一种冶金空分系统的余热利用系统及其方法

技术领域

本发明涉及有色冶金空分空压机余热利用技术领域，尤其涉及一 种空分系统的空压机余热利用系统及其方法。

背景技术

离心空压机在运行中，一般采取三～四级压缩方式，为了提高压 缩机效率，常常在中间级设置中间冷却器，使用冷却水将高温高压压 缩空气中的热量换出，并通过冷却塔风扇，将热量散出至大气中，以 保证空压机的安全稳定运行。空压机在长期、连续的运行过程中，把 电能转换为机械能，即电能转换成高压压缩空气能。在机械能转换成 为高压压缩空气过程中产生大量热量，最后以风冷或水冷的形式把热 量散发出去。

目前主流的第六代外压缩空分流程，其包含了空气压缩系统、空 气净化系统、流体换热系统、膨胀制冷系统、空气精溜系统等核心子 系统。A、空气压缩系统：空气分离得到各组分产品本质上是通过能 量转换来实现的，而空分系统最主要的能量输入设备是原料空气压缩 机。经过原料空压机的压缩，空气获得化0.9～1.0MPa的压力。B、 空气净化系统：空气净化系统包含了空气预冷系统和分子筛净化系统。 空压机的压缩造成空气急剧升温，虽然现代空压机多采用级间冷却降 温，但仍然有热量冗余。因此空分系统中设置空气预冷塔，通过接触 式的换热来给空气进一步冷却，其冷量通常采用精馏的污氮气和制冷 机。纯化器用于进一步除去空气中的水分、二氧化碳等杂质，防止其 对后续流程产生负面影响。C、流体换热系统：进入系统的常温空气 和低温的氮气、氧气、污氮气等在热交换器中换热，从而回收冷流体 的大部分冷量，热流体也达到足够低的温度，为精馏做准备。D、膨 胀制冷系统：空分系统的能量主要来源于膨胀机，从主换热器中抽的 空气在透平膨胀机中膨胀，降温降压，为空分系统提供了足够的冷量。 E、空气精馏系统：空气在精馈塔中实现组分的分离，精溜系统是空 气分离的核心系统。现代空分通常采用高、低压两级耦合的精馏塔来实现精馏。空压机设备型号：4MSGE+25/15；排气量：Q＝122000m3/h； 排气压力：P＝1.15Mpa；电功率：16500KW

在以上空压机工作过程中，高温高压的气所携带的热量大致相当 于空气压缩机功率的3/4，其温度通常在100℃—130℃之间，甚至高 达150℃。离心式空气压缩机通过使用冷却水的散热系统来给系统降 温的过程中，大量的热能就被无端的浪费了，而有色冶炼电解液加热 又需要大量的低压饱和蒸汽，利用空分余热替代饱和蒸汽，不仅节约 了低压饱和蒸汽，而且降低空分冷却循环水系统的电耗。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在离心式空气压缩机通 过使用冷却水的散热系统来给系统降温的过程中，大量的热能就被无 端的浪费了，而有色冶炼电解工序中电解液又需要大量饱和蒸汽加热， 电解液加热温度也只有63度左右，故提出的一种利用空分系统的空 压机余热加热电解液的系统方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种冶金空分系统的余热利用系统，包括三级热回收系统和四级 热回收系统，所述三级热回收系统包括空气过滤器，所述四级热回收 系统包括空分空压机，所述空分空压机连接有止回阀，所述止回阀连 接有循环泵，所述循环泵连接有补水箱和三个板式热交换器，所述补 水箱上设有软化水补水口，所述空气过滤器连接有一级压缩机，一级 压缩机连接有一级冷却器，一级冷却器连接有二级压缩机，二级压缩 机连接有二级冷却器，二级冷却器连接有三级压缩机，所述三级压缩 机连接有三级冷却器和余热回收器，所述余热回收器上连接有热回收 进水管和热回收出水管。

