影響余熱再生干燥裝置排氣露點因素的分析與處理

李文偉

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司，河北唐山 063200）

引言

露點溫度（簡稱露點）指空氣在水汽含量和氣壓都不改變的條件下，冷卻到飽和時的溫度。形象地說，就是空氣中的水蒸汽變?yōu)槁吨闀r候的溫度叫露點溫度。對于一定含濕量的氣體，露點和壓力有關，與溫度無關。在鋼鐵企業(yè)里，露點是衡量壓縮空氣品質(zhì)的最重要的指標之一。氣動工具、用氣設備和儀表如果使用低質(zhì)量的壓縮空氣，會經(jīng)常發(fā)生故障，需要維修和更換，甚至將導致停工，影響生產(chǎn)，其損失比任何維修大得多。

1 京唐公司壓縮空氣現(xiàn)狀

京唐公司壓縮空氣按用途主要分為兩類，一類為儀表氣，供全公司各部門儀表及氣動設備等使用，全年要求露點≤-20℃；另一類為生產(chǎn)用氣，專供煉鋼連鑄使用，對露點無要求。

1.1 設備配置

公司儀表空氣主要由能環(huán)部16臺三級壓縮的離心式空壓機提供，單臺空壓機流量為250 m3/min，排氣壓力0.85 MPa。每臺空壓機出口配置一套余熱再生干燥裝置來保證壓縮空氣露點，其主要參數(shù)如下：

處理量：250 m3/min；

工作壓力：0.65～0.85 MPa（表壓）；

再生方式：利用壓縮熱再生吸附劑；

進氣溫度：≥120℃；

吸附劑：活性氧化鋁（粒徑 ?3～?5）；

排氣溫度：≤40℃；

壓力露點：≤-20℃；

耗氣量：≤2%的處理量。

1.2 余熱再生原理及工藝流程

1.2.1 余熱再生原理

余熱再生干燥裝置主要運用了變溫吸附原理，即吸附劑在低溫條件下吸附水分，在高溫條件下解吸水分。

1.2.2 工藝流程

干燥裝置一個完整的工作流程由上半周期和下半周期組成，每半周期又分為兩個階段。現(xiàn)以上半周期為例描述整個流程，下半周期類似，不再贅述。

（1）A罐工作、B罐再生加熱階段（見圖1）

來自空壓機的壓縮空氣，經(jīng)電加熱器加熱后由V11閥進入B干燥罐，加熱B罐的吸附劑后，經(jīng)V4閥進入末及冷卻器，冷卻后的氣體經(jīng)氣水分離器分離出液態(tài)水后再經(jīng)V1閥進入A罐，進一步脫水，然后經(jīng)V7閥到除塵器，濾去塵埃后送入管網(wǎng)。

圖1 A罐工作、B罐再生加熱

（2）A罐工作、B罐再生冷卻階段（見圖2）

B罐經(jīng)過一定時間的加熱后，罐內(nèi)的吸附劑得以再生，此時打開閥V12后關閉V11及V4閥，使部份熱氣體不再流向B罐，而是全部直接經(jīng)V12閥進入冷卻器及氣水分離器，然后由V1閥進入A罐，再經(jīng)V7閥至除塵器輸出。

與此同時，V6閥開啟，B罐卸壓排氣，V9開啟，讓A罐經(jīng)冷卻及吸附干燥后的無水無塵氣體通過限流孔板DV1降壓膨脹后，流經(jīng)B罐，使B罐的吸附劑床層降溫，再經(jīng)消聲器排到大氣中。

圖2 A罐工作、B罐再生冷卻

1.3 壓縮空氣露點現(xiàn)狀

干燥裝置經(jīng)過多年運行后，目前壓縮空氣露點逐漸出現(xiàn)異常，主要表現(xiàn)在平時有個別機組露點偏高，到夏季時露點普遍嚴重惡化，最高曾達到+29℃。

2 導致露點不合格因素的理論分析

由于夏季出現(xiàn)露點不合格的現(xiàn)象最嚴重，所以著重分析夏季工況。由工藝流程可知壓縮空氣通過余熱再生干燥裝置時經(jīng)過了兩次脫水，第一次是通過末級冷卻器將空氣中的大部分水冷凝然后通過其后的氣水分離器去除；第二次是通過干燥劑吸附后去除。任何一次脫水效果不好都會導致最終露點不合格，因此下面從兩大方面著手分析可能影響露點的因素。

