中国石油化工股份有限公司济南分公司公用工程部
摘要：空压机对空气进行压缩，并通过干燥塔对压缩空气进行干燥处理，降低压缩空气的露点，制备合格的净化风供全厂使用。空压站的1#干燥机改造前采用冷冻+分子筛吸附脱水，需要净化风作为再生风，再生风耗量约为1000Nm3/h。现改为余热再生干燥塔，即利用压缩机的压缩热作为吸附剂的热再生，加热时减少电加热器的工作时间，同时不再使用冷冻机，并且没有压缩空气排放，实现零气耗设计，是一种节能型的干燥机。改造后每年能节省电大约1679593.1℃，而循环水的耗量仅略有增加。
关键词：余热再生 压缩热 零气耗 节能型
压缩空气作为一种重要的动力源，广泛应用于科研试验和工业生产之中。压缩空气由空气压缩机（简称空压机）产生［1］。空压机产生的压缩空气是混有水分、油分及固体微粒等杂质的混合物。压缩空气中的水分主要来自大气，经压缩冷凝后成为湿饱和空气，并夹带大量的液态水滴。空气中的油分主要来源于空压机的润滑油，润滑油虽然对空压机有润滑、密封和冷却的作用，但在空压机高速运转时会混入压缩空气中。空气中的固体微粒主要来源于大气中漂浮的尘埃，以及空压机内部不断产生的磨屑和锈渣。
公用工程部的空分空压站是以空气作为原料生产净化风和氮气的装置。主要由离心式压缩机、冷冻机、干燥塔、深冷空分装置等组成，为全厂各工艺装置及单元提供正常生产、事故状态和开停工时所需要的净化风和氮气。
1 净化风干燥系统工作原理
空气中含有一定的杂质，净化风的生产要清除这些杂质。空压机入口过滤器去除大气的粉尘；冷冻机降温除水，水分离器脱水及清除机械杂质；分子筛干燥塔除吸附脱水外，还能去除二氧化碳和乙炔。去除二氧化碳和乙炔的净化风可用做空分装置的原料。
表1 空气中主要杂质的含量
.png)
.png)
图1 净化风冷冻吸附流程简图
1#干燥系统有冷冻干燥、有热再生吸附干燥系统两种。其中冷冻干燥是将离心式空压机三级冷却器后的空气引入冷冻机组的蒸发器中，通过制冷剂的强力冷却，使空气中的大部分水分凝结，然后通过气液分离器将冷凝水分离并排水，从而达到干燥空气的目的。有热再生吸附干燥是使空气通过分子筛，利用分子筛的高吸附性能将空气中的水分吸附到分子筛中，使空气得到干燥。然后利用再生气把分子筛中水分脱附出来，使吸附剂得到再生。“有热再生”是指将用于再生的气体先通过加热器加热后再送入待再生的吸附塔中对吸附剂进行再生。一般两台吸附器交替使用，一台吸附工作，另一台脱附再生。如图所示：
1.1 冷冻干燥机工作原理
冷冻机的制冷循环是指制冷剂（即氟利昂）在制冷系统内相继经过压缩、冷凝、节流、蒸发四个过程，完成制冷剂的热力循环，达到冷却空气的目的。冷冻干燥机主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器和控制系统等组成，其结构如下图所示：
.png)
图2 冷冻机组结构
压缩机是制冷装置中最主要的设备，通常称为制冷装置中的主机。制冷剂蒸汽从低压提高为高压及气体的不断流动、输送，都是借助于制冷压缩机的工作来完成的。制冷压缩机的作用：从蒸发器中吸取制冷剂蒸气，以保证蒸发器内一定的蒸发压力；提高压力，将低压低温的制冷剂蒸气压缩成为高温高压的过热蒸气；输送并推动制冷剂在系统内流动，完成制冷循环。冷凝器是将来自压缩机的高压制冷剂蒸气冷凝成液体，在冷凝过程中，制冷剂蒸气放出热量被循环冷却水介质带走。经冷凝器冷凝后的高压制冷剂液体经过节流阀时，因受阻而使压力下降，导致部分制冷剂液体气化，同时吸收气化潜热，其本身温度也相应降低，成为低温低压的湿蒸气，然后进入蒸发器。低温低压的制冷剂液体在蒸发器中沸腾，在沸腾过程中吸收被冷却介质（压缩机过来的高温高压的空气）的热量，从而达到制冷的目的。完整的冷冻机组，除上述结构外，还有气液分离器、过滤器、热气方通阀、预换热器、疏水系统及PLC控制系统。其工艺流程图如下图所示：
.png)
图3 冷冻机组工艺流程图
1.2 分子筛吸附塔工作原理
分子筛吸附塔分为无热再生干燥塔、有热再生干燥塔和压缩热再生干燥塔等多种形式。改造前1#干燥塔采用的是有热再生干燥塔形式[2]。
