CN110455006B - 一种冶金制氧厂余热回收与能源梯级利用耦合系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冶金制氧厂余热回收与能源梯级利用耦合系统，包括循环水余热回收模块、低温气化换热模块、高温气化换热模块、溴化锂机组模块、供暖系统模块、空压机余热回收模块、储能水箱一；低温气化换热模块、高温气化换热模块用于将液氧、液氮升温形成氧气、氮气；循环水余热回收模块用于回收冷却设备的余热，为低温气化换热模块、闭式冷却塔提供热水，低温气化换热模块、闭式冷却塔使用后的冷水返回到冷却设备，为冷却设备提供冷却水；空压机余热回收模块用于回收空压机余热，并将得到的热水提供给储能水箱一。优点是：实现了制氧厂内供暖、制冷、气化器等设备能源的综合梯级利用。

Description

一种冶金制氧厂余热回收与能源梯级利用耦合系统

技术领域

本发明属于冶金用制氧领域，尤其涉及一种冶金制氧厂余热回收与能源梯级利用耦合系统。

背景技术

钢铁企业冶炼工艺需要大量的氧气、氮气、压缩空气，其中，氧气主要用于高炉、转炉等生产工艺；压缩空气主要用于仪表、气体动力等工艺需求；氮气主要用于物料输送、保护吹扫等工艺，因此冶金企业都配备氧气厂制备工业气体。随着钢铁工艺技术革新、自动化水平提高，氧气、氮气、压缩空气用量逐渐增大，该部分工艺的电耗已经在钢铁企业能耗能占有很大比例。如何优化能源，取得最佳的经济运行效率尤为重要。

连续、稳定、安全的供应氧气、氮气、压缩空气是冶金生产的必备保障措施，氧气厂是能源的生产单位同时也是能源的消耗单位，氧气、氮气、压缩空气的生产过程中既需要冷冻水用于生产，也需要水浴式汽化器保障生产安全，同时还要考虑冬季的保温供暖，因此可以把制氧企业看做一个产、销、存的能源系统。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种冶金制氧厂余热回收与能源梯级利用耦合系统，回收空压机余热和冷却塔循环水余热，实现厂内供暖、制冷、汽化器等能源的综合梯级利用。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种冶金制氧厂余热回收与能源梯级利用耦合系统，包括循环水余热回收模块、低温气化换热模块、高温气化换热模块、溴化锂机组模块、供暖系统模块、空压机余热回收模块、储能水箱一；

低温气化换热模块、高温气化换热模块用于将液氧、液氮升温形成氧气、氮气；

循环水余热回收模块用于回收冷却设备的余热，为低温气化换热模块、闭式冷却塔提供热水，低温气化换热模块、闭式冷却塔使用后的冷水返回到冷却设备，为冷却设备提供冷却水；

空压机余热回收模块用于回收空压机余热，并将得到的热水提供给储能水箱一，由储能水箱一为高温气化换热模块、溴化锂机组模块、供暖系统模块提供热水，高温气化换热模块、溴化锂机组模块、供暖系统模块的冷却水返回空压机余热回收模块，为空压机提供冷却水。

所述的循环水余热回收模块包括循环水泵、闭式冷却塔、电动调节阀，冷却设备的循环冷却水经进水管道分别进入闭式冷却塔、低温气化器，每个进入闭式冷却塔、低温气化器的管道上均连接有电动调节阀，所述的进水管道上连接有循环水泵；闭式冷却塔为多台，所述的闭式冷却塔设有冷却盘管、散热器、喷水管，冷却盘管与散热器连接，散热器外部设有喷水管，喷水管上连接有喷雾式节能水嘴，喷雾式节能水嘴与散热器相对；多台低温气化器组成低温气化换热模块。