2.1 影響一次脫水的因素分析

一次脫水通過干燥裝置的末級冷卻器降低濕空氣的溫度使之達到飽和進行脫水，所以末級冷卻器換熱效果差，會導致脫水效果差。通過分析造成換熱效果差的因素主要包括冷卻器進氣溫度高、進氣流量大、冷卻水溫度高、冷卻水流量小、冷卻器本身換熱能力差。

2.1.1 進氣溫度高

進氣溫度越高，冷卻器所承受的熱負荷越大，換熱效果自然越差。夏季，雖然環(huán)境溫度升高，但空壓機的排氣溫度并未顯著升高。這是因為空壓機采用等溫壓縮，雖然空壓機吸入空氣溫度高，但是通過空壓機級間冷卻器換熱后，進入三級葉輪再壓縮時的溫度是相同的，所以空壓機排氣溫度基本保持不變。但這有一個前提，那就是級間冷卻器換熱效果良好。實際通過手持紅外溫度測量儀對空壓機排氣溫度進行測量，各空壓機普遍排氣溫度在90℃左右，溫度基本恒定，對換熱不構成影響。

2.1.2 進氣流量大

進氣流量大意味著單位時間內(nèi)冷卻器要冷卻更多的氣體，所以熱負荷增加，換熱效果會變差。在空壓機入口導葉不變的情況下，空壓機排氣量是恒定的。但是在夏季，由于空氣的密度降低，雖然空壓機的排氣量不變，但質(zhì)量流量是降低的。這也就意味著進入冷卻器的空氣是減少的，對換熱實際是有利的。

2.1.3 冷卻水溫度高

冷卻水溫度對換熱有著極大影響，水溫越高換熱效果越差。夏季，隨著氣溫的升高，冷卻水溫度普遍升高，對換熱極為不利，大量冷卻器出現(xiàn)排氣溫度偏高問題。

2.1.4 冷卻水流量小

冷卻水流量越小，所能冷卻的空氣量就越少。由于冷卻水通過站內(nèi)自有循環(huán)水系統(tǒng)供給，可通過水泵進行調(diào)節(jié)，流量能夠滿足要求。

2.1.5 冷卻器本身換熱能力差

冷卻器為管殼式結構形式，管束材質(zhì)為換熱效率高的紫銅，管程介質(zhì)為壓縮空氣，殼程介質(zhì)為水。一般冷卻器使用一段時間后，換熱效果都會下降，主要是因為換熱管表面結垢導致傳熱系數(shù)降低。

2.2 影響二次脫水的因素分析

二次脫水是余熱再生工藝的主要流程，在這里將空氣中剩余的微量水分離出來。導致二次脫水效果較差的因素主要有壓縮空氣含水量大、再生氣瞬時流量小、再生加熱氣溫度低、再生冷吹氣溫度高、再生時間短、吸附劑劣化、閥門內(nèi)漏。

2.2.1 壓縮空氣含水量大

進入干燥罐的壓縮空氣含水量過高，將會使得工作罐中的吸附劑快速達到吸水飽和。而此時再生罐未完成再生，工作罐也尚未達到固定的切換時間，因此后段時間吸附劑所能吸附的水越來越少，成品氣含水量不斷升高，出現(xiàn)露點超標情況。一次脫水量較少或者因為冷卻器之后的氣水分離器分離效果差都會造成此種情況。

2.2.2 再生氣瞬時流量小

加熱和冷吹是吸附劑再生的兩個階段，前者將游離水從吸附劑中完全解吸，后者將吸附劑恢復到正常工作溫度。加熱再生氣瞬時流量過小，會降低作為熱載體的再生氣傳熱效率，造成局部過熱而大部無熱，破壞吸附劑結構與性能，同時流量過小會使流速過低，易形成因氣流穿越吸附層短路而形成“遂道效應”而導致無法均勻傳熱與有效解吸。再生冷吹氣與之類似，流量過小會造成部分吸附劑溫度仍然很高失去吸附能力。

2.3.3 再生加熱氣溫度低

對于活性氧化鋁吸附劑只有達到120℃以上才能完全解吸水分，而來自空壓機的壓縮空氣通常最高只有90℃，需要通過電加熱器進行加熱。如果電加熱器功率小或加熱棒損壞，再生加熱氣溫度就達不到吸附劑解吸的要求。通常溫度越高，解吸效果越好，但能耗也會升高，因此控制在120℃即可。

