空壓機壓縮熱綜合利用優化設計方案探討

李惠敏

（中電誠達醫藥工程設計（河北）有限公司，石家莊 050015）

空氣壓縮機是醫藥化工生產廣泛應用的一種重要動力裝置，尤其在生物發酵領域，作為發酵大罐菌種培養供氧設備，具有大功率、大流量、低壓頭的特點，由于空氣壓縮放熱，氣體排出溫度一般可達85～120 ℃，按照傳統做法經冷卻達到常溫后供出會浪費大量熱量[1]，目前已經有多個對空壓機熱能進行回收利用的案例[2-10]，經過對熱量進行回收，大大地提高了經濟效益。本文提供了生物發酵廠區對空壓機排氣壓縮熱再利用的兩種優化方案，以供探討。

1 兩種優化方案

1.1 夏季工況

一般空壓機進氣具有高溫高濕的特征，排氣按傳統做法冷卻到常溫，相對濕度為100%，不能滿足發酵工藝對溫度、濕度的要求（以某發酵工藝為例，供氧空氣控制溫度應為42～48 ℃，相對濕度＜30%），后續還需進行深度冷卻除濕和加熱處理。本方案充分利用空壓機壓縮熱，不再將高溫排氣冷卻，而是作為一種熱源，替代壓縮空氣后處理加熱蒸汽，去加熱冷卻后的排氣，同時自身也進行了預降溫，降低深度冷卻用水量，實現了節能減排的效果。

1.2 冬季工況

一般空壓機進氣具有低溫低濕的特征，經壓縮后的排氣溫度升高，可通過冷卻器直接降溫，即可達標供出，空氣降溫放出的熱量通過冷卻器傳遞給另一側介質，使其溫度升高，可供采暖使用，替代了部分采暖加熱蒸汽。

2 傳統工藝與優化工藝對比

2.1 傳統工藝能耗計算

以某知名國外空壓機制造廠商數據為例，空壓機排氣量220 Nm3/min，軸功率768 kW。傳統做法為經兩級壓縮冷卻后，排氣供至后處理裝置。

2.1.1 一級壓縮

經壓縮機后，空氣壓強為0.201 MPa（絕壓），空氣被壓縮過程為多變過程，則壓縮后空氣溫度T2由式（1）計算：

取空氣多變指數m=1.3，將數據代入式（1），得出T2=362 K，即89 ℃。

36 ℃對應的飽和水蒸汽壓Ps1=5 893 Pa，89 ℃對應的飽和水蒸汽壓Ps2=67 994 Pa，則壓縮后空氣相對濕度φ2由（2）式計算：

將數據代入式（2），得出φ2=13.8%。

2.1.2 一級冷卻

壓縮空氣由89 ℃冷卻至42 ℃，42 ℃對應的飽和水蒸汽壓Ps3=8 140 Pa。首先計算一級冷卻后，判斷是否有水析出：

空氣濕含量X2由式（3）計算：

將數據代入式（3）：求得X2=0.030 37 kg 水汽/kg 干空氣。

圖1 優化前設計方案Fig.1 Design scheme before optimization

假設無水析出，X3=X1，一級冷卻后空氣相對濕度φ3根據式（4）計算：

將數據代入式（4）：得出φ3=1.15 ＞1.0，假設錯誤，經一冷后有水析出，φ3=100%，一級冷卻后空氣濕含量X3由式（5）計算：

將數據代入式（5）：求得X3=0.026 25 kg 水汽/kg 干空氣，經一冷析出水量為0.004 117 kg 水汽/kg干空氣。

一冷帶出熱量由（6）式計算：

式中L——空壓機處理空氣量，L=1.293×220/60=4.741 kg 干空氣/s；

I——空氣熱焓，I=（1.01+1.88X）T+ 2 490X，經計算一級冷卻進口空氣熱焓I2=170.592 8 kJ/mol，一級冷卻出口空氣熱焓I3=109.855 2 kJ/mol。

