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壓縮熱用于余熱再生干燥器設計準則

  【壓縮機網前言

  隨著科學技術發展和工業自動化普及,無油壓縮空氣得到更廣泛的應用,而能產生無油壓縮氣體的各種無油空壓機(離心、干式無油螺桿、無油活塞)亦得到迅速推廣,特別是大型離心機在中國市場增長速度驚人。空壓機在提升氣體壓力的同時,會產生大量壓縮熱(一般認為可占壓縮能的70%左右),而有熱再生吸附式干燥器再生過程中需要消耗大量的熱能,傳統熱能產生方式主要為電加熱。由此,在歐美日韓等工業發達地區并不被看好的壓縮熱(或稱余熱)干燥器(僅做非標產品)卻在中國異軍突起,發展迅速。

  1、壓縮熱利用的準則

  1.1 無油且過熱的壓縮空氣才具有余熱利用價值,吸附劑失效的重要原因之一是“油中毒”。有油壓縮機排出氣體中所攜帶的潤滑油會附著在吸附劑表面甚至進入毛細孔,降低吸附劑活性,高溫加熱時還有可能造成油焦化固結,進一步降低吸附劑的壽命。

  1.2 吸附式干燥器產品氣露點取決于吸附床層殘余含水量,而殘余含水量主要取決于再生氣的排氣溫度,余熱再生干燥器則利用空壓機末端排出的全流量過熱壓縮空氣作為再生氣源,其溫度隨機型而不同(見表1),熱力計算(見公式1)。

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  由于大部分空壓機接近絕熱壓縮,上式也可近似為:

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  1.3 吸附式干燥器的再生方式一般分為變壓、變溫、清洗、置換四種,實際應用中沒有完全單一方式,均是兩種以上方式組合。

  吸附式干燥器工作原理(見公式2): 

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  E--再生系數

  P--出口氣體中水蒸氣分壓

  P0--出口溫度對應的飽和水蒸氣分壓

  P1--再生氣的水蒸氣分壓

  P2--再生溫度下的飽和蒸氣壓

  按經驗,再生氣溫度每提高10℃,在其他條件不變下,產品氣露點可降低3~4℃,對一般三級壓縮離心機,排氣壓力≥7bar時,可達90~110℃甚至更高,但排氣壓力低于7bar或四級壓縮時,難于保證。最低排氣溫度須大于80℃,否則有可能向吸附劑加濕。壓縮熱再生溫度(對應P2)取決于末級壓縮比和進氣溫度;再生氣含水量(對應P1)取決于前級級間冷卻器排氣溫度和壓力;吸附塔工作溫度(對應P0)取決于冷卻水溫;按經驗,冷卻水溫每下降10℃,露點溫度亦下降10℃。

  1.4 鑒于上述原因,壓縮熱干燥器增設輔助電加熱器已成為共識,其電耗僅相當于空壓機輸入電能的1.5~3%,所以欲提高空壓機排氣溫度,更改其自身設計參數或結構與增加輔助加熱器相比并不經濟,用戶也不必強求排氣溫度達到110℃以上。對于四級壓縮而言,不僅排氣溫度有所降低(有可能低于90℃),而且由于結構復雜,比功率甚至比三級壓縮更高,需慎用。

  2、現場運行案例分析

  2.1 運行主要參數:電驅空壓機;四級壓縮,排氣壓力(0.75~8.0)bar,流量約 750m3/min,排氣溫度129℃,四級進氣溫度71℃,最高達76℃。

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  T1:大多數情況下,T1未達到飽和狀態;T2:達到飽和附近,有可能產生少量冷凝水;T3:除少數情況(低溫、低相對濕度大氣環境下)外,均可達到過飽和,有大量冷凝水排出(本案例除外,僅二級冷卻器后有冷凝水排出);T4:過熱壓縮空氣,無冷凝水排出。

  2.2 空壓機質疑點:

  1)本案例四級壓縮排氣溫度應為100℃以下,另查原投標書:排氣壓力1.05MPa(a),排氣溫度≥105℃(據說招標時更改為120~140℃)。按各級等壓比計算,ε=4 10.5=1.80,若四級壓比設為1.8,正常進氣溫度40℃,則四級排氣溫度T2=(273+40)×1.8   = 370K=97℃。又本案例實際供氣壓力僅為7.5~8.0bar,因該壓縮機無級間壓力顯示,仍維持正常進氣溫度40℃,則降壓供氣的實際排氣溫度應在80~90℃之間,而現場如此高的排氣溫度應屬提高進氣溫度所至??諌簷C實測排氣溫(273+129)=402K,根據四級進氣溫度和縮減后的壓縮比,計算排氣溫度為:(273+40)×1.6   =397K,計算結果與運行參數僅相差1%左右。提高四級進氣溫度有效提升了空壓機排氣溫度,此舉雖可能降低吸附塔出口產品氣露點15~20℃,但由于再生氣的含水量增加1.5~2倍(見圖5、圖6),實際脫水功效將會大打折扣。 

  由于本案各級間壓力不詳,初步判斷僅二級冷卻器之后有部分冷凝水排出,三級冷卻器之后是過熱狀態無可能排水,錯過了最重要的降低再生氣含水量機會,從公式2可知:雖然提高P2,但也降低了P1,即本案例以提升含水量為代價提升空壓機排氣溫度,定性分析看不見得合算,所以提醒用戶不要盲目追求高的排氣溫度;另壓縮機廠商也應權衡利弊,以保證空壓機的性能效率為重,至于較低的排氣溫度完全可交由干燥器廠商予以補償。

  2.3 壓縮熱(余熱)再生干燥器運行參數分析: 現場剛好有一臺正在運行的 750m3/min 電驅空壓機,對應兩臺500m3/min 干燥器,(干燥器負荷75%),其中一臺由于輔助加熱器未上程序,僅以純余熱加熱+閉式循環吹冷方式運行,歪打正著提供了一次有/無輔助電加熱器過程運行參數的比較機會。

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  壓縮熱+鼓風外加熱流程圖(見圖7):

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  未投入輔助電加熱系統設備的壓力露點估計可做到-10℃,干氣置換+同向閉式循環吹冷可進下步降低露點10℃,而開啟加熱器后(包括混搭加熱和純電加熱)可比純余熱再生降低露點20℃,達-60℃以下。從理論到實踐證明了,增設輔助電加熱系統和干氣置換+同向閉式循環吹冷流程對低露點、露氣耗的巨大貢獻。

  另本案例加熱再生方式與大多數有熱再生干燥器單一壓力不同,分為等壓再生(余熱再生階段)和減壓再生(包括置換、清洗和鼓風加熱)兩個階段。參考圖5、圖6輸入不同壓力和含水量可得到不同的再生氣飽和溫度,圖8顯示再生氣飽和溫度為50℃,圖9顯示飽和溫度為26℃,兩者相差20余℃。說明后者比前者更容易脫附水分,或后者比前者需要更低的脫附再生溫度。 

  結論

  大型/超大型余熱再生干燥器采用(壓縮熱+鼓風外加熱)流程以1.5%~3%左右的代價(相對空壓機電耗)獲取低露點、零氣耗,一舉突破傳統壓縮熱干燥器高露點、有排放先天性缺陷,成為吸附式干燥器高效節能更新換代的最佳模式。

來源:本站原創

標簽: 干燥器余熱再生  

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