CN102367497A - 高炉鼓风节能增效集成技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针对高炉鼓风流程设计的，系统性节能增效技术。该项技术的应用，可以大幅度提高高炉冶炼强度，降低焦比，实现高炉的高效化生产，提高产品质量。为了进一步提高高炉炼铁的冶炼强度，实现高炉的高效化生产，推进冶金行业的节能减排，提供了高炉鼓风节能增效集成技术，主要包括三大子技术，即：鼓风机的进风除湿降温技术、鼓风机运行能效优化技术和鼓风机的变频优化技术，其中变频调速优化技术与ASCV系列鼓风防喘阀技术有机结合。

Description

高炉鼓风节能增效集成技术

技术领域

本发明涉及一种针对高炉鼓风流程设计的，系统性节能增效技术。该项技术的应用，可以大幅度提高高炉冶炼强度，降低焦比，实现高炉的高效化生产，提高产品质量。

背景技术

目前，中国国内一次能源转换有25%的节能潜力，能源终端消费有26%的节能潜力，一次能源消费的平均节能潜力达26%。中国全社会能耗的70%集中在工业领域，其中占我国全社会总能耗15%～20%的冶金行业成了国家节能减排工作的重中之重。

高炉鼓风系统的运行，受多因素相互耦合影响。高炉鼓风系统的运行能耗，占到冶金流程总能耗的20～30%。为了确保高炉鼓风系统的低能耗高效顺行、提高高炉的利用系数、降低焦比，本发明根据中国高炉炼铁生产技术手册、工业余热回收技术、工程热力学与传热学原理、现代控制理论和变频调速方法，创新研发了高炉鼓风节能增效集成技术，从而可进一步提高高炉的冶炼强度，实现高炉的高效化生产，推进冶金行业的节能减排。

发明内容

本发明为了进一步提高高炉炼铁的冶炼强度，实现高炉的高效化生产，推进冶金行业的节能减排，发明了高炉鼓风节能增效集成技术，主要包括三大子技术，即：鼓风机的进风除湿降温技术、鼓风机运行能效优化技术和鼓风机的变频优化技术，其中变频调速优化技术与ASCV系列鼓风防喘阀技术有机结合。

本发明的上述技术问题是通过以下技术方案得以实施的：一种高炉鼓风节能增效集成技术，包括鼓风机的进风除湿降温技术、鼓风机运行能效优化技术和鼓风机的变频优化技术，其特征在于，利用所述鼓风机的进风除湿降温技术，对进入高炉鼓风机前的湿热空气进行热湿分治，其步骤如下：

A）根据冶炼主流程所需空气荷载以及相应的环境工况，使湿热空气首先经过空气过滤工艺段，进行预过滤和除尘处理；

B）经过预过滤和除尘处理的空气进入多流程低阻型一级表冷装置进行初步降温，该一级表冷装置将空气的温度降低到能够为之后的除湿工艺段提供所需的入口工况并且保证其除湿率效的相应温度；

C）经过初步降温的空气进入除湿装置，进行进一步脱湿；

D）脱湿后的空气进入多流程低阻型二级表冷装置，进行二级降温；

完成上述热湿分治后，空气的温度和绝对湿度均达到相应的取值点，此时，空气的温度、湿度和流量控制在基准工况点上，所述的基准工况设定为风机入口空气的设计工况，作为进一步优化的起点。

作为优选，应用余热回收型溴化锂吸收式制冷机组、燃气热泵型冷水机组、机械压缩式电制冷机组，进行空调主机设备流程组合的最优化，充分利用钢铁厂的余热余气来产生冷冻水。

作为优选，所述的一级表冷工艺段的过程中，所产生的冷凝水汇总收集回用。

作为优选，所述的鼓风机运行能效优化技术，包括为高炉鼓风机建立运行能效分析模型和数据库；该鼓风机运行能效优化技术，通过监测大量的高炉鼓风机入口和出口流动参数，并通过相应的高炉鼓风机运行能效分析模型进行能效分析，实现当鼓风机运行于低能效区域时，采用运行优化控制技术强制改变系统外管路阻力、优化鼓风机静叶开度和进风温湿度条件，将其从低效区强制偏移到高效区，从而降低输入功率，实现鼓风机的高效节能运行。

