一种制氧工序余热回收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回收利用系统及方法。

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，制氧工序余热回收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回收利用系统及方法，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回收利用系统及方法。实现了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，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：

一种制氧工序余热回收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、供热用户、1#热泵机组、2#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1#热泵机组入口连接，同时以并联方式通过开关阀与供热用户入口连接；二、三级换热器水侧出口通过开关阀与制冷用户入口连接；制冷用户出口与高温蓄水槽入口连接；1#热泵机组出口通过开关阀与高温蓄水槽入口连接，1#热泵机组驱动热源出口通过开关阀与冷却塔入口连接；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热用户入口连接。

供热用户出口以并联方式分别通过开关调节阀和开关阀连接2#热泵机组驱动热源入口与冷却塔入口；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1#热泵机组的驱动热源入口、2#热泵机组入口和冷却塔入口；2#热泵机组出口通过开关阀与供热用户入口连接，2#热泵机组驱动热源出口通过开关阀与冷却塔入口连接。

冷却塔出口经过流量计，通过开关调节阀与给水池入口连接，并与给水池出口汇聚与一级换热器、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连接，控制给水池进、出口开关调节阀。

一种制氧工序余热回收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。

低温换热器非运行模式：

对于10万nm³/h～20万nm³/h的三级压缩空压机组，常温常压空气经过空压机一级压缩后温度达70℃～100℃，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。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。

进入一级换热器的冷却水经过换热后温度为55℃～65℃，通过开关阀进入供热用户的入口；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℃流出制冷用户进入高温蓄水槽。进入高温蓄水槽中的70℃～75℃热水的30％～60％(流量比)流出高温蓄水槽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热用户，其余40％～70％(流量比)的70℃～75℃热水留在高温蓄水槽中；供热后水温降至40℃～50℃流出供热用户，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40％～70％(流量比)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热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；此时调整高温蓄水槽的出水量，进入高温蓄水槽中的70℃～75℃热水100％流出高温蓄水槽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热用户；经过这样一个循环运行后，供给供热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，高温蓄水槽的进出水量也达到平衡。

供热用户回水温度降至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，反馈回给水池的开关调节阀进行补水。

低温换热器运行模式：

对于10万nm3/h～20万nm3/h的三级压缩空压机组，常温常压空气经过空压机一级压缩后温度达70℃～100℃，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。

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氧气量，氧气管网需要的补充量为2万nm3/h～4万nm3/h，低温液体换热器需70℃～75℃热水的水量为110t/h～280t/h，最长需要持续15h～20h。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。

在低温换热器运行所需热水流量低于二级换热器与三级换热器的冷却水流量和的情况下，进入一级换热器的冷却水经过换热后温度为55℃～65℃，通过开关阀进入供热用户的入口；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℃从制冷用户流出，进入高温蓄水槽。高温蓄水槽向低温液体换热器提供所需的70℃～75℃热水，换热后降温至45℃～50℃流出低温液体换热器进入冷却塔；同时可调整高温蓄水槽供给供热用户的热水流量，调整范围为高温蓄水槽入水流量的80％～100％，并与一级换热器出来的低温水汇聚供给供热用户；供热后水温降至40℃～50℃流出供热用户，通过开关阀进入冷却塔降温至30℃～35℃，从冷却塔流出经过流量计重新作为空压机冷却水进行循环使用。由于高温蓄水槽的入水流量小于出水流量存在流量差，即高温蓄水槽向系统中增加部分供水，使得冷却塔流出的循环回水总量大于空压机冷却需求水量，因此通过流量计将信号反馈给水系统，给水系统控制开关调节阀将多余供水通入给水池中。当低温换热器运行模式结束后，制氧机恢复运行，高温蓄水槽中的蓄水量降低。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，给高温蓄水槽蓄水，直到高温蓄水槽中水量升至1500nm³～2000nm³，以供下一次低温换热器运行所需。

在低温换热器运行所需热水流量高于二级换热器、三级换热器冷却水流量和，且低于一级换热器、二级换热器、三级换热器冷却水流量和的情况下，系统进行调整。进入一级换热器的冷却水经过换热后温度为55℃～65℃，通过开关阀进入1#热泵机组入口；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℃从制冷用户流出，进入高温蓄水槽。高温蓄水槽向低温液体换热器提供所需的70℃～75℃热水加热低温液氧，使其升温至20℃进入氧气管网；换热后降温至45℃～50℃低温水流出低温液体换热器，其中15％～25％(流量比)低温水作为驱动热源进入1#热泵机组，经过1#热泵机组后降温至35℃～40℃，从驱动热源出口流出进入冷却塔；50％～70％(流量比)的低温水进入2#热泵机组进行加热，加热至55℃～60℃从开关阀流出进入供热用户供热；剩余的15％～25％(流量比)低温出水通过开关调进入冷却塔。