所述的空压机余热回收模块包括若干个离心式空压机余热回收系统和螺杆式空压机余热回收系统；

所述的离心式空压机余热回收系统，包括热回收换热器、储能水箱二、水浴池，离心式空压机每级级间连接有级间冷却器，热回收换热器连接在空压机每级级间并与级间冷却器串联，若干热回收换热器与储能水箱一的进水口连接，储能水箱一的出水口与高温气化换热模块中气化器的水浴池、溴化锂机组模块、供暖系统模块连接，高温气化换热模块、溴化锂机组模块、供暖系统模块的冷却水与储能水箱二的进水口连接，储能水箱二的出水口与级间冷却器、热回收换热器的进水管连接；

所述的螺杆式空压机余热回收系统，包括固定在底盘上的油过滤器、油水分离器、板式换热器、循环水箱、油冷却器，空压机的油管与油过滤器、油水分离器连接，油水分离器的高温出油管与板式换热器的进油口连接，板式换热器与循环水箱连接，油水分离器的高温出油管中的高温油气通过板式换热器与来自循环水箱内的常温水进行热量交换，循环水箱通过出水管与需热用户连接；板式换热器的出油口与油冷却器的入口连接，油冷却器的出口与油过滤器连接；油水分离器的高温出油管与板式换热器的进油口之间连接有油温温控阀，板式换热器的出水口与循环水箱之间连接有水温温控阀，板式换热器的出水口、进水口、出油口、进油口均设有温度传感器；循环水箱与储能水箱一连接。

所述的储能水箱一为密封的腔体结构，包括壳体、布水器、溢流口、排气管、隔板，壳体由内外两层钢板组成，两层钢板之间设有保温层；壳体顶部设有与内部连通的排气管，壳体内设有布水器，布水器与储能水箱一的进水管连接；隔板固定在壳体内，并设置在布水器下方；壳体上部设有溢流口，壳体底位设有排污管；储能水箱一的进水管设置在壳体上部，出水管设置在壳体的下部。

所述的低温气化换热模块由多台低温气化器组成，低温气化器包括壳体、液氧引入盘管、集箱、引出盘管，壳体为封闭式腔体结构，壳体上设有进水口、出水口，壳体内设有液氧引入盘管、集箱、引出盘管，多根液氧引入盘管与集箱连接，集箱出口与引出盘管连接，引出盘管汇流与壳体外部相连通。

高温气化换热模块的出水管道通过储水池与空压机余热回收模块连接。

所述的高温气化换热模块由多台气化器组成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明实现回收空压机余热和冷却塔循环水余热，并将该余热提供给气化器、溴化锂机组、供暖系统，同时又将气化器、溴化锂机组、供暖系统转换后的冷水返回提供给空压机、冷却塔吸热，实现了制氧厂内供暖、制冷、气化器等设备能源的综合梯级利用。对离心式空压机、螺杆式空压机余热的充分提取，尤其是通过对一至三级高温压缩空气同时进行余热回收，极限的实现回收离心式空压机多级冷却器余热。

附图说明

图1是冶金制氧厂余热回收与能源梯级利用耦合系统的示意图。

图2是循环水余热回收模块的示意图。

图3是闭式冷却塔的结构示意图。

图4是低温气化器的结构示意图。

图中3、图4中：1-冷却盘管 2-散热器 3-喷水管 4-引风机 5-壳体 6-液氧引入盘管 7-集箱 8-引出盘管 9-进水口 10-出水口。

图5是离心式空压机余热回收系统的示意图。

图6是离心式空压机余热回收的示意图。

图7是气化器的示意图。

图8是螺杆式空压机余热回收系统的结构框图。

图8中：1-空压机机头 2-油水分离器 3-油过滤器 4-温控阀 5-油冷却器 6-油温温控阀 7-板式换热器 8-温度传感器 9-水温温控阀 10-循环水箱 11-阀门一 12-阀门二13-单向阀。

图9是储能水箱一的结构示意图。

图10是布水器的结构示意图。

图9、图10中：1-壳体 2-布水器 3-隔板 4-进水管 5-出水管 6-箱底保温 7-水箱基础 8-排污管 9-溢流口 10-排气管 11-温度传感器 12-压力传感器 21-喷嘴 22-水管。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。