作为优选，通过对高炉鼓风机的进风温湿度的调节处理、结合外网阻力的改变、内网阻力的改变，利用鼓风机运行能效技术对多变工况下高炉鼓风机的优化参数进行监测，并记录到鼓风机运行能效数据库，为一年四季不同工况下高炉鼓风系统的持续最优化运行、健康状态诊断提供数据基础。

作为优选，所述的高炉鼓风节能增效集成技术采用风机变频与自适应风机防喘寻优技术及防喘阀相结合的方法；所述的自适应风机防喘寻优技术，提出对在变频调节过程中，鼓风机喉部差压变化的绝对值和差压变化的梯度进行双重实时监测，作为防喘阀开度调节的依据，当这两个参数的取值，特别是差压变化梯度超过相应取值时，防喘阀进入动作状态，严防系统出现喘振；所述风机频率的调节则采用区间逼近优化调节的方法，即对于某一工况下的高炉鼓风机，从工频开始进行自适应逼近寻优的调节，直到风机频率降下来，而防喘阀仍处于关闭的最优频率上。

作为优选，所述的鼓风机的变频优化技术采用具有旁路功能的双模式运行，在紧急情况时可快速切换为工频运转。

1.基于热湿分治和余热回收理念的高炉鼓风除湿降温技术：

对进入高炉鼓风机前的热湿空气，利用多流程冷冻降温、冷冻除湿与吸附除湿相结合的原理，实施鼓风除湿降温。通过降低单位体积空气中的绝对含湿量，提高空气密度，实现低温低湿进风，从而大幅度降低高炉鼓风机的单产能耗，增加鼓风机的进风质量流量。

增大高炉鼓风的质量流量，也就是增大单位时间送进高炉的氧气量，这将加大铁矿的还原反应强度，从而提高高炉的利用系数。通常说的“有风就有铁”中，“风”指的是进风的“质量流量”。增大高炉鼓风的质量流量，可以提高炉温，增加炉内的煤气密度，加快冶炼的还原反应速度，减少焦炭粉尘的吹出量，从而降低高炉的入炉焦比。

根据大量钢厂的运行经验数据表明：高炉鼓风系统的进风含湿量每降低1g/m3，综合焦比降低0.7~1kg/tFe，折合0.68kgce/tFe；增加喷煤2.23kg/tFe，使高炉顺行增加产能约0.1％～0.5％。高炉鼓风降温除湿技术可以增加鼓风机的进风质量流量。一般地将35℃/RH70%的热湿空气处理到9℃/RH70%，可以增加约9%的鼓入风量。根据周传典主编的《高炉炼铁生产技术手册》介绍：高炉鼓风机质量流量每增加1%，提高冶炼强度约1 %，在焦比不变情况下增产1%左右。现代大型高炉鼓风机质量流量每增加1%，增产(1.1±0.2)%。湿度较高地区的高炉存在冬季焦比低而产量较高、夏季焦比高而产量较低的现象，这是由于空气中的含湿量变化引起的。即使同一地域的白天和夜晚，大气中绝对含湿量波动约5g/Nm3，大气温度波动一般在5~10℃。含湿量的波动将会导致风口前火焰温度波动30℃左右，使高炉生产不稳定；大气温度的变化也会影响热风炉的温度变化。利用高炉鼓风除湿降温技术使高炉鼓风系统达到稳湿与恒温、低湿、过滤的多重效果，从而稳定高炉运行、提高产品质量。

