零氣損吸附式干燥技術(shù)在寧鋼壓縮空氣系統(tǒng)中的應(yīng)用

呂向東,曹軍華,黃莉

零氣損吸附式干燥技術(shù)在寧鋼壓縮空氣系統(tǒng)中的應(yīng)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(shù)。其特點(diǎn)在于吸附劑的再生過程無需消耗成品壓縮空氣，從而節(jié)省了大量的運(yùn)行成本，并對其原理、工藝流程及主要設(shè)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(shè)備的一種動力源。氣動設(shè)備對于壓縮空氣的含水量有著非常嚴(yán)格的要求，過多的水份會導(dǎo)致設(shè)備的構(gòu)件銹蝕，降低設(shè)備使用壽命，嚴(yán)重的時(shí)候甚至?xí)乖O(shè)備功能失效，引發(fā)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(jīng)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(jìn)行干燥處理。

目前，在對壓縮空氣進(jìn)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(fù)雜，除濕范圍小，適合對壓縮空氣露點(diǎn)要求不高的環(huán)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(wěn)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(chǎn)時(shí)，采用的就是吸附干燥除濕技術(shù)，在寧鋼主廠區(qū)凈化壓縮空氣系統(tǒng)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(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)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(jìn)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(diǎn)

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(zhì)，每克氧化鋁的內(nèi)表面積高達(dá)數(shù)百平方米，其物理性質(zhì)決定了對于水等分子極性較強(qiáng)的物質(zhì)具有很強(qiáng)的吸附力，并且這種吸附能力會隨著吸附溫度的變化而發(fā)生變化，吸附溫度越低，吸附劑的吸附能力越強(qiáng)。當(dāng)含水的壓縮空氣通過裝滿活性氧化鋁的吸附器時(shí)，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(dá)到干燥壓縮空氣的目的。當(dāng)氧化鋁工作了一定時(shí)間，吸附的水份達(dá)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(shí)就可以對氧化鋁進(jìn)行加熱處理，以恢復(fù)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(jìn)行循環(huán)使用，才使得吸附式干燥工藝在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)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(gè)主要工藝步驟，以往的工藝在對吸附劑進(jìn)行再生（加熱、冷卻步驟）時(shí)，使用的是通過干燥后的成品壓縮空氣，這個(gè)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(qū)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(jìn)行加熱和冷卻，而是采用裝置自帶的風(fēng)機(jī)從大氣環(huán)境中抽取空氣對吸附劑進(jìn)行再生處理，這樣就實(shí)現(xiàn)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(fēng)機(jī)無需提供較高輸出壓力，那么新增風(fēng)機(jī)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(diǎn)：

（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(huán)境空氣，冷卻階段采用系統(tǒng)內(nèi)自身循環(huán)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(shè)定好相關(guān)工藝參數(shù)后，可全程實(shí)現(xiàn)自動化運(yùn)行，無需人工操作。

（3）采用液晶觸摸屏顯示工作狀態(tài)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控整個(gè)工藝過程。

（4）采用固定時(shí)間切換/露點(diǎn)切換兩種控制模式，可根據(jù)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(shí)產(chǎn)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(fēng)機(jī)，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(tǒng)組成，工藝流程簡圖及具體工藝過程如圖1。

來自上游經(jīng)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(jìn)入后續(xù)工藝。在切換工作時(shí)間內(nèi),一個(gè)吸附器處于吸附工作狀態(tài),另一個(gè)吸附器處于再生解吸狀態(tài)，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(shí)壓縮空氣通過空氣進(jìn)口閥V11（V12），進(jìn)入吸附床層，然后經(jīng)空氣出口閥V13（V14）出系統(tǒng)。

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(dāng)兩個(gè)吸附器在切換時(shí)間結(jié)束后，AD1進(jìn)入吸附，AD2進(jìn)入再生。首先將AD2剩留在容器內(nèi)的帶壓空氣排放出去，動作實(shí)現(xiàn)是打開V22，排放時(shí)間控制在3 min，時(shí)間到，結(jié)束泄壓步驟。

