紡織廠(chǎng)空壓機(jī)進(jìn)口空氣預(yù)處理的研究

秦 莉，顏蘇芊，劉 寧，魏世祥

(西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，西安 710048)

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紡織廠(chǎng)空壓機(jī)進(jìn)口空氣預(yù)處理的研究

秦 莉，顏蘇芊，劉 寧，魏世祥

(西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，西安 710048)

探討了紡織企業(yè)空壓機(jī)進(jìn)口空氣預(yù)處理的必要性、節(jié)能性與經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試與理論計(jì)算相結(jié)合的研究方法，對(duì)空壓機(jī)吸氣預(yù)處理方案進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：采用機(jī)械制冷方式與噴淋室噴淋循環(huán)水結(jié)合壓縮空氣處理空壓機(jī)吸氣并不節(jié)能；企業(yè)應(yīng)利用低于空壓機(jī)吸氣露點(diǎn)溫度的水作為冷源對(duì)空氣進(jìn)行干燥降溫處理，且混合式換熱設(shè)備較間壁式換熱器優(yōu)勢(shì)更明顯，同時(shí)將成品壓縮空氣作為氣體吸濕劑可使空壓機(jī)吸氣被進(jìn)一步冷卻干燥；采用噴淋室結(jié)合壓縮空氣對(duì)空壓機(jī)入口空氣進(jìn)行干燥降溫處理，可使某紡織企業(yè)空壓機(jī)入口干球溫度降低18.6℃，含濕量減少6.7g/kg(干空氣)，空壓系統(tǒng)運(yùn)行能耗降低11.3%，空氣預(yù)處理初期設(shè)備投資費(fèi)用大約為5.9萬(wàn)元，月平均使用費(fèi)用為11.7萬(wàn)元，每月可減少運(yùn)行成本18.12萬(wàn)元，該項(xiàng)投資回報(bào)期約為28d，可帶來(lái)直接經(jīng)濟(jì)效益6.42萬(wàn)元/月，節(jié)能效益非?？捎^(guān)。

空氣壓縮機(jī)；進(jìn)口空氣；溫度；含濕量；預(yù)處理

中國(guó)是一個(gè)紡織大國(guó)，而紡織又是一個(gè)高能耗的行業(yè)，現(xiàn)如今隨著世界范圍內(nèi)能源短缺日益嚴(yán)重，國(guó)家對(duì)節(jié)能減排提出了更高的要求，因此紡織企業(yè)的節(jié)能得到了社會(huì)的廣泛關(guān)注。在紡織企業(yè)中，壓縮空氣已成為僅次于電力的第二大動(dòng)力源，但其生產(chǎn)過(guò)程的巨大能耗，成為紡織企業(yè)節(jié)能減排的一大瓶頸。壓縮空氣是由空壓系統(tǒng)生產(chǎn)出來(lái)的，其中空壓機(jī)能耗占到了系統(tǒng)總能耗的96%。因此，深入挖掘空壓機(jī)運(yùn)行過(guò)程中存在的節(jié)能點(diǎn)，對(duì)降低壓縮空氣系統(tǒng)能耗和企業(yè)耗能勢(shì)在必行。

目前，由于受到設(shè)備投資、運(yùn)行費(fèi)用的限制，紡織企業(yè)等一些工業(yè)空壓站往往僅對(duì)吸氣進(jìn)行除塵過(guò)濾處理，空壓機(jī)直接吸入過(guò)濾后的室外空氣。室外空氣來(lái)源于大氣，其狀態(tài)會(huì)發(fā)生波動(dòng)，這種波動(dòng)導(dǎo)致空壓機(jī)乃至整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響企業(yè)正常生產(chǎn)[1]?？諌簷C(jī)吸入高溫高濕空氣，會(huì)導(dǎo)致其排氣量與排氣壓力降低，運(yùn)行能耗增加。且當(dāng)空壓機(jī)吸氣溫度每升高1℃，壓縮空氣系統(tǒng)能耗將增加0.39%；含濕量每降低1g/kg干空氣，系統(tǒng)能耗下降0.59%[2]，所以空壓機(jī)進(jìn)口空氣預(yù)處理已成為壓縮空氣系統(tǒng)乃至整個(gè)紡織行業(yè)節(jié)能減排的首要工作。

