空壓站節(jié)能改造方案選擇與分析

吳海忠

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東青島 266520）

0 引言

空壓站作為最清潔的一種工業(yè)動力源，在石化，冶金，醫(yī)藥，食品，機(jī)械，電子等各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。它以空氣為介質(zhì)，在噴涂，攪拌，輸送等工藝過程中，具有電力、油壓等其他工藝無法比擬的高效性與環(huán)保特點。但隨著工藝技術(shù)的升級改造，對壓縮空氣質(zhì)量指標(biāo)的要求在不斷提高，現(xiàn)有的大部分空壓站供氣質(zhì)量指標(biāo)已不能滿足生產(chǎn)用氣的指標(biāo)要求。首先壓縮空氣的含水量較高，影響噴砂效果和試壓設(shè)備的質(zhì)量，另外，循環(huán)水系統(tǒng)夏季冷卻效果不好，這種情況又加重前一個問題。除此之外，部分設(shè)備的結(jié)構(gòu)布局不合理，設(shè)備陳舊損壞或選型不合理，在降低供氣質(zhì)量的同時，造成電能的巨大浪費加重企業(yè)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境負(fù)擔(dān)。選型合理的干燥器裝置，對空壓站產(chǎn)氣的工藝流程進(jìn)行改進(jìn)，可以讓空壓站系統(tǒng)性能更優(yōu)、更節(jié)能、產(chǎn)出氣體更適合用氣單位。

1 空壓站改造分析

1.1 干燥器原理對比分析

干燥器是空壓站的核心設(shè)備，目前工業(yè)上壓縮空氣的干燥方法有:化學(xué)法、冷凍法和吸附法[1]。

化學(xué)法是利用空氣中的水分與干燥劑的化學(xué)反應(yīng)固水除濕，按不同吸附劑種類可以分為吸附劑間歇型、液體吸附式和回轉(zhuǎn)型干式吸附，化學(xué)法除濕效果明顯，但成本較高。冷凍式干燥器是利用制冷設(shè)備使壓縮空氣冷卻到一定的露點溫度，析出相應(yīng)所含的水分，從而達(dá)到所需的干燥度。由于受到水結(jié)冰溫度（為0℃）的限制，其出口露點溫度范圍有限，最低在2℃ 左右，因此冷凍式干燥器的難以滿足較高的工業(yè)指標(biāo)要求。吸附式干燥器是利用具有吸附性能的吸附劑（硅膠、鋁膠和分子篩）吸附空氣中的水分，達(dá)到干燥目的。已被吸附的物質(zhì)可以用解吸的方法從吸附劑中釋放。其產(chǎn)品出口露點溫度可以達(dá)（-20～-80）℃，是目前空壓站干燥技術(shù)的主流技術(shù)方案。

1.2 基于壓縮熱再生零排放吸附式干燥工藝的改造方案設(shè)計

壓縮熱再生零排放吸附式干燥工藝：將來自離心式空壓機(jī)的部分高溫氣直接通入再生塔，然后進(jìn)入再生干燥器，經(jīng)由再生冷卻器和分離器冷卻使其溫度降至45℃以下，最后進(jìn)入吸附塔達(dá)到所需的露點溫度，整個過程排放量為零。壓縮熱再生零排放吸附式干燥器，尤其適用于無油潤滑離心式壓縮機(jī)系統(tǒng)[2-3]。

（1）余熱再生工藝流程如圖1所示。B塔為余熱再生階段，A塔為吸附階段。離心空壓機(jī)三級壓縮后的高溫氣體（＞120℃）分2路：一路為約占空氣總流量30%的高溫氣體，通過調(diào)節(jié)閥控制流量，經(jīng)過輔助電加熱器進(jìn)入干燥器B塔進(jìn)行加熱再生，再生過程從上至下進(jìn)行，再生后的壓縮空氣經(jīng)過再生冷卻器和分離器進(jìn)行冷卻分離除水，將再生后空氣回收至A塔進(jìn)行吸附；另一路為約占空氣總流量70%的高溫氣體，經(jīng)過三級冷卻器降溫后送至干燥器A塔進(jìn)行吸附，吸附過程從下至上進(jìn)行，吸附結(jié)束后的壓縮空氣經(jīng)后置除塵過濾器進(jìn)行除塵后排出去空氣儲氣罐。

（2）電加熱再生工藝流程如圖2所示。如果離心式空壓機(jī)排氣溫度＜90℃，或要求控制出口空氣露點更低時，可采用輔助電加熱器進(jìn)行再生氣加熱。

離心空壓機(jī)排出的熱壓縮空氣經(jīng)過電加熱器進(jìn)行加熱后進(jìn)入干燥器B塔進(jìn)行加熱再生，電加熱器根據(jù)設(shè)置在加熱器出口的溫度變送器來控制啟停，以達(dá)到節(jié)能目的。

圖1 余熱再生式干燥器工藝流程

圖2 加熱再生式干燥器工藝流程

1.3 基于微熱再生吸附式干燥工藝的改造方案設(shè)計

離心空壓機(jī)排出的高溫?zé)o油氣體經(jīng)后冷卻器冷卻至約40℃后，進(jìn)入吸附塔吸附水份達(dá)到所需的露點溫度，同時將部分干燥后的壓縮空氣經(jīng)減壓后通入加熱器升溫至（180～220）℃，然后進(jìn)入再生塔進(jìn)行脫附再生后排入大氣。

