影响余热再生干燥装置排气露点因素的分析与处理

2018-10-23李文伟

冶金动力 2018年11期

李文伟

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山 063200）

引言

露点温度（简称露点）指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却到饱和时的温度。形象地说，就是空气中的水蒸汽变为露珠时候的温度叫露点温度。对于一定含湿量的气体，露点和压力有关，与温度无关。在钢铁企业里，露点是衡量压缩空气品质的最重要的指标之一。气动工具、用气设备和仪表如果使用低质量的压缩空气，会经常发生故障，需要维修和更换，甚至将导致停工，影响生产，其损失比任何维修大得多。

1 京唐公司压缩空气现状

京唐公司压缩空气按用途主要分为两类，一类为仪表气，供全公司各部门仪表及气动设备等使用，全年要求露点≤-20℃；另一类为生产用气，专供炼钢连铸使用，对露点无要求。

1.1 设备配置

公司仪表空气主要由能环部16台三级压缩的离心式空压机提供，单台空压机流量为250 m3/min，排气压力0.85 MPa。每台空压机出口配置一套余热再生干燥装置来保证压缩空气露点，其主要参数如下：

处理量：250 m3/min；

工作压力：0.65～0.85 MPa（表压）；

再生方式：利用压缩热再生吸附剂；

进气温度：≥120℃；

吸附剂：活性氧化铝（粒径 Ø3～Ø5）；

排气温度：≤40℃；

压力露点：≤-20℃；

耗气量：≤2%的处理量。

1.2 余热再生原理及工艺流程

1.2.1 余热再生原理

余热再生干燥装置主要运用了变温吸附原理，即吸附剂在低温条件下吸附水分，在高温条件下解吸水分。

1.2.2 工艺流程

干燥装置一个完整的工作流程由上半周期和下半周期组成，每半周期又分为两个阶段。现以上半周期为例描述整个流程，下半周期类似，不再赘述。

（1）A罐工作、B罐再生加热阶段（见图1）

来自空压机的压缩空气，经电加热器加热后由V11阀进入B干燥罐，加热B罐的吸附剂后，经V4阀进入末及冷却器，冷却后的气体经气水分离器分离出液态水后再经V1阀进入A罐，进一步脱水，然后经V7阀到除尘器，滤去尘埃后送入管网。

图1 A罐工作、B罐再生加热

（2）A罐工作、B罐再生冷却阶段（见图2）

B罐经过一定时间的加热后，罐内的吸附剂得以再生，此时打开阀V12后关闭V11及V4阀，使部份热气体不再流向B罐，而是全部直接经V12阀进入冷却器及气水分离器，然后由V1阀进入A罐，再经V7阀至除尘器输出。

与此同时，V6阀开启，B罐卸压排气，V9开启，让A罐经冷却及吸附干燥后的无水无尘气体通过限流孔板DV1降压膨胀后，流经B罐，使B罐的吸附剂床层降温，再经消声器排到大气中。

图2 A罐工作、B罐再生冷却

1.3 压缩空气露点现状

干燥装置经过多年运行后，目前压缩空气露点逐渐出现异常，主要表现在平时有个别机组露点偏高，到夏季时露点普遍严重恶化，最高曾达到+29℃。

2 导致露点不合格因素的理论分析

由于夏季出现露点不合格的现象最严重，所以着重分析夏季工况。由工艺流程可知压缩空气通过余热再生干燥装置时经过了两次脱水，第一次是通过末级冷却器将空气中的大部分水冷凝然后通过其后的气水分离器去除；第二次是通过干燥剂吸附后去除。任何一次脱水效果不好都会导致最终露点不合格，因此下面从两大方面着手分析可能影响露点的因素。

2.1 影响一次脱水的因素分析

一次脱水通过干燥装置的末级冷却器降低湿空气的温度使之达到饱和进行脱水，所以末级冷却器换热效果差，会导致脱水效果差。通过分析造成换热效果差的因素主要包括冷却器进气温度高、进气流量大、冷却水温度高、冷却水流量小、冷却器本身换热能力差。

2.1.1 进气温度高

进气温度越高，冷却器所承受的热负荷越大，换热效果自然越差。夏季，虽然环境温度升高，但空压机的排气温度并未显著升高。这是因为空压机采用等温压缩，虽然空压机吸入空气温度高，但是通过空压机级间冷却器换热后，进入三级叶轮再压缩时的温度是相同的，所以空压机排气温度基本保持不变。但这有一个前提，那就是级间冷却器换热效果良好。实际通过手持红外温度测量仪对空压机排气温度进行测量，各空压机普遍排气温度在90℃左右，温度基本恒定，对换热不构成影响。