1 某紡織企業(yè)概況

某紡織企業(yè)目前設(shè)有兩個(gè)額定產(chǎn)氣量為650m3/min(空氣處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量)的空壓站，其中有油螺桿空壓站與無(wú)油螺桿空壓站各一個(gè)，總占地面積1 050m2。有油螺桿空壓站面積為592m2，全部使用Sullair公司的有油螺桿空壓機(jī)；無(wú)油螺桿空壓站面積為592m2，使用Atlas公司的無(wú)油螺桿空壓機(jī)。該企業(yè)使用地下水作為水源，且夏季平均溫度為15℃。空壓機(jī)進(jìn)氣口設(shè)在站房外，室外空氣經(jīng)過(guò)過(guò)濾除塵后直接進(jìn)入空壓機(jī)，空壓機(jī)將空氣進(jìn)行壓縮后送至冷卻器、干燥機(jī)進(jìn)行冷卻干燥后輸送到各用氣點(diǎn)供用戶(hù)使用。

2 空壓機(jī)進(jìn)口空氣預(yù)處理方案的研究分析

2.1 進(jìn)口空氣預(yù)處理方案的確定

通過(guò)對(duì)某紡織企業(yè)空壓站進(jìn)行測(cè)試，最熱月空壓機(jī)組平均產(chǎn)氣量為625m3/min,月平均耗電量為200.4萬(wàn)kW·h；最冷月空壓機(jī)組平均產(chǎn)氣量為672m3/min,月平均耗電量?jī)H為138.7萬(wàn)kW·h，最冷月排氣量超過(guò)了最熱月的6.99%，而耗電量?jī)H為最熱月的69.2%，因此該企業(yè)空壓機(jī)組對(duì)進(jìn)口空氣進(jìn)行預(yù)處理的節(jié)能及經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^(guān)?？諌簷C(jī)進(jìn)口空氣預(yù)處理的任務(wù)就是在高溫高濕時(shí)對(duì)空壓機(jī)入口空氣進(jìn)行降溫干燥處理。由于空壓機(jī)吸氣量大，若采用機(jī)械制冷方式對(duì)入口空氣進(jìn)行干燥降溫處理，運(yùn)行費(fèi)用過(guò)高，可能會(huì)導(dǎo)致企業(yè)運(yùn)行成本進(jìn)一步增加。某市夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算干球、濕球與露點(diǎn)溫度分別為35.1、25.8℃和22.6℃[3]，該企業(yè)以井水作為水源且最熱月水溫約為15℃，因此可以利用水對(duì)空壓機(jī)進(jìn)口空氣進(jìn)行降溫干燥處理。同時(shí)，壓縮空氣由于含濕量低，可作為一種“氣體吸濕劑”在膨脹過(guò)程中可對(duì)被處理空氣進(jìn)行進(jìn)一步降溫[4-5]。

當(dāng)空氣分別與低于其濕球溫度與露點(diǎn)溫度的水接觸時(shí)，假設(shè)水量無(wú)限大，接觸時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)，則空氣狀態(tài)變化見(jiàn)圖1，其中1點(diǎn)為空氣初始狀態(tài)點(diǎn)，2點(diǎn)為對(duì)空氣進(jìn)行降溫除濕后的終了狀態(tài)點(diǎn)，3點(diǎn)為對(duì)空氣進(jìn)行等焓降溫后的終了狀態(tài)點(diǎn)。

t1、t2、t3分別為1、2、3點(diǎn)干球溫度；ts1、ts2、ts3為1、2、3點(diǎn)濕球溫度；d1、d2、d3為1、2、3點(diǎn)含濕量；h1、h2、h3為1、2、3點(diǎn)比焓圖1 理想條件下空氣狀態(tài)變化