见图1，一种冶金制氧厂余热回收与能源梯级利用耦合系统，包括循环水余热回收模块、低温气化换热模块、高温气化换热模块、溴化锂机组模块、供暖系统模块、空压机余热回收模块、储能水箱一；低温气化换热模块、高温气化换热模块用于将液氧、液氮升温形成氧气、氮气；循环水余热回收模块用于回收冷却设备的余热，为低温气化换热模块、闭式冷却塔提供热水，低温气化换热模块、闭式冷却塔使用后的冷水返回到冷却设备，为冷却设备提供冷却水；空压机余热回收模块用于回收空压机余热，并将得到的热水提供给储能水箱一，由储能水箱一为高温气化换热模块、溴化锂机组模块、供暖系统模块提供热水，高温气化换热模块、溴化锂机组模块、供暖系统模块的冷却水返回空压机余热回收模块，为空压机提供冷却水。

见图2，循环水余热回收模块，由若干个小模块组成，每个小模块均包括循环水泵、闭式冷却塔、低温气化器、电动调节阀，钢铁企业制氧厂存在多套冷却设备，冷却设备主要为冷却塔，冷冻机、空压机、氮压机等设备都需要冷却塔冷却，这些冷却塔的循环冷却水经进水管道分别进入闭式冷却塔、低温气化器，每个进入闭式冷却塔、低温气化器的管道上均连接有电动调节阀，所述的进水管道上连接有循环水泵。

见图3，闭式冷却塔设有冷却盘管1、散热器2、喷水管3，冷却盘管1与散热器2连接，散热器2外部设有喷水管3，喷水管3上连接有喷雾式节能水嘴，喷雾式节能水嘴与散热器2相对；冬季气温低时以空气冷却为主，仅采用散热器2散热，但当环境温度升高时，在冷却盘管1外喷雾化水，通过雾化水蒸发把热量带走。闭式冷却塔顶部设有引风机 4，提高散热效果。

见图4，低温气化器包括壳体5、液氧引入盘管6、集箱7、引出盘管8，壳体5为封闭式腔体结构，壳体5上设有进水口9、出水口10，壳体5内设有液氧引入盘管6、集箱 7、引出盘管8，多根液氧引入盘管6与集箱7连接，集箱7出口与引出盘管8连接，引出盘管8汇流与壳体5外部相连通。液氧由液氧引入盘管6先进入液体集箱7，集箱7连接多个液氧引入盘管6，壳体5内通循环水，随着温度不断升高，气化后的气体进入集箱7，再由引出盘管8汇总流出低温气化器。见图1，闭式冷却塔、低温气化器均为多台，形成适合制氧厂整体循环的系统。多台低温气化器组成低温气化换热模块。

冷却设备运行时，通过闭式冷却塔冷却循环水，此时低温气化器停用，当低温气化器投入使用时，循环水优先通过低温气化器，确保生产供能，此时闭式冷却塔可半投入，或停运。制氧厂通常情况下使用高温汽化换热模块为氧气、氮气提供热能，一旦高温汽化换热模块无法满足热能需求，则投入低温气化换热模块。

高温气化换热模块的所有气化器出水口汇流进入储水池，储水池用于沉淀净化，并继续降温，为空压机提供冷却水，也用于储能水箱二的水温调整。

闭式冷却塔的使用降低了耗水量；气化器采用低温闭式管壳气化器，可以实现低温气化。利用循环冷却水作为热源，节约了蒸汽，达到降低系统能耗的目的。冷却塔冷却水为闭式冷却塔和低温气化换热模块提供32℃以上的热水，经闭式冷却塔、低温气化器形成28℃以上的冷水，返回到冷却塔使用。

