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压缩空气系统吸附式干燥器节能技术分析闵圣恺一秦宏波汪国兴胡寿根1.上海理工大学2.上海节能服务中心摘要:吸附式干燥器具有结枸简单,I作可靠稳定等特点,在压缩空气后处理中有着大量的应用.但是存在再生过程中需要消耗大量千压缩空气的缺点本文介绍了目前几种应用于吸附式干燥机的节能技术,并探讨了它们的原理关键词:吸附式干燥器节能压缩空气MinShengkaiQinl-longhoWangGuo-xingHuShougenUniversityOfSharlghaiForScienceAndTechnology.ShanghaiEnergyConservationServiceCenterAbstract:Becauseofsimplicityandreliability,thedesiccantdyersalewidelyusedincompressedairtreatment.Butithastheshocomingthatrequiringhishpercentsofairtoregeneratethedesiccantandhighoperationcost.Thispaperintroducesseveralener”conservationtechnologiesfordesiccantandtheirprinciples.Keywords:DesiccantDyerEnergyConservationCompressedAir1概述压缩空气作为一种重要的动力源,广泛地应用于工业生产和科学实验中.许多应用场合对压缩空气的含水量都有明确的要求,需要使用干燥装置将压缩空气处理至所需干燥度.目前广泛使用的干燥器的类型主要有冷冻式和吸附式.其审冷冻式由于受到水结冰温度为0的限制,其出口露点温度范围有限,最低也就在2左右,因此其使用受到了限制吸附式干燥器的出口露点温度可以达I一20至一10o,有着了更为广泛的应用.吸附式干燥器也可分为无热再生式,加热再生式,微热再生式等几种.吸附式干燥器一般采用双塔式,一塔进行吸附.一塔进行解吸.106盘幸tanghaiEConsewation2005No4无热再生式干燥器是将部分成品干压缩空气减压,使得降压后的压缩空气的相对湿度大大降低,然后使这部分藏压后的干空气通过待再生的吸附剂,此时吸附剂中水的分压力高于压缩空气中水的分压力,吸附剂中的水分向再生气中扩散,吸附剂得到了再生.因为再生时温度不变,使用减压解吸的方珐,所以又称变压吸附无热再生干燥器实际工怍步骤为吸附,再生,均压三步大概需要消耗13%到17%的成品干压缩空气用于再生,耗气量较高.有热再生吸附法即在压力不变的条件下,在常温下吸附,在高温下解吸,也称变温吸附,需要消耗较高电能.微加热再生法是介于加热再生和无热再生之间的一种再生方法:他用电能加热减压后的干压缩空气,使其再生能力得到加强.与无热再生相比,耗气量减少,使有效供气量增加.微热和有热再生干燥器则在一个运行周期中,在再生步骤后多了一个冷吹的过程.Ill虽然吸附式干燥器运行稳定可靠,但是往往存在着消耗空气量较大或者耗电较高的问题,能源的消耗较高.因此,采用节能技术措施降低吸附式干燥器耗能,降低企业的生产成本,提升企业竞争力有着明显的现实意义.本文将综述几种吸附式干燥器的节能技术.2无油空压机的余热利用技术有热再生吸附式干燥器,在再生时需要消耗大量的电能用以加热再生气.但是由于压缩机排气温度较高通常在8O125oC,甚至更高,在实际使用中许多设备对于设备进口温度有着明确的要求,一般最高人口温度应控制在4050以下.必须将压缩机出口温度高达8O至125oC的压缩空气冷却下来方可使用.冷却的过程中(风冷,水冷)有大量的热量被白白浪费掉.如果能够利用此部分热能来再生吸附剂,就可以充分利用能源,自然起到降低能耗,节约生产成本的目的.由于压缩机出口的高温压缩空气具有较高的温度和很低的相对湿度,完全可以用于吸附剂的再生.