由圖1可以看出，經(jīng)過(guò)降溫干燥處理后的室外空氣干球溫度可降低(t1-t2)℃，濕球溫度可降低(ts1-ts2)℃，含濕量可降低(d1-d2)g/kg(干空氣)，焓值可降低(h1-h2)kJ/kg(干空氣)。經(jīng)過(guò)等焓降溫處理后的室外空氣干球溫度可降低(t1-t3)℃，含濕量將增加(d3-d1)kJ/kg(干空氣)，其他參數(shù)均不變。對(duì)空氣的降溫干燥處理過(guò)程可以通過(guò)將空氣與低于其露點(diǎn)溫度的水利用噴淋室直接接觸或通過(guò)不同類(lèi)型的換熱器，使空氣與水在換熱器表面進(jìn)行熱量與質(zhì)量交換來(lái)進(jìn)行，將兩種空氣處理方式進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。同時(shí)對(duì)空氣的等焓降溫過(guò)程可以通過(guò)噴淋室噴淋循環(huán)水來(lái)實(shí)現(xiàn)。

表1 空氣處理方案對(duì)比

空氣處理方式耗水量耗電量占地面積熱質(zhì)交換效率初投資噴淋室小小小高低換熱器大大大低高

通過(guò)分析，選擇使用噴淋室分別對(duì)空壓機(jī)進(jìn)口空氣進(jìn)行降溫除濕與等焓降溫處理，并利用壓縮空氣對(duì)吸氣進(jìn)行進(jìn)一步降溫同時(shí)對(duì)空氣進(jìn)行干燥處理。空壓機(jī)進(jìn)口空氣狀態(tài)變化見(jiàn)圖2，其中1點(diǎn)為空氣初始狀態(tài)點(diǎn)，2點(diǎn)為使用噴淋室對(duì)空氣進(jìn)行降溫除濕后的終了狀態(tài)點(diǎn)，3點(diǎn)為對(duì)干燥降溫后的空氣使用壓縮空氣進(jìn)一步干燥降溫后的終了狀態(tài)點(diǎn)，4點(diǎn)為對(duì)空氣進(jìn)行等濕降溫后的終了狀態(tài)點(diǎn)，5點(diǎn)為對(duì)等焓降溫處理后的空氣使用壓縮空氣降溫干燥后的終了狀態(tài)點(diǎn)。

圖2 空壓機(jī)進(jìn)口空氣狀態(tài)變化

其中：1—2過(guò)程為噴淋室對(duì)空壓機(jī)進(jìn)口空氣進(jìn)行降溫除濕的過(guò)程，2—3過(guò)程是壓縮空氣對(duì)空壓機(jī)吸氣進(jìn)行進(jìn)一步降溫干燥過(guò)程，1—4過(guò)程為換熱器對(duì)空壓機(jī)進(jìn)口空氣過(guò)程,4—5壓縮空氣對(duì)空壓機(jī)吸氣進(jìn)行降溫干燥過(guò)程。

2.2 噴淋室處理空壓機(jī)吸氣的分析

以某市夏季空調(diào)室外設(shè)計(jì)溫度與空壓機(jī)組額定產(chǎn)氣量為依據(jù)噴淋室進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)為了提高換熱效率選擇雙級(jí)對(duì)噴噴水室，并取經(jīng)過(guò)噴淋深井水處

噴淋室橫斷面積f(m2)：

(1)式(1)中：G—通過(guò)噴水室的空氣量，kg/h；vρ—空氣質(zhì)量流速，kg/(m2·s),常用的vρ取2.5～3kg/(m2·s)[3]。

噴淋室噴水量W(kg/h)：

W=μG

(2)

式(2)中：μ—噴水室的噴水系數(shù)，對(duì)冷卻干燥過(guò)程μ=0.75～0.8，對(duì)等焓加濕過(guò)程μ=0.5～0.7[8]。

噴淋室出水溫度tw2(℃)：

(3)