优选的，所述三级压缩机和三级冷却器之间设有阀门。

优选的，所述三级冷却器上连接有压缩空气排出管。

优选的，所述一级冷却器、二级冷却器和三级冷却器均连接有冷 却水进管和冷却水出管。

本发明还提出了一种空分系统的空压机热回收方法，包括以下步 骤：

S1：气体经空气过滤器过滤后进入一级压缩机压缩，然后经一级 冷却器冷却后进入二级压缩机压缩，之后气体经二级冷却器冷却进入 三级压缩机压缩；

S2：压缩后的气体进入余热回收器，余热回收器对气体中的余热 进行回收，利于余热对水进行加热；

S3：然后气体经三级冷却器冷却后排出，通过板式热交换器对排 出气体中的热量进行回收，降低冷却循环水系统的能耗，热水通过板 式热交换器对电解液进行加热，替代低压饱和蒸汽，实现节能的目的。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明充分利用空分空压机所产生的余热,来满足电解液加热的 需求，可使企业节约大量饱和蒸汽。

附图说明

图1为本发明提出的一种冶金空分系统的余热利用系统的三级 热回收系统结构示意图；

图2为本发明提出的一种冶金空分系统的余热利用系统的四级 热回收系统结构示意图。

图中：1空气过滤器、2一级压缩机、3一级冷却器、4二级压缩 机、5二级冷却器、6三级压缩机、7阀门、8三级冷却器、9余热回 收器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部 分实施例，而不是全部的实施例。

实施例一

参照图1-2，一种冶金空分系统的余热利用系统，包括三级热回 收系统和四级热回收系统，三级热回收系统包括空气过滤器1，四级 热回收系统包括空分空压机，空分空压机连接有止回阀，止回阀连接 有循环泵，循环泵连接有补水箱和三个板式热交换器，补水箱上设有 软化水补水口，空气过滤器1连接有一级压缩机2，一级压缩机2连 接有一级冷却器3，一级冷却器3连接有二级压缩机4，二级压缩机 4连接有二级冷却器5，二级冷却器5连接有三级压缩机6，三级压 缩机6连接有三级冷却器8和余热回收器9，余热回收器9上连接有 热回收进水管和热回收出水管。

本发明中，三级压缩机6和三级冷却器8之间设有阀门7。

本发明中，三级冷却器8上连接有压缩空气排出管。

本发明中，一级冷却器3、二级冷却器5和三级冷却器8均连接 有冷却水进管和冷却水出管。

本发明还提出了一种空分系统的空压机热回收方法，包括以下步 骤：

S1：气体经空气过滤器1过滤后进入一级压缩机2压缩，然后经 一级冷却器3冷却后进入二级压缩机4压缩，之后气体经二级冷却器 5冷却进入三级压缩机6压缩；

S2：压缩后的气体进入余热回收器9，余热回收器9对气体中的 余热进行回收，利于余热对水进行加热；

S3：然后气体经三级冷却器8冷却后排出，通过板式热交换器对 排出气体中的热量进行回收，降低冷却循环水系统的能耗，热水通过 板式热交换器对电解液进行加热，替代低压饱和蒸汽，实现节能。

通过空压机余热回收，按平均产气量11000m

式中，C为压缩空气定压比热容，为常数1.05KJ/kg·℃

G为空压机压缩空气体积流量，按平均负荷，即110000Nm

ρ为压缩空气密度，查空气参数表，得ρ＝1.18kg/Nm

△T为压缩空气热气进换热器口温度与我公司余热回收利用后的 温度差。运行中循环水箱温度取平均值40℃，假定我司按10℃端差 设计换热器，即余热回收后压缩空气温度按50℃计算。离心空压机 第四级排气温度约100℃，本方案按100℃计算。

