机械行业常用压缩空气干燥装置分类及其经济性分析

王华辉　隋玉冰

【摘要】根据压缩空气后处理设备的原理和结构的分类，对目前工程中常见的干燥装置原理和工作流程进行了归纳和总结，并对后处理设备的能耗和运行经济费用进行了比较，对于设计选用具有一定的参考意义。

【关键词】 吸附 干燥设备 经济性比较

1.引言

压缩空气是机械行业中一种重要的动力能源。它被广泛的应用在风动工具，气动设备装置中。压缩空气取自大气，经空压机压缩后，排出的压缩空气中含有大量的水分。机械行业对压缩空气中的水分含量均有一定的要求，空压机后的压缩空气不能直接使用，而是需要经过一定的干燥净化处理，方能满足使用要求。

根据干燥原理压缩空气干燥机一般可以分为冷冻式干燥机和吸附式干燥机。其中吸附式干燥机又分为无热再生吸附式干燥机、鼓风加热再生吸附式干燥机、微热再生吸附式干燥机、压缩热再生吸附式干燥机等。这些干燥机原理和结构各不相同，对电、气的能耗也各有高低，对压缩空气系统中常用干燥机的类型进行归纳总结和经济性比较，对我们的设计工作具有较大的参考意义。

2.冷冻式干燥机原理

冷冻式干燥装置是利用制冷机通过制冷剂的蒸发，形成一个局部的低温环境。由于制冷剂的蒸发器将温度降低压缩到压缩空气的露点温度，从而使得空气中的水分析出。

冷冻式干燥装置流程比较简单，主要是分为制冷剂的压缩--冷凝--膨胀--蒸发--压缩过程和压缩空气在蒸发器中的换热过程。此处不再赘述，可以参考图1。

冷冻式干燥机中没有吸附剂，可以避免含油压缩空气对吸附剂的污染，所以冷冻式干燥机对于含油压缩空气具有良好的适应性。但是冷冻式干燥器由于受到析出水分发生冷凝而产生的冰堵的影响，所以压力露点最低只能达到+2°C以上，冷冻式干燥机广泛应用于压缩空气压力露点要求在+3°C以上的领域。

3. 吸附式干燥机原理及工作流程

目前常用吸附式干燥机的种类，主要有：无热再生吸附式干燥机、鼓风加热再生式干燥机、微热再生吸附式干燥机、压缩热再生吸附式干燥机。

3.1 无热再生吸附式干燥机

无热再生吸附式干燥机基于变压吸附原理，利用吸附剂在高压下吸附，低压下脱吸的特性来实现压缩空气的干燥和吸附剂的再生。吸附或者解吸过程的发生取决于吸附剂表面与压缩空气中水蒸气压力的大小。当吸附剂表面的水蒸气分压力大于压缩空气中水蒸气的分压力时，发生的就是解吸过程；当吸附剂表面水蒸气分压力小于压缩空气中水蒸气的分压力时，发生的就是吸附过程。无热再生吸附式干燥机一般采用四阀式结构。工作流程如图2所示：干燥机开机后，干燥机A塔吸附，B塔再生。在预定的程序控制情况下，启动切换阀1打开，2关闭；排放阀3打开，4关闭。湿空气进入A塔，经过吸附剂干燥后经止回阀5进入下游管线，同时一部分压缩空气经过减压阀7减压后进入B塔，其压力降至接近于大气压，干燥的压缩空气进入B塔将吸附剂中的水分带出，通过排放阀3将含水的气体排到空气中。B塔再生完成后，排放阀3关塔内的压力升高到与系统压力相同，然后才能进行切换。当均压过程完成后，A、B两塔的状态进行切换，实现A塔再生，B塔吸附。如此周期循环，实现压缩空气干燥的过程。

无热再生吸附式干燥机结构简单，用于再生的压缩空气取自干燥器后的洁净空气，压力露点稳定，不存在漂移现象。设备部件简单，维修方便。无热再生吸附式干燥机缺点在于其再生耗气量比较大，一般气耗占比14%左右。

3.2 鼓风加热再生吸附式干燥机

鼓风加热再生吸附式干燥机利用变温吸附原理，吸附剂在常温下实现水分的吸附，在高温下实现吸附剂的再生。用于吸附剂再生的压缩空气来自大气，经过鼓风机将大气引入系统，加热后进入再生塔进行再生。工作流程：干燥机开机后，A塔吸附，B塔再生，在预定的程序控制情况下，启动切换阀2打开，1关闭；排放阀3打开，4关闭。湿空气进入A塔，经过吸附剂干燥后经止回阀进入下游管线。B塔进行的是再生过程，再生过程分为三个阶段：加热--冷吹--均压。鼓风机自环境中吸气，经电加热器加热后，达到再生需要的温度，

进入B塔进行吸附剂的再生，再生结束后，电加热器停止加热，对高温的吸附剂进行吹冷，随着吹冷的进行，吸附剂逐渐恢复活性，由于大气中的水分含量较多，为避免吸附剂吸附环境空气中的水分，吹冷后期，一般均采用成品压缩空气进行后期的吹冷。吹冷完成后，排放阀3关闭，B塔压力回复到正常的压力水平，这样在双塔切换时，压力不会产生波动。如此周期循环，实现压缩空气干燥的过程。