见图5-图7，离心式空压机余热回收系统，包括热回收换热器、储能水箱一、储能水箱二、水浴池，离心式空压机每级级间连接有级间冷却器，热回收换热器连接在空压机每级级间并与级间冷却器串联，若干热回收换热器与储能水箱一的进水口连接，储能水箱一的出水口与高温气化换热模块中气化器的水浴池、溴化锂机组模块、供暖系统模块连接，为高温气化换热模块、溴化锂机组模块、供暖系统模块提供70℃以上的热水，提供热水的时间、供水量均由集中控制系统控制；高温气化换热模块、溴化锂机组模块、供暖系统模块的冷却水与储能水箱二的进水口连接，

储能水箱二的出水口与级间冷却器、热回收换热器的进水管连接。水浴池内设有热盘管，热盘管内流通液氧或液氮。热回收换热器为板式换热器。余热回收时在每级级间冷却器中间增加热回收换热器，并保留原级间冷却器。当余热回收系统正常运行时，旁路掉级间冷却器；当余热回收系统故障时，启用级间冷却器。一般各级空压机机头温度为 110-130℃，冷却水温度进口70℃，出口80℃，刚好做到能源匹配。

液氧气化作为供气保障手段，目前广泛使用的液体汽化供气系统主要由低温液体贮槽、液体加压泵、气化器和管网系统组成，其中气化器为关键设备之一。

见图7，气化器为水浴式气化器，采用不锈钢材质热盘管直接放在水浴池内，热盘管内通液氧或液氮，水浴池内的热水与其交换热量。

见图5、图6，热回收换热器的冷媒为冷却水，热媒为空压机级间热量(此热量热量是空气压缩后，电能转化成热能，空气温度达到100度以上)，冷却水吸收空压机级间热量，并输送到储能水箱一中，多级级间热量均输送到储能水箱一中，多个空压机的余热采集到储能水箱一，由储能水箱一给水浴池供热，水浴池内的热量与热盘管内的液氧或液氮交换热量，成为氧气或氮气输出，水浴池内的热水形成冷却水，输送到热回收换热器，与空压机级间热量交换，冷却水吸热形成热水由储能水箱一收集。将多套离心式空压机设备通过两个储能水箱耦合可成一个系统。两个储能水箱交替使用，当储能水箱一和空压机换热时，储能水箱二和气化器换热，分别保障水箱一个为高温水箱、一个为低温水箱。

见图8，螺杆式空压机余热回收系统，包括固定在底盘上的油过滤器3、油水分离器2、板式换热器7、循环水箱10、油冷却器5，该底盘由角钢或工字钢制成的；空压机的油管与油过滤器3、油水分离器2连接，油水分离器2的高温出油管与板式换热器7的进油口连接，板式换热器7与循环水箱10连接，油水分离器2的高温出油管中的高温油气(主要是空压机机头1的高温高压润滑油)通过板式换热器7与来自循环水箱10内的常温水进行热量交换，循环水箱10通过出水管与需热用户连接；通过热交换，不但可以产生热水供生产生活使用，还可有效降低高温油自身的温度，为下次循环做准备。板式换热器7 的出油口一路与油冷却器5的入口连接，另一路与温控阀4连接，油冷却器5的出口与温控阀4连接，温控阀4与油过滤器3连接；若经板式换热器7换热后的油温高于温控阀4 的设定值则通过油冷却器5冷却再回到空压机，若油温低于该设定值则直接回到空压机。

油水分离器2的高温出油管与板式换热器7的进油口之间连接有油温温控阀6，油水分离器2的高温出油管一路经阀门一11与油冷却器5连接，另一路径单向阀13与油温温控阀6连接，油温温控阀6一路直接与板式换热器7的进油口连接，另一路分别与板式换热器7的出油口、阀门二12入口连接，阀门二12出口端分别与阀门一11、油冷却器5连接。

板式换热器7的出水口与循环水箱10之间连接有水温温控阀9，板式换热器7的出水口、进水口、出油口、进油口均设有温度传感器8。循环水箱10内的常温水在板式换热器 7内被高温高压润滑油循环加热，当温度达设定温度(70℃以上)时，由循环水箱10外送到储能水箱一。

