浅谈压缩空气净化系统的除湿及节能改造

张笑瑜

(唐山三友化工股份有限公司,河北 唐山 063305)

压缩空气不仅是主要的工业动力源,又是具有多种用途的工艺气源,其应用范围遍及各行各业,自然空气经空压机吸入,经加压及在冷却器、贮气罐中被冷却后,部分水分将凝结并通过气水分离器排出,当压缩空气(完全饱和的)在管道中进一步被冷却时,将会再次出现大量的冷凝水,如不及时将水去除,将会产生的负面影响:管道腐蚀、结冰,致使各气动设备失灵及产品质量下降。因此,安装合理的吸干机,将压缩空气露点保持在-40 ℃以下,对于生产系统和工艺流程的稳定至关重要。目前老式吸干机普遍存在智能化程度低,能耗浪费大,压缩空气品质差,后期运维能力低等问题,当前形势下已经不能满足生产的要求,所以,保障压缩空气系统露点的合格率,减少能源浪费,是当前需要改善的首要问题。

1 我公司压缩空气系统主要净化方式

1.1 工艺流程

自然状态的空气经空压机吸入,经过加压后由管道排出,后进入吸干机进行吸附水分,干燥后的压缩空气送入空气球罐,经管道输送至各生产工序作为仪表气使用。目前我公司空压站共有5台无热吸干机,为建厂初期投用的设备。

1.2 设备组成及工作方式

老式的无热再生吸干机是根据变压吸附原理,利用自热再生的方法对压缩空气进行吸附干燥的一种除湿装置,它采用双塔结构,一塔在一定压力下吸附压缩空气中的水分,另一塔用稍高于大气压的自身干燥空气使吸附塔中的干燥剂再生,经过一定时间,两塔切换,完成整个干燥过程。一个塔的实际工作过程分为:吸附—再生—充压。

2 目前设备存在问题

1)再生气量损耗高:从设备运行原理我们可以得知,老式无热吸干机在再生过程中需使用干燥压缩空气进行反吹,反吹后的空气经排空管道排出,为了解具体反吹所用的压缩空气量,我们对吸干机进行气损测量,在干燥机进口和出口处,选取直管段,打孔进行测量无热吸干机的进口流量以及出口流量,经测算得出平均气损率为 21.45%。

2)露点温度高:仪表气总管露点温度时常在-40 ℃以上(生产上要求露点温度控制在-40 ℃以下),处于不合格状态。

3)吸附剂使用寿命短:老式无热吸干机所使用的吸附剂为粒径6～9 mm的活性氧化铝,每年至少更换一次吸附剂,并且更换下来的吸附剂有“中毒现象”。

4)气动薄膜阀易损坏:气动薄膜调节阀是吸干机重要控制元件,在整个干燥的过程中,气动薄膜阀的正常运作是起着重要的作用,统计全年设备检修记录,气动薄膜阀的检修次数高达12次,每次维修阀门都需要吸干机停止工作,这样就会对压缩空气的露点及生产系统的稳定带来影响。

3 制定解决方案

针对上述问题,根据当前生产实际情况,我们决定对设备进行改型,主要从气量的损耗、露点温度的控制及设备的检修频次方面进行研究改造。

3.1 安装新型的前置过滤器及气水分离器

在压缩空气进入下游净化设备前,安装前置过滤器,过滤器内部滤芯本身采用多层次的滤床构造,其容尘量极大,有效性高,能有效地去除压缩空气中的部分液态水、油雾、尘埃,可减轻后部吸干机的负荷。同时安装新型的气水分离器,通过拦截、惯性、扩散、重力等作用,去除部分压缩空气中含有的水分等杂质,从而使压缩空气洁净干燥,使气动设备可靠性提高,产品质量提升。

3.2 安装新型的吸干机

随着近几年压缩空气干燥技术的发展。从完全依赖压缩空气再生的方式逐渐朝不消耗任何压缩空气的方向发展,其发展趋势必然是更低的能耗,更低的运行成本,更高的可靠性,更易维护。

