零氣損吸附式干燥技術在寧鋼壓縮空氣系統中的應用

呂向東,曹軍華,黃莉

零氣損吸附式干燥技術在寧鋼壓縮空氣系統中的應用

呂向東,曹軍華,黃莉

（寧波鋼鐵有限公司,浙江寧波315807）

介紹了零氣損吸附式干燥技術。其特點在于吸附劑的再生過程無需消耗成品壓縮空氣，從而節省了大量的運行成本，并對其原理、工藝流程及主要設備作了闡述。

零氣損；干燥器；壓縮空氣

1 概述

壓縮空氣是氣動設備的一種動力源。氣動設備對于壓縮空氣的含水量有著非常嚴格的要求，過多的水份會導致設備的構件銹蝕，降低設備使用壽命，嚴重的時候甚至會使設備功能失效，引發更多的不良后果。而來自于大氣的空氣中都含有一定量的水蒸汽，經過壓縮后，單位體積壓縮空氣的含水量還會增加，因此，作為動力源使用的壓縮空氣必須對其進行干燥處理。

目前，在對壓縮空氣進行干燥除濕處理方面，通常采取的方法有冷凍除濕和吸附干燥兩種方式。冷凍除濕法耗能低，但工藝復雜，除濕范圍小，適合對壓縮空氣露點要求不高的環境使用，而吸附干燥除濕法，除濕效果好，工藝簡單，控制及操作簡便，除濕穩定，但耗能偏高。寧波鋼鐵有限公司（以下簡稱寧鋼）于2007年5月建成投產時，采用的就是吸附干燥除濕技術，在寧鋼主廠區凈化壓縮空氣系統中建有4套吸附干燥除濕裝置，這種裝置的再生過程使用的是成品干燥空氣，在接下來的實際生產運行中發現壓縮空氣的能耗相對偏高，2013年5月通過合同能源管理的模式引進了2套零氣損吸附干燥裝置，以取代原有的吸附干燥除濕裝置。

2 零氣損吸附干燥裝置工藝原理及特點

零氣損吸附干燥裝置采用活性氧化鋁作為吸附劑。氧化鋁是一種多孔性物質，每克氧化鋁的內表面積高達數百平方米，其物理性質決定了對于水等分子極性較強的物質具有很強的吸附力，并且這種吸附能力會隨著吸附溫度的變化而發生變化，吸附溫度越低，吸附劑的吸附能力越強。當含水的壓縮空氣通過裝滿活性氧化鋁的吸附器時，利用前面提到的氧化鋁的物理特性，把壓縮空氣中的水份吸附在氧化鋁龐大的孔隙中，從而達到干燥壓縮空氣的目的。當氧化鋁工作了一定時間，吸附的水份達到飽和平衡后，它就不會再吸附壓縮空氣中的水份，由于氧化鋁具有吸附能力隨溫度變化而變化的特性，這時就可以對氧化鋁進行加熱處理，以恢復它的吸附能力。正是由于活性氧化鋁本身具備的這些特性，我們可以通過加熱再生的方式進行循環使用，才使得吸附式干燥工藝在實際的工業應用中得以廣泛使用。

吸附式干燥的工藝過程包括吸附、加熱、冷卻、再次吸附等四個主要工藝步驟，以往的工藝在對吸附劑進行再生（加熱、冷卻步驟）時，使用的是通過干燥后的成品壓縮空氣，這個過程消耗的成品壓縮空氣約占裝置處理空氣量的20%左右。零氣損吸附干燥裝置的工藝過程同以往是一樣的，最大的區別就在于再生階段即裝置的加熱和冷卻步驟，它不再采用成品壓縮空氣對吸附劑進行加熱和冷卻，而是采用裝置自帶的風機從大氣環境中抽取空氣對吸附劑進行再生處理，這樣就實現了壓縮空氣吸附干燥過程的零氣損。由于吸附劑的吸附能力對溫度比較敏感，對壓力不敏感，所以裝置自帶的風機無需提供較高輸出壓力，那么新增風機的能源消耗相對于以往20%成品壓縮空氣的消耗就完全可以接受。寧鋼目前正在使用的零氣損吸附干燥裝置，相對之前的有熱再生吸附干燥裝置具有了如下一些特點：

