零气耗鼓风再生干燥机的原理及节能效益分析.pdf

2023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER零气耗鼓风再生干燥机的原理及节能效益分析葛攀乐（上海梅山工业民用工程设计研究院有限公司，江苏南京 210039）【摘要】以某钢铁厂改造项目为例，采用优化干燥机冷却器及电加热器的方式，缩短了耗电设备的运行时间，从而降低了能耗。通过对比组合式干燥机和鼓风再生干燥机，分析改造后的节能效益。【关键词】零气耗；鼓风；再生；干燥机；节能效益【中图分类号】TH45【文献标志码】B【文章编号】1006-6764（2023）04-0070-03 【开放科学（资源服务）标识码（OSID）】Principle and Energy-saving Benefit Analysis of Zero Air-consumption Blast Regeneration DryerGE Panle(Shanghai Meishan Industrial Civil Engineering Design Research Institute Co.,Ltd.,Nanjing,Jiangsu 210039,China)【Abstract】Taking a steel plant renovation project as an example,the optimization of dryer coolers and electric heaters was used to shorten the running time of power-consuming equipment,thus reducing energy consumption.The energy-saving benefits of the retrofit are analyzed by comparing the combined dryer and the blast regeneration dryer.【Keywords】zero air-consumption;blower;regeneration;dryer;energy efficiency引言干燥机作为压缩空气的后处理设备，主要通过降低压缩空气的含湿率以满足设备的使用要求，其能耗是空压站运行能耗的重要组成部分。因此，有必要对干燥机设备的原理及应用做进一步分析，以降低能耗。压缩空气干燥机从原理上主要分为冷冻式干燥机、吸附式干燥机两大类1。冷冻式干燥机旨在将压缩空气降温，然后通过分离器排出凝结水，最终获得干燥的压缩空气。该类型干燥机处理的压缩空气压力露点一般为310。吸附式干燥机则主要利用吸附剂来获得干燥的压缩空气2，经处理后的压缩空气压力露点可达-20-70。组合式干燥机则是将冷冻式干燥机和吸附式干燥机串联而成，即先经过冷冻式干燥机预处理后，再利用吸附式干燥机进一步降低压缩空气的含水量。零气耗鼓风再生干燥机作为一种较新的有热再生吸附式干燥机，是采用降低气耗的方式达到节能的效果 3。1 零气损鼓风再生干燥机的原理及工艺流程1.1 基本原理以湛江某钢铁厂压缩空气系统改造过程中采用的零气耗鼓风再生干燥机为例，分析其原理及应用。零气损干燥机是将空压机排出的饱和压缩空气直接送入鼓风再生干燥机，利用吸附剂表面多孔特性，吸附压缩空气中的水分。零气损是指当吸附剂达到饱和状态后，通过高温空气对吸附剂进行加热再生，以恢复吸附剂的吸附能力。这部分高温空气来自加热后的自然空气，期间无需消耗设备产生的压缩空气。加热后的冷吹阶段也利用循环气对再生塔进行冷吹，此过程也不需要消耗成品压缩空气。综上，在零气损干燥机的运行期间，其再生气消耗量为0%。1.2 工艺流程（1）干燥饱和湿空气从干燥塔底部进入后，空气中的水蒸汽被干燥剂物理吸附，最终由干燥塔顶部排出。（2）降压干燥后的压缩空气通过降压阀降压至环境压力，并利用消声器对噪声进行削弱。（3）加热再生降压完成后，离心风机吸入环境空气再生。经电加热器加热到180 后的空气，从顶部进入再生塔。热空气流经干燥剂床层时，带走干燥剂表面吸附的水蒸汽，随之排放至大气。（4）冷吹通过在风机、冷却器和再生塔之间建立起一个封闭的水冷式换热系统。流经再生塔后的热空气先经冷却器降温，再由风机送回再生塔冷吹，直到再生塔温度降至限定值。（5）升压在升压过程中，为了后续切换干燥塔，需提前使空气通过升压阀将压力提高到管网压力。（6）露点判断及露点控制露点分析仪输出420 mA电流到PLC系统。