2 490 是水在0 ℃時汽化潛熱，單位kJ/kg 水汽。將數據帶入式（6）：求得Q1=289 kW。

2.1.3 二級壓縮

經壓縮機后，空氣壓強由0.201 MPa（絕壓）升壓至0.35 MPa（絕壓），得出T4=358 K，85 ℃，φ4=24.6%，計算方法同一級壓縮。

二級壓縮后，水汽分壓為14 203 Pa，對應壓力下露點為52.5 ℃?？諝鉂窈縓4=X3=0.026 25 kg 水汽/kg 干空氣。

2.1.4 二級冷卻

壓縮空氣由85 ℃冷卻至40 ℃，經二冷后空氣濕含量X5=0.013 39 kg 水汽/kg 干空氣，計算方法同一級冷卻。經二冷析出水量為0.012 86 kg 水汽/kg 干空氣。

二冷帶出熱量Q2=382 kW，計算方法同一級冷卻。

2.1.5 三級冷卻

壓縮空氣由40 ℃冷卻至20 ℃，經三冷和霧滴捕集后空氣濕含量X6=0.004 184 kg 水汽/kg 干空氣，計算方法同一級冷卻。經三冷析出水量為0.009 206 kg水汽/kg 干空氣。

三冷帶出熱量Q3=209 kW，計算方法同一級冷卻。

2.1.6 加熱

壓縮空氣由20 ℃升溫至45 ℃，45 ℃對應的飽和水蒸汽壓Ps7=9 583 Pa，φ7可根據（7）式計算：

將數據代入式（7）：得出φ7=24.5%，使得溫度、濕度達到工藝要求。

加熱帶入熱量Q4=121 kW，計算方法同一級冷卻。

2.2 具體優化方案及計算

如上為壓縮空氣傳統處理流程，可以看出壓縮空氣先降溫再升溫，既增加了蒸汽消耗，也必然增加了冷卻水的消耗，經研究制定如下優化方案，空壓機二級壓縮后先去加熱器放熱降溫后，再返到二級冷卻器進行深度降溫處理。為增加系統的操作彈性，在壓縮空氣管上增加了調節閥，便于不同季節進氣狀態、壓縮空氣排氣濕度工藝要求變化時的靈活控制。

圖2 優化后設計方案—夏季工況Fig.2 Optimized design scheme-summer working conditions

壓縮空氣經加熱器預降溫后，溫度由85 ℃降至60 ℃，φ4'=71.3%，進入二級冷卻器，壓縮空氣由60 ℃冷卻至40 ℃，二冷帶出熱量Q2'=L×（I4'-I5）=170 kW，計算方法同一級冷卻。

該優化方案的關鍵是加熱器，整體為臥式管殼結構，換熱管內外都是空氣，壓差小，沒有因蒸汽超壓或中斷等威脅設備安全、影響發酵染菌的隱患。為增強換熱效果，采用不銹鋼管/鋁翅片復合管，高溫熱空氣走管內，雙管程；冷卻后的濕空氣走管外翅片側，單殼程，流速小，阻力小，但湍流效果好，傳熱系數高。

經系統優化后，夏季工況下，節約蒸汽121 kW，節約循環水量212 kW，且二級冷卻器換熱面積減少55%，也降低了設備的購置費用。該換熱器空氣阻力比蒸汽加熱器大2 kPa 左右，反映在空壓機電流增加0.2%～0.3%，對比節約的蒸汽，增加的電耗可忽略不計。

該優化方案已在多個生物發酵廠區得到應用，節約的費用平均二年即可收回壓縮空氣后處理設備的投資。

冬季工況下，壓縮空氣通過二級冷卻器直接降溫，即可達標供出，同時二級冷卻器的另一側介質切換為采暖水，換熱升溫后供采暖使用，節約采暖加熱蒸汽約194 kW，計算方法同夏季工況，在此不再贅述。

3 結束語

將空壓機壓縮熱再利用大大減少了蒸汽量、循環水量以及二級冷卻器換熱面積；節約了采暖加熱蒸汽量，降低了能耗，提高了能源的利用率。響應國家“節能減排，低碳生活”號召，符合可持續發展的發展要求。