一级换热器出来的55℃～65℃换热水进入1#热泵机组加热升温至70℃～75℃，然后从开关阀流出进入高温蓄水槽中，此时高温蓄水槽的入水流量为一级换热器、二级换热器、三级换热器冷却水流量和；高温蓄水槽除了向低温液体换热器提供热水外，还可根据高温蓄水槽进出口水量调整供给供热用户的70℃～75℃热水流量，调整范围为高温蓄水槽入水流量的0～60％，保证高温蓄水槽的入水流量小于等于出水流量；高温蓄水槽供给供热用户的70℃～75℃热水与2#热泵机组加热至55℃～60℃水汇聚流入供热用户供热，供热后水温降至40℃～50℃流出供热用户；其中50％～75％低温水作为驱动热源进入2#热泵机组，驱动热泵后降温至35℃～40℃通过开关阀进入冷却塔；剩余的25％～50％低温水直接通过开关阀进入冷却塔。

进入冷却塔后降温至30℃～35℃，从冷却塔流出经过流量计重新作为空压机冷却水进行循环使用。由于高温蓄水槽的入水流量小于出水流量存在流量差，即高温蓄水槽向系统中增加部分供水，使得冷却塔流出的循环回水总量大于空压机冷却需求水量，因此通过流量计将信号反馈给水系统，给水系统控制开关调节阀将多余供水通入给水池中。当低温换热器运行模式结束后，制氧机恢复运行，高温蓄水槽中的蓄水量降低。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，给高温蓄水槽蓄水，直到高温蓄水槽中水量升至1500nm3～2000nm3，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：

本发明能够对空压机冷却水余热进行直接高效利用，并通过制氧工序余热回收利用系统及方法中1#热泵机组、2#热泵机组驱动热源流体和加热流体的流量控制及高温蓄水槽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。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、高温蓄水槽，10、供热用户，11、低温液体换热器，12、1#热泵机组，13、2#热泵机组，14、冷却塔，15、给水池，16、17、18、19、21、26、27、28、29开关阀，20、22、23、24、25、30、31开关调节阀，32流量计。

具体实施方式

本发明公开了一种制氧工序余热回收利用系统及方法。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。

一种制氧工序余热回收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、供热用户10、1#热泵机组12、2#热泵机组13、冷却塔14、给水池15、高温蓄水槽9、低温液体换热器11、流量计32和以上设备之间连接的各种阀门。

其中空压机一级压缩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与1#热泵机组12入口连接，同时以并联方式通过开关阀与供热用户10入口连接；二级换热器5、三级换热器6水侧出口通过开关阀与制冷用户入口8连接；制冷用户8出口与高温蓄水槽9入口连接；1#热泵机组12出口通过开关阀与高温蓄水槽9入口连接，1#热泵机组12驱动热源出口通过开关阀与冷却塔14入口连接；高温蓄水槽9出口也以并联方式分别通过开关阀与低温液体换热器11入口和供热用户10入口连接。

供热用户10出口以并联方式分别通过开关调节阀和开关阀连接，2#热泵机组13驱动热源入口与冷却塔14入口；低温液体换热器11的出口以并联方式分别通过开关调节阀和开关阀连接1#热泵机组12的驱动热源入口、2#热泵机组13入口和冷却塔14入口。2#热泵机组13出口通过开关阀与供热用户入口连接，2#热泵机组13驱动热源出口通过开关阀与冷却塔14入口连接；冷却塔14出口经过流量计，通过开关调节阀与给水池15入口连接，并与给水池15出口汇聚与一级换热器4、二级换热器5、三级换热器6的水侧入口连接；流量计32的反馈信号与给水池15连接，控制给水池15进、出口开关调节阀。

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16、17、29处于开启状态，开关阀18、19、21、26、27、28、处于关闭状态；开关调节阀22、31处于开启状态，开关调节阀20、23、24、25、30处于关闭状态。高温蓄水槽9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17进入供热用户10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58.5t/h左右，经换热升温至80℃；约117t/h温度为80℃的热水通过开关阀16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，约117t/h热水温度降至70℃从制冷用户流出，进入高温蓄水槽9。之后高温蓄水槽9中的70℃水通过开关调节阀22流出57t/h与一级换热器4出来的72t/h温度为60℃低温热水汇聚成119t/h的64.4℃供热水进入供热用户10，剩余60t/h的70℃水留在高温蓄水槽9中；供热后水温降至45℃流出供热用户10，通过开关阀29进入冷却塔14降温至35℃经过流量计32重新作为空压机冷却水进行循环使用；由于60t/h的70℃水留在高温蓄水槽9中，使得从冷却塔14流出的循环回水总量为129t/h，无法满足空压机冷却需求，因此需要给水池15通过开关调节阀31进行等量补水。

