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余热再生吸附式干燥机在压缩空气系统中的应用研究
发布时间：2013-04-25 08:27 来源：未知
由于世界船舶市场需求的迅速增长，我国船舶工业自2003年起开始进入高速发展期，截止2008年已先后建成中船长兴造船基地、中船龙穴造船基地、青岛海西湾造船基地等重大项目。根据相关统计资料，2007年我国造船完工量1892万载重吨，占世界造船市场份额23%；新接定单9845万载重吨，占世界造船市场份额42%。
伴随我国造船总量不断上升的是造船企业能源消耗量。由于国家现行能源政策对造船企业提出的约束性指标，因此必须对节能工作予以重视。根据我院对数家造船企业能耗数据的分析，我国造船企业最主要的能源消耗是电力，约占船厂能耗的65%左右。造船企业进行生产需消耗大量无油、无水压缩空气。因此本文从空压站这一耗能大户人手，通过对余热再生吸附式干燥机的研究，分析其在压缩空气系统中应用的可行性和节能效果。
1、造船企业压缩空气系统的现状
压缩空气是一种机械工厂内广泛使用的动力源，主要用于风动工具、喷砂除锈、气动设备和自动化仪表。在钢铁、汽车、化工和造船等行业，压缩空气用量都很大。不同的行业对压缩空气的质量（露点、含尘量、含油量）都有特定要求。以造船工业为例，大型造船企业的压缩机安装容量多在2000～3500m3／nun，电力安装容量达到12000KW～20000KW，这些空压机和相关配套后处理设备的运行消耗了大量电能。我国造船企业广泛采用压缩空气用于分段喷砂除锈和风动工具。船厂对用于喷砂作业的压缩空气的压力露点、含水量、含油量有一定要求，参照国家标准《-般用压缩空气质量等级》(GB/T13277)中的规定，喷砂、喷漆作业压缩空气的压力露点应为-20℃。上世纪90年代造船企业供气设备多采用活塞式压缩机，随着涂装工艺要求的提升，此类备已难以满足生产的需要。随后多数造船企业开始采用离心式压缩机，压缩空气的后处理则采用冷冻式干燥机，从使用来看可以满足使用需要，但是经过冷冻式干燥机处理后压缩空气的压力露点为2～5℃，在部分使用单位出现过压缩空气带水的情况。吸附式干燥机压力露点可达-40～-20℃，因此使用吸附式干燥机可大幅度提高压缩空气质量，降低压缩空气常温下的绝对湿度，有利于提高涂装质量。然而吸附式干燥机需要消耗能量用于吸附剂的再生，无论是有热再生、微热再生和无热再生方式都需要消耗大量能源，因此使得吸附式干燥机烘干机在造船企业中的应用受到了一定限制。
2、空压机余热利用系统的引入
离心式压缩机近年广泛应用于船厂压缩空气系统，以下是某船厂空压站采用离心式压缩机和余热再生吸附式干燥机工艺流程简图。
从工艺流程简图中看，空压站的主要耗能设备是离心式空压机和后处理设备（本项目为余热再生吸附式干燥机）。当前离心式空压机已采取了如高效后弯式叶轮、进口导叶调节、高效换热器和全自动双模式控制等手段来提高机组效率，因此再进一步提高压缩机效率较为困难。以上述空压站为例，如采用冷冻式干燥机，冷冻式干燥机的制冷压缩机每年需要消耗大量电能。从船厂的用气需求来看，冷干机的供气品质并不能完全满足特种涂装的需要。因此笔者以此为切入点，在某船厂空压站工程设计中引入余热再生吸附式干燥机，和离心式压缩机一起组成空压机余热利用系统，在利用离心式压缩机末级排气余热方面进行尝试。目前该工程已投用数年，各方反映良好。随后笔者将以实际工程为例，通过对余热利用系统中的核心设备——余热再生吸附式干燥机工作原理的研究、分析应用此设备的节能效果、经济效益和应用价值。
3、余热再生吸附式干燥机的工作原理
根据工程热力学原理，空气被压缩后温度会升高，离心式压缩机的末级排气出口温度一般可达110℃以上。当配用冷冻干燥机时，压缩空气出口的高温排气必须经过末级冷却器冷却到45℃。近年来国家能源政策出现重大调整，节能减排工作的地位日益突出。余热再生吸附式干燥机作为一种新型的节能型产品开始受到关注，它既具有吸附式干燥机露点低，供气品质好的优点，又充分利用了压缩机末级高温排气用于吸附剂再生，大大降低了加热用能耗和再生气损耗。
吸附法属于固体除湿法，所采用的吸附剂一般有硅胶、铝胶和分子筛。这些物质本身具有大量孔隙，能产生毛细现象。当材料表面上的蒸汽分压力小于周围空气中的蒸汽分压力时，在压差作用下，压缩空气中的水蒸汽产生扩散运动，从而达到去湿效果。
