零气耗干燥器”是不消耗本机产品气的加热型吸附干燥器。

 

是典型的变温吸附(TSA)装置——吸附剂利用空压机末级排气温度(“压缩热”)在高温高压下脱附凝聚水,继而循环利用本机产品气冷却以获得活性“再生”。

其实任何工厂“余热”都可用来作再生能源,空压系统中最方便的就是空压机的末级排气温度——即使温度不够高也可方便地利用外加热装置来提高。

 

下图是“压缩热零气耗”干燥器的一个实用流程(不排除还有其它流程)。

 

 

1压缩热零气耗干燥器再生流程模拟图

 

一、流程分析:

1、空压机(M)吸入温度t0℃)、压力P0MPa)、含水量M0kg)的环境湿空气。压缩后,温度升至t1、压力升至P1,水量M0不变。

 

2、空压机出口压力(P10.7MPa(表压),二级排气温度(t1120℃上下,该温度低于TSA解吸温度,要借电加热器E来提升。

 

3B塔再生气量既可全流量也可用部分排气流量(进入塔间冷却器L1前两股混流)。经加热后进入B塔,再生气温升至t2,压力上升至P2,含水量M0仍不变——相对湿度大大降低——成为脱附水的载体。

 

4、解吸前再生塔(B)状态:

吸附柱初温(tB)略等于前道吹冷终温(≈40℃);

塔内压力(PB)略低于工压(0.7MPa);

吸附柱含水量(MB)等于前道A塔进气压力露点温度所对应的含水量(kg)。

 

5、解吸时再生塔(B)状态:

吸附柱平均温度升高至再生气进、出口温度平均值(tP);

再生尾气离塔温度t3高于汽化点(100℃)——不然塔内会潴留液态水;

再生尾气离塔总水量M3M0+MB;(且M0MB

塔内压力高于空压机排气压力(P2P1——导致解吸温度更趋上升——该“正反馈”循环是“零气耗”干燥器所独有的。

 

6、吸附塔(A)进气温度t4≤40℃,两塔间必须设置水冷器L1。它是两塔连接通道——这与其他吸附干燥器下管系结构形成明显区别。

 

7、高温高压再生尾气在L1里冷却并排出大量液态水,温度降到t4后进入A塔吸附干燥。A塔出口气(t5≥t4其中一股进入B塔作“吹冷气”用。该股气流离开B塔后t6t5,经“第二冷却器”L2冷却到t7≈40℃)作为“产品气”进入用气管网。由于P7P6P5在管网入口端两气流混流导致P5降低,下降幅值由吹冷气占比而定

 

二、能耗分析

零气耗干燥器能耗分“热量损耗”和“功率损耗”两部分。前者除了“压缩热”外主要由电加热器补充提供,后者则全部加在空压机驱动电机“轴功率”上。

 

GB/T2589-2008《综合能耗计算通则》,动力设备所消耗的各种能源(电、水、气等)都要按规定“折标系数”折算为“标准煤”。由压力降产生的“功率损耗”则由压缩空气“活动能”降低来计算。

 

1、热量损耗

“压缩热零气耗”干燥器采用全流程高压解吸。吸附凝聚水的汽化温度随塔内压力升高而升高。工作压力7bar下要求再生气进塔温度250℃~280℃以上,离塔温度则不低于100℃~120℃(郁永章教授主张进气温度为300℃)。这与低压下汽化温度降低——例如众所周知的珠峰气压0.3bar,水汽化温度(沸腾)75℃是同一个道理。

 

可用安托尼(Antoine)公式来求取不同压力下各种物质饱和蒸汽的相变温度。其通式是ln(P)=A-B/(T-C)。不同物质的“压力—相变温度”差别在于系数A、B、C不同。对于水蒸气Antoine公式具体表达为:ln(P)=9.3876-3826.36/(T-45.47),式中压力P单位是MPa(绝压),温度T的适用区间为290K~500K。按上式计算0.8MPa下水的汽化温度T≈175℃——即在0.8MPa下解吸凝聚水,吸附床温度不能低于175℃。且为防止液态水在塔底聚集,解吸气离塔温度要高于100℃,进塔温度高于250℃才能保证吸附柱平均温度达到175℃——两级压缩空压机末级排气温度是没有这么高的。

 

因此必须增设外加热装置——加热器功率要满足凝聚水所需的汽化热量和伴随而生的各项“刚性”消耗。所谓“刚耗”是指除汽化热外的其他一切不可省却的无效消耗,包括加热吸附剂、加热塔体及附件、塔体外壁对环境辐射和对流损耗及不可回收利用的再生尾气热量等,这类损耗不随负荷大小而变,在“固定时序控制”下都要按量支付——只是各项比例有所变动而已。

 

按气体状态方程,等容过程压力与温度同步变化,空压机排气温度从t1提高到t2将使进入B塔气体压力提高(P2P1)。按Antoine公式凝聚水的汽化温度还将提高——此正反馈过程直到223℃(500K)才能停下来,该理论对“零气耗”解吸极为不利。