（2）加熱：泄壓結(jié)束，AD2進(jìn)入加熱階段。分別打開V18、V20、V51、V53、V55，然后啟動鼓風(fēng)機(jī)，啟動電加熱器，環(huán)境空氣經(jīng)過吸氣過濾器、吸氣進(jìn)口閥V55進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī)，增加一定壓力后，進(jìn)入電加熱器加熱空氣至200℃，然后經(jīng)加熱閥V53、經(jīng)過再生氣進(jìn)口閥V18進(jìn)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(jīng)再生氣出口閥V20、V51經(jīng)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(shí)間控制為164 min。當(dāng)加熱時(shí)間結(jié)束，關(guān)閉加熱器。

（3）加熱延后：當(dāng)加熱時(shí)間結(jié)束進(jìn)入加熱延后期，關(guān)閉加熱器，方法是不改變閥門動作，繼續(xù)由環(huán)境空氣吹掃，吸收加熱器余熱，加熱延后時(shí)間控制在8 min。

（4）冷卻：當(dāng)結(jié)束加熱延后期，進(jìn)入冷卻期，冷卻用再生氣采用循環(huán)空氣，方法是先提前5 min打開V56，然后分別打開V52、V54，同時(shí)分別關(guān)閉V51、V53、V55，鼓風(fēng)機(jī)從系統(tǒng)內(nèi)負(fù)壓抽取空氣，經(jīng)過鼓風(fēng)機(jī)，增加一定壓力后，經(jīng)過鼓風(fēng)出口閥V52，進(jìn)入再生氣出口閥V20，由下向上進(jìn)入吸附床層，對所加熱吸附床層進(jìn)行冷卻，以期達(dá)到可以進(jìn)入吸附工作。從吸附器出來的再生氣經(jīng)過V18、V54，然后進(jìn)入后部冷卻器降溫，繼續(xù)在鼓風(fēng)機(jī)增壓，冷卻時(shí)間控制在62 min,冷卻時(shí)間到，結(jié)束冷卻。

（5）充壓：當(dāng)AD2即將轉(zhuǎn)入下一切換周期前，必須將再生的吸附器內(nèi)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(dāng)充壓時(shí)間到，兩個(gè)吸附器此時(shí)達(dá)到壓力平衡，充壓時(shí)間控制為3 min，充壓時(shí)間到，等待切換。

切換：當(dāng)AD2再生完畢，AD1吸附工作結(jié)束，兩個(gè)吸附器應(yīng)進(jìn)行切換使用，關(guān)閉V16，打開V12，關(guān)閉V11，此時(shí)兩個(gè)吸附器完成切換進(jìn)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(shí)間后，出口溫度約高5～10℃左右。

4 主要設(shè)備

（1）吸附器

吸附器結(jié)構(gòu)由下部篩網(wǎng)、上部擴(kuò)散器、裝料口、人孔和保溫夾層所組成。下部篩網(wǎng)用于支撐所填裝吸附劑，同時(shí)起到將入口空氣在進(jìn)入吸附劑床層之前，進(jìn)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(tǒng)管路。下部篩網(wǎng)由支撐結(jié)構(gòu)件、孔板和上下兩層絲網(wǎng)組成。上部擴(kuò)散器的作用是使進(jìn)入吸附器的再生氣有一個(gè)良好的氣流分布，同時(shí)也阻擋吸附劑的粉末帶入系統(tǒng)管路。人孔的作用是檢修內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)是碳鋼外殼，其中的夾層填充良好的絕熱性能的超細(xì)玻璃棉的絕熱材料，這種保溫結(jié)構(gòu)具有良好的保溫作用，以減少再生加熱時(shí)熱量散發(fā)。