则△T＝tin-tout＝100-50＝50℃

则四级热量＝C·G·ρ·△T＝1.05*120000*1.18*50＝7434000KJ/h， 换算成热功率，即Q＝2065KW。

故总回收热功率Q＝2065KW。热量等效于2.95吨蒸汽，加上空压 站的热回收，可基本满足现有电解的低压蒸汽流量需求。因此，采用 空压机余热回收，既不影响空分空压机的正常运行，并可回收用于维 持电解液温度的热水，又可减少冷却循环水的耗电，空分空压机余热 回收，可带来多方面的收益。

改造后对排气压力的影响分析

改造后，空分空压机排气压力降低约0.008Mpa，即8kPa，压力 损失仅占平均排气压力的0.8％，按现有波动率，此压损对系统几乎 无影响。

节能潜力分析

回收热量＝C·G·ρ·△T

式中，C为压缩空气定压比热容，为常数1.05KJ/kg·℃

G为空压机压缩空气体积流量，按平均负荷，即110000Nm

ρ为压缩空气密度，查空气参数表，得ρ＝1.18kg/Nm

△T为压缩空气热气进换热器口温度与我公司余热回收利用后的 温度差。运行中循环水箱温度取平均值40℃，假定我司按10℃端差 设计换热器，即余热回收后压缩空气温度按50℃计算。离心空压机 第四级排气温度约100℃，本方案按100℃计算。

则△T＝tin-tout＝100-50＝50℃

则一二级热量＝C·G·ρ·△T＝1.05*120000*1.18*50＝7434000KJ/h， 换算成热功率，即Q＝2065KW。

故总回收热功率Q＝2065KW。热量等效于2.95吨蒸汽。空分空压 机年运行8200小时，按蒸汽价格80元/吨计算，则年可回收价值 193.52万元。

通过优化气-水换热器设计，仅需要增加管道阻力0.008Mpa，不 影响空分系统的安全性稳定性，并设置启动旁通阀，当事故状态时， 切换至现有运行方式。

离心压缩机的余热回收是由于本身的设计结构和工作原理决定 的。其工作流程是离心压缩机吸入气体后将其压缩，使其压力增加即 动能转化为压力能，电机旋转带动齿轮及转子轴，然后使叶轮获得旋 转动力，外部气体被吸入叶轮进口，然后由于叶轮的运转时的离心力 使吸入的气体被加速并流向叶轮的顶端，高速的气体通过叶轮流向扩 压器，在扩压器内因区域面积的改变，通过膨胀使气体流速减慢同时 压力升高，同样当气流流经蜗壳时，也因为流道面积的逐渐增大，气 流速度逐渐减小而使气体压力得到提高。

离心空压机要实现等温压缩，效率优化，保证出口压力和温度指 标，各段间配置中间冷却器，即使用冷却水将压缩空气的热量换出， 并通过冷却塔风扇，将热量散出至大气中，该部分热量约占压缩机总 电功率的70％以上，采用空压机压缩热回收，制取电解所需热水，减 少低压蒸汽消耗量。将余热回收设备设置于站房输气管道后侧，止回 阀后侧，进入空冷塔前的空气管上。

并不改变气流方向，不会影响后续冷却效果和压缩空气品质，且 进入空冷塔前，高温压缩空气先进入余热回收设备，可显著降低冷却 循环水用量，降低综合能耗，因我本方案提出的热回收设备及管网气 阻非常小，实测小于0.008Mpa值，对用气后处理设备不会造成任何 影响。

实施例二

参照图1-2，一种冶金空分系统的余热利用系统，包括三级热回 收系统和四级热回收系统，三级热回收系统包括空气过滤器1，四级 热回收系统包括空分空压机，空分空压机连接有止回阀，止回阀连接 有循环泵，循环泵连接有补水箱和三个板式热交换器，补水箱上设有 软化水补水口，空气过滤器1连接有一级压缩机2，一级压缩机2连 接有一级冷却器3，一级冷却器3连接有二级压缩机4，二级压缩机 4连接有二级冷却器5，二级冷却器5连接有三级压缩机6，三级压 缩机6连接有三级冷却器8和余热回收器9，余热回收器9上连接有