式(3)中：c—水的比熱，取4.19kJ/(kg·℃)；

噴水室熱交換效率系數(shù)：

(4)

式(4)中：tw1、tw2—水的初、終狀態(tài)溫度[8]。

對(duì)噴淋室進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

表2 噴淋室空氣狀態(tài)

處理過(guò)程空氣量G/(kg/h)進(jìn)氣溫度t1/℃ts1/℃進(jìn)氣含濕量d1/[g/kg(干空氣)]進(jìn)氣比焓h1/[kJ/kg(干空氣)]出氣溫度t2/℃ts2/℃出氣含濕量d2/[g/kg(干空氣)]出氣比焓h2/[kJ/kg(干空氣)]空氣質(zhì)量流速vρ(m/s)降溫除濕4543535.125.816.779181812.850.93等焓降溫4543535.125.816.7792826.923.885.93

表3 噴淋室水狀態(tài)與噴淋室設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

處理過(guò)程進(jìn)水溫度tw1/℃水量W/(kg/h)出水溫度tw2/℃橫斷面積f/m2噴淋室噴水系數(shù)熱交換效率接觸系數(shù)降溫除濕153634823.384.210.80.971等焓降溫262726126.804.210.60.500.763

2.3 壓縮空氣處理空壓機(jī)吸氣的分析

壓縮空氣對(duì)空壓機(jī)吸氣進(jìn)行除濕處理是依據(jù)是將低含濕量的壓縮空氣與空壓機(jī)吸氣混合，使混合后的壓縮空氣含濕量升高而空氣含濕量降低；它的降溫過(guò)程處理是依靠壓縮空氣膨脹而完成對(duì)空壓機(jī)進(jìn)氣的降溫處理。氣風(fēng)比是壓縮空氣與被處理空氣的比值，當(dāng)氣風(fēng)比在3%～3.5%之間時(shí)，被處理空氣溫將可達(dá)1.5℃，含濕量可降低2.8g/kg干空氣[9]。由于經(jīng)過(guò)噴淋室過(guò)的壓縮空氣相對(duì)濕度為100%且經(jīng)過(guò)壓縮空氣處理后的空氣直接進(jìn)入空壓機(jī)進(jìn)行壓縮，因此該過(guò)程干燥冷卻空氣時(shí)氣風(fēng)比取3.5%，壓縮空氣消耗量為22.75m3/min，經(jīng)過(guò)處理空氣參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 空壓機(jī)吸氣狀態(tài)參數(shù)

空氣狀態(tài)進(jìn)氣參數(shù)溫度/℃含濕量/[g/kg(干空氣)]焓值/[kJ/kg(干空氣)]出氣參數(shù)溫度/℃含濕量/[g/kg(干空氣)]焓值/[kJ/kg(干空氣)]降溫除濕后1812.850.916.510.041.9等焓降溫后2823.885.926.52181.1