若露点低于设定值，再生塔将处于待机状态，延长干燥时序，直至露点达到设定值，双塔切换。（7）双塔并行切换后，饱和湿空气同时经过2个干燥塔，以保证出口产品气的温度和露点稳定。2 干燥机的组成鼓风再生干燥机的系统主要由2个充有吸附剂的吸附塔、一台再生风机、一组电加热器、一组水冷冷却器、连接管和一批气动阀门、电磁阀等构成，其现场布置如图1所示。每个吸附塔上均安装有压力表和安全阀。干燥塔体按压缩空气最佳流速和干燥剂接触时间设计，具有不锈钢干燥剂滤网，还分设了干燥剂填充和排放口。2.1 干燥塔（1）配有不锈钢气流分配器，拒绝“隧道效应”，保证气流分配均匀，确保充分干燥再生。（2）应设置充压装置，使干燥机在切换前进行充压。降低设备在切换时气流对干燥剂的冲击，防止干燥剂的磨损及管网压力的波动。（3）应进行塔内气流发散设计，保证塔体横截面上气流均匀分布。（4）应设置缓慢泄压再生系统，防止泄压瞬间塔内产生回冲压力，降低干燥剂的磨损率。（5）加料口、卸料口采用法兰式，以便更换吸附剂，并装设不锈钢气流扩散器，防止“隧道效应”，使吸附更均匀，更有效。（6）对吸附塔整体保温，塔外层采用压花铝皮且内置玻璃纤维，以尽量减少再生阶段的热量损失。（7）吸附塔设置安全阀。2.2 吸附剂鼓风再生干燥机吸附剂采用优质高强度氧化铝和分子筛分层填充，其堆密度、比表面积、孔容积、抗压强度、磨耗等指标均应优于行业标准，即应具有吸附性强、强度高、磨耗低、再生方便、使用周期长的特点。2.3 冷却器（1）采用主辅双冷却器模式，达到整个再生过程压缩空气零消耗的目的。（2）增加主冷却器后，冷却水耗量增加，因此主辅冷却器都采用气走壳程、水走管程的工艺，并利用逆流设计以减少循环水耗量。（3）安装具有机械式、液位控制式和手动三种控制方式的零气耗排水器，减少排水阶段的压缩空气损失。（4）冷却器内部采用列管式固定管板换热器，壳体采用带防腐涂漆的Q345R钢板。管翅式的设计可以有效缩小尺寸并保证换热效果，内置汽水分离器，确保液态水分的排出。此外，冷却水进口配置了气动阀，能够根据需要控制冷却水通断。2.4 电加热器零气耗鼓风电加热运行方式如下：通过采用低密度（3.5 W/mm2）加热组件、阻性负载以及设置相同的启动电流与额定电流的方式，降低对电控设备的影响。另外通过机械式超温保护开关和设置温图1 零气损鼓风再生干燥机布置图702023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER（2）降压干燥后的压缩空气通过降压阀降压至环境压力，并利用消声器对噪声进行削弱。（3）加热再生降压完成后，离心风机吸入环境空气再生。经电加热器加热到180 后的空气，从顶部进入再生塔。热空气流经干燥剂床层时，带走干燥剂表面吸附的水蒸汽，随之排放至大气。（4）冷吹通过在风机、冷却器和再生塔之间建立起一个封闭的水冷式换热系统。流经再生塔后的热空气先经冷却器降温，再由风机送回再生塔冷吹，直到再生塔温度降至限定值。（5）升压在升压过程中，为了后续切换干燥塔，需提前使空气通过升压阀将压力提高到管网压力。（6）露点判断及露点控制露点分析仪输出420 mA电流到PLC系统。若露点低于设定值，再生塔将处于待机状态，延长干燥时序，直至露点达到设定值，双塔切换。（7）双塔并行切换后，饱和湿空气同时经过2个干燥塔，以保证出口产品气的温度和露点稳定。2 干燥机的组成鼓风再生干燥机的系统主要由2个充有吸附剂的吸附塔、一台再生风机、一组电加热器、一组水冷冷却器、连接管和一批气动阀门、电磁阀等构成，其现场布置如图1所示。每个吸附塔上均安装有压力表和安全阀。干燥塔体按压缩空气最佳流速和干燥剂接触时间设计，具有不锈钢干燥剂滤网，还分设了干燥剂填充和排放口。2.1 干燥塔（1）配有不锈钢气流分配器，拒绝“隧道效应”，保证气流分配均匀，确保充分干燥再生。（2）应设置充压装置，使干燥机在切换前进行充压。降低设备在切换时气流对干燥剂的冲击，防止干燥剂的磨损及管网压力的波动。（3）应进行塔内气流发散设计，保证塔体横截面上气流均匀分布。（4）应设置缓慢泄压再生系统，防止泄压瞬间塔内产生回冲压力，降低干燥剂的磨损率。（5）加料口、卸料口采用法兰式，以便更换吸附剂，并装设不锈钢气流扩散器，防止“隧道效应”，使吸附更均匀，更有效。（6）对吸附塔整体保温，塔外层采用压花铝皮且内置玻璃纤维，以尽量减少再生阶段的热量损失。（7）吸附塔设置安全阀。2.2 吸附剂鼓风再生干燥机吸附剂采用优质高强度氧化铝和分子筛分层填充，其堆密度、比表面积、孔容积、抗压强度、磨耗等指标均应优于行业标准，即应具有吸附性强、强度高、磨耗低、再生方便、使用周期长的特点。