（1）再生過程無需消耗成品干燥空氣，再生加熱階段氣源采用環境空氣，冷卻階段采用系統內自身循環空氣，有效降低裝置能耗。

（2）采用PLC可編程程序控制器自動切換閥門，設定好相關工藝參數后，可全程實現自動化運行，無需人工操作。

（3）采用液晶觸摸屏顯示工作狀態，能夠實時監控整個工藝過程。

（4）采用固定時間切換/露點切換兩種控制模式，可根據吸附劑的使用情況自由選擇，提高吸附劑的使用效率。

（5）采用小口徑泄壓閥，不僅能有效降低裝置泄壓時產生的噪音，還可以避免由于泄壓速度過快而造成對床層的沖擊。

3 工藝流程

零氣損吸附式干燥裝置主要由兩只交替使用的吸附器,一臺鼓風機，一只電加熱器，一只后部冷卻器，一套切換閥門，一套控制系統組成，工藝流程簡圖及具體工藝過程如圖1。

來自上游經壓縮加壓后的無油濕空氣，自下而上通過吸附器，空氣中所含水份被吸附劑吸附清除，干燥后的空氣進入后續工藝。在切換工作時間內,一個吸附器處于吸附工作狀態,另一個吸附器處于再生解吸狀態，再生工藝主要由泄壓、加熱、加熱延后、冷卻、充壓組成，具體工藝過程如下。

吸附：吸附器工作時壓縮空氣通過空氣進口閥V11（V12），進入吸附床層，然后經空氣出口閥V13（V14）出系統。

再生：吸附器再生共分五步，依次分為泄壓、加熱、加熱延后、冷卻、充壓。

（1）泄壓：當兩個吸附器在切換時間結束后，AD1進入吸附，AD2進入再生。首先將AD2剩留在容器內的帶壓空氣排放出去，動作實現是打開V22，排放時間控制在3 min，時間到，結束泄壓步驟。

（2）加熱：泄壓結束，AD2進入加熱階段。分別打開V18、V20、V51、V53、V55，然后啟動鼓風機，啟動電加熱器，環境空氣經過吸氣過濾器、吸氣進口閥V55進入鼓風機，增加一定壓力后，進入電加熱器加熱空氣至200℃，然后經加熱閥V53、經過再生氣進口閥V18進入吸附劑床層，對吸附劑加熱解吸，被解吸出來的水份隨再生氣體經再生氣出口閥V20、V51經過消音器排入大氣。加熱階段，加熱再生溫度控制在200℃，加熱時間控制為164 min。當加熱時間結束，關閉加熱器。

（3）加熱延后：當加熱時間結束進入加熱延后期，關閉加熱器，方法是不改變閥門動作，繼續由環境空氣吹掃，吸收加熱器余熱，加熱延后時間控制在8 min。

（4）冷卻：當結束加熱延后期，進入冷卻期，冷卻用再生氣采用循環空氣，方法是先提前5 min打開V56，然后分別打開V52、V54，同時分別關閉V51、V53、V55，鼓風機從系統內負壓抽取空氣，經過鼓風機，增加一定壓力后，經過鼓風出口閥V52，進入再生氣出口閥V20，由下向上進入吸附床層，對所加熱吸附床層進行冷卻，以期達到可以進入吸附工作。從吸附器出來的再生氣經過V18、V54，然后進入后部冷卻器降溫，繼續在鼓風機增壓，冷卻時間控制在62 min,冷卻時間到，結束冷卻。

（5）充壓：當AD2即將轉入下一切換周期前，必須將再生的吸附器內壓力充壓至吸附工作壓力。方法是打開V16，然后自動打開V28，空氣自動從AD1充入AD2，當充壓時間到，兩個吸附器此時達到壓力平衡，充壓時間控制為3 min，充壓時間到，等待切換。

切換：當AD2再生完畢，AD1吸附工作結束，兩個吸附器應進行切換使用，關閉V16，打開V12，關閉V11，此時兩個吸附器完成切換進入下一周期。投入吸附的吸附器在開始投入吸附工作之其始，由于吸附熱的原因，出口溫度會比入口溫度高約15～25℃，工作一定時間后，出口溫度約高5～10℃左右。

4 主要設備

（1）吸附器

吸附器結構由下部篩網、上部擴散器、裝料口、人孔和保溫夾層所組成。下部篩網用于支撐所填裝吸附劑，同時起到將入口空氣在進入吸附劑床層之前，進行氣流沿床層截面均布化，以保證空氣在床層截面吸附的均勻，另外的作用是阻擋吸附劑的粉末帶入系統管路。下部篩網由支撐結構件、孔板和上下兩層絲網組成。上部擴散器的作用是使進入吸附器的再生氣有一個良好的氣流分布，同時也阻擋吸附劑的粉末帶入系統管路。人孔的作用是檢修內部結構件之用，另外吸附劑的排放也從人孔排放。床層布置為雙層布置，上層填裝分子篩，下層填裝活性氧化鋁，所填裝吸附劑分別是為空氣干燥專用吸水性極好的活性氧化鋁和分子篩。吸附器保溫結構是碳鋼外殼，其中的夾層填充良好的絕熱性能的超細玻璃棉的絕熱材料，這種保溫結構具有良好的保溫作用，以減少再生加熱時熱量散發。