鼓风系统中单位体积绝对含湿量的减少，可以降低高炉焦炭与水蒸气之间的氧化还原反应强度，提高高炉燃烧过程中的燃烧温度，降低高炉冶炼的焦比。高炉鼓风系统的除湿降温与除尘，还可以减少高炉炉内的结瘤现象，使高炉炉况更为顺畅。

本发明自主开发的高炉鼓风除湿降温技术，是一种基于多流程热湿分制理念、对各高能效空气处理机组进行最优组合，并对工业余热和废热进行综合回收利用的集成创新节能技术，主要包括：1）应用目前成熟的余热回收型溴化锂吸收式制冷机组、燃气热泵型冷水机组、机械压缩式电制冷机组，进行空调主机设备流程组合的最优化，充分利用钢铁厂的余热余气来产生冷冻水；2）进入鼓风机之前的热湿空气首先进行预过滤与除尘处理；3）多流程低阻型一级表冷装置对高温热湿空气进行初步降温与除湿；4）利用先进的吸附除湿装置，进一步脱湿；5）利用多流程低阻型二级表冷装置，对热湿空气进行二级降温与除湿，到达低温低湿；6）嵌入System COP最优化的集成控制装置，实现系统自适应节能运行。

本发明区别于传统高炉鼓风除湿降温技术的核心在于，在对全局能量迁移转换特征的分析的基础上，通过采用热湿分治的理念，在达到湿度得到良好控制目标的同时，优化高炉鼓风的进风温度。该项理念的引入，一改传统深度冷冻除湿技术，为达到除湿目标，而需要将高炉进风温度降得很低，一方面造成能量的浪费和主机设计负荷增加，另一方面由于风机进口温度的降低过大，造成风机后续流程热风炉工艺负荷的增加量，也大幅度提升。热湿分治的方法正是针对这一问题，最好的解决方法，即将风机进口空气的绝对湿度控制在良好的取值点上，有不至于整个进口空气温度过低，而将其维持在相应的优化点上，从而保证风机高效运转。而对于高炉燃烧而言，由于来流单位体积含氧量的提升，为高炉内的氧化反应提供相应的保证。充分发挥高炉鼓风除湿降温技术的效率，使整个高炉冶炼流程处于良性循环。

2.高炉鼓风机运行能效优化技术：

现有的高炉鼓风机，在系统设计和设备选型时，预留10～20%的安全余量，且夏天工况与冬天工况的单机运行效率差距较大，导致鼓风机系统长期运行在低效率区域。如何分析在不同工况下，高炉鼓风机的运行能效状态，直观客观的对其运行进行管理？如何结合进风温湿度的调节处理、结合外网阻力（阀门开度）的改变、内网阻力（静叶调节）的改变，来优化高炉鼓风机的运行，是高炉鼓风机高效运行必须解决的问题。

本发明另一项与传统风机控制系统不同之处，在于提出基于高炉风机运行能效监测的运行优化控制理念。并根据质量守恒和能量守恒的原理，为高炉鼓风机建立运行能效分析模型和数据库。该项技术通过监测大量的高炉鼓风机入口和出口流动参数，并通过相应的高炉鼓风机运行能效分析模型进行能效分析，发现当鼓风机运行于低能效区域时，采用运行优化控制技术强制改变系统外管路阻力、优化鼓风机静叶开度和进风温湿度条件，将其从低效区强制偏移到高效区，从而降低输入功率，实现鼓风机的高效节能运行。

通过对鼓风机的进风温湿度的调节处理、结合外网阻力（阀门开度）的改变、内网阻力（静叶调节）的改变，利用运行能效技术对多变工况下高炉鼓风机的优化参数进行监测，并记录到高炉鼓风运行能效数据库，为一年四季不同工况下高炉鼓风系统的持续最优化运行、健康状态诊断提供数据基础。

