機(jī)械行業(yè)常用壓縮空氣干燥裝置分類及其經(jīng)濟(jì)性分析

王華輝　隋玉冰

【摘要】根據(jù)壓縮空氣后處理設(shè)備的原理和結(jié)構(gòu)的分類，對(duì)目前工程中常見的干燥裝置原理和工作流程進(jìn)行了歸納和總結(jié)，并對(duì)后處理設(shè)備的能耗和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)費(fèi)用進(jìn)行了比較，對(duì)于設(shè)計(jì)選用具有一定的參考意義。

【關(guān)鍵詞】 吸附 干燥設(shè)備 經(jīng)濟(jì)性比較

1.引言

壓縮空氣是機(jī)械行業(yè)中一種重要的動(dòng)力能源。它被廣泛的應(yīng)用在風(fēng)動(dòng)工具，氣動(dòng)設(shè)備裝置中。壓縮空氣取自大氣，經(jīng)空壓機(jī)壓縮后，排出的壓縮空氣中含有大量的水分。機(jī)械行業(yè)對(duì)壓縮空氣中的水分含量均有一定的要求，空壓機(jī)后的壓縮空氣不能直接使用，而是需要經(jīng)過一定的干燥凈化處理，方能滿足使用要求。

根據(jù)干燥原理壓縮空氣干燥機(jī)一般可以分為冷凍式干燥機(jī)和吸附式干燥機(jī)。其中吸附式干燥機(jī)又分為無熱再生吸附式干燥機(jī)、鼓風(fēng)加熱再生吸附式干燥機(jī)、微熱再生吸附式干燥機(jī)、壓縮熱再生吸附式干燥機(jī)等。這些干燥機(jī)原理和結(jié)構(gòu)各不相同，對(duì)電、氣的能耗也各有高低，對(duì)壓縮空氣系統(tǒng)中常用干燥機(jī)的類型進(jìn)行歸納總結(jié)和經(jīng)濟(jì)性比較，對(duì)我們的設(shè)計(jì)工作具有較大的參考意義。

2.冷凍式干燥機(jī)原理

冷凍式干燥裝置是利用制冷機(jī)通過制冷劑的蒸發(fā)，形成一個(gè)局部的低溫環(huán)境。由于制冷劑的蒸發(fā)器將溫度降低壓縮到壓縮空氣的露點(diǎn)溫度，從而使得空氣中的水分析出。

冷凍式干燥裝置流程比較簡(jiǎn)單，主要是分為制冷劑的壓縮--冷凝--膨脹--蒸發(fā)--壓縮過程和壓縮空氣在蒸發(fā)器中的換熱過程。此處不再贅述，可以參考圖1。

冷凍式干燥機(jī)中沒有吸附劑，可以避免含油壓縮空氣對(duì)吸附劑的污染，所以冷凍式干燥機(jī)對(duì)于含油壓縮空氣具有良好的適應(yīng)性。但是冷凍式干燥器由于受到析出水分發(fā)生冷凝而產(chǎn)生的冰堵的影響，所以壓力露點(diǎn)最低只能達(dá)到+2°C以上，冷凍式干燥機(jī)廣泛應(yīng)用于壓縮空氣壓力露點(diǎn)要求在+3°C以上的領(lǐng)域。

3. 吸附式干燥機(jī)原理及工作流程

目前常用吸附式干燥機(jī)的種類，主要有：無熱再生吸附式干燥機(jī)、鼓風(fēng)加熱再生式干燥機(jī)、微熱再生吸附式干燥機(jī)、壓縮熱再生吸附式干燥機(jī)。

3.1 無熱再生吸附式干燥機(jī)

無熱再生吸附式干燥機(jī)基于變壓吸附原理，利用吸附劑在高壓下吸附，低壓下脫吸的特性來實(shí)現(xiàn)壓縮空氣的干燥和吸附劑的再生。吸附或者解吸過程的發(fā)生取決于吸附劑表面與壓縮空氣中水蒸氣壓力的大小。當(dāng)吸附劑表面的水蒸氣分壓力大于壓縮空氣中水蒸氣的分壓力時(shí)，發(fā)生的就是解吸過程；當(dāng)吸附劑表面水蒸氣分壓力小于壓縮空氣中水蒸氣的分壓力時(shí)，發(fā)生的就是吸附過程。無熱再生吸附式干燥機(jī)一般采用四閥式結(jié)構(gòu)。工作流程如圖2所示：干燥機(jī)開機(jī)后，干燥機(jī)A塔吸附，B塔再生。在預(yù)定的程序控制情況下，啟動(dòng)切換閥1打開，2關(guān)閉；排放閥3打開，4關(guān)閉。濕空氣進(jìn)入A塔，經(jīng)過吸附劑干燥后經(jīng)止回閥5進(jìn)入下游管線，同時(shí)一部分壓縮空氣經(jīng)過減壓閥7減壓后進(jìn)入B塔，其壓力降至接近于大氣壓，干燥的壓縮空氣進(jìn)入B塔將吸附劑中的水分帶出，通過排放閥3將含水的氣體排到空氣中。B塔再生完成后，排放閥3關(guān)塔內(nèi)的壓力升高到與系統(tǒng)壓力相同，然后才能進(jìn)行切換。當(dāng)均壓過程完成后，A、B兩塔的狀態(tài)進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)A塔再生，B塔吸附。如此周期循環(huán)，實(shí)現(xiàn)壓縮空氣干燥的過程。

