【壓縮機網(wǎng)】壓縮熱干燥器數(shù)學模型與流程描述

 

　　眾所周知，吸附干燥器成品低露點是以再生高耗能為代價的。周期內(nèi)吸水總量決定了再生能耗，將氣態(tài)水帶出塔外決定了干燥器耗氣量。

 

　　吸附劑完全再生有2個標志：

 

　　（1）吸附床水分全部汽化并離開塔體，即恢復到原始“干燥”狀態(tài)；

 

　　（2）吸附床溫度恢復到原始狀態(tài)。

 

　　一個受過良好科學訓練的工程技術人員，必然會接受一個約定俗成的方法論秩序：任何新穎的概念敘述，必須要有清晰的、符合實際的普適前提和嚴密而翔實的數(shù)據(jù)平臺支撐；對任何非規(guī)范、有歧義的論述都有深入探討的必要。

 

　　“壓縮熱”再生干燥器，目前國內(nèi)沒有統(tǒng)一的標準、統(tǒng)一的結構和統(tǒng)一的流程，實際上還處于初級技術探索階段。

 

　　“物理吸附”與任何過程變化一樣有一定的共遵規(guī)律：“穩(wěn)定系統(tǒng)邊界內(nèi)的流程無論如何變化，進出系統(tǒng)能量守恒”。以此可以構建如圖1所示的“壓縮熱”干燥器數(shù)學模型。圖中省略了與再生熱量交換及傳遞無關的流程，另外作為“零氣耗”的吹冷流程在圖1中也未予顯示，將在文中另作定性討論。

 

　　圖1中再生塔標記為B，吸附塔標記為A.。其流程為：從空壓機末級出來的一股壓縮空氣s*先進入電加熱器升溫后對B塔吸附劑進行加熱再生，它從B塔流出后與另一股氣流匯合（未畫出），經(jīng)“塔間水冷卻器”冷卻后通過分離器（未畫）進入A塔脫水干燥，排入用氣管網(wǎng)。

 

 

　　兩級壓縮空壓機的排氣溫度約在125℃左右，離開空壓機排氣口后“氣分兩股各奔前程”。經(jīng)計算作為“再生”股的氣流（圖中1-2段）約占了總氣量的25%，其余75%左右“主流股”在“塔間水冷器”前端與“再生股”匯流。

 

　　解吸氣流在沿進途中要相繼克服電加熱器和吸附床層的阻力，攜帶著更多水分出塔時已“能損壓降”。壓力不同的氣流不能用“平均值”相混。但定性結論無疑是“主流股”降壓（這是“能量向低流”的自然結果），即混流氣體壓力必定低于原先高壓股氣流壓力。其“空氣動力學”解釋是：不同壓力氣流混合時形成的湍流激波漩渦等復雜流型會消耗流體本身能量。

 

　　另外，氣流通過管道、物料層及轉角、閥門、擴徑、縮孔時會產(chǎn)生摩擦損失和局部損失，流程復雜的“壓縮熱”干燥器壓力損失比其他吸附干燥器更大。

 

　　壓力損失當然屬能量損失。大致估算：若其他類型吸干器進排氣壓力降為0.03MPa左右的話，那么“壓縮熱”干燥器的壓力損失要在0.05 MPa以上。排氣壓降與功率損耗的關系可參見文獻[1]。

 

　　用以比較，圖2是通用氣源系統(tǒng)的結構[2]，空氣干燥器是系統(tǒng)中一個設備。

 

 

　　“壓縮熱”干燥器取消了空壓機與干燥器間的許多設備（如后部冷卻器、儲氣罐及油過濾器等）——“裸氣”直達電加熱器對“壓縮熱”干燥器講來很是必要，但帶來的副作用也非常明顯。例如，失去了除油過濾器的前置保護，就嚴格限制了“壓縮熱”干燥器只適用于無油空氣系統(tǒng)。

 

　　壓縮熱干燥器的外設功能部件

 

　　“壓縮熱”干燥器為“節(jié)能”采用了部分空壓排氣溫度（和熱量），為此將具有必要功能的電加熱器、水冷卻器遷移至本機邊界之內(nèi)。這不僅僅是簡單的“功能移位”，因為它們對整機能耗惡化有很大的影響。分析如下：

 

　　1.電加熱器

 

　　吸附過程是儲能過程，吸附劑將水分相變所釋放的“凝聚熱”存儲起來。比之“進口”的“壓縮熱”，內(nèi)蓄“吸附熱”是一種效率更高的能量資源。

 