对于本项发明而言，通过上述两项技术的结合应用，与连续变化的运行工况相对应，在对高炉鼓风机能效分析的基础上上，通过对鼓风机的进风温湿度的调节处理、结合外网阻力（阀门开度）的改变、内网阻力（静叶调节）的改变，可以提高风机的运行效率，并促进主体工艺流程的高效顺行。但是，这种调节方式中，基于外网阻力（阀门）和内网阻力（风机静叶）的调节方式，会使大量的有用能浪费在克服局部阻力上，一不利于能量的高效利用，而且会降低风机的使用寿命。解决这一问题的最好方法，是引进高炉鼓风机变频技术。

3.高炉鼓风机变频优化技术：

传统的高炉风机的调节，会通过阀门、风机静叶和放风阀的结合来开展，能量要么被用于克服局部阻力，要么被直接放空。而不同运行工况条件下，尽量不对高炉鼓风机的频率进行调节。一个主要的原因在于，高炉鼓风机运行频率的变化，会造成风机喘振特性的变化，不能按照设计工况下的喘振特性防喘。或者说，要开展高炉鼓风机的调频，必须保证整个管网系统不发生喘振。

针对高炉鼓风机变频的问题，本发明采用将风机变频与自主开发的自适应风机防喘寻优技术及防喘阀相结合的方法。自适应风机防喘寻优技术，提出对在变频调节过程中，鼓风机喉部差压变化的绝对值和差压变化的梯度进行双重实时监测，作为防喘阀开度调节的依据。当这两个参数的取值，特别是差压变化梯度超过相应取值时，防喘阀进入动作状态，严防系统出现喘振。而频率的调节则采用区间逼近优化调节的方法，即对于某一工况下的高炉鼓风机，从工频开始进行自适应逼近寻优的调节，直到风机频率降下来，而防喘阀仍处于关闭的最优频率上。这样一方面风机频率得到了控制，同时使原来放空的能量被节省下来。高炉鼓风机高效与转。本项技术必须与前两项技术进行紧密的配合，才能使整个高炉鼓风流程的能效得到充分的优化。同时高炉鼓风变频技术的引入，必然可优化阻力调节流程的能耗。

在上述三项技术的基础上，本发明在实际运行调节过程中的方法为：对流程荷载和环境工况的变化，进行在线监测，通过基于热湿分治理念的高炉鼓风除湿降温技术，将高炉鼓风进口工况（温度、湿度和流量）控制在基准工况点上（设计工况的温度、湿度和流量），其后对高炉鼓风机进行相应的优化变频，使其处于基准工况下的优化运行频率上，通过流程运行能效分析技术，对该工况下流程的运行能效进行监测和分析，作为进一步优化的基准。在基准控制工况点的基础上，通过对高炉鼓风进口空气的逼近寻优，找出对应运行工况条件下的最优进口空气工况，并优化相应的风机运行频率，结合管网的内外阻力控制，使整个流程运行得到优化，是以流程运行能效的分析为前提的，目标是要保证高炉冶炼主流程的顺行和高效运转。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明对进入高炉鼓风机前的热湿空气，利用多流程冷冻降温、冷冻除湿与吸附除湿相结合的原理，实施鼓风除湿降温；通过降低单位体积空气中的绝对含湿量，提高空气密度，实现低温低湿进风，从而大幅度降低高炉鼓风机的单产能耗，增加鼓风机的进风质量流量。

鼓风系统中单位体积绝对含湿量的减少，可以降低高炉焦炭与水蒸气之间的氧化还原反应强度，提高高炉燃烧过程中的燃烧温度，降低高炉冶炼的焦比。高炉鼓风系统的除湿降温与除尘，还可以减少高炉炉内的结瘤现象，使高炉炉况更为顺畅。

热湿分治的方法，即能够将风机进口空气的绝对湿度控制在良好的取值点上，又不至于造成整个进口空气温度过低，而将其维持在相应的优化点上，从而保证风机高效运转。而对于高炉燃烧而言，由于来流单位体积含氧量的提升，为高炉内的氧化反应提供相应的保证。充分发挥高炉鼓风除湿降温技术的效率，使整个高炉冶炼流程处于良性循环。