2.3.4 再生冷吹氣溫度高

吸附劑通常需要冷吹到40℃以下才能獲得最佳工作狀態(tài)，超過這個溫度，吸附效果將大打折扣。冷吹氣體來源于干燥完的成品氣，成品氣的溫度又和末級冷卻器的換熱效果有關，也和工作罐上一次的冷吹效果有關?？諝饨?jīng)過末級冷卻器換熱后如果溫度還較高，自然冷吹效果不好。如果工作罐在上一次冷吹完溫度仍很高，那么成品氣溫度自然也高，這樣會形成惡性循環(huán)，吸附劑無法恢復到最佳工作溫度。

2.3.5 吸附及再生時間不合理

相對于工作罐吸附時間越短，吸附床一次吸附的水分越少，吸附劑的吸附率就越大。一般來說，吸附周期越短，干燥效果越好。但對于加熱和冷吹的再生過程來說，時間又不能過短，否則吸附劑不是尚未完全解吸就是未恢復到最佳工作溫度。所以吸附和再生時間需要合理匹配。

2.3.6 吸附劑劣化

吸附劑劣化是指使用時間長后，由于疲勞或老化而引起的吸附性能的衰弱。具體表現(xiàn)在吸附“轉效點”急驟降低，出口露點快速上升?；钚匝趸X吸附劑是一種多孔性、高分散度的固體材料，其微孔有很大的表面積。吸附劑的使用壽命正常情況下可達2～4年。影響其使用壽命的因素，一是破碎問題；另一是永久吸附問題。目前使用壽命較短的原因主要是破碎問題。一旦吸附劑破碎粉化，其表面積減小，吸水能力降低。

2.3.7 閥門內(nèi)漏

余熱再生裝置采用大量氣動蝶閥，每個閥門2 h動作一次，平均一年要開關2200次。如此高頻次長時間使用后，閥板密封處必然磨損導致閥門內(nèi)漏。內(nèi)漏帶來的危害就是冷熱氣體混流，造成再生加熱和冷吹出現(xiàn)問題。

3 檢查和處理

3.1 問題診斷

結合前面的理論分析，對4座空壓機站16套余熱再生干燥裝置進行了逐一檢查，影響露點的因素有共性的也有非共性的，因機組不同存在一定差異。差異的產(chǎn)生由每臺空壓機組運行工況及站所配置不完全相同造成。將所有檢查結果綜合起來，影響京唐公司壓縮空氣露點的因素主要表現(xiàn)在以下5個方面：

（1）冷卻水溫度普遍偏高，最高達到35.8℃，而冷卻器設計的最高進水溫度為33℃。

（2）末級冷卻器殼程普遍結垢嚴重，造成換熱效果下降。

（3）部分機組吸附劑已連續(xù)使用達到3年，超過2年的更換周期，吸附劑粉化嚴重。

（4）干燥裝置的氣動閥門普遍存在內(nèi)漏情況。

（5）個別機組加熱再生氣溫度僅達到95℃，嚴重不達標。

3.2 處理措施

針對檢查出的問題，制定了相應的措施，露點得到有效改善。

（1）對水溫最高的軋區(qū)空壓站，鋪設了一條新管路，引進了新的冷卻水源。新水源比原站內(nèi)水溫低2℃，此舉降低了站內(nèi)的熱負荷。

（2）針對冷卻器殼程結垢問題，由于無法使用物理清洗方法，因此找專業(yè)廠家采用化學清洗法在線對冷卻器殼體進行了清洗。

（3）對使用2年以上的吸附劑逐批次進行更換。

（4）對氣動閥門逐臺進行了修理，對密封進行了更換，打壓確認不漏。

（5）對于加熱再生氣溫度低的問題，通過對電加熱器功率進行了調(diào)節(jié)，目前加熱再生氣溫度普遍能夠達到120℃。

上述措施的實施，達到了立竿見影的效果，部分效果如圖3、圖4所示。

圖3 新水源對露點的改善情況

圖4 更換吸附劑對露點的改善情況

4 結束語

影響壓縮空氣露點的因素錯綜復雜，但基本上筆者所分析的原因要素中都已涵蓋。結合理論分析，對造成京唐公司壓縮空氣露點不合格的原因進行了排查，采取了有效的控制措施，壓縮空氣露點明顯改善。