系统运行30小时后，高温蓄水槽9中的蓄水量达到1800m3，这个蓄水量可满足低温液体换热器11运行一次所需水量；此时调整开关调节阀22流出117t/h与一级换热器4出来的低温热水汇聚成189t/h的66℃供热水进入供热用户10；经过一个循环稳定运行后，供给供热用户10的热水量为189t/h，温度为66℃；且高温蓄水槽9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10回水温度降至45℃流出，通过开关阀29进入冷却塔14降温至35℃，流出189t/h的35℃回水经过流量计32重新作为空压机冷却水进行循环使用，开关调节阀31也停止大量补水；流量计32检测回水量，当回水量低于总量4％时，再反馈给开关调节阀31进行等量补水。

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16、18、19、21、26、27、28、29处于开启状态，开关阀17处于关闭状态；所有开关调节阀20、22、23、24、25、30、31处于开启状态。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。

当某台制氧机出现跳机，氧气管网压力不足时，需要补充氧气量为4万标立/小时，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70℃的水量为273t/h。

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18进入1#热泵机组12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58.5t/h左右，经换热升温至80℃；约117t/h温度为80℃的热水通过开关阀16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，约117t/h热水温度降至70℃从制冷用户流出，进入高温蓄水槽9。高温蓄水槽9中的70℃水通过开关调节阀23以273t/h的流量进入低温液体换热器11中加热低温液氧，使其升温至20℃进入氧气管网；273t/h的70℃水换热后降温至50℃流出低温液体换热器11，其中55t/h的低温水作为驱动热源通过开关调节阀20进入1#热泵机组12的驱动热源入口，驱动1#热泵机组12后降温至40℃，从驱动热源出口通过开关阀21流出进入冷却塔14；168t/h的低温水进入2#热泵机组13入口进行加热，剩余的50t/h的低温出水通过开关调28进入冷却塔14；一级换热器4出来的约72t/h温度为60℃换热水经开关阀18进入1#热泵机组加热升温至70℃，然后从开关阀19流出进入高温蓄水槽9中，此时高温蓄水槽9的入水流量为189t/h，出水流量为273t/h，流量差为84t/h。

在低温换热器非运行模式下运行时，供给供热用户9的热水量为189t/h的66℃供热水，当系统切换至低温换热器运行模式时，189t/h出水温度为45℃的供暖回水流出，其中126t/h的出水通过开关调节阀25进入2#热泵机组13作为驱动热源，驱动热泵机组13后降温至35℃，从驱动热源出口通过开关阀27流出进入冷却塔14，剩余的63t/h的低温出水通过开关调29进入冷却塔14；而从低温液体换热器11流出的168t/h的50℃低温水通过开关调节阀24进入2#热泵机组13加热升温至60℃，然后从开关阀26流出进入供热用户9供热，此时供给供热用户9的热水量为168t/h的60℃供热水，即在低温换热器运行模式下，供热用户9处于低负荷运行状态；供热用户9出水温度降至45℃流出，其中126t/h出水进入2#热泵机组13，驱动热泵机组13后从驱动热源出口通过开关阀27流出进入冷却塔14；剩余的42t/h的低温出水通过开关调29进入冷却塔11降温至35℃。由于高温蓄水槽9的入水流量为189t/h，出水流量为273t/h，流量差为84t/h，即高温蓄水槽9向系统中增加了84t/h的供水；使得从冷却塔14流出的循环回水总量为273t/h，大于空压机冷却需求水量，因此通过开关调节阀30将多余供水通入给水池15。

低温换热器运行模式运行20小时后制氧机恢复运行，高温蓄水槽9中的蓄水量从1800m3降至120m3。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，给高温蓄水槽14蓄水，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。

通过以上系统及方法，对制氧工序空压机余热进行高效回收利用，提高了系统的热效率；并通过对1#热泵机组和2#热泵机组的驱动热源流体和加热流体的流量控制，实现了对低温换热器和供热用户供热量的控制，满足了用户的需求波动；同时也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。

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。