循环水箱10上连接有补水管，用于向循环水箱10内补充水，将常温水(可由储能水箱二或储水池提供)补充到循环水箱10内。循环水箱10上连接有液位计，用于观测循环水箱10内的水位。当水位低于下限位时，给循环水箱10补水，当水位达到上限位时，停止补水。当循环水箱10内的水温达到设定温度，且循环水箱10未到上限位，循环水箱10 未到下限位时，将加热好的热水送到储能水箱一。此外，板式换热器7、温度传感器8、水温温控阀9、油温温控阀6设置在撬体箱内，提高集成化程度。

见图9，储能水箱一为密封的腔体结构，包括壳体1、布水器2、溢流口9、排气管10、隔板3，壳体1由内外两层钢板组成，两层钢板之间设有保温层，也就是说储能水箱一不仅侧壁和顶部有保温层，底部也有箱底保温6，确保储能水箱一不向外散热；壳体1顶部设有与内部连通的排气管10，保证储能水箱一内恒压，壳体1内设有布水器2，布水器2 与储能水箱一的进水管4连接；隔板3固定在壳体1内，并设置在布水器2下方；壳体1 上部设有溢流口9，防止储能水箱一水位过高，壳体1底位设有排污管8；储能水箱一的进水管4设置在壳体1上部，出水管5设置在壳体1的下部。储能水箱一的壳体1可采用圆柱形结构，顶部为球形，此种结构表面积相对小、耗费钢材少、散热面小，易于布置，更加实用，采用的高度和直径之比(H/D)为大于1.5；此外，还可采用长方体结构，便于加工。储能水箱一内用水全部为软化水或除盐水。储能水箱一通过水箱基础7固定在地面上，与地面隔离，提高储能水箱一的保温效果。

储能水箱一的出水管5为三个以上，采用多口出水的结构形式，以保障用户用水温度。使用时，可将与可回收用水用户的出水管5按照高、中、低三点供水方案，保证给水温度均匀。储能水箱一上设有温度传感器11、压力传感器12，可在储能水箱一的纵向位置设置若干温度传感器11和压力传感器12，便于检测储能水箱一内的水温、压力，以确保储能水箱一的安全性。

见图9、图10，冷水箱上设有补水口，冷水箱水量不足时用于对冷水箱补水。隔板3上均布有通孔。布水器2包括喷嘴21、水管22，喷嘴21均布在壳体1内的同一平面上，水管22与喷嘴21连接，水管22汇连后与储能水箱一的进水管4连接，即，水管22采用一根母管进入水箱，多个喷嘴21出水；喷嘴21数量，根据储能水箱一截面积进行设计，一般为4的倍数。储能水箱二也可采用与储能水箱一相同的结构。

Claims (5)

1.一种冶金制氧厂余热回收与能源梯级利用耦合系统，其特征在于，包括循环水余热回收模块、低温气化换热模块、高温气化换热模块、溴化锂机组模块、供暖系统模块、空压机余热回收模块、储能水箱一；

低温气化换热模块、高温气化换热模块用于将液氧、液氮升温形成氧气、氮气；

循环水余热回收模块用于回收冷却设备的余热，为低温气化换热模块、闭式冷却塔提供热水，低温气化换热模块、闭式冷却塔使用后的冷水返回到冷却设备，为冷却设备提供冷却水；

空压机余热回收模块用于回收空压机余热，并将得到的热水提供给储能水箱一，由储能水箱一为高温气化换热模块、溴化锂机组模块、供暖系统模块提供热水，高温气化换热模块、溴化锂机组模块、供暖系统模块的冷却水返回空压机余热回收模块，为空压机提供冷却水；

所述的循环水余热回收模块包括循环水泵、闭式冷却塔、电动调节阀，冷却设备的循环冷却水经进水管道分别进入闭式冷却塔、低温气化器，每个进入闭式冷却塔、低温气化器的管道上均连接有电动调节阀，所述的进水管道上连接有循环水泵；闭式冷却塔为多台，所述的闭式冷却塔设有冷却盘管、散热器、喷水管，冷却盘管与散热器连接，散热器外部设有喷水管，喷水管上连接有喷雾式节能水嘴，喷雾式节能水嘴与散热器相对；多台低温气化器组成低温气化换热模块；