A塔吸附階段：離心空壓機(jī)三級壓縮后的高溫氣體（120℃）經(jīng)過三級冷卻器降溫后送至A塔進(jìn)行吸附，吸附過程從下至上進(jìn)行，吸附結(jié)束后的壓縮空氣經(jīng)后置除塵過濾器進(jìn)行除塵后排出去空氣儲氣罐。

B塔再生階段：將部分干燥后的壓縮空氣（約占空氣處理量的15%）經(jīng)減壓后送至電加熱器升溫至（180～220）℃，升溫后的干燥壓縮空氣自上而下進(jìn)入B塔進(jìn)行脫附再生后排入大氣。微熱再生工藝流程如圖3所示。

2 空壓站改造比選方案設(shè)計

綜上所述，不同干燥器的方案各有優(yōu)勢，在實際方案的比選中應(yīng)該綜合考慮產(chǎn)品要求、經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益、空壓站流程及規(guī)模等各方面因素。

2.1 根據(jù)空壓機(jī)類型選擇

有油空壓機(jī)在配套吸附式干燥器時，適合選用無熱再生或微熱再生式干燥器。因有油空壓機(jī)的出口空氣中含有一定量的潤滑油，在進(jìn)干燥器之前必須先經(jīng)過油過濾器除去油分。如果選擇余熱再生式干燥器，要求出空壓機(jī)的氣體溫度高，而油過濾器的進(jìn)口溫度一般又要求＜50℃，這樣余熱再生技術(shù)的利用就受到限制。無油螺桿式空壓機(jī)適合選用無熱再生或微熱再生式干燥器。余熱再生式干燥器為離心式空壓機(jī)配套的裝置目前得到廣泛使用。離心式空壓機(jī)的末級排氣溫度一般＞110℃，余熱再生式干燥器將此部分熱量直接利用起來，在干燥的同時達(dá)到節(jié)能的目的。

2.2 根據(jù)露點指標(biāo)選擇

圖3 微熱再生式干燥器工藝流程

冷凍式干燥器是設(shè)備簡單，運行費用最低，但出口露點溫度范圍有限，一般在（2～4）℃，難以滿足較高的工藝要求。無熱再生式干燥器的產(chǎn)品常壓露點溫度可達(dá)（-40～-60）℃，微熱、加熱或余熱再生式干燥器的產(chǎn)品常壓露點溫度范圍為（-40～-80）℃。微熱、加熱或余熱3種露點性能更好，但無熱式更加節(jié)能，維護(hù)費用更低。

2.3 根據(jù)空壓站規(guī)模選型

進(jìn)行吸附式干燥器的選型時，空壓站的處理規(guī)模也是重要的參考指標(biāo)。無熱再生式干燥器的處理能力較低，處理氣量在（0.3～20）m3/min，當(dāng)空壓站處理量在這個范圍內(nèi)時，經(jīng)濟(jì)效益比較明顯。微熱或余熱再生式干燥器的處理氣量則達(dá)到（10～200）m3/min，當(dāng)處理量較大時，如果采用無熱式干燥器則需加大設(shè)備投資，使得整體經(jīng)濟(jì)效益下降，此時適合選用微熱或余熱式。而當(dāng)空壓站的規(guī)模較大，處理量＞200 m3/min時，建議選擇余熱再生式干燥器。

3 設(shè)備選型方案及能耗計算分析

本次改造的設(shè)備采用有油壓縮機(jī)，出口溫度＞120℃，露點溫度要求在（-40～-60）℃。壓縮熱再生零排放吸附式干燥器或微熱再生式干燥器，兩者均可以達(dá)到要求，但壓縮熱再生零排放吸附式干燥器在排放及節(jié)能方面優(yōu)勢更加明顯，采用壓縮熱再生零排放吸附式干燥工藝的總運行費用比微熱再生吸附式干燥工藝低約56%，而且干燥器整個再生過程不耗氣，可最大限度節(jié)省運行費用（表1）。

從表1可以看出，微熱再生和壓縮熱再生2種方案均能夠滿足工藝要求，但是壓縮熱再生方案具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。因此改造方案采用壓縮熱再生零排放吸附式干燥工藝。其主要利用離心式空壓機(jī)排出的部分高溫（120℃）無油氣體直接加熱再生干燥劑；另外為保證空氣干燥指標(biāo)，采用輔助電加熱器系統(tǒng)，根據(jù)進(jìn)再生干燥器的空氣溫度來控制電加熱器的運行，提高空氣干燥度，有效降低壓縮空氣出口露點，可達(dá)到常壓露點溫度約-60℃，該方案不僅能提高壓縮空氣質(zhì)量指標(biāo)，滿足生產(chǎn)用氣要求，同時還可充分利用離心式空壓機(jī)高溫壓縮空氣的余熱，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

表1 3種干燥工藝設(shè)備性能參數(shù)對比表

4 結(jié)語

隨著工藝技術(shù)的不斷改進(jìn)，許多工廠配套的空壓站設(shè)備急需升級改造。在空壓站改造的過程中，應(yīng)本著滿足工藝需求的前提下，盡量最大限度地達(dá)到節(jié)能降耗的目的。一般來說，配套的干燥器傾向于選擇壓縮熱再生式干燥器。不僅節(jié)約能耗，且因為再生氣的溫度較低，干燥劑的壽命更長，具有其他設(shè)備無法比擬的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。此外，也要從空壓站整體的設(shè)備配置來綜合考慮，或使用改進(jìn)的輔助設(shè)備提高露點溫度。