本发明中，三级压缩机6和三级冷却器8之间设有阀门7。

本发明中，三级冷却器8上连接有压缩空气排出管。

本发明中，一级冷却器3、二级冷却器5和三级冷却器8均连接 有冷却水进管和冷却水出管。

本发明中，四级热回收系统包括补水箱、循环泵和板式热交换器。

本发明还提出了一种空分系统的空压机热回收方法，包括以下步 骤：

S1：气体经空气过滤器1过滤后进入一级压缩机2压缩，然后经 一级冷却器3冷却后进入二级压缩机4压缩，之后气体经二级冷却器 5冷却进入三级压缩机6压缩；

S2：压缩后的气体进入余热回收器9，余热回收器9对气体中的 余热进行回收，利于余热对水进行加热；

S3：然后气体经三级冷却器8冷却后排出，通过板式热交换器对 排出气体中的热量进行回收。

通过空压机余热回收，按平均产气量11000m

式中，C为压缩空气定压比热容，为常数1.05KJ/kg·℃

G为空压机压缩空气体积流量，按平均负荷，即110000Nm

ρ为压缩空气密度，查空气参数表，得ρ＝1.18kg/Nm

△T为压缩空气热气进换热器口温度与我公司余热回收利用后的 温度差。运行中循环水箱温度取平均值40℃，假定我司按10℃端差 设计换热器，即余热回收后压缩空气温度按50℃计算。离心空压机 第四级排气温度约100℃，本方案按100℃计算。

则△T＝tin-tout＝100-50＝50℃

则四级热量＝C·G·ρ·△T＝1.05*120000*1.18*50＝7434000KJ/h， 换算成热功率，即Q＝2065KW。

故总回收热功率Q＝2065KW。热量等效于2.95吨蒸汽，加上空压 站的热回收，可基本满足现有电解的低压蒸汽流量需求。因此，采用 空压机余热回收，既不影响空分空压机的正常运行，并可回收用于维 持电解液温度的热水，又可减少冷却循环水的耗电，空分空压机余热 回收，可带来多方面的收益。

改造后对排气压力的影响分析

改造后，空分空压机排气压力降低约0.008Mpa，即8kPa，压力 损失仅占平均排气压力的0.8％，按现有波动率，此压损对系统几乎 无影响。

节能潜力分析

回收热量＝C·G·ρ·△T

式中，C为压缩空气定压比热容，为常数1.05KJ/kg·℃

G为空压机压缩空气体积流量，按平均负荷，即110000Nm

ρ为压缩空气密度，查空气参数表，得ρ＝1.18kg/Nm

△T为压缩空气热气进换热器口温度与我公司余热回收利用后的 温度差。运行中循环水箱温度取平均值40℃，假定我司按10℃端差 设计换热器，即余热回收后压缩空气温度按50℃计算。离心空压机 第四级排气温度约100℃，本方案按100℃计算。

则△T＝tin-tout＝100-50＝50℃

则一二级热量＝C·G·ρ·△T＝1.05*120000*1.18*50＝7434000KJ/h， 换算成热功率，即Q＝2065KW。

故总回收热功率Q＝2065KW。热量等效于2.95吨蒸汽。空分空压 机年运行8200小时，按蒸汽价格80元/吨计算，则年可回收价值 193.52万元。

本实施例与实施例一的区别在于增加了温度检测器，通过温度检 测器对热回收出水的温度进行检测。

实施例三

参照图1-2，一种冶金空分系统的余热利用系统，包括三级热回 收系统和四级热回收系统，三级热回收系统包括空气过滤器1，四级 热回收系统包括空分空压机，空分空压机连接有止回阀，止回阀连接 有循环泵，循环泵连接有补水箱和三个板式热交换器，补水箱上设有 软化水补水口，空气过滤器1连接有一级压缩机2，一级压缩机2连 接有一级冷却器3，一级冷却器3连接有二级压缩机4，二级压缩机 4连接有二级冷却器5，二级冷却器5连接有三级压缩机6，三级压 缩机6连接有三级冷却器8和余热回收器9，余热回收器9上连接有 热回收进水管和热回收出水管，余热回收器9上设有温度检测器、流 量计和计时器，通过温度检测器对热回收出水的温度进行检测，通过 流量计对气体流量进行检测，通过计时器对水加热到需要的温度所用 时间进行计算。

