压缩热再生式干燥机的应用

2018-05-07王锋

中国设备工程 2018年8期

王锋

（中国汽车工业工程有限公司，天津 300113）

常用的压缩空气干燥机包含冷冻式和吸附式干燥机两种。冷冻式干燥机只能将压缩空气露点温度处理到3℃左右，需要更低露点温度只能采用吸附式干燥机，根据吸附式干燥机再生方式不同可分为无热再生式干燥机、微热再生式干燥机、鼓风加热再生式干燥机及圧缩热再生式干燥机。本文首先论述压缩热再生式干燥机的工作原理，并以一个工程实例将各种干燥机的能耗进行对比；重点讨论压缩热再生式干燥机在工程应用中存在的问题，从工程设计优化及对设备工艺流程改造两方面解决问题。

1 压缩热再生式干燥机的工作原理

吸附式干燥机一般采用双塔结构，一个用于气体干燥，另一个发生吸附剂再生过程。目前常用的吸附剂材料为活性氧化铝和分子筛，活性氧化铝对工作介质温度敏感，当吸附剂环境温度达到130℃以上时，吸附剂含水量只有1%左右，几乎完全脱附。而分子筛对水分的吸附能力高于同等温度下的活性氧化铝，脱附没有活性氧化铝彻底。

吸附剂再生过程分为4个阶段：加热-降压-冷吹-均压。吸附塔和再生塔根据干燥机PLC给定的控制信号切换。见图1。高温压缩空气（110℃以上）进入干燥机，然后直接流入再生塔，因为高温压缩空气是不饱和的，而且会使吸附剂储存的水分汽化，汽化后的水分被不饱和高温压缩空气吸附，进入干燥机的后续配套冷却器，冷却至40℃左右，此时压缩空气处于过饱和状态，析出大量液态水，液态水经汽水分离器排除。冷却后的压缩空气进入干燥塔，达到露点要求后大部分输出至压缩空气管网，供应车间及各用气工位使用，另有小部分经控制阀流入再生塔，对吸附剂进行冷吹，这个阶段耗损的压缩空气占到总气量的2%左右。由于用于冷吹的压缩空气为干燥的压缩空气，可以使吸附剂二次脱附，冷吹过程结束后，这部分压缩空气经消音器排出。

图1 压缩热再生式干燥机工艺流程

再生塔和吸附塔在切换之前需要经过压力均衡过程，这个过程由干燥机PLC控制程序控制，每次切换意味着干燥机经历一个完整的工作周期，控制方式一般包括露点控制和时间控制。

压缩空气进出干燥机是一个连续的过程，而干燥机的双塔切换是一个间歇过程，所以二者存在不同步的状态。当再生塔正在进行冷吹过程时，此时进入干燥机的高温压缩空气必须被旁通，直接进入后置冷却器和汽水分离器，然后再进入干燥塔。这些过程必须经干燥机控制程序实现。

2 吸附式干燥机功耗对比

为了便于将几种常用的吸附式干燥机能耗进行对比，本文对其他几种干燥机的再生过程进行简述。

无热再生式干燥机再生过程不需要加热，处理过的部分洁净压缩空气减压后流入再生塔，通过变压吸附原理时吸附剂脱附，再生压缩空气带走吸附剂水分后经消音器排出，再生气耗占总处理气量的20%～25%。

微热再生式干燥机再生过程也经历4个阶段，区别在于加热阶段，加热阶段需要外界提供热源，加热阶段所用的压缩空气为处理过的洁净压缩空气，再生过程气耗占总处理气量的7%左右。

鼓风加热再生式干燥机用于加热的压缩空气来自外界环境，冷吹阶段需要用到洁净压缩空气，再生过程气耗占总处理气量的7%左右。

本文选用处理量为60m3/min的吸附式干燥机作为对比基础，空压机选用无油螺杆式空压机，空压机电机功率为315kW，排气压力为0.75MPa，排气量为51.3m3/min。干燥机和空压机各选1台，表1列出各种干燥机能耗数据。

