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揭秘“零氣耗”吸附式壓縮空氣干燥器 

發布時間:2019/11/08

是典型的變溫吸附(TSA)裝置——吸附劑利用空壓機末級排氣溫度(“壓縮熱”)在高溫高壓下脫附凝聚水,繼而循環利用本機產品氣冷卻以獲得活性“再生”。

 

其實任何工廠“余熱”都可用來作再生能源,空壓系統中最方便的就是空壓機的末級排氣溫度——即使溫度不夠高也可方便地利用外加熱裝置來

 

一、流程分析:

1、空壓機(M)吸入溫度t0(℃)、壓力P0(MPa)、含水量M0(kg)的環境濕空氣。壓縮后,溫度升至t1、壓力升至P1,水量M0不變。

 

2、空壓機出口壓力(P1)0.7MPa(表壓),二級排氣溫度(t1)120℃上下,該溫度低于TSA解吸溫度,要借電加熱器E來提升。

 

3、B塔再生氣量既可全流量也可用部分排氣流量(進入塔間冷卻器L1前兩股混流)。經加熱后進入B塔,再生氣溫升至t2,壓力上升至P2,含水量M0仍不變——相對濕度大大降低——成為脫附水的載體。

 

4、解吸前再生塔(B)狀態:

吸附柱初溫(tB)略等于前道吹冷終溫(≈40℃);

塔內壓力(PB)略低于工壓(0.7MPa);

吸附柱含水量(MB)等于前道A塔進氣壓力露點溫度所對應的含水量(kg)。

 

5、解吸時再生塔(B)狀態:

吸附柱平均溫度升高至再生氣進、出口溫度平均值(tP);

再生尾氣離塔溫度t3高于汽化點(100℃)——不然塔內會潴留液態水;

再生尾氣離塔總水量M3=M0+MB;(且M0>MB;

塔內壓力高于空壓機排氣壓力(P2>P1)——導致解吸溫度更趨上升——該“正反饋”循環是“零氣耗”干燥器所獨有的。

 

6、吸附塔(A)進氣溫度t4≤40℃,兩塔間必須設置水冷器L1。它是兩塔連接通道——這與其他吸附干燥器下管系結構形成明顯區別。

 

7、高溫高壓再生尾氣在L1里冷卻并排出大量液態水,溫度降到t4后進入A塔吸附干燥。A塔出口氣(t5≥t4其中一股進入B塔作“吹冷氣”用。該股氣流離開B塔后t6>t5,經“第二冷卻器”L2冷卻到t7(≈40℃)作為“產品氣”進入用氣管網。由于P7<P6<P5,在管網入口端兩氣流混流導致P5降低,下降幅值由吹冷氣占比而定。

 

二、能耗分析

零氣耗干燥器能耗分“熱量損耗”和“功率損耗”兩部分。前者除了“壓縮熱”外主要由電加熱器補充提供,后者則全部加在空壓機驅動電機“軸功率”上。

 

按GB/T2589-2008《綜合能耗計算通則》,動力設備所消耗的各種能源(電、水、氣等)都要按規定“折標系數”折算為“標準煤”。由壓力降產生的“功率損耗”則由壓縮空氣“活動能”降低來計算。

 

1、熱量損耗

“壓縮熱零氣耗”干燥器采用全流程高壓解吸。吸附凝聚水的汽化溫度隨塔內壓力升高而升高。工作壓力7bar下要求再生氣進塔溫度250℃~280℃以上,離塔溫度則不低于100℃~120℃(郁永章教授主張進氣溫度為300℃)。這與低壓下汽化溫度降低——例如眾所周知的珠峰氣壓0.3bar,水汽化溫度(沸騰)75℃是同一個道理。

 

可用安托尼(Antoine)公式來求取不同壓力下各種物質飽和蒸汽的相變溫度。其通式是ln(P)=A-B/(T-C)。不同物質的“壓力—相變溫度”差別在于系數A、B、C不同。對于水蒸氣Antoine公式具體表達為:ln(P)=9.3876-3826.36/(T-45.47),式中壓力P單位是MPa(絕壓),溫度T的適用區間為290K~500K。按上式計算0.8MPa下水的汽化溫度T≈175℃——即在0.8MPa下解吸凝聚水,吸附床溫度不能低于175℃。且為防止液態水在塔底聚集,解吸氣離塔溫度要高于100℃,進塔溫度高于250℃才能保證吸附柱平均溫度達到175℃——兩級壓縮空壓機末級排氣溫度是沒有這么高的。

 

因此必須增設外加熱裝置——加熱器功率要滿足凝聚水所需的汽化熱量和伴隨而生的各項“剛性”消耗。所謂“剛耗”是指除汽化熱外的其他一切不可省卻的無效消耗,包括加熱吸附劑、加熱塔體及附件、塔體外壁對環境輻射和對流損耗及不可回收利用的再生尾氣熱量等,這類損耗不隨負荷大小而變,在“固定時序控制”下都要按量支付——只是各項比例有所變動而已。

 

