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压缩热用于余热再生干燥器设计准则

  【压缩机网前言

  随着科学技术发展和工业自动化普及,无油压缩空气得到更广泛的应用,而能产生无油压缩气体的各种无油空压机(离心、干式无油螺杆、无油活塞)亦得到迅速推广,特别是大型离心机在中国市场增长速度惊人。空压机在提升气体压力的同时,会产生大量压缩热(一般认为可占压缩能的70%左右),而有热再生吸附式干燥器再生过程中需要消耗大量的热能,传统热能产生方式主要为电加热。由此,在欧美日韩等工业发达地区并不被看好的压缩热(或称余热)干燥器(仅做非标产品)却在中国异军突起,发展迅速。

  1、压缩热利用的准则

  1.1 无油且过热的压缩空气才具有余热利用价值,吸附剂失效的重要原因之一是“油中毒”。有油压缩机排出气体中所携带的润滑油会附着在吸附剂表面甚至进入毛细孔,降低吸附剂活性,高温加热时还有可能造成油焦化固结,进一步降低吸附剂的寿命。

  1.2 吸附式干燥器产品气露点取决于吸附床层残余含水量,而残余含水量主要取决于再生气的排气温度,余热再生干燥器则利用空压机末端排出的全流量过热压缩空气作为再生气源,其温度随机型而不同(见表1),热力计算(见公式1)。

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  由于大部分空压机接近绝热压缩,上式也可近似为:

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  1.3 吸附式干燥器的再生方式一般分为变压、变温、清洗、置换四种,实际应用中没有完全单一方式,均是两种以上方式组合。

  吸附式干燥器工作原理(见公式2): 

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  E--再生系数

  P--出口气体中水蒸气分压

  P0--出口温度对应的饱和水蒸气分压

  P1--再生气的水蒸气分压

  P2--再生温度下的饱和蒸气压

  按经验,再生气温度每提高10℃,在其他条件不变下,产品气露点可降低3~4℃,对一般三级压缩离心机,排气压力≥7bar时,可达90~110℃甚至更高,但排气压力低于7bar或四级压缩时,难于保证。最低排气温度须大于80℃,否则有可能向吸附剂加湿。压缩热再生温度(对应P2)取决于末级压缩比和进气温度;再生气含水量(对应P1)取决于前级级间冷却器排气温度和压力;吸附塔工作温度(对应P0)取决于冷却水温;按经验,冷却水温每下降10℃,露点温度亦下降10℃。

  1.4 鉴于上述原因,压缩热干燥器增设辅助电加热器已成为共识,其电耗仅相当于空压机输入电能的1.5~3%,所以欲提高空压机排气温度,更改其自身设计参数或结构与增加辅助加热器相比并不经济,用户也不必强求排气温度达到110℃以上。对于四级压缩而言,不仅排气温度有所降低(有可能低于90℃),而且由于结构复杂,比功率甚至比三级压缩更高,需慎用。

  2、现场运行案例分析

  2.1 运行主要参数:电驱空压机;四级压缩,排气压力(0.75~8.0)bar,流量约 750m3/min,排气温度129℃,四级进气温度71℃,最高达76℃。

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  T1:大多数情况下,T1未达到饱和状态;T2:达到饱和附近,有可能产生少量冷凝水;T3:除少数情况(低温、低相对湿度大气环境下)外,均可达到过饱和,有大量冷凝水排出(本案例除外,仅二级冷却器后有冷凝水排出);T4:过热压缩空气,无冷凝水排出。

  2.2 空压机质疑点:

  1)本案例四级压缩排气温度应为100℃以下,另查原投标书:排气压力1.05MPa(a),排气温度≥105℃(据说招标时更改为120~140℃)。按各级等压比计算,ε=4 10.5=1.80,若四级压比设为1.8,正常进气温度40℃,则四级排气温度T2=(273+40)×1.8   = 370K=97℃。又本案例实际供气压力仅为7.5~8.0bar,因该压缩机无级间压力显示,仍维持正常进气温度40℃,则降压供气的实际排气温度应在80~90℃之间,而现场如此高的排气温度应属提高进气温度所至。空压机实测排气温(273+129)=402K,根据四级进气温度和缩减后的压缩比,计算排气温度为:(273+40)×1.6   =397K,计算结果与运行参数仅相差1%左右。提高四级进气温度有效提升了空压机排气温度,此举虽可能降低吸附塔出口产品气露点15~20℃,但由于再生气的含水量增加1.5~2倍(见图5、图6),实际脱水功效将会大打折扣。 

  由于本案各级间压力不详,初步判断仅二级冷却器之后有部分冷凝水排出,三级冷却器之后是过热状态无可能排水,错过了最重要的降低再生气含水量机会,从公式2可知:虽然提高P2,但也降低了P1,即本案例以提升含水量为代价提升空压机排气温度,定性分析看不见得合算,所以提醒用户不要盲目追求高的排气温度;另压缩机厂商也应权衡利弊,以保证空压机的性能效率为重,至于较低的排气温度完全可交由干燥器厂商予以补偿。

  2.3 压缩热(余热)再生干燥器运行参数分析: 现场刚好有一台正在运行的 750m3/min 电驱空压机,对应两台500m3/min 干燥器,(干燥器负荷75%),其中一台由于辅助加热器未上程序,仅以纯余热加热+闭式循环吹冷方式运行,歪打正着提供了一次有/无辅助电加热器过程运行参数的比较机会。

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  压缩热+鼓风外加热流程图(见图7):

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  未投入辅助电加热系统设备的压力露点估计可做到-10℃,干气置换+同向闭式循环吹冷可进下步降低露点10℃,而开启加热器后(包括混搭加热和纯电加热)可比纯余热再生降低露点20℃,达-60℃以下。从理论到实践证明了,增设辅助电加热系统和干气置换+同向闭式循环吹冷流程对低露点、露气耗的巨大贡献。

  另本案例加热再生方式与大多数有热再生干燥器单一压力不同,分为等压再生(余热再生阶段)和减压再生(包括置换、清洗和鼓风加热)两个阶段。参考图5、图6输入不同压力和含水量可得到不同的再生气饱和温度,图8显示再生气饱和温度为50℃,图9显示饱和温度为26℃,两者相差20余℃。说明后者比前者更容易脱附水分,或后者比前者需要更低的脱附再生温度。 

  结论

  大型/超大型余热再生干燥器采用(压缩热+鼓风外加热)流程以1.5%~3%左右的代价(相对空压机电耗)获取低露点、零气耗,一举突破传统压缩热干燥器高露点、有排放先天性缺陷,成为吸附式干燥器高效节能更新换代的最佳模式。

来源:本站原创

标签: 干燥器余热再生  

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