置有余汽出口，余汽出口与蒸汽加热器的蒸汽入口相连，蒸汽加热器的蒸汽出口与所述蒸汽发生器相连。通过对蒸汽汽轮机的余汽对污氮气预热，可有效降低后续采用电加热器对污氮气进行加热的耗电量，进一步提高冶炼余热的利用效率，并降低空气分离装置的耗电量。

本发明的冶炼余热回收用于空气分离系统节能的系统，对冶炼大系统内的空气分离、余热利用小系统进行有机整合，提高了低品位余热的利用程度，降低了电耗，具有低碳、绿色、节能、环保的特点，使冶炼、钢铁厂系统的节能省电效果得到明显的提高。

本发明的空气分离装置所采用的技术方案是：

一种空气分离装置，包括空气预冷系统、冷却器用循环水系统及冶炼余热回收用于空气分离系统节能的系统，所述冶炼余热回收用于空气分离系统节能的系统包括依次相连的蒸汽发生器和喷射制冷装置，所述喷射制冷装置具有冷冻水出口，所述冷冻水出口用来与空气分离装置的空气预冷系统的入水口，和/或空气分离装置的冷却器用循环水系统的入水口相连接。

冶炼余热回收用于空气分离系统节能的系统的优选方案与上述相同，在此不再详述。

本发明的空气分离装置，将冶炼大系统产生的冶炼余热转化为冷能或动能，并有机地整合到空气分离装置的多个子系统中，从而极大程度降低空气分离装置的电耗，提高空气分离装置的运行效率，节能省电效果十分显著，非常适用于在各大钢铁、冶炼企业内推广应用。

附图说明

图1为实施例1的空气分离装置的结构示意图；

图2为实施例2的空气分离装置的结构示意图；

图3为本发明的空气分离装置的其他实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

本发明的空气分离装置的实施例1，如图1所示，包括空气预冷系统3、冷却器用循环水系统4及冶炼余热回收用于空气分离系统节能的系统，所述冶炼余热回收用于空气分离系统节能的系统包括蒸汽发生器1，蒸汽发生器1具有高温余热进口10、低温余热出口11、余热蒸汽出口12和蒸汽进口13，余热蒸汽出口12连接有喷射制冷装置2，喷射制冷装置2设有余热蒸汽进口21、蒸汽出口22、冷冻水出口23和入水口24，余热蒸汽进口21与蒸汽发生器1的余热蒸汽出口12相连接，冷冻水出口23与空气预冷系统3的入水口、冷却器用循环水系统4的入水口相连接，空气预冷系统3的出口水、冷却器用循环水系统4的出水口通过循环管道5与喷射制冷装置2的入水口24相连接，喷射制冷装置2的蒸汽出口22与蒸汽发生器1的蒸汽进口13相连接。

本实施例的空气分离装置的工作过程如下：冶炼、钢铁厂产生的低品位余热通过蒸汽发生器产生余热蒸汽，余热蒸汽进入余热喷射制冷装置制备冷冻水，一部分冷冻水进入空气预冷系统对空气预冷至8～10℃，另一部分冷冻水进入冷却器用循环水系统，降低循环水的水温，提升对冷却器的冷却效果，空气预冷系统产生的预冷回水以及冷却器产生的冷却回水在循环管道中合并后作为喷射制冷系统的喷淋水源；喷射制冷系统副产的蒸汽直接进入蒸汽发生器，去产生高温高压蒸汽；低品位余热在经过蒸汽发生器利用后转化为温度为150℃左右的低温余热，经过处理后排放，如此完成一个闭路循环。

相应的，实施例1的空气分离装置是利用以下冶炼余热回收用于空气分离系统节能的方法实现的：利用低品位余热通过蒸汽发生器产生余热蒸汽，余热蒸汽经喷射制冷后制备冷冻水，将冷冻水用于空气分离装置的空气预冷，以及加入到冷却器用循环水系统中。

下面以某冶炼、钢铁厂的烧结烟气排放回收为例，利用冶炼余热制取冷能用于实施例1的15000m³/h的空气分离装置，具体工艺参数如表1所示。

表1实施例1的空气分离装置的工艺参数

按表1的工艺参数进行电费收益估算，空气分离装置的装机电功率为15000kw/h，电费按0.8元/度、年工作时间按8000小时、系统省电率按11％计算，每年共节省电费15000×0.8×8000×11％＝1056万元。