（2）電加熱器

電加熱器內部置有53支管狀電熱元件，電熱元件被固定在管板上呈均勻布置，電熱元件與管板是焊接結構，并成束形成電加熱芯，電加熱器裝機功率92.82 kW，使用功率70.98 kW，共分二組功率：運行功率組43.68 kW，調節功率組27.3 kW。加熱時當再生氣進入電加熱器，兩組功率同時用加熱器加熱至所需加熱溫度，當加熱溫度達到200℃，關閉調節功率組，致使加熱溫度下降至190℃，控制部分重啟調節功率組。加熱溫度控制在190～200℃范圍內，當由于某種原因僅投入運行功率組工作時，但加熱溫度繼續升高至超過200℃時，控制部分在達到240℃時，關閉運行功率組。為了防止電加熱器沒有氣體流量而導致干燒，電加熱器內還設置爐內過溫保護，當爐內溫度超過350℃，溫度控制器自動關閉電加熱器。

（3）后部冷卻器

后部冷卻器是結構型式為管殼式換熱器，空氣走管程，冷卻水走殼程，高溫空氣與冷卻水進行熱交換，使得來自從吸附器出來的高溫再生氣由200℃左右降溫至40℃左右，后部冷卻器內換熱管為光銅管，具有傳熱效率高，在殼程中設置了多塊折流板，增加冷卻水側換熱的擾動，以增加殼程換熱系數。

（4）鼓風機

鼓風機的機型為旋渦鼓風機，它的作用是為環境空氣吸入后，增加一定壓力以便能克服系統阻力，產生再生風量對吸附器進行再生。

（5）控制氣源單元

系統為氣動閥門專門設配置控制氣源單元，其氣源從主管路引出一部分干燥空氣作為控制氣源，其流程走向是控制氣源從主管路引一管路，先進入氣源處理件，減壓至控制氣所需的0.5 MPa，向氣動閥門提供干燥清潔氣源。

（6）控制顯示部分

儀電控系統包括有PLC程序控制器，彩色觸摸屏，顯示儀表及控制元件所組成，所有元器件安裝在儀電控柜。本干燥機工作閥門在運行過程中，由程序控制器實現過程自動控制，程序控制器可通過觸摸屏對過程參數進行設定，通過上述功能實現保證干燥機組安全正常運行。流程中還設置鼓風機壓力開關，用于低壓保護，當鼓風機壓力低于10 kPa，壓力開關信號送入控制器，關閉鼓風機、并關閉干燥機。在空氣進口設置分別高壓低壓壓力開關用于確認吸附器充壓、放壓完成程度，否則系統就停機,充壓聯鎖值0.5 MPa，放壓聯鎖值0.1 MPa。本裝置設計有露點切換模式，當程序設置為露點模式時，在4小時切換時間內空氣露點低于設計值-40℃值，程序自動延長充壓時間，最大延長時間為900 min，直至露點逐漸升至-40℃，方進行兩塔切換。此外還有鼓風機入口溫度超過50℃聯鎖保護、冷卻水斷水保護聯鎖保護。

5 運行實績

用每生產1000 m3所消耗的電量作為壓縮空氣的能耗指標，表1統計了2012年、2013年及2014年上半年的壓縮空氣能耗指標。

從表1的統計數據可以看出，零氣損吸附干燥裝置的投用有效地降低了壓縮空氣的能耗，按照每年壓縮空氣產量5億m3計算，年節約電量達到250萬kWh。通過1年多時間的實踐檢驗，零氣損吸附式干燥技術在寧鋼壓縮空氣系統中的應用是成功的。

Application of Zero Loss Absorption Drying technology in the Compressed Air System of Ningbo Steel

Lv Xiangdong,Cao Junhua,Huangli
（Ningbo Iron&Steel Co.,Ltd.Ningbo,Zhejiang 315807,China）

The zero-loss adsorption drying technology is introduced.The characteristics of the drying technology lie in that the regenerating process of absorption agent does not consume compressed air,which saves significant operation cost.The principle,process flow and main equipment of the system are also discussed.

zero gas loss;dryer;compressed air

TH138

B

1006-6764（2015）01-0027-04

2014-08-05

呂向東（1974-），男，工程師，現從事動力運行技術管理工作。