压缩机出口的压缩空气,虽然由于体积的压缩,单位体积内的含水量大大增加,绝对湿度较高,但是由于其温度也较高,因此气体实际的相对干湿度仍然非常小,具有较大的携水能力.压缩机出口空气相对湿度的计算:根据道尔顿分压定律:=+(I)式中Pb表示压缩空气压力(绝对压力)表示水蒸气的分压力(绝对压力)表示干空气的分压力(绝对压力)一定温度,压力下空气所能携带的最大水蒸气量是有限的.当水蒸气的分压力达到此温度下水的饱和压力时,空气所能携带的水蒸气量达到最大,即饱和状态.湿度是指湿空气中所含水蒸气的量,分为绝对湿度及相对湿度.每一立方米湿空气中所含水蒸气的质量(kg/m3)称为湿空气的绝对湿度.显然其数值是在湿空气的温度t和水蒸气分压力下水蒸气的密度.对于饱和湿空气由于水的饱和温度和压力一一对应的,因此只要知道了饱和湿空气的温度,那么饱和湿空气的绝对湿度便确定了,与湿空气压力无关.相对湿度就是湿空气中实际所包含的水蒸气量和同温度下最大可能包含的水蒸气量的比值.反映了湿空气吸收水蒸气的能力.查水的热力性质表便可得到相应温度下饱和湿空气的绝对湿度121I.袁1不同温度下饱和湿空气的绝对湿度温度/C3010012O13O绝对湿度(kg/m.)0.03040.5975I.12081.9646如果压缩机进口条件为一个大气压,3O时相对湿度70%,那么其绝对湿度就为0.0304x0.7=0.0213kg/m.经过压缩之后绝对湿度有所提高.这可以根据理想气体公式确定在不同排气温度,压力下进口空气体积缩小了多少倍,那么就可以得到绝对湿度提高了多少倍,然后再由入口绝对湿度便可得到压缩机排气时的绝对湿度.与表1的饱和湿度比较便可得到相对湿度.进出口绝对湿度按下式计算:x.1,f尸oxfV.(2)式中x.一压缩机排气口绝对湿度(kg/m)Xi一压缩机吸气口绝对湿度(kg/m)1,.一压缩机排气口比容(m3/kg)一压缩机吸气口比容(m3/kg)P0一压缩机排气压力(MPa绝对压力)Pi一压缩机吸气压力(MPa绝对压力)T0一压缩机排气温度(K)一压缩机吸气温度(K)由表2数据可知,在人口含湿量较高的情况下,压缩机出口一般也能维持较低的相对湿度.另外根据有关资料51,再生气体的温度,湿度决定着气体的干燥度.对于铝胶,温度为7O时就有明显的再生(干燥)效果.根据有关单位对其设备的实验数据ShonghoiEnergyConsewalion2005.No.44牛._107表2入1:7条件为30,相对湿度70%时,压缩机不同排气压力和温度时的相对湿度相对湿度/%排气温度r-F,/MPa1OO12O13O排气力,O.518.39.85.6O.723.112.37.OO.824.713.27.6的研究,发现当吸附剂被高温空气加热至70-80%后,处在再生阶段的干燥剂容器的出口温度会出现一个较长的平台;然后,随着加热的继续,出口温度逐渐上升至热气温度.可以认为7080是吸附剂再生的主要阶段.由此可以证明压缩机出口的高温干燥压缩空气完全具有较高的再生能力,可以对吸附剂进行再生.目前对于无油式空压机来说,适用的余热再生式吸附干燥器按结构形式分主要有两种:转鼓式和传统的双塔式5l.他们的结构,特点和工作过程略有不同.转鼓式:此类干燥器一般采用单桶压力容器,内置蜂窝状干燥鼓,干燥鼓缓慢转动,连续工作,一部分高温压缩空气不经过压缩机后冷却器,直接进入干燥器,对失效干燥剂(部分干燥鼓)进行再生(再生区大约占1/4),然后进入后冷却器,与后冷却器中大量常温压缩空气混合,一起进入干燥区,通过干燥鼓,水分被吸收后成为成品气排出干燥器.在此干燥器中,蜂窝状的干燥鼓连续转动,压力容器外壳和冷却器等固定不动,此类干燥器具有以下优点:压缩机安装容量小,干燥剂装填量少,占地面积小,能耗低,无需消耗再生气,干燥器连续运行,不需切换阀(易损件减少).但是由于再生后无降压吹冷阶段,所以干燥成品气的露点将受到限制,有关资料认为,在环境温度和冷却水温变化时,其出口露点温度会有所波108重牛.IShanghaiEnergyConservation2005.No.4动.一般当环境温度或冷却水温度为30时,0.7MPa下的压力露点不低于一30o04,其使用会受到一定的限制.