本发明利用运行能效技术对多变工况下高炉鼓风机的优化参数进行监测，与连续变化的运行工况相对应，在对高炉鼓风机能效分析的基础上，通过对鼓风机的进风温湿度的调节处理、结合外网阻力（阀门开度）的改变、内网阻力（静叶调节）的改变，可以提高风机的运行效率，并促进主体工艺流程的高效顺行。、

本发明采用将风机变频与自适应风机防喘寻优技术及防喘阀相结合的方法优化风机运行频率，一方面控制风机频率，同时节省能量；该鼓风机的变频优化技术与进风除湿降温技术、运行能效优化技术进行紧密的配合，使整个高炉鼓风流程的能效得到充分的优化；同时高炉鼓风变频技术的引入，必然可优化阻力调节流程的能耗。

附图说明

图1是高炉鼓风除湿降温流程图。

图2是具有旁路的变频流程示意图。

附图标记：1、空气过滤；2、一级表冷装置；3、除湿装置；4、二级表冷装置；5、高炉鼓风机；6、热风炉；7、高炉；8、炉渣出口；9、铁水出口；10、出风口；11、湿热空气；12、冷却塔；13、制冷机组；14、冷冻水；15、余热余气；16、余热余气再生加热；21、高压柜；22、高压变频器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

如图1所示，高炉鼓风节能增效集成技术主要包括三大子技术，即：鼓风机的进风除湿降温技术、鼓风机运行能效优化技术和鼓风机的变频优化技术。其中变频调速优化技术与ASCV系列鼓风防喘阀技术有机结合。

所述的高炉鼓风机节能增效技术，在实际应用过程中，采用如下流程开展，首先根据冶炼主流程所需空气荷载以及相应的环境工况，使进口空气经过空气过滤工艺段，进入以流程余热为热源的一级表冷工艺段，将进口空气降到相应的温度（其间会有少量的冷凝水，汇总收集回用），为相应的除湿段提供所需的入口工况，保证其除湿的效率。本发明以基于主流程废蒸汽作为再生热的转轮除湿工艺为例，转轮除湿高效对一级表冷器出口空气进行除湿，经过除湿后的空气，进入仍然采用主流程余热（废热）为热源的二级降温工艺段，将空气的温度控制在相应的取值点上，完成对高炉鼓风进口空气的热湿分治，和初步优化。对应的空气温度先设定为风机入口空气的设计工况，作为进一步优化的起点。其绝对湿度的变化和温度（质量流量、单位体积含氧量）的取值，为高炉鼓风机的优化运行，以及高炉冶炼主流程的高效顺行提供了必要条件。与之相适应，采用高炉鼓风机自适应优化变频技术，将风机运行的频率调整的基准优化频率上。与二者相匹配，采用高炉流程能效监测技术，对整个流程的运行能效进行监测和记录。

高炉鼓风机高压变频技术要求采用具有旁路功能的双模式运行，在紧急情况时可快速切换为工频运转。高炉鼓风机高压变频技术必须充分考虑防喘安全的前提下，其启动方式可采用正常启动和软启动两种方式，电机频率的控制可在下位就地和上位远程相结合，通过闭环或开环控制的方法来实现。具体实施时要求DCS系统直接介入风机变频控制。

结合能效分析系统的数据，通过下位与上位之间的快速通信和高级控制，不仅便于用户对鼓风机进行运行管理和分析，而且可使用户根据流程荷载和环境工况值，对系统进行快速复位与优化。变频控制系统还设有故障报警、故障记录和数据查询的功能。