本发明中，三级压缩机6和三级冷却器8之间设有阀门7。

本发明中，三级冷却器8上连接有压缩空气排出管。

本发明中，一级冷却器3、二级冷却器5和三级冷却器8均连接 有冷却水进管和冷却水出管。

本发明中，四级热回收系统包括补水箱、循环泵和板式热交换器。

本发明还提出了一种空分系统的空压机热回收方法，包括以下步 骤：

S1：气体经空气过滤器1过滤后进入一级压缩机2压缩，然后经 一级冷却器3冷却后进入二级压缩机4压缩，之后气体经二级冷却器 5冷却进入三级压缩机6压缩；

S2：压缩后的气体进入余热回收器9，余热回收器9对气体中的 余热进行回收，利于余热对水进行加热；

S3：然后气体经三级冷却器8冷却后排出，通过板式热交换器对 排出气体中的热量进行回收。

通过空压机余热回收，按平均产气量11000m

式中，C为压缩空气定压比热容，为常数1.05KJ/kg·℃

G为空压机压缩空气体积流量，按平均负荷，即110000Nm

ρ为压缩空气密度，查空气参数表，得ρ＝1.18kg/Nm

△T为压缩空气热气进换热器口温度与我公司余热回收利用后的 温度差。运行中循环水箱温度取平均值40℃，假定我司按10℃端差 设计换热器，即余热回收后压缩空气温度按50℃计算。离心空压机 第四级排气温度约100℃，本方案按100℃计算。

则△T＝tin-tout＝100-50＝50℃

则四级热量＝C·G·ρ·△T＝1.05*120000*1.18*50＝7434000KJ/h， 换算成热功率，即Q＝2065KW。

故总回收热功率Q＝2065KW。热量等效于2.95吨蒸汽，加上空压 站的热回收，可基本满足现有电解的低压蒸汽流量需求。因此，采用 空压机余热回收，既不影响空分空压机的正常运行，并可回收用于维 持电解液温度的热水，又可减少冷却循环水的耗电，空分空压机余热 回收，可带来多方面的收益。

改造后对排气压力的影响分析

改造后，空分空压机排气压力降低约0.008Mpa，即8kPa，压力 损失仅占平均排气压力的0.8％，按现有波动率，此压损对系统几乎 无影响。

节能潜力分析

回收热量＝C·G·ρ·△T

式中，C为压缩空气定压比热容，为常数1.05KJ/(kg·℃)

G为空压机压缩空气体积流量，按平均负荷，即110000Nm

ρ为压缩空气密度，查空气参数表，得ρ＝1.18kg/Nm

△T为压缩空气热气进换热器口温度与我公司余热回收利用后的 温度差。运行中循环水箱温度取平均值40℃，假定我司按10℃端差 设计换热器，即余热回收后压缩空气温度按50℃计算。离心空压机 第四级排气温度约100℃，本方案按100℃计算。

则△T＝tin-tout＝100-50＝50℃

则一二级热量＝C·G·ρ·△T＝1.05*120000*1.18*50＝7434000KJ/h， 换算成热功率，即Q＝2065KW。

故总回收热功率Q＝2065KW。热量等效于2.95吨蒸汽。空分空压 机年运行8200小时，按蒸汽价格80元/吨计算，则年可回收价值 193.52万元。

本实施例与实施例二的区别在于增加了温度检测器、流量计和计 时器，通过温度检测器对热回收出水的温度进行检测，通过流量计对 气体流量进行检测，通过计时器对水加热到需要的温度所用时间进行 计算，可以对余热回收效率进行计算，相同的气量，水加热到需要温 度的时间越短余热回收效率越高。

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。