本发明的空气分离装置的实施例2，如图2所示，包括空气预冷系统3、冷却器用循环水系统4及冶炼余热回收用于空气分离系统节能的系统，所述冶炼余热回收用于空气分离系统节能的系统包括蒸汽发生器1、喷射制冷装置2、蒸汽汽轮机6，蒸汽发生器1、喷射制冷装置2与空气预冷系统3、冷却器用循环水系统4的具体结构关系可参考实施例1，蒸汽汽轮机6设有余热蒸汽进汽口60、余汽出口61、输出轴62，余热蒸汽进汽口60与蒸汽发生器1的余热蒸汽出口12相连接，余汽出口61通过蒸汽加热器200与蒸汽发生器1的蒸汽进口13相连接，蒸汽汽轮机6的输出轴62通过变速离合器7与空气压缩机8的旋转轴相连接，该旋转轴还与连接有驱动电机9的增速器100的输出轴同轴连接。蒸汽加热器200上还设有污氮气入口201和预热污氮气出口202。

本实施例的空气分离装置的工作过程如下：低品位热能通过蒸汽发生器产生余热蒸汽，一部分余热蒸汽按实施例1的方式制取冷能应用于空气预冷系统和冷却器用循环水系统，另一部分余热蒸汽驱动蒸汽汽轮机做功，产生机械旋转力，通过变速离合器同轴拖动空分空压机，减轻空分空压机的驱动电机的负荷。蒸汽汽轮机产生的余汽，通过蒸汽加热器对空气分离纯化系统的污氮气进行预热，来降低后续电加热器的用电量。

相应的，实施例2的空气分离装置是利用以下冶炼余热回收用于空气分离系统节能的方法实现的：利用低品位余热通过蒸汽发生器产生余热蒸汽，一部分余热蒸汽经喷射制冷后制备冷冻水，将冷冻水用于空气分离装置的空气预冷，以及加入到冷却器用循环水系统中，另一部分余热蒸汽驱动蒸汽汽轮器做功，将输出动能通过变速离合器同轴拖动空分空压机，同时将蒸汽汽轮机做功后的余汽，通入蒸汽加热器对污氮气进行预热。

以某冶炼、钢铁厂的烧结烟气排放回收为例，表2列出了处理量为15000m³/h的空气分离装置的同轴拖动空分空压机的工艺参数。

表2实施例2的空气分离装置中同轴拖动空分空压机的工艺参数

依据表2的工艺参数进行折算电费收益估算，空气分离装置的空压机电机功率为8400kw/h，电费按0.8元/度、年工作时间按8000h计算，蒸汽汽轮机输出的轴功率为8377×85％(变速离合效率)＝7120kw。同轴拖动空压机电机省电为7120-21-15＝7084kw/h；7084kw/h×0.8元/度×8000h＝4534万元/年。

对蒸汽汽轮机做功后的余汽进一步利用的折算电费收益估算如下：

空分设备纯化器系统原设计电加热器实际每日耗电共计19440度，若采用蒸汽加热器对富裕蒸汽加热污氮气，则可降低电耗。现有蒸汽压力为0.3～0.5mpa，饱和蒸汽的温度为143-158℃，每日需要蒸汽9吨，假定蒸汽将纯化再生气(污氮气)加热至120℃，则每日节电量为(120-15)/(190-15)×19440＝11664度，每日可节约用量11664度×0.80元/度＝9331.2元，月度按30天计算为9331.2×30＝279936元，年累计节电279936×12＝336万元。

综合计算本实施例余热蒸汽转化为冷能部分、同轴拖动空分空压机部分、蒸汽汽轮器余热利用部分的节电量，共计1056万元/年(按实施例1的节电量计)+4534万元/年+336万元/年＝5926万元/年。

目前，每个冶炼企业往往装配有多套空气分离装置，因此，使用本发明的冶炼余热回收用于空气分离系统节能的方法后创造的经济效益十分可观，从环保角度来说也具有明显的社会效益。

在本发明的空气分离装置的其他实施例中，可根据污氮气的纯化需求不设置蒸汽加热器(如图3所示)，也可根据冶炼企业的实际情况，仅将喷射制冷装置产生的冷冻水用于空气预冷或者用于加入到冷却器用循环水系统中以获取低温循环水；空气预冷系统产生的预冷回水和/或冷却器产生的冷却回水可并入循环水系统中，然后由循环水系统向喷射制冷装置提供喷淋用水。

在本发明的冶炼余热回收用于空气分离系统节能的系统的具体实施例，与上述空气分离装置中冶炼余热回收用于空气分离系统节能的系统的结构相同，在此不再详述。