　　吸附干燥器的吸附動力完全來自固體微孔的“表面自由焓”，與此緊密相關的吸水/脫水性能目前已有相當完善的數(shù)據(jù)，如常用活性氧化鋁的“動吸附量”在4%～6%左右，TSA進氣溫度為230～280℃、排氣溫度為100～150℃，這些特性數(shù)據(jù)是吸附干燥器熱工計算和正常運行的依據(jù)。

 

　　“壓縮熱”干燥器與傳統(tǒng)加熱再生干燥器一樣，都以相對濕度極低的干燥氣流解吸水分并帶出B塔。不同的是傳統(tǒng)加熱干燥器的水分載體是不需回收的環(huán)境空氣，后者則是空壓機的部分排氣，完成解吸后必須全額“帶水”回收。

 

　　顯然僅利用125℃左右的空壓排氣溫度是遠遠達不到TSA要求的。因此必須經(jīng)外熱源升溫才能利用，電加熱器是z*適合的一種外熱源。

 

　　電加熱器將125℃左右的壓縮空氣升溫到250℃左右，所以它的功率比用來提升30益左右環(huán)境空氣要小一些，這也是“壓縮熱”再利用的全部價值所在。但它的副作用卻尤為明顯：

 

　　（1）“壓縮熱干燥器”內(nèi)設電加熱器屬壓力容器，經(jīng)氣體狀態(tài)方程計算，它承受的壓力比空壓機排氣壓力高，且發(fā)熱體表面溫度也高于再生氣進塔溫度；

 

　　（2）為了充分換熱，電加熱器里往往要設置多塊折流板——與冷干機蒸發(fā)器相似的結構，會使再生股氣流產(chǎn)生較大壓降。

 

　　受上述結構制約，進入電加熱器的氣流必須保證絕對無油。目前除透平壓縮機外的任何類型空壓機都不敢自稱“絕對無油”，即使理論上“絕對無油”的透平機也不能確保吸入空氣的絕對無油性——含油量為零點幾乘10的6次冪，“氣溶膠”進入電加熱器后，在長期大流量累積效應下彎角死角處難免會滋生積炭油垢，在遠高于其閃點的富氧環(huán)境下，一個小小的摩擦火花就會帶來極具破壞性的后果。

 

　　2.水冷卻器

 

　　空壓系統(tǒng)中的后部冷卻器是緊挨空壓機排氣口安裝的附屬設備。一個良好的后部冷卻器至少可以將空壓機排氣中60%以上的水分和油分攔截下來，并使其溫度下降到40℃以下以適合下游設備要求的進氣工況。

 

　　后部冷卻器是“高耗能”設備，它消耗的冷卻水應是“軟水”。就“能源等價值”而言軟水要明顯高于同屬“耗能工質”的壓縮空氣。水作為獨立收費的自然資源受國家政策嚴格管制，不像空氣那樣可以“取之不盡用之不竭”。

 

　　下列因素影響了壓縮熱干燥器的水量消耗：

 

　　（1）計算設備綜合能耗時必須先劃定“邊界”，在圖2所示的氣源系統(tǒng)中，作為獨立設備的后部冷卻器是以“水耗量”計耗的；

 

　　在“壓縮熱”干燥器中“塔間冷卻器”是不可缺失的部件，它既為壓縮空氣流動提供通道，同時還負擔起降溫、凝聚及排水等任務，水耗量要計入整機；

 

　　（2）作為空壓系統(tǒng)獨立設備使用時，后部冷卻器水耗量并沒有統(tǒng)一標準。因為實際運作中它與很多因素有關，如用來測評后部冷卻器功效的“接近溫度”或可取大或可取小。此外不同季節(jié)因水溫不同水耗量相差也很大。資料表明：一臺40 Nm3/min空壓機適配的后部冷卻器，在進出水溫差20℃、壓縮空氣進出溫差80℃時，每小時耗水量約為3.18t，如果進出水溫差降低到10℃、壓縮空氣進出溫差仍為80益的話，每小時冷卻水耗量將高達6.35t[6]。

 

　　“壓縮熱”干燥器中的“塔間冷卻器”（圖1），負荷明顯高于圖2中的后部冷卻器，因為后者不僅要承接空壓排氣的溫度和含水量，同時還要承接B塔解吸出來的全部高溫水汽，在其它加溫干燥器中這些水汽是隨載體一起排空的！

 

　　吸附床全部時間（8h）里吸附的水量要在一半時間（4h）里解吸汽化，單位時間載體（壓縮空氣）攜出的水汽量要大大超過本身含水量。為此“塔間冷卻器”幾乎要付出雙倍的冷卻水耗量，其中90%以上用于水蒸氣凝聚。由此可得出“壓縮熱”干燥器耗水量是如何之大了，這在干旱缺水地區(qū)尤為突出。