双塔式:双塔式余热再生干燥器在对吸附剂加热再生后,可根据需要,使用一部分干空气(一般为1.4%3%)对吸附剂吹冷,进一步干燥,提高其干燥能力,降低干燥棋出口成品压缩空气的露点温度(低温对吸附有利),因此它比起转鼓式的余热再生吸附干燥器具有更低更稳定的出口露点温度,完全能够满足一40的露点温度要求.双塔式余热再生的干燥器运行中主要包括加热再生,冷吹,升压及切换等过程.由压缩机排出的无油高温气体,直接进入干燥剂失效塔对干燥剂加热再生,之后进入后冷却器,在后冷却器中,压缩空气被降温,到达饱和,开始有水分析出.随着温度不断的下降,水分不断地析出,在冷却至一定的温度后被送入另一路干燥塔,塔中干燥剂进一步吸收压缩空气中的水分,在干燥器出口达到较低露点温度后,送往使用点.处于再生过程的塔,其中的吸附剂经过加热再生后,干燥塔降压,使用一部分降压的干空气进行冷吹.冷吹过程中将消耗7%-15%的干空气,然而总的冷吹时间较短,只占总运行时间的20%左右5161171,因此总的耗气量比较低,在1.4%3%左右.根据实际露点要求,可不进行冷吹,此时再生过程将不消耗干空气.冷吹结束后,再生完成,此塔升压后,阀门切换.两塔功能互换,依此循环.双塔式的余热再生干燥器由于再生温度较高,因此其干燥剂的装填量要比普通的无热再生干燥器要大,然而其运行周期也较长,一个周期往往可以达到4小时.因此切换阀门的运行次数也比无热再生的干燥器来得少得多.这样阀门的维护工作量就变得更小,寿命也更长.可以进一步的降低运行费用.3有油式空压机的余热利用技术对于有油空压机(润滑,密封及冷却等)由于其出口空气中含有大量的润滑油,如果直接通入干燥器的容器内对干燥剂进行再生,吸附剂势必会受到污染而失效,影响干燥器的性能;由于再生时温度较高,如果长时间积油,这样也会导致安全的隐患.此外,油过滤器的进口温度一般要求低于4050C,而缩机出口空气的高温必然导致无法使用油过滤器.因此无油机的余热利用技术在有油机上受到了限制.如果要利用余热,只能通过间接的方法来利用,需要增加换热设备.目前对于有油空压机的余热利用主要是利用微热式吸附干燥器达到较低能耗和耗气量.利用压缩机排气的余热先对降压后的干空气加热,如干空气的温度不够,可再进行电加热,帮助减少耗电量和耗气量.文献【8】的实例中,此方法节约了42%的电加热能量.取得了显着的节能效果,在文献【13】的工程实践中,此方法节约了总能耗(除加热功率外还包括耗气所对应的压缩机能耗)的31.3%.4冷冻,吸附复合干燥节能技术冷冻干燥法和吸附式干燥法各有各的特点【lol111.冷冻法虽节能,但露点温度较高.吸附法能达到较低的露点温度,但耗能较大.现在出现了复合式干燥器,把冷冻式干燥器节能和吸附式干燥器的高干燥度两者结合起来,它采用先冷冻后吸附的工作流程,变温,变压,变周期组合工作.在前级使压缩空气露点降至25oC,去除压缩空气中的大部分水分后,再通过吸附式干燥器进行干燥.这样处于后级的吸附式干燥器的工作负荷大大减轻,由于大部分水已被冷干机除去,其所需吸附的水分自然大大减少,因此所需的再生气量就大大减少,再生气耗量减少到3%左右(露点温度在一4o),从而大大降低了耗气量,节约了压缩机功耗.复合式干燥器的改造也较为容易,只需在原有吸附式干燥器之前安装适当容量的冷干机,随后调整吸附式干燥的干燥,再生周期,经调试后便可正常运行.此法也同样适合无法利用余热再生技术的无油式空压机.5三种技术特点及运行费用比较根据有关文献51阎111121131的数据,整理得表3.空压机排气压为0.75MPa时,有油螺杆机按20m3/min的空压机功率在110kW左右折合为5.5kW/(m3/min),无油螺杆机可按18.3m3/min功率110kW折合为6.0kW/(m3/min).表3中无热再生,有油机余热再生,复合式干燥器均按系统中配备有油机计算,如系统中是无油机,折合功率将更高.6结论目前出现的几种针对传统吸附式干燥器的节能技术,它们原理不尽相同,各有特点和适用范围.