鼓风加热再生吸附式干燥机再生所用空气全部来自于大气，且在冷吹初期所用压缩空气亦来自大气，因此，成品气耗约为3%，相比于无热再生吸附式干燥机14%的气耗大大减少。鼓风加热再生过程中再生温度比较高（150～300°C），再生加热耗电量高，综合能耗也相对较高；如果冷吹过程中时间不够的话，出口压缩空气露点可能不满足工艺需求。

3.3 微热再生吸附式干燥机

用于再生的单位体积压缩空气经加热后能够吸附更多的水分，微热再生吸附式干燥机正是利用了这一特点。微热再生吸附式干燥机结构上与无热再生吸附式干燥机类似，仅比无热再生吸附式干燥机多增加了一个电加热器。干燥器再生温度远小于吸附剂变温吸附所需的最低解析温度[1]，在本质上“微热再生”仍属于变压吸附的范围。

工作流程：干燥机开机后，A塔吸附，B塔再生，在预定的程序控制情况下，启动切换阀2打开，1关闭；排放阀3打开，4关闭。湿空气进入A塔，经过吸附剂干燥后经止回阀进入下游管线，同时一部分压缩空气经过减压阀7减压后首先经过电加热器，经加热到设定的温度后进B塔进行吸附剂的再生。潮湿的壓缩空气通过排放阀3和消声器排入大气中。这一阶段被称为“加热阶段“。当加热再生持续一段时间后，出口再生温度达到设定值，再生气加热器停止加热。未加热的干燥空气进入B塔对吸附剂进行冷却，使其恢复到吸附时的温度，这一阶段称为”冷吹阶段“。冷吹结束后，B塔进行均压，最后完成整个再生过程。经过切换后，A塔再生，B塔吸附，完成整个循环过程。

微热再生吸附式干燥机综合了鼓风加热和无热再生的优点，利用了由于吸附剂具有在低温高压下能够吸收空气中的水分，在高温低压下能够解吸水分的特点，相比于无热再生耗气量较少，约为7%；相比于鼓风加热再生吸附式干燥机，耗电量较少。微热再生干燥器的电加热功率约为0.5KW/m3[2]。

3.4 压缩热再生式干燥机

空压机在压缩过程中，输入的电能仅有小部分转化为压缩空气的势能，其中大部分都转化为热量，这部分热量大都需要通过冷却器冷却来除去。而干燥剂再生过程需要大量的热量，压缩热再生吸附式干燥机基于这一原理，利用空压机出口高温的空气来进行干燥剂的再生。

图5 压缩热再生吸附式干燥机流程

压缩热再生的流程比较复杂，这里仅介绍一般情况下的压缩热再生式干燥机的工作过程，压缩热再生的工作过程 主要分为：

（1）第一阶段：干燥机开机后，A塔吸附，B塔加热再生，高温压缩空气（约125°C）经进气阀1进入干燥器B塔，对B塔内的吸附剂进行加热再生，吸收水分后的压缩空气经过阀10、阀8进入后冷却器Ⅱ，将压缩空气冷却至45°C以下，冷凝脱水后的压缩空气经阀12进入干燥器A塔进行吸附，经干燥后的压缩空气经阀6输出，得到净化的压缩空气。（2）第二阶段：A塔吸附，B塔冷吹和再生。高温的压缩空气首先进入后冷却器Ⅰ将压缩空气温度冷却至45 ℃以下，经冷凝脱水后的压缩空气经阀7和阀10进入B塔并对其进行冷吹，压缩空气在B塔吸收热量后经阀3进入后冷却器Ⅱ，将压缩空气冷却至45°C以下，然后经气水分离器脱水，脱水后的压缩空气经阀12进入A塔进行吸附，经干燥后的压缩空气经阀6输出，得到净化的压缩空气。（3）第三阶段：A塔吸附，B塔自冷。B塔经压缩空气初步冷却后，进入自冷阶段（有些厂家是利用干燥后的压缩空气进行吹冷，自耗气量为1%），压缩机排气（约125°C）依次经过后冷却器Ⅰ，后冷却器Ⅱ，经过冷凝脱水后进入A塔，经吸附后，干燥净化的压缩空气输出。

压缩热再生吸附式干燥机充分利用了空压机排气中的高温热量，其干燥机无自耗气（或者1%），大大节省了能耗。由于含油压缩空气会引起吸附剂中毒，因此，压缩热再生式干燥机不适用于喷油压缩機，而只能是无油空压机。另外，如果空压机排气温度过低，吸附剂将不能完全再生，结果是出口的压缩空气露点难以达到要求。

4、 压缩空气干燥装置的运行能耗比较

运行能耗：为了便于压缩空气干燥装置运行能耗分析，我们从某厂家样本上选取了处理量40Nm3/min，各种类型干燥机的电耗和气耗。干燥机的能耗计算见表1，其相对比例大小见图7所示。

结论1：根据图6，我们可以看出，无热再生吸干机综合能耗最高，压缩热再生吸附式干燥机能耗最低。

结论2：根据图7比较，我们可以看出，对于压缩空气后处理设备来说，设备固定费用投资在10年费用中的占比不大，对于压力露点要求不高（+3℃以上），我们应优先选用冷冻式干燥机，费用比较低。对于压力露点要求在-20℃以下的情况，无油机应优先选用压缩热再生吸附式干燥机，含油压缩空气选择微热再生吸附式干燥机。

参考文献：

【1】李申. 《压缩空气净化原理及设备》. 浙江大学出版社.2005. P323

【2】赵斌 吸附式压缩空气干燥机的对比分析[J]，玻璃，2011年第8期