 

　　3.零氣耗

 

　　“零氣耗”概念來自產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過程中將不得已產(chǎn)生的“廢棄物”排放減少到零；或者將已排放的廢棄物充分利用變?yōu)榱硪环N產(chǎn)業(yè)的原料或燃料。從技術角度講，資源轉化或能源轉化時都不可能實現(xiàn)100% 轉化的。根據(jù)能量守恒定律和物質不滅定律，其損失部分z*終都以水、氣、聲、渣、熱等形式排入環(huán)境。所謂“零排放”只是改變了物質或能量的排放方式、渠道和節(jié)點，總有一些東西（包括物質和能量）z*終還是要進入環(huán)境的。

 

　　從這個意義上講，真正的“零排放”只是一種理論上的理想狀態(tài)。

 

　　在一般加熱再生干燥器中，B塔吸附劑再生所需的吹冷氣是取自A塔的一小部分干燥常溫壓縮空氣，這已是z*方便z*廉價的了。雖然冷卻效果并不令人滿意，吸附劑終溫必定高于初溫，但這是空氣干燥TSA方案必然性所導致。

 

　　吹冷排出氣量中既不含有任何破壞環(huán)境的物質，本身也不是易爆易燃或有毒類品，更不是稀缺珍貴的資源。壓縮空氣與同類“能耗工”氮、氧、氬、二氧化碳及水等比起來要“大眾”得多。

 

　　“壓縮熱”干燥器吹冷階段用閉合循環(huán)的壓縮空氣作冷卻介質（在冷卻開始時直接取自A塔）。

 

　　吹冷氣排出溫度有個從高到低的“漸冷”過程，因此循環(huán)過程中要用冷卻水（新水）來降溫，并借用循環(huán)泵來提供動力和補償因多次穿越吸附床而造成的壓損。這種“零氣耗”實質上是將本應排放的壓縮空氣消耗轉移到價值更高的電能和水量消耗上去了。

 

　　綜合耗能標準

 

　　現(xiàn)代企業(yè)中節(jié)能是非常重要的課題，而且早就有系列的國家標準可循。在統(tǒng)計產(chǎn)品綜合節(jié)能時就要遵循GB/T2589-2008 《綜合能耗計算通則》。

 

　　GB/T2589-2008將壓縮空氣與鼓風、新水、軟水、氧氣、氮氣、二氧化碳氣等一起歸為“耗能工質”。其定義是“在生產(chǎn)過程中所消耗的不作為原料使用、也不進入產(chǎn)品，在生產(chǎn)或制取時需要直接消耗能源的工作物質。”[4]

 

　　各種耗能工質的單位耗能量及折算標準煤系數(shù)見表1。

 

 

　　“耗能工質”雖然與工廠“一次能源”（包括原煤、原油、天然氣、水力等） 及“二次能源”（包括熱力、電力、汽油、煤油、液化石油氣等）

 

　　在定義上有所不同，但計算產(chǎn)品綜合耗能時是要一并計入的。且都折算成“一次能源”（單位“標準煤系數(shù)”）。如工廠z*常用“二次能源”電力,其“平均低位發(fā)熱量”為3600kJ/（kW·h）[860kcal/（kW·h）]，折標準煤系數(shù)為0.1229 kgce/（kW·h）[4]。

 

　　在GB/T2589-2008附列的各種耗能工質中，就“能源等價值”（定義為：生產(chǎn)單位數(shù)量的二次能源或耗能工質所消耗的各種能源折算成一次能源的能量） 而言，壓縮空氣只比“鼓風”稍高了一些，甚至還不如“新水”（表1）更不能與軟水、氧氣、氮氣、乙炔、電石等高耗能工質相比了。

 

　　當然這不能說明壓縮空氣不重要，各種耗能工質都有自身的應用價值，彼此間更不能作簡單類比。但壓縮空氣無論是有油的或無油的，由于原料取之無盡又沒有特別費用支出，其成本除卻設備采購及各項管理費用外幾乎全部依附在工廠“二次能源”和其他耗能工質上（主要是電力和水），遠非傳說中那樣稀貴高昂。所謂“電氣不等價”這類籠統(tǒng)表述雖然不乏語義正確性但毫無實際意義。

 

　　遵循GB/T2589-2008，各種后處理設備能耗要根據(jù)類型來加以區(qū)別，例如冷凍干燥機除了制冷壓縮機功耗外，制冷系統(tǒng)的水（或鼓風）耗量要計入能耗成本；傳統(tǒng)的吸附干燥器都沒有水量消耗，但“壓縮熱”干燥器卻是個例外。

 