按氣體狀態方程,等容過程壓力與溫度同步變化,空壓機排氣溫度從t1提高到t2將使進入B塔氣體壓力提高(P2>P1)。按Antoine公式凝聚水的汽化溫度還將提高——此正反饋過程直到223℃(500K)才能停下來,該理論對“零氣耗”解吸極為不利。

 

“熱平衡”計算用來確定所需外加熱器的最小功率。計算基礎建立在設備所允許的極限工況條件(溫度、壓力、流量)下,嚴格遵守物理定律,采用通用工程數據,用數學公式進行計算。“熱平衡”工程計算并不積極謀求結果的精確性,但計算過程必須要清晰反映設備邊界范圍內能量收入和支出的來龍去脈:系統能量總收入=系統能量總支出——這是“熱力學第一定律”的普適原理。

 

在GB/T2589-2008《綜合能耗計算通則》中,壓縮空氣在能源屬性上屬于“耗能工質”。

 

耗能工質的定義是:在生產過程中所消耗的不作為原料使用,也不進入產品,在生產或制取時需要直接消耗能源的工作物質。主要有新水、軟化水、壓縮空氣、氧氣、氮氣…等。壓縮空氣是“折標系數”最小,能量密度最低的耗能工質。

 

2、功率損耗

空壓機驅動電機將主軸動能轉化為壓縮空氣勢能(壓縮能),使之具有對外做功的能力。

 

以大氣溫度和壓力為外界基準,壓縮空氣對外做功的能力稱為有效能E。其表達式為:

E=pV ln(P/Pa)

式中:V—體積,p—空氣絕對壓力,Pa—大氣絕對壓力(0.1MPa)。

 

有效能E取決于壓縮空氣的壓力和體積;當壓力與外界壓力相等時有效能為零,壓力越高有效能值越大??諝饬鲃訒r有效能表現為動力形式,稱為“氣動功率”P。

氣動功率的意義:

    氣動功率單位與電力單位相同,都是W,便于對整機能量消耗實行統一計算;

 

   氣動功率是供給終端用氣設備的純能量,已將產氣、輸氣過程中能量損耗排除在外;

 

   一定流量下,氣動管路各類設備的功率與進出空氣壓力密切相關,動力系統對氣源質量要求并不僅僅局限為清潔度(水、塵、油含量),壓力降也是重要的技術指標。許多氣動執行設備對氣源壓力要求甚至比“清潔度”還高,沒有足夠的壓力,氣動終端作功能力下降,嚴重時更會導致設備“癱瘓”!

 

   “零氣耗干燥器”再生路徑很長,進出氣端壓力差最大(見圖1),以大氣壓力為背景的氣動功率損耗也最大。

 

“零氣耗”干燥器能量恒算時必須計入氣動功率損耗。

 

三、“零氣耗”干燥器評價

1、“零氣耗”概念來自環保領域的“零排放”(“碳排放”逼近“零”)。壓縮空氣是無毒無害且最為低廉的“耗能工質”。原料無償取自于環境,除電成本外,凈化成本極低。在排放的“質”和“量”上沒有法規性限制和成本性障礙。

 

2、“零氣耗”干燥器破壞了氣源系統設置秩序——后部冷卻器和油水過濾器的缺位使下游設備、材料遭受高溫高壓高濃度“臟氣”(水分、油霧與固體粒子等)的直接沖刷,完全顛覆了凈化設備存在的意義;

 

3、未經處理的“臟氣”首先進入電加熱器——這是一個承壓容器。高溫高壓高濃度“臟氣”在電加熱器里流動極易積炭沉垢,對該安全隱患廠家和監管部門絕不能掉以輕心;

 

4、配套離心空壓機是這類干燥器被動采取的唯一“非本安”性防護措施。重化工業集中地區環境空氣中就含有濃度不等的氣溶膠、各類氮氧化物和2μm以下固體碳系粒子。離心機對這些雜質不起作用,大流量“臟氣”會對下游設備材料造成嚴重污染;

 

5、后部冷卻器是空壓系統安全運行的薄弱環節,由運行不當或管理不當引發的爆炸事故,原“二汽”蔣其昂總師多有論述。本該露天設置的后冷器移到兩塔之間成為干燥器不可或缺的組成部件,只會增大運行風險;

 

6、用作動力氣源,離心空壓機多數場合不如無油螺桿機。零氣耗干燥器以離心機為唯一配套對象,將通用設備降格為量產不了的專用設備,這不是技術發展的方向;

 

7、利用排氣“余熱”自可減小電加熱器功率,但再生氣帶入大量水分使塔間冷卻器(L1)負荷增大,冷卻水消耗也隨之增多,關于水的重要性大家都是懂的,在此不提;

 

8、相同工況下以“高耗水”、“高壓降”為代價的“零氣耗”干燥器單位綜合能耗(折標煤量)比鼓風熱干燥器還大,與結構簡約、控制可變的無熱再生干燥器更不能相比;

 

9、“零氣耗”干燥器體量巨大,使材耗、制造、物流、財務和售后成本大為增加,而產品氣質量(壓力露點、排氣壓力)反而下降;

 

10、在銷售領域一些山寨品牌打著“零氣耗”名義招搖過市,這種假冒偽劣產品極大損害了壓縮空氣凈化行業聲譽和用戶利益。

 
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