3 空壓機(jī)進(jìn)口空氣預(yù)處理效益分析

通過(guò)上述的分析，采用噴淋室噴深井水與壓縮空氣相結(jié)合的方式對(duì)空壓機(jī)進(jìn)口空氣進(jìn)行預(yù)處理可以使空壓機(jī)吸氣溫度降低18.6℃，含濕量減少6.7g/kg(干空氣)，經(jīng)過(guò)處理的空氣再進(jìn)入空壓機(jī)進(jìn)行壓縮時(shí)，可使壓縮空氣系統(tǒng)運(yùn)行能耗降低11.3%；采用噴淋室噴循環(huán)水結(jié)合壓縮空氣處理空氣時(shí)，可以使空壓機(jī)進(jìn)口空氣溫度降低8.6℃，含濕量增加4.3g/kg(干空氣)，耗電量降低3.93%。該企業(yè)壓縮空氣系統(tǒng)在最熱月產(chǎn)氣量分別提高87.0m3/min和17.9m3/min的同時(shí)，耗電量減少22.7和7.88萬(wàn)kW·h。按照某市工業(yè)用電0.8元/kW·h來(lái)計(jì)算，該企業(yè)采用噴淋室噴深井水與循環(huán)水結(jié)合壓縮空氣處理空壓機(jī)進(jìn)氣時(shí)，最熱月運(yùn)行成本分別減少18.12、6.30萬(wàn)元。當(dāng)空壓機(jī)進(jìn)氣被處理后，可以降低空壓機(jī)組故障率、提高運(yùn)行效率，因此實(shí)際節(jié)能、節(jié)支效果更加明顯。為了進(jìn)一步驗(yàn)證壓縮空氣進(jìn)口空氣預(yù)處理的可行性，依據(jù)某市市場(chǎng)對(duì)進(jìn)口空氣與處理設(shè)備投資回報(bào)期與運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算。初期設(shè)備投資費(fèi)用為58 875元，其中包括設(shè)備材料購(gòu)買(mǎi)費(fèi)47 625元和安裝費(fèi)11 250元，空壓機(jī)進(jìn)口空氣預(yù)處理設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用主要有風(fēng)機(jī)、水泵的電費(fèi)和折舊費(fèi)、壓縮空氣的生產(chǎn)費(fèi)用，其中生產(chǎn)1m3壓縮空氣成本為0.08～0.12元[10]，取其生產(chǎn)成本為0.1元/m3計(jì)算壓縮空氣使用費(fèi)用，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 空壓機(jī)吸氣預(yù)處理設(shè)備月平均運(yùn)行費(fèi)用 元

通過(guò)分析，當(dāng)采用噴淋室噴深井水處理空壓機(jī)進(jìn)氣時(shí)，該項(xiàng)投資的投資回報(bào)期約為28d，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^(guān)；當(dāng)采用噴淋室噴循環(huán)水處理空壓機(jī)進(jìn)氣時(shí)，由于空氣在降溫的同時(shí)被加濕，雖然一個(gè)月可節(jié)能6.30萬(wàn)元，考慮其初期設(shè)備投資與運(yùn)行費(fèi)用后，這種空壓機(jī)進(jìn)口空氣預(yù)處理方案非但不能也節(jié)能節(jié)支，還會(huì)造成企業(yè)耗能與運(yùn)行成本的進(jìn)一步增加，因此這種空壓機(jī)進(jìn)口空氣預(yù)處理方案在某市并不適用。該企業(yè)空壓系統(tǒng)通過(guò)安裝空氣預(yù)處理設(shè)備每月可為企業(yè)減少運(yùn)行成本6.42萬(wàn)元，按照全年使用三個(gè)月來(lái)計(jì)算，每年可為企業(yè)帶來(lái)直接經(jīng)濟(jì)效益19.26萬(wàn)元。同時(shí)，空壓機(jī)進(jìn)口空氣經(jīng)過(guò)噴淋后，其含塵量就會(huì)減少，空氣過(guò)濾器濾料的使用壽命就會(huì)相應(yīng)延長(zhǎng)，實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益將會(huì)更大。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)噴淋室結(jié)合壓縮空氣對(duì)紡織廠(chǎng)空壓機(jī)進(jìn)口空氣進(jìn)行研究分析，可以得出以下結(jié)論：

a)經(jīng)過(guò)處理的空壓機(jī)進(jìn)口全部進(jìn)入主機(jī)內(nèi)進(jìn)行壓縮，若利用機(jī)械制冷方式對(duì)空壓機(jī)吸氣進(jìn)行預(yù)處理，需采用全新風(fēng)系統(tǒng)，但由于對(duì)空氣進(jìn)行降溫除濕的節(jié)能節(jié)支效果有限，這樣的空氣處理方式不會(huì)帶來(lái)節(jié)能效益的同時(shí)還會(huì)造成系統(tǒng)能耗的進(jìn)一步增加，因此并不適用。

