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(diǎn)。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(fèi)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)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(yùn)行費(fèi)用最低，但出口露點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)溫度范圍為（-40～-80）℃。微熱、加熱或余熱3種露點(diǎn)性能更好，但無熱式更加節(jié)能，維護(hù)費(fèi)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(diǎn)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(yùn)行費(fèi)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(yùn)行費(fèi)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(yùn)行，提高空氣干燥度，有效降低壓縮空氣出口露點(diǎn)，可達(dá)到常壓露點(diǎn)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(diǎn)溫度。