　　為了對不同類型吸附干燥器作耗能與其他技術性能的比較，“算例”表2列出了一臺40Nm³/min“全無油”兩級壓縮空壓機選配不同類型吸附干燥器時的能耗數(shù)據(jù)（吸附劑為活性氧化鋁）及運作效果。

 

 

　　不用去追究表2數(shù)字上的“精確性”，它只是向業(yè)內(nèi)專家提供了一個“論出有理、數(shù)出有據(jù)”且可供探討的平臺。不同結構不同工況下干燥器實際能耗可能會有較大出入。因此表2也不代表任何現(xiàn)場設備，但應具有一定的借鑒意義。

 

　　本案例以90%環(huán)境相對濕度為計算背景，在一年大部分時間里空壓機吸氣環(huán)境是達不到這個濕度的，但設計時必須引此為準——技術倫理上有“工況從嚴”的學術要求。

 

　　結語

 

　　（1）壓縮熱再生比之鼓風外加熱干燥器，由于利用了一部分空壓排氣溫度，使電加熱器功率減小兩至三成；另外也基本消除了壓縮空氣作為“吹冷風”時的消耗。但這些“節(jié)能”本質上是以大量水耗換來的，而且壓縮空氣終了排氣壓力幾乎增加了一倍。在更多空壓系統(tǒng)中，排氣壓力比起“露點”來更受用戶關注。

 

　　（2）空壓排氣“壓縮熱”是可資利用的資源，但“吸附熱”同樣也是可資利用的資源，而且因不存在外耗吸附熱利用率可達100%。任何加熱再生干燥器由于存在表2顯示的“剛性”能耗（Q2、Q3及ql、q）f ，即在低負荷時再生能耗同樣很大，“變負荷”恰恰是任何壓縮空氣干燥器的工作常態(tài)。這里所謂的“變負荷”包括兩層含義，它們是：工作用氣量變化和吸氣環(huán)境相對濕度變化。

 

　　（3）無熱再生干燥器幾乎全程處于“絕熱”狀態(tài)。“熱力學”原理指出：系統(tǒng)“絕熱”過程的能量利用或功量效率是z*大的。傳統(tǒng)的無熱再生干燥器存在設計缺陷，這是技術發(fā)展的歷史留痕，但即使?jié)M負荷時“壓力分之一”的氣耗量，“能量等價值”還是大大低于各種型式的加熱再生干燥器。隨著技術進步，一種“基于變工況全天候的無熱再生干燥器”已呼之欲出。

 

　　（4）按“吸附理論”溯源，“壓縮空氣TSA吸附干燥器”根本就沒有存在的理由（如同“空分”產(chǎn)業(yè)所堅持的），其原因是“有限的吸附劑充填量只能容納有限的吸附質”，動則百分之十幾的“動吸附量”既降低了吸附劑使用壽命，又嚴重影響成品氣品質，巨大的再生能耗更使許多工廠企業(yè)望而卻步。

 

　　（5）100年前美國物理化學家朗格繆爾(Lang原miur) 創(chuàng)建“單分子層吸附模型”，認為固體表面微孔具有的“外向剩余價力”可以吸附一個氣體分子，從而使“表面化學”成為化學中一個熱門分支（為此獲得1932年諾貝爾化學獎）。后人(Stephen Brunauer，Paul H Emmeet和Edword Teller)借助電鏡技術發(fā)現(xiàn)固體表面微孔內(nèi)有復雜的拓撲組織，以此構建了“BET多層吸附模型”。BET理論大大拓展了吸附技術的應用范圍，但始終沒有離開“朗格繆爾模型”所揭示的“吸附平衡”“吸附溫度”“飽和吸附量”“吸附轉效點”等吸附技術核心。

 

　　可以斷定：在吸附材料獲得突破性進展之前，壓縮空氣吸附干燥器不會有“更新?lián)Q代”的可能。

 

　　現(xiàn)在z*需要的是“正本清源”，并在此基礎上“繼陳創(chuàng)新”，這才是一代人應關注的工作。

 

　　參考文獻

　　[1] 郁永章，孫嗣瑩，等.容積式壓縮機技術手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

　　[2] 吳筠，陳啟復，等.氣動工程手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，1995.

　　[3] 蔣其昂，等.關于壓縮空氣系統(tǒng)燃燒爆炸的原因及防止措施[J].壓縮機技術，1990，3.

　　[4] 中華人民共和國國家標準GB/T 2589-2008，綜合能耗計算通則[S].2008.

　　[5] 化學工程手冊編委會.化學工程手冊第17篇[M].北京：化學工業(yè)出版社，1984.

　　[6] 李申.壓縮空氣凈化原理及設備[M].杭州：浙江大學出版社，2005.