 

“热平衡”计算用来确定所需外加热器的最小功率。计算基础建立在设备所允许的极限工况条件(温度、压力、流量)下,严格遵守物理定律,采用通用工程数据,用数学公式进行计算。“热平衡”工程计算并不积极谋求结果的精确性,但计算过程必须要清晰反映设备边界范围内能量收入和支出的来龙去脉:系统能量总收入=系统能量总支出——这是“热力学第一定律”的普适原理。

 

GB/T2589-2008《综合能耗计算通则》中,压缩空气在能源属性上属于“耗能工质”。

 

耗能工质的定义是:在生产过程中所消耗的不作为原料使用,也不进入产品,在生产或制取时需要直接消耗能源的工作物质。主要有新水、软化水、压缩空气、氧气、氮气…等。压缩空气是“折标系数”最小,能量密度最低的耗能工质。

 

2、功率损耗

空压机驱动电机将主轴动能转化为压缩空气势能(压缩能),使之具有对外做功的能力。

 

以大气温度和压力为外界基准,压缩空气对外做功的能力称为有效能E。其表达式为:

E=pV ln(P/Pa

式中:V—体积,p—空气绝对压力,Pa—大气绝对压力(0.1MPa)。

 

有效能E取决于压缩空气的压力和体积;当压力与外界压力相等时有效能为零,压力越高有效能值越大。空气流动时有效能表现为动力形式,称为“气动功率”P。

 

注:参见北京航空航天大学蔡茂林:“压缩空气的能量”,《液压与气动密封》2007年第5期

 

气动功率的意义:

    气动功率单位与电力单位相同,都是W,便于对整机能量消耗实行统一计算;

 

   气动功率是供给终端用气设备的纯能量,已将产气、输气过程中能量损耗排除在外;

 

   一定流量下,气动管路各类设备的功率与进出空气压力密切相关,动力系统对气源质量要求并不仅仅局限为清洁度(水、尘、油含量),压力降也是重要的技术指标。许多气动执行设备对气源压力要求甚至比“清洁度”还高,没有足够的压力,气动终端作功能力下降,严重时更会导致设备“瘫痪”!

 

   “零气耗干燥器”再生路径很长,进出气端压力差最大(见图1),以大气压力为背景的气动功率损耗也最大。

 

“零气耗”干燥器能量恒算时必须计入气动功率损耗。

 

三、“零气耗”干燥器评价

1、“零气耗”概念来自环保领域的“零排放”(“碳排放”逼近“零”)。压缩空气是无毒无害且最为低廉的“耗能工质”。原料无偿取自于环境,除电成本外,净化成本极低。在排放的“质”和“量”上没有法规性限制和成本性障碍。

 

2、“零气耗”干燥器破坏了气源系统设置秩序——后部冷却器和油水过滤器的缺位使下游设备、材料遭受高温高压高浓度“脏气”(水分、油雾与固体粒子等)的直接冲刷,完全颠覆了净化设备存在的意义;

 

3、未经处理的“脏气”首先进入电加热器——这是一个承压容器。高温高压高浓度“脏气”在电加热器里流动极易积炭沉垢,对该安全隐患厂家和监管部门绝不能掉以轻心;

 

4、配套离心空压机是这类干燥器被动采取的唯一“非本安”性防护措施。重化工业集中地区环境空气中就含有浓度不等的气溶胶、各类氮氧化物和2μm以下固体碳系粒子。离心机对这些杂质不起作用,大流量“脏气”会对下游设备材料造成严重污染;

 

5、后部冷却器是空压系统安全运行的薄弱环节,由运行不当或管理不当引发的爆炸事故,原“二汽”蒋其昂总师多有论述。本该露天设置的后冷器移到两塔之间成为干燥器不可或缺的组成部件,只会增大运行风险;

 

6、用作动力气源,离心空压机多数场合不如无油螺杆机。零气耗干燥器以离心机为唯一配套对象,将通用设备降格为量产不了的专用设备,这不是技术发展的方向;

 

7、利用排气“余热”自可减小电加热器功率,但再生气带入大量水分使塔间冷却器(L1)负荷增大,冷却水消耗也随之增多,关于水的重要性大家都是懂的,在此不提;

 

8、相同工况下以“高耗水”、“高压降”为代价的“零气耗”干燥器单位综合能耗(折标煤量)比鼓风热干燥器还大,与结构简约、控制可变的无热再生干燥器更不能相比;

 

9、“零气耗”干燥器体量巨大,使材耗、制造、物流、财务和售后成本大为增加,而产品气质量(压力露点、排气压力)反而下降;

 

10、在销售领域一些山寨品牌打着“零气耗”名义招摇过市,这种假冒伪劣产品极大损害了压缩空气净化行业声誉和用户利益。


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