2.1.2 进气流量大

进气流量大意味着单位时间内冷却器要冷却更多的气体，所以热负荷增加，换热效果会变差。在空压机入口导叶不变的情况下，空压机排气量是恒定的。但是在夏季，由于空气的密度降低，虽然空压机的排气量不变，但质量流量是降低的。这也就意味着进入冷却器的空气是减少的，对换热实际是有利的。

2.1.3 冷却水温度高

冷却水温度对换热有着极大影响，水温越高换热效果越差。夏季，随着气温的升高，冷却水温度普遍升高，对换热极为不利，大量冷却器出现排气温度偏高问题。

2.1.4 冷却水流量小

冷却水流量越小，所能冷却的空气量就越少。由于冷却水通过站内自有循环水系统供给，可通过水泵进行调节，流量能够满足要求。

2.1.5 冷却器本身换热能力差

冷却器为管壳式结构形式，管束材质为换热效率高的紫铜，管程介质为压缩空气，壳程介质为水。一般冷却器使用一段时间后，换热效果都会下降，主要是因为换热管表面结垢导致传热系数降低。

2.2 影响二次脱水的因素分析

二次脱水是余热再生工艺的主要流程，在这里将空气中剩余的微量水分离出来。导致二次脱水效果较差的因素主要有压缩空气含水量大、再生气瞬时流量小、再生加热气温度低、再生冷吹气温度高、再生时间短、吸附剂劣化、阀门内漏。

2.2.1 压缩空气含水量大

进入干燥罐的压缩空气含水量过高，将会使得工作罐中的吸附剂快速达到吸水饱和。而此时再生罐未完成再生，工作罐也尚未达到固定的切换时间，因此后段时间吸附剂所能吸附的水越来越少，成品气含水量不断升高，出现露点超标情况。一次脱水量较少或者因为冷却器之后的气水分离器分离效果差都会造成此种情况。

2.2.2 再生气瞬时流量小

加热和冷吹是吸附剂再生的两个阶段，前者将游离水从吸附剂中完全解吸，后者将吸附剂恢复到正常工作温度。加热再生气瞬时流量过小，会降低作为热载体的再生气传热效率，造成局部过热而大部无热，破坏吸附剂结构与性能，同时流量过小会使流速过低，易形成因气流穿越吸附层短路而形成“遂道效应”而导致无法均匀传热与有效解吸。再生冷吹气与之类似，流量过小会造成部分吸附剂温度仍然很高失去吸附能力。

2.3.3 再生加热气温度低

对于活性氧化铝吸附剂只有达到120℃以上才能完全解吸水分，而来自空压机的压缩空气通常最高只有90℃，需要通过电加热器进行加热。如果电加热器功率小或加热棒损坏，再生加热气温度就达不到吸附剂解吸的要求。通常温度越高，解吸效果越好，但能耗也会升高，因此控制在120℃即可。

2.3.4 再生冷吹气温度高

吸附剂通常需要冷吹到40℃以下才能获得最佳工作状态，超过这个温度，吸附效果将大打折扣。冷吹气体来源于干燥完的成品气，成品气的温度又和末级冷却器的换热效果有关，也和工作罐上一次的冷吹效果有关。空气经过末级冷却器换热后如果温度还较高，自然冷吹效果不好。如果工作罐在上一次冷吹完温度仍很高，那么成品气温度自然也高，这样会形成恶性循环，吸附剂无法恢复到最佳工作温度。

2.3.5 吸附及再生时间不合理

相对于工作罐吸附时间越短，吸附床一次吸附的水分越少，吸附剂的吸附率就越大。一般来说，吸附周期越短，干燥效果越好。但对于加热和冷吹的再生过程来说，时间又不能过短，否则吸附剂不是尚未完全解吸就是未恢复到最佳工作温度。所以吸附和再生时间需要合理匹配。

2.3.6 吸附剂劣化

吸附剂劣化是指使用时间长后，由于疲劳或老化而引起的吸附性能的衰弱。具体表现在吸附“转效点”急骤降低，出口露点快速上升。活性氧化铝吸附剂是一种多孔性、高分散度的固体材料，其微孔有很大的表面积。吸附剂的使用寿命正常情况下可达2～4年。影响其使用寿命的因素，一是破碎问题；另一是永久吸附问题。目前使用寿命较短的原因主要是破碎问题。一旦吸附剂破碎粉化，其表面积减小，吸水能力降低。

2.3.7 阀门内漏

余热再生装置采用大量气动蝶阀，每个阀门2 h动作一次，平均一年要开关2200次。如此高频次长时间使用后，阀板密封处必然磨损导致阀门内漏。内漏带来的危害就是冷热气体混流，造成再生加热和冷吹出现问题。