所述的空压机余热回收模块包括若干个离心式空压机余热回收系统和螺杆式空压机余热回收系统；

所述的离心式空压机余热回收系统，包括热回收换热器、储能水箱二、水浴池，离心式空压机每级级间连接有级间冷却器，热回收换热器连接在空压机每级级间并与级间冷却器串联，若干热回收换热器与储能水箱一的进水口连接，储能水箱一的出水口与高温气化换热模块中气化器的水浴池、溴化锂机组模块、供暖系统模块连接，高温气化换热模块、溴化锂机组模块、供暖系统模块的冷却水与储能水箱二的进水口连接，储能水箱二的出水口与级间冷却器、热回收换热器的进水管连接；

所述的螺杆式空压机余热回收系统，包括固定在底盘上的油过滤器、油水分离器、板式换热器、循环水箱、油冷却器，空压机的油管与油过滤器、油水分离器连接，油水分离器的高温出油管与板式换热器的进油口连接，板式换热器与循环水箱连接，油水分离器的高温出油管中的高温油气通过板式换热器与来自循环水箱内的常温水进行热量交换，循环水箱通过出水管与需热用户连接；板式换热器的出油口与油冷却器的入口连接，油冷却器的出口与油过滤器连接；油水分离器的高温出油管与板式换热器的进油口之间连接有油温温控阀，板式换热器的出水口与循环水箱之间连接有水温温控阀，板式换热器的出水口、进水口、出油口、进油口均设有温度传感器；循环水箱与储能水箱一连接；

板式换热器的出油口一路与油冷却器的入口连接，另一路与温控阀连接，油冷却器的出口与温控阀连接，温控阀与油过滤器连接；

油水分离器的高温出油管与板式换热器的进油口之间连接有油温温控阀，油水分离器的高温出油管一路经阀门一与油冷却器连接，另一路径单向阀与油温温控阀连接，油温温控阀一路直接与板式换热器的进油口连接，另一路分别与板式换热器的出油口、阀门二入口连接，阀门二出口端分别与阀门一、油冷却器连接；

板式换热器的出水口与循环水箱之间连接有水温温控阀，板式换热器的出水口、进水口、出油口、进油口均设有温度传感器；循环水箱内的常温水在板式换热器内被高温高压润滑油循环加热，当温度达设定温度时，由循环水箱外送到储能水箱一。

2.根据权利要求1所述的一种冶金制氧厂余热回收与能源梯级利用耦合系统，其特征在于，所述的储能水箱一为密封的腔体结构，包括壳体、布水器、溢流口、排气管、隔板，壳体由内外两层钢板组成，两层钢板之间设有保温层；壳体顶部设有与内部连通的排气管，壳体内设有布水器，布水器与储能水箱一的进水管连接；隔板固定在壳体内，并设置在布水器下方；壳体上部设有溢流口，壳体底位设有排污管；储能水箱一的进水管设置在壳体上部，出水管设置在壳体的下部。

3.根据权利要求1所述的一种冶金制氧厂余热回收与能源梯级利用耦合系统，其特征在于，所述的低温气化换热模块由多台低温气化器组成，低温气化器包括壳体、液氧引入盘管、集箱、引出盘管，壳体为封闭式腔体结构，壳体上设有进水口、出水口，壳体内设有液氧引入盘管、集箱、引出盘管，多根液氧引入盘管与集箱连接，集箱出口与引出盘管连接，引出盘管汇流与壳体外部相连通。

4.根据权利要求1所述的一种冶金制氧厂余热回收与能源梯级利用耦合系统，其特征在于，高温气化换热模块的出水管道通过储水池与空压机余热回收模块连接。

5.根据权利要求1所述的一种冶金制氧厂余热回收与能源梯级利用耦合系统，其特征在于，所述的高温气化换热模块由多台气化器组成。

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