分子筛吸附干燥系统一般由吸附器、再生加热器以及阀门、管路、仪电控制系统等组成。吸附器内填装分子筛、活性氧化铝等，吸附剂对空气中的二氧化碳、水分及一些碳氢化合物进行吸附去除[3]。分子筛干燥系统的吸附器一般采用两台吸附器切换使用的方式，一台吸附饱和后，将另一台再生好的吸附器投入使用。吸附饱和后的吸附剂就失去了继续吸附的能力，应当进行再生才能使用。再生过程是吸附的逆过程，即解吸。解吸是把所吸附的水分、二氧化碳、乙炔等杂质通过干燥的气体（1#干燥塔使用净化风）带走，然后在继续使用。再生一般分四步进行：降压、加温、冷吹、升压。
再生降压过程是将吸附饱和的这台吸附器的内部压力降到再生气的压力；加温过程一般采用低压、高温、干燥的再生气体对吸附剂进行加温解吸，内部吸附的杂质被带走；冷吹过程是用常温干燥的再生气体对吸附剂进行冷吹，直到内部吸附剂的温度冷却下来。升压是将另一台正在工作的吸附器中的空气置换入再生好的吸附器内，用以升高压力，升压后该台吸附器即可投入使用。
吸附器内装入一定床层高度的吸附剂，在一定的压力和温度下进行吸附。一般把仅使用分子筛吸附的叫单层床吸附器，把使用分子筛、氧化铝两种吸附剂的吸附器叫双层床吸附器。分子筛有4A型和13X-APG型分子筛[4]，其中1#干燥塔使用的是13X-APG型分子筛。其吸附原理是利用其颗粒内部多孔性，以及对极性分子具有较强的亲和力，有选择的吸附二氧化碳、水分及一些碳氢化合物等杂质，使空气得到纯化。活性氧化铝具有抗压强度高、磨损率低、不粉化、不爆裂等特点，其抗冷、热的突变性也很强。在空气饱和含水量高时有较好的吸水性，而且与分子筛等高度的床层下，阻力也更低。活性氧化铝价格相对低一些，所以一般在处理空气温度较高的情况下，其空气中饱和含水量较大时，在下层设置活性氧化铝，利用它对空气进行初步干燥，更经济、节能。其结构如下图所示：
.png)
图4 单层吸附塔和双重吸附塔
2 1#干燥机改造前工艺流程
自空压机出口来的非净化风压缩空气，经后冷却器冷却至40℃后，进入1#冷冻机组前设置过滤器除去粉尘等杂质后，进入1#冷冻机，非净化风压缩空气经1#冷冻机组冷冻干燥后除去大部分水，出口压缩机压力露点达到2～10℃，经除油过滤器进一步气液分离后进入1#干燥塔，吸附除去残余水分、二氧化碳和碳氢化合物等，出1#干燥塔后，经除尘过滤器进一步净化后，空气中的露点低于-70℃和二氧化碳小于1PPm，送入净化风缓冲罐。1#干燥塔双塔交替使用，一塔工作，一塔再生。
2.1 改造前电消耗量
1#干燥机改造前，采用的是冷冻+分子筛吸附脱水，其用电消耗如下表所示：
表2 设备用电参数
.png)
1#冷冻机长年运行，干燥塔配备电加热器对其再生加热，再生时所需要风是1#冷冻干燥所生产的净化风，所需风量大约为1000Nm3/h。1#空压机主电机功率为1305kW，生产能力为12000Nm3/h，则再生风所消耗功率为108.75kW。改造前1#干燥塔的再生周期表如下图所示：
表3 1#干燥塔改造前再生周期表
.png)
改造前，1#干燥塔再生时，再生风从放空消音器中对大气排放。从再生周期表中可知，再生风对外排放的过程是降压、加热和冷吹过程，降压过程忽略不计，则再生风对外排放的时间是13860S，即3.85h。则再生风所消耗的电能为：
.png)
电加热器只在加热阶段工作，则工作时间为8820s，即2.45h，其消耗的电能为：
.png)
冷冻机长年运行，其消耗的电能为：
.png)
1#冷冻干燥机改造前每年消耗的电能为：
.png)
2.2 改造前水消耗量
1#空压机出口配置两台后冷却器，需要循环水对高温高压的空气冷却。冷冻机也需要循环水冷却。其所需水量如下所示：
.png)
注：
.png)
—流量；
.png)
—管径；
.png)
—介质流速
其中：单台后冷却器循环水管径为DN80，1#冷冻机循环水管径为DN65，介质流速取2m3/h。将数据带入上述公式可得每小时所需水量：
.png)
.png)
.png)
1#冷冻干燥机改造前每年需要的循环水量：
.png)
3 1#干燥机改造后工艺流程