2.3 冷却器（1）采用主辅双冷却器模式，达到整个再生过程压缩空气零消耗的目的。（2）增加主冷却器后，冷却水耗量增加，因此主辅冷却器都采用气走壳程、水走管程的工艺，并利用逆流设计以减少循环水耗量。（3）安装具有机械式、液位控制式和手动三种控制方式的零气耗排水器，减少排水阶段的压缩空气损失。（4）冷却器内部采用列管式固定管板换热器，壳体采用带防腐涂漆的Q345R钢板。管翅式的设计可以有效缩小尺寸并保证换热效果，内置汽水分离器，确保液态水分的排出。此外，冷却水进口配置了气动阀，能够根据需要控制冷却水通断。2.4 电加热器零气耗鼓风电加热运行方式如下：通过采用低密度（3.5 W/mm2）加热组件、阻性负载以及设置相同的启动电流与额定电流的方式，降低对电控设备的影响。另外通过机械式超温保护开关和设置温图1 零气损鼓风再生干燥机布置图712023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER度监控，保证再生气体温度的恒定，以防止吸附剂过热。当加热器出口温度达到设定值后，加热器根据设定温度差进行分组控制，逐一停止加热。3 干燥机改造前后对比分析通过对改造前的组合式干燥机和改造后的鼓风再生干燥机进行对比，对改造前后的节能效益进行分析，如表1所示。干 燥 机 前 端 的 250 m3/min 空 压 机 功 率 为1 700 kW。在后处理设施为组合式干燥机的情况下，每4 h为一个工作周期，其中加热器工作时间为2.5 h。因系统阻力较大，组合式干燥机的压力损失约 50 kPa，气量损失达 5%以上。鼓风再生干燥机则以8 h为一个工作周期，加热时间为2.8 h，压力损失为30 kPa。根据表 1 可知，按每度电 0.5 元，设备年运行8 000 h进行计算，单台组合式干燥机的年运行耗电费用为53.8 万元，而鼓风再生干燥机的运行耗电费用为43.32 万元，改造后每年运行耗电费用节约了10.48 万元。此外，鼓风干燥机因运行时无气量损耗，每年以5%节约耗气量进行计算，单台鼓风再生干燥机的年节气费用为38.4 万元。最终可得，鼓风再生干燥机与组合式干燥机相比，每年总节约费用为48.88 万元。4 结论（1）以某钢铁厂压缩空气系统改造过程中采用的零气耗鼓风加热零气损干燥机为例进行分析，得出如下结论。（1）采用双冷却器，可以达到整个再生过程压缩空气零消耗的目的。主辅冷却器都采用壳程通气，管程通冷却水的工艺，通过气水逆流设计以减少循环水耗量。（2）采用高效加热原件的新型分组设计电加热器，并设有温度调控，以达到吸附剂再生的最佳效果。（3）吸附塔内设充压装置，可以使干燥机在切换前进行充压，能够有效降低设备在切换时气流对干燥剂的冲击，继而防止干燥剂的磨损及管网压力的波动。此外，吸附塔还应有缓慢泄压再生系统，防止泄压瞬间塔内产生回冲压力，降低干燥剂的磨损率。（4）在成品气加热初始阶段，再生气温度比较低，出于节能考虑必须尽快提升再生气的温度，达到热再生的效果，并结合负荷节能控制，最大限度缩短加热器的运行时间。（5）以干燥机前端为250 m3/min空压机的运行情况为例，组合式干燥机的运行耗电费用与再生气损耗总费用约为92.2 万元，而鼓风再生干燥机的运行耗电费用为43.32 万元，后者节约了48.88 万元。参 考 文 献 1 杜艳超，火电厂仪用压缩空气品质控制及优化 J.清洗世界.2021，37（10），123-125+127.2 许华，张华伦，潘莉，等.火电厂压缩空气后处理系统设计优化探讨 J.电力勘探设计，2019（12）：17-22.3 赵刘强，杨天亮.空压机干燥装置零气耗技术应用 J.云南冶金，2020，49（5），104-107.收稿日期：2023-02-11作者简介：葛攀乐（1995-），男，工程硕士，助理工程师，现主要从事热力专业设计工作。表1 组合式干燥机与鼓风再生干燥机能耗费用对比能耗项目冷干机能耗/kW加热器名义功率/kW加热器消耗功耗/kW鼓风机功率/kW压降消耗功率/kW总消耗功率/kW运行耗电费用/万元（按8 000 h/a运行计算）组合式干燥机4996962.5/4=6001 700500.03/100=25.549+60+25.5=134.58 000134.50.5=53.8鼓风再生干燥机01801802.8/8=63301 700300.03/100=15.363+30+15.3=108.38 000108.30.5=43.3272