以基准优化工况为起点，通过与流程运行能效分析的匹配，对高炉鼓风除湿降温工艺段和高炉鼓风变频工艺，进行进一步自适应的逼近优化，使整个流程运行能效、高炉冶炼强度都进一步提高，同时降低冶炼焦比，整个高炉鼓风流程的运行处于高效的状态。

本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种高炉鼓风节能增效集成技术，包括鼓风机的进风除湿降温技术、鼓风机运行能效优化技术和鼓风机的变频优化技术，其特征在于，利用所述鼓风机的进风除湿降温技术，对进入高炉鼓风机前的湿热空气进行热湿分治，其步骤如下：

A）根据冶炼主流程所需空气荷载以及相应的环境工况，使湿热空气首先经过空气过滤工艺段，进行预过滤和除尘处理；

B）经过预过滤和除尘处理的空气进入多流程低阻型一级表冷装置进行初步降温，该一级表冷装置将空气的温度降低到能够为之后的除湿工艺段提供所需的入口工况并且保证其除湿率效的相应温度；

C）经过初步降温的空气进入除湿装置，进行进一步脱湿；

D）脱湿后的空气进入多流程低阻型二级表冷装置，进行二级降温；

完成上述热湿分治后，空气的温度和绝对湿度均达到相应的取值点，此时，空气的温度、湿度和流量控制在基准工况点上，所述的基准工况设定为风机入口空气的设计工况，作为进一步优化的起点。

2.根据权利要求1所述的高炉鼓风节能增效集成技术，其特征在于，应用余热回收型溴化锂吸收式制冷机组、燃气热泵型冷水机组、机械压缩式电制冷机组，进行空调主机设备流程组合的最优化，充分利用钢铁厂的余热余气来产生冷冻水。

3.根据权利要求1或2所述的高炉鼓风节能增效集成技术，其特征在于，所述的一级表冷工艺段的过程中，所产生的冷凝水汇总收集回用。

4.根据权利要求3所述的高炉鼓风节能增效集成技术，其特征在于，所述的鼓风机运行能效优化技术，包括为高炉鼓风机建立运行能效分析模型和数据库；该鼓风机运行能效优化技术，通过监测大量的高炉鼓风机入口和出口流动参数，并通过相应的高炉鼓风机运行能效分析模型进行能效分析，实现当鼓风机运行于低能效区域时，采用运行优化控制技术强制改变系统外管路阻力、优化鼓风机静叶开度和进风温湿度条件，将其从低效区强制偏移到高效区，从而降低输入功率，实现鼓风机的高效节能运行。

5.根据权利要求4所述的高炉鼓风节能增效集成技术，其特征在于，通过对高炉鼓风机的进风温湿度的调节处理、结合外网阻力的改变、内网阻力的改变，利用鼓风机运行能效技术对多变工况下高炉鼓风机的优化参数进行监测，并记录到鼓风机运行能效数据库，为一年四季不同工况下高炉鼓风系统的持续最优化运行、健康状态诊断提供数据基础。

6.根据权利要求1或5所述的高炉鼓风节能增效集成技术，其特征在于，所述的高炉鼓风节能增效集成技术采用风机变频与自适应风机防喘寻优技术及防喘阀相结合的方法；所述的自适应风机防喘寻优技术，提出对在变频调节过程中，鼓风机喉部差压变化的绝对值和差压变化的梯度进行双重实时监测，作为防喘阀开度调节的依据，当这两个参数的取值，特别是差压变化梯度超过相应取值时，防喘阀进入动作状态，严防系统出现喘振；所述风机频率的调节则采用区间逼近优化调节的方法，即对于某一工况下的高炉鼓风机，从工频开始进行自适应逼近寻优的调节，直到风机频率降下来，而防喘阀仍处于关闭的最优频率上。

7.根据权利要求6所述的高炉鼓风节能增效集成技术，其特征在于，所述的鼓风机的变频优化技术采用具有旁路功能的双模式运行，在紧急情况时可快速切换为工频运转。

Images