对于1#干燥塔，目前采用冷冻+分子筛吸附脱水，且干燥塔已运行15年，达到使用年限，故对1#冷冻干燥系统整体更新，改为余热再生干燥器。本次改造拟采用余热再生干燥装置代替1#冷冻干燥机组。该机型是连续工作哦的双吸附塔设计，工作过程中一塔再生，另一塔再生。其工艺流程特点：零气耗设计，没有压缩空气排放；高温压缩空气分步、分流进入干燥器，充分利用压缩热；加热冷吹双向气流，保证顶部干燥剂再生效果，从而保证露点。其流程简述如下：
1） 压缩热加热再生阶段
1#空气压缩机三级排气产生高温非净化压缩空气（压力为0.9MPa、温度为~120℃），进入余热再生干燥装置，先进入一塔对其加热，然后进入冷却器，再进入气水分离器水分被分离后，进入干燥器的另一塔进行干燥，经过干燥的压缩空气送入净化风缓冲罐。干燥塔出口达到设定温度后停止加热再生。配置电加热器，以保证分子筛再生温度。
2）辅助电加热再生阶段
压缩机出来的高温空气一部分直接由电加热器对其加热，加热升温后，进入再生塔继续加热再生塔的干燥剂，并同另一部分高温压缩空气在再生塔的出口混合，然后一起经过冷却器进入工作塔进行干燥。
3）冷吹阶段
电加热器关闭，打开加热阶段的塔体旁通阀，高温饱和的湿空气直接进入后冷却器被冷却，再经过气水分离、干燥后送入净化风缓冲罐，在干燥器的出口一部分气流经过节流孔后流向被加热完毕的塔体内，将其冷却，最后经过再生排气口排出。当塔出口温度达到冷吹设定温度后，冷吹结束。
4）泄压、充压阶段
干燥塔配置压力远传，实现泄压、充压判断。充压阀及泄压阀配置节流孔板，控制合理的泄压、充压速度，避免冲击分子筛。
改造后的1#干燥器工艺流程如下图所示：
.png)
图4改造后的1#干燥器工艺流程图
3.1 改造后水电消耗量
1#冷冻干燥机的改造，去除了冷冻机，只有干燥塔和冷却器。其公用工程耗量如下图所示：
表4 改造后公用工程耗量表
.png)
改造后的工作周期有两种方式：时间控制和露点控制。时间控制：整个工作周期为8个小时，4小时干燥，4小时再生，即一个干燥塔工作4个小时后开始再生，另一个干燥塔开始工作。露点控制：检测出口的露点，在露点高于-40℃时，工作的干燥塔开始再生，另一个干燥塔开始工作。1#冷冻干燥机组改造后，时间控制周期表如下表所示：
表5 时间控制周期表
.png)
由上表所知，电加热器的工作时间为60min，即1小时。其功率为60kW，那么每年电加热器所消耗的电能为：
.png)
冷却器需要循环水冷却，每年所需水量为：
.png)
1#干燥机改造后，以露点控制，运行过程中得知，露点控制整个工作周期为10个小时，即一个干燥塔工作5个小时后再生，另一个干燥塔开始工作。周期表如下图所示：
表6 时间控制周期表
.png)
由上表所知，电加热器的工作时间同样为60min，即1小时。那么每年电加热器所消耗的电能为：
.png)
3.2 改造前后对比分析
以露点控制工作时，冷却器所需水量不变。1#干燥塔改造前后，其电和水的年消耗量如下表所示：
表7 1#干燥机改造前后
.png)
从上表可以看出，对1#干燥塔改造后，电耗量明显下降，水的耗量略有上升。若1#干燥机以时间控制为工作周期，则每年能为公司减少电大约1679593.1kWh，即1679593.1℃；若1#干燥机以露点控制为工作周期，则每年能为公司减少电大约1705873.1kWh，即1705873.1℃。而且，循环水的消耗量仅略有增加。因此，1#干燥塔改造后可以有效减少能耗，进一步降低生产成本，提高企业经济效益，符合节能要求。
4 结论
空气压缩机干燥塔优化改造投入使用以来，未出现净化风压力降低、在线露点仪报警等情况，运行一直比较稳定。说明这次空气压缩机的干燥净化单元的改造是成功的，减少了电能的消耗，为以后的节能改造提供了方向。空压站除了1#干燥塔之外，还有另外5台，在保证露点的情况下，可寻找更节能、更经济的改造。
参考文献：
［1］郁永章.容积式压缩机技术手册［M］．北京：机械工业出版社，2000．
［2］邱家旺．压缩空气干燥净化系统的工艺选择心得［J］．化学工程与装备，2005，（6）：29～ 31．
［3］雷霁霞，杨亚芝，毛向禹.空压站吸附式干燥器的选型和能耗分析［J］．化工设计，2013，23（6）：37～ 39．
［4］练桂香．压缩空气干燥器的吸附剂选用［J］．广东化工，2016，43（2）：110．