（2）電加熱器

電加熱器內(nèi)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(jié)構(gòu)，并成束形成電加熱芯，電加熱器裝機(jī)功率92.82 kW，使用功率70.98 kW，共分二組功率：運(yùn)行功率組43.68 kW，調(diào)節(jié)功率組27.3 kW。加熱時(shí)當(dāng)再生氣進(jìn)入電加熱器，兩組功率同時(shí)用加熱器加熱至所需加熱溫度，當(dāng)加熱溫度達(dá)到200℃，關(guān)閉調(diào)節(jié)功率組，致使加熱溫度下降至190℃，控制部分重啟調(diào)節(jié)功率組。加熱溫度控制在190～200℃范圍內(nèi)，當(dāng)由于某種原因僅投入運(yùn)行功率組工作時(shí)，但加熱溫度繼續(xù)升高至超過200℃時(shí)，控制部分在達(dá)到240℃時(shí)，關(guān)閉運(yùn)行功率組。為了防止電加熱器沒有氣體流量而導(dǎo)致干燒，電加熱器內(nèi)還設(shè)置爐內(nèi)過溫保護(hù)，當(dāng)爐內(nèi)溫度超過350℃，溫度控制器自動關(guān)閉電加熱器。

（3）后部冷卻器

后部冷卻器是結(jié)構(gòu)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(jìn)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(nèi)換熱管為光銅管，具有傳熱效率高，在殼程中設(shè)置了多塊折流板，增加冷卻水側(cè)換熱的擾動，以增加殼程換熱系數(shù)。

（4）鼓風(fēng)機(jī)

鼓風(fēng)機(jī)的機(jī)型為旋渦鼓風(fēng)機(jī)，它的作用是為環(huán)境空氣吸入后，增加一定壓力以便能克服系統(tǒng)阻力，產(chǎn)生再生風(fēng)量對吸附器進(jìn)行再生。

（5）控制氣源單元

系統(tǒng)為氣動閥門專門設(shè)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(jìn)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(tǒng)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(jī)工作閥門在運(yùn)行過程中，由程序控制器實(shí)現(xiàn)過程自動控制，程序控制器可通過觸摸屏對過程參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，通過上述功能實(shí)現(xiàn)保證干燥機(jī)組安全正常運(yùn)行。流程中還設(shè)置鼓風(fēng)機(jī)壓力開關(guān)，用于低壓保護(hù)，當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)壓力低于10 kPa，壓力開關(guān)信號送入控制器，關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)、并關(guān)閉干燥機(jī)。在空氣進(jìn)口設(shè)置分別高壓低壓壓力開關(guān)用于確認(rèn)吸附器充壓、放壓完成程度，否則系統(tǒng)就停機(jī),充壓聯(lián)鎖值0.5 MPa，放壓聯(lián)鎖值0.1 MPa。本裝置設(shè)計(jì)有露點(diǎn)切換模式，當(dāng)程序設(shè)置為露點(diǎn)模式時(shí)，在4小時(shí)切換時(shí)間內(nèi)空氣露點(diǎn)低于設(shè)計(jì)值-40℃值，程序自動延長充壓時(shí)間，最大延長時(shí)間為900 min，直至露點(diǎn)逐漸升至-40℃，方進(jìn)行兩塔切換。此外還有鼓風(fēng)機(jī)入口溫度超過50℃聯(lián)鎖保護(hù)、冷卻水?dāng)嗨Ｗo(hù)聯(lián)鎖保護(hù)。

5 運(yùn)行實(shí)績

用每生產(chǎn)1000 m3所消耗的電量作為壓縮空氣的能耗指標(biāo)，表1統(tǒng)計(jì)了2012年、2013年及2014年上半年的壓縮空氣能耗指標(biāo)。

從表1的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)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(chǎn)量5億m3計(jì)算，年節(jié)約電量達(dá)到250萬kWh。通過1年多時(shí)間的實(shí)踐檢驗(yàn)，零氣損吸附式干燥技術(shù)在寧鋼壓縮空氣系統(tǒng)中的應(yīng)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(xiàn)從事動力運(yùn)行技術(shù)管理工作。