b)對(duì)于空壓機(jī)進(jìn)口空氣方案不宜選用噴淋室噴循環(huán)水結(jié)合壓縮空氣的處理過(guò)程。噴淋室噴循環(huán)水處理空氣雖然降低了空氣的干球溫度，但由于空氣的濕球溫度與焓值均增加，這樣在考慮設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用后，會(huì)造成企業(yè)耗能與運(yùn)行成本的進(jìn)一步增加，因此這種空壓機(jī)進(jìn)口空氣預(yù)處理方案并不適用。

c)在某紡織企業(yè)采用低于空壓機(jī)吸氣露點(diǎn)溫度的水作為冷源對(duì)空氣進(jìn)行干燥降溫處理時(shí)，噴淋室較間壁式換熱器優(yōu)勢(shì)更明顯，同時(shí)將壓縮空氣產(chǎn)氣量的3.5%作為氣體吸濕劑可使空壓機(jī)吸氣被進(jìn)一步冷卻干燥，為空壓機(jī)入口空氣的除濕效果提供可靠保證。

d)將噴淋室結(jié)合壓縮空氣對(duì)空壓機(jī)入口空氣進(jìn)行干燥降溫處理，可使某紡織企業(yè)空壓機(jī)入口干球溫度降低18.6℃，含濕量減少6.7g/kg(干空氣)，空壓系統(tǒng)運(yùn)行能耗降低11.3%。初期設(shè)備投資費(fèi)用大約為5.9萬(wàn)元，月平均使用費(fèi)用為11.7萬(wàn)元，每月可減少運(yùn)行成本18.12萬(wàn)元，該項(xiàng)投資回報(bào)期約為28d，可帶來(lái)直接經(jīng)濟(jì)效益6.42萬(wàn)元/月，節(jié)能與經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^(guān)。

e)建議對(duì)于壓縮空氣用量大與空壓機(jī)吸氣溫濕度較高的企業(yè)，應(yīng)該采取積極措施降低空壓機(jī)吸氣溫濕度，以達(dá)到為企業(yè)節(jié)能節(jié)支的目的。

[1] 高龍，周義德，楊端梁，等.噴氣織機(jī)壓縮空氣吸氣預(yù)處理的節(jié)能性分析[J].棉紡織技術(shù)，2009,37(7):59-61.

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(責(zé)任編輯：陳和榜)

Study on Entrance Air Pretreatment of Air Compressor in Textile Mill

QINLi,YANSuqian,LIUNing,WEIShixiang

(College of Environment and Chemical Engineering, Xi’an Polytechnic University，Xi’an 710048, China)

This paper discusses the necessity, economical efficiency and energy saving of entrance air pretreatment of air compressor in the textile mill. Experimental test and theoretical calculation were combined to carry out comparative analysis of inspired air pretreatment scheme of air compressor. The results show that the combination of mechanical refrigeration and spaying recycled water in sprinkling chamber is not applicable to compressor air pretreatment. Companies should use the water lower than the dew point temperature of inspired air of air compressor as the cold source to dry and cool air. Besides, mixed heat exchange equipment is more energy-saving than dividing-wall heat exchanger. And the compressed air as moisture absorbent can further cool and dry inspired air of air compressor. When sprinkling chamber is combined with compressed air to dry and cool entrance air of air compressor, dry-bulb temperature at the entrance of air compressor in a textile enterprise can reduce 18.6℃; moisture content can reduce 6.7g/kg (dry air); operation energy consumption of air compressing system can reduce 11.3%; The equipment investment is about 59 000 Yuan in the early stage and the payback period is 28 days. The average cost is 117 000 Yuan per month and the operation cost can lower 181 200 Yuan every month. The renovation can bring direct economic benefit 64 200 Yuan every month and the energy-saving effect is remarkable.

air compressor; entrance air; temperature; humidity; pretreatment

2015-10-07

秦 莉(1991-)，女，江蘇無(wú)錫人，碩士研究生，主要從事紡織廠(chǎng)壓縮空氣優(yōu)化技術(shù)方面的研究。

顏蘇芊，E-mail:746266396@qq.com

TH138.21

B

1009-265X(2016)06-0056-05