吸附式干燥主要由吸附、再生、吹冷和均压四个过程组成，但不同型式的设备可能略有不同。余热再生吸附式干燥机主要工作原理与其他类型吸附式干燥机类似，唯一区别在于再生过程。余热再生吸附式干燥机是利用离心式空压机产生的，满足TSA（变温吸附）所需要的高温再生环境和高温失饱和、吸水能力极强的再生气体，对吸附塔内的吸附剂进行加热再生。这样一方面充分利用了离心式压缩机末级的热量，可以节约用于再生的额外能量；另一方面可以取消空压机末级冷却器，降低离心式压缩机的投资。
因此笔者认为对于造船企业这类对压缩空气品质有一定要求、并且消耗量大的场合，余热再生吸附式干燥机具有很大应用空间。
4、余热再生吸附式干燥机与常规后处理设
备的性能比较
在以往的设计中，压缩空气系统后处理设备主要采用冷冻式干燥机，微热再生和无热再生型吸附式干燥机也有应用。当余热再生吸附式干燥机引入压缩空气后处理流程后，我们组成了余热利用系统。这套系统既提高了压缩空气的品质，又可以降低压缩空气后处理系统的耗能，但是在造船企业中实际应用较少。现以我国造船企业中常用的200Nm3/min处理量设备为例，笔者将从性能和投资费用角度予以分析。
从现阶段压缩空气后处理系统应用的设备来看，冷冻式干燥机，无热再生吸附式干燥机、微热再生吸附式干燥机在国内造船企业都有应用，其中冷冻式干燥机所占比例最大。余热再生吸附式干燥机与以上设备性能比较可见表A:
从上表比较可见，三种吸附式干燥机相比较，余热再生吸附式干燥机直接电耗低，再生气损耗最小，因此在达到同样压力露点的情况下耗能最低。余热再生吸附式干燥机与冷冻式干燥机相比较，吸附式干燥机压力露点低，性能参数比冷冻式干燥机具有突出的优势，而且直接电耗仅0.15KW，仅冷冻式干燥机直接能耗的0.5%，大大降低了设备运行能耗；只是初期投资余热再生吸附式干燥机较大。从以上。分析可见，采用余热再生吸附式干燥机不仅供气质-量高，而且能耗低。
5、余热再生吸附式干燥机与常规后处理设备的能耗、经济比较
从性能比较上，余热再生吸附式干燥机应具有很好节能效果。在此我们仍以一台200Nm3／min处理量设备为例，各种不同类型设备年运行耗电量及运行费用可参见附图1和附图2。
从附图1可见，余热再生吸附式干燥机年运行总耗电最低，无热再生吸附式干燥机年运总耗电最大。余热再生吸附式干燥机问世之前，冷冻式干燥机的用电量远小于其余两种设备，因此多数船厂选择冷冻式干燥机用于压缩空气后处理是合理的。余热再生吸附式干燥机与冷冻式干燥机相比年运行耗电量降低52114度，约合18604. 7kg标准煤，在冷冻式干燥机的基础上进一步大幅度降低了能耗，具有明显的节能效果。
后处理设备的年运行费用主要由运行电费和运行维护费用组成。由附图1我们可以看到余热再生吸附式干燥机的年运行耗电量远远低于其他三种设备，因此从附图2中可以看到它的年运行费用最低，而另两种吸附式干燥机运行费用太高，大约是冷冻式干燥机的6倍左右，余热再生吸附式干燥机的10倍。余热再生吸附式干燥机与最常用的冷冻式干燥机相比，运行一年可节省37114元，考虑到两种设备之间的初期投资差价20万，经过6年左右可回收设备差价。
6、总结与展望
通过以上的技术经济和能耗分析比较，笔者认为造船企业的压缩空气后处理系统应优先选择余热再生吸附式干燥机，次选冷冻式干燥烘干机，除特殊情况外，不宜选用微热再生式和无热再生吸附式干燥机．余热利用系统充分利用压缩机排气余热，不仅可以提高空气品质，更好满足特种涂装的工艺要求，而且符合国家“节能减排”精神。以前述实际工程为例，该空压站安装4台200m3／min和1台100m3／min设备，与冷冻式干燥机相比运行一年可节电234513度，折合83721. 14kg标准煤，节约电费18. 99万元，减少CO?排放225. 13×103kg．SO2排放18 76.14kg�？杉嗳仍偕绞礁稍锘诖У挠τ檬峭耆尚械�，并且节能效果明显，具有很好经济和社会效益。
压缩空气的干燥处理是许多生产工艺的要求，其处理的方式也较多。通过上述的比较分析，无疑余热再生吸附式干燥机出现为我们提高压缩空气系统供气品质，降低系统能耗提供新的解决方案。船舶工业压缩空气消耗量大，压缩空气能耗约占企业能耗量1／3多。压缩空气系统的节能是企业节能的关键之一。随着船舶工业的发展，我国造船业已逐步向数字化、绿色化造船方向发展。如今我国的能源问题日益突现，节能减排的工作形势十分严峻，大力发展节能型造船已是大势所趋。因此我们务必积极认真开展对大型造船企业节能问题的研究，为我国船舶工业的可持续发展做出贡献。
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