零气耗鼓风加热再生吸附式吸干机是在有气耗鼓风加热吸干机基础上开发的一款新型干燥机(简称零气耗鼓风式吸干机)。它具有零气耗、压损小、切换周期长、并且可达-60 ℃以下露点温度、操作简单等特点,而它最大的特点就是不再需要消耗压缩空气进行反吹,零气耗鼓风式吸干机是充分采用PSA(变压吸附)及TSA(变温吸附)的原理,整机为双塔结构,一塔在工作压力、常温下吸附压缩空气中的水分,另一塔在常压下、用来自鼓风机并经电加热的空气使吸附塔中的吸附剂再生,经过一定时间,通过阀门的切换,由吸附塔、水冷却器、鼓风机等部件形成了一个闭合的循环冷吹系统,并由鼓风机做为循环驱动力,使吸附塔内的热空气不断与水冷却器进行热交换,从而带着吸附剂的热量,达到无耗气冷吹的效果。这样就保证了干燥压缩空气的连续供应。每个塔的实际工作过程分为:吸附—再生(包括加热再生和余热再生)—循环冷吹—充压。

图1 新型吸干机工作原理

3.2.1 吸附过程

压缩空气经前置过滤器除油后进入吸附塔,被吸附剂吸附水分的干燥空气再经后置过滤器除粉尘进入管网。

3.2.2 再生过程

1)环境大气经高压风机提压后,经加热器升温进入吸附塔,利用变温、变压原理脱附。

2)加热器停止工作,继续对吸附剂进行余热再生和冷却加热器。

3)通过阀门切换,由吸附塔、鼓风机、水冷却器等组成一个密闭的循环系统,风机作为循环驱动力,不断的将吸附剂的热量带出与水冷却器热交换,从而达到无气耗冷吹的目的。

3.2.3 切换阀特性

吸干机采用的耐高温型切换阀门,耐腐蚀性。活塞和齿条以轻合金制成,并额外带有乙缩醛大活塞向导,镀锌钢结构轴齿轮安装在乙缩醛自润滑轴承上,以保持气密性,并且具有高使用寿命,在额定扭矩下切换,可达10万次的旋转。

3.2.4 吸附剂的填装特点

塔体内部为大型吸附剂层,确保了空气与吸附剂充分的接触时间,并且内部包含额外的吸附剂,用于补偿吸附剂的初期老化(吸附剂在达到稳定状态之前,通常要损失30%的能力),吸附剂选用活性氧化铝吸附剂和分子筛,具有高抗碎强度和抗磨蚀性,静态吸湿能力,在100%相对湿度时为重量的21%。活性氧化铝由于其机械性能、耐水性和耐热性好并价格合理而得到广泛的将用,但活性氧化铝在空气相对湿度较低时,吸水量下降,而分子筛所受的影响很小。因此在空气相对湿度较低的部分,即在床层上部装一些分子筛可增大吸水能力。如此填装,可提升整体吸附效果,使露点温度更加稳定。

4 使用效果查定

1)对吸干机进行气损测量,尽量在与原测试环境接近的时段,在新型干燥机进口和出口处,选取直管段,打孔进行测量进口流量以及出口流量。新型干燥机的气损率为0.01%(因进出口压力的波动,造成流速的不同,故影响到流量的细微变化)。

2)设备安装运行一年,统计全年露点温度如2图所示。全年每月平均露点温度均维持在-60 ℃左右,气体的品质有了较大的提升。

图2 改造前后露点温度

3)运行一年后检查内部吸附剂,发现吸附剂外观良好,无粉化、表面无油膜等杂质附着,未出现“中毒现象”,可继续使用。

4)气动薄膜阀使用情况全年检修频次为零,使用过程中未出现阀门故障等情况。

5)通过重量法测量了液态水含量:气水分离器安装前液态水质量为120 g/m3,安装后液态水质量为16 g/m3。两次测量结果可以看出,安装气水分离器后压缩空气液态水含量明显降低,除水效果明显。

5 小 结

通过上述一系列改造措施,压缩空气净化系统更加完善,能耗降低,露点温度更加稳定,气体品质也得到了提升,节约了检修费用,大大提高了生产的稳定性,同时,新设备的顺利投用,使用效果良好,为后续整体系统改造提供了技术经验及数据支撑。