表3三种技术特点比较项目无热再生无油机余热再生有油机余热再生复合耗气量/%15%2.5%5%7%3%折合压缩机功率kW/(1113/min)0.8250.150.275-0.3850.165耗电极少可忽略极少可忽略0.250.2kw/(III3/min)总折合功率kw/(m./min)0.8250.150.525-0.6350.365露点温度/c-40-40-40-40简单,可靠,投简单,可靠,改造初投资高,耗能改造简单,特点较复合式高,电耗能少资少,耗气量大简单,耗能最少加热器寿命短ShanghaiEnergyConservation2005.No.4,霹牛.I109健对于无油机应当在可能的情况下尽可能的使用余热再生技术,因为它基本不耗电能(除少量控制设备及转鼓式中小功率电动机耗电),耗气量也仅为0%-3%,并且可以在原有双塔式吸附式干燥器的基础上可以较为方便的进行改造,投资也较少.对于有油空压机,在场地允许的情况下,复合技术更有优势,不仅能耗更低,而且由于吸附式干燥器工作温度低,吸附剂的容量比采用余热利用技术的微热式吸附干燥器吸附剂寿命更长,同样处理量下,干燥剂的装填量也较小.参考文献:1】徐明等.压缩空气站设计手册.北京:机械工业出版社,1993.12【2】沈维道等.工程热力学(第二版).北京:高等教育出版社,1983.10【3】余晓福等.水和水蒸气热力性质图表.北京:高等教育出版社,1995,5【4】李明生,一种节能型压缩空气净化设备,有色冶金节能,2002,8:3-5【5】刘谦等.余热再生技术的研究与应用.化工进展,vo122,8:892-8936】邱建华.压缩热再生式空气干燥器的高效节能性及应用.能源研究与利用,2002,4:45-467】熊雪立.压缩空气净化系统的革新与发展.化工装备技术,vo123,38】张永波等.有热再生压缩空气干燥器节能技术.农机化研究,2002,11:1611639JosephL.Foszcz.Choosingacompressedairdryer.PlantEngineering,May,2004:P404210】孙春华复合式空气干燥器在压缩空气后处理中的成功应用.能源研究与利用,2001,4:41-42,4511】汪国兴,秦洪波.压缩空气供气系统空气处理设备节能措施分析.上海节能.2005,2:15-16,2712】梁学武.降低压缩空气干燥器耗风量的节能改造.节能.2004,1:31,3213】王刚等.微热再生吸附式压缩空气净化系统的优化方法.冶金标准化与质量.Vol40,3:34-36坐业业e业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业(上接第99页)成产业并且进入高速发展期之前,以下几个市场先决或准入条件必须得到建立:1)必须提供合适的节能投资渠道.国内绝大多数银行贷款都是抵押贷款,并且一般贷款期不超过5年.而且银行往往觉得单个节能项目的贷款数目太小而缺乏激励.私人投资渠道可以是个别项目的选择,但无法形成大规模的资金来源.笔者暂且提出以电力公司牵头来组成某种形式的基金不知是否可操作.2)建立相关法律,法规来确立对EPC项目和节能产业的激励,并对ESCO设立I槛和严格管理.在美国,在每个州承接EPC项目ESCO都必须申请执照(License).更重要的是ESCO的名声和业绩,一旦某个ESCO在某个州做砸了一个项目,那么这个ESCO在今后相当长的时间里都无法这个州承接项110盘牛IShanghaiEnergyConservation2005.No.4目.因此,ESCO们都把他们的名声和业绩看得比生命还重要.3)尽快建立符合国内情况和详尽的验证和测试标准.目前国内的节能服务市场除了缺乏相应的激励外,各种名目的节能公司也是鱼目混珠,良莠不齐.某些国内的所谓ESCO利用客户对节能知识的缺乏随意甚至欺诈性地制定基准线(Baseline),从而达到非法盈利的目的.参考文献1,CharlesGoldman,2005,ReviewofU.S.ESCOIndustryMarketTrends:AnEmpiricalAnalysisofProjectData