吸附式干燥机耗能主要出现在两个阶段：即吸附剂的加热和冷吹阶段。为便于对比，将各种能耗统一折算为电功率。

表1只表示一种工况，但是其他工况定性分析结果与本工况类似，由此得出结论：圧缩热再生式干燥机总再生功耗最低，单位功耗最低，能效比最高，而无热再生式干燥机能效比最低，微热再生式干燥机和鼓风加热再生式干燥机能效比居中。

表1 吸附式干燥机功耗统计表

3 压缩热再生式干燥机的应用

压缩空气站一般工艺流程为：空压机-前置储气罐-前置过滤器-干燥机-后置过滤器-后置储气罐-计量-压缩空气管网。

因为吸附剂的最佳再生温度为130℃以上，低于100℃时再生效果急剧下降，所以进入干燥机的压缩空气温度不宜低于110℃。这导致干燥机前无法设置前置过滤器，因此要求进入干燥机的空气含油量必须控制在较低水平，只有离心式空压机和无油螺杆机才能满足这个要求。

采用压缩热再生式干燥机做为后处理设备时，空压站工艺流程更改为：空压机-干燥机-后置过滤器-后置储气罐-计量-压缩空气管网。

经干燥机处理后的压缩空气露点能否达到要求，从设备层面讲取决于吸附剂的种类及填充容量；从运行层面讲取决于吸附剂的再生是否彻底。

活性氧化铝脱附速度快，吸附剂再生过程短，双塔切换周期短，但是吸附能力不及分子筛，所以要求压力露点温度为-40℃时，吸附塔可以只填充活性氧化铝作为吸附剂，当需要压力露点达到-70℃时，必须填充一定数量的分子筛。

干燥机的运行工况会对吸附剂的加热过程产生影响。因为压缩机出口的高温压缩空气全部进入再生塔对吸附剂进行加热，所以进入的压缩空气流量和温度都会对加热时间产生影响。而进入干燥机的压缩空气流量受空压机排气量及空压机与干燥机之间压缩空气管网水力特性影响；进入干燥机的压缩空气温度受空压机排气温度及设备和管网与外界热量交换有关。为了保证圧缩热再生式干燥机出口压力露点稳定，结合空压站工艺流程，在工程应用中遵循以下原则。

（1）空压机和干燥机应该一一对应。每台干燥机和对应的空压机匹配，空压机和干燥机之间的连接不宜采用母管方式，空压机和对应的干燥机直接连接。可以避免因为设备台数较多造成水力失调，处于最不利环路的干燥机入口压缩空气流量偏低。连接管路越简短，热量损失越小，可以保证干燥机入口压缩空气温度符合工艺要求。

（2）压缩热再生式干燥机不宜与变频空压机配套。因为变频空压机的流量范围为60%～100%，如果进入干燥机的压缩空气流量过小，干燥剂加热阶段时间变长，干燥剂再生效果不理想。如果空压机必须选用变频空压机，吸附塔切换控制方式宜采用露点控制方式。

（3）压缩热再生式干燥机的进气管道及附件应做保温处理。干燥机进口压缩空气温度越高，干燥剂再生效果越理想。如果进气管道系统不做保温处理，压缩空气在输送过程中会降温，而且导致压缩空气管道管壁温度升高至60℃以上，造成烫伤事故。

（4）对于用气负荷变化较大的压缩空气系统，压缩热再生式干燥机的控制方式宜选用露点控制和时间控制两种方式。当压缩空气系统系统处于用气高峰，且运行工况比较平稳时，采用时间控制模式，当运行工况变化较大时，宜切换至露点控制模式，保证处理后压缩空气露点合格。

（5）当干燥机入口温度有可能出现偏低工况时，干燥机宜配置电辅热系统，对入口压缩空气进行二次加热。