空壓機壓縮熱綜合利用優(yōu)化設計方案探討

李惠敏

（中電誠達醫(yī)藥工程設計（河北）有限公司，石家莊 050015）

空氣壓縮機是醫(yī)藥化工生產(chǎn)廣泛應用的一種重要動力裝置，尤其在生物發(fā)酵領域，作為發(fā)酵大罐菌種培養(yǎng)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(tǒng)做法經(jīng)冷卻達到常溫后供出會浪費大量熱量[1]，目前已經(jīng)有多個對空壓機熱能進行回收利用的案例[2-10]，經(jīng)過對熱量進行回收，大大地提高了經(jīng)濟效益。本文提供了生物發(fā)酵廠區(qū)對空壓機排氣壓縮熱再利用的兩種優(yōu)化方案，以供探討。

1 兩種優(yōu)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(tǒng)做法冷卻到常溫，相對濕度為100%，不能滿足發(fā)酵工藝對溫度、濕度的要求（以某發(fā)酵工藝為例，供氧空氣控制溫度應為42～48 ℃，相對濕度＜30%），后續(xù)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(xiàn)了節(jié)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(jīng)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(tǒng)工藝與優(yōu)化工藝對比

2.1 傳統(tǒng)工藝能耗計算

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

2.1.1 一級壓縮

經(jīng)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(shù)m=1.3，將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)代入式（3）：求得X2=0.030 37 kg 水汽/kg 干空氣。

圖1 優(yōu)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(jù)式（4）計算：

將數(shù)據(jù)代入式（4）：得出φ3=1.15 ＞1.0，假設錯誤，經(jīng)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(shù)據(jù)代入式（5）：求得X3=0.026 25 kg 水汽/kg 干空氣，經(jīng)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(jīng)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(shù)據(jù)帶入式（6）：求得Q1=289 kW。

2.1.3 二級壓縮

經(jīng)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 ℃。空氣濕含量X4=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(jīng)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(jīng)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(jīng)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(jīng)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(jù)（7）式計算：

將數(shù)據(jù)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(yōu)化方案及計算

如上為壓縮空氣傳統(tǒng)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(jīng)研究制定如下優(yōu)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(tǒng)的操作彈性，在壓縮空氣管上增加了調節(jié)閥，便于不同季節(jié)進氣狀態(tài)、壓縮空氣排氣濕度工藝要求變化時的靈活控制。

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

壓縮空氣經(jīng)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(yōu)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(fā)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(shù)高。

經(jīng)系統(tǒng)優(yōu)化后，夏季工況下，節(jié)約蒸汽121 kW，節(jié)約循環(huán)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(jié)約的蒸汽，增加的電耗可忽略不計。

該優(yōu)化方案已在多個生物發(fā)酵廠區(qū)得到應用，節(jié)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(jié)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(huán)水量以及二級冷卻器換熱面積；節(jié)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(jié)能減排，低碳生活”號召，符合可持續(xù)發(fā)展的發(fā)展要求。