無熱再生吸附式干燥機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用于再生的壓縮空氣取自干燥器后的潔凈空氣，壓力露點(diǎn)穩(wěn)定，不存在漂移現(xiàn)象。設(shè)備部件簡(jiǎn)單，維修方便。無熱再生吸附式干燥機(jī)缺點(diǎn)在于其再生耗氣量比較大，一般氣耗占比14%左右。

3.2 鼓風(fēng)加熱再生吸附式干燥機(jī)

鼓風(fēng)加熱再生吸附式干燥機(jī)利用變溫吸附原理，吸附劑在常溫下實(shí)現(xiàn)水分的吸附，在高溫下實(shí)現(xiàn)吸附劑的再生。用于吸附劑再生的壓縮空氣來自大氣，經(jīng)過鼓風(fēng)機(jī)將大氣引入系統(tǒng)，加熱后進(jìn)入再生塔進(jìn)行再生。工作流程：干燥機(jī)開機(jī)后，A塔吸附，B塔再生，在預(yù)定的程序控制情況下，啟動(dòng)切換閥2打開，1關(guān)閉；排放閥3打開，4關(guān)閉。濕空氣進(jìn)入A塔，經(jīng)過吸附劑干燥后經(jīng)止回閥進(jìn)入下游管線。B塔進(jìn)行的是再生過程，再生過程分為三個(gè)階段：加熱--冷吹--均壓。鼓風(fēng)機(jī)自環(huán)境中吸氣，經(jīng)電加熱器加熱后，達(dá)到再生需要的溫度，

進(jìn)入B塔進(jìn)行吸附劑的再生，再生結(jié)束后，電加熱器停止加熱，對(duì)高溫的吸附劑進(jìn)行吹冷，隨著吹冷的進(jìn)行，吸附劑逐漸恢復(fù)活性，由于大氣中的水分含量較多，為避免吸附劑吸附環(huán)境空氣中的水分，吹冷后期，一般均采用成品壓縮空氣進(jìn)行后期的吹冷。吹冷完成后，排放閥3關(guān)閉，B塔壓力回復(fù)到正常的壓力水平，這樣在雙塔切換時(shí)，壓力不會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。如此周期循環(huán)，實(shí)現(xiàn)壓縮空氣干燥的過程。

鼓風(fēng)加熱再生吸附式干燥機(jī)再生所用空氣全部來自于大氣，且在冷吹初期所用壓縮空氣亦來自大氣，因此，成品氣耗約為3%，相比于無熱再生吸附式干燥機(jī)14%的氣耗大大減少。鼓風(fēng)加熱再生過程中再生溫度比較高（150～300°C），再生加熱耗電量高，綜合能耗也相對(duì)較高；如果冷吹過程中時(shí)間不夠的話，出口壓縮空氣露點(diǎn)可能不滿足工藝需求。

3.3 微熱再生吸附式干燥機(jī)

用于再生的單位體積壓縮空氣經(jīng)加熱后能夠吸附更多的水分，微熱再生吸附式干燥機(jī)正是利用了這一特點(diǎn)。微熱再生吸附式干燥機(jī)結(jié)構(gòu)上與無熱再生吸附式干燥機(jī)類似，僅比無熱再生吸附式干燥機(jī)多增加了一個(gè)電加熱器。干燥器再生溫度遠(yuǎn)小于吸附劑變溫吸附所需的最低解析溫度[1]，在本質(zhì)上“微熱再生”仍屬于變壓吸附的范圍。

工作流程：干燥機(jī)開機(jī)后，A塔吸附，B塔再生，在預(yù)定的程序控制情況下，啟動(dòng)切換閥2打開，1關(guān)閉；排放閥3打開，4關(guān)閉。濕空氣進(jìn)入A塔，經(jīng)過吸附劑干燥后經(jīng)止回閥進(jìn)入下游管線，同時(shí)一部分壓縮空氣經(jīng)過減壓閥7減壓后首先經(jīng)過電加熱器，經(jīng)加熱到設(shè)定的溫度后進(jìn)B塔進(jìn)行吸附劑的再生。潮濕的壓縮空氣通過排放閥3和消聲器排入大氣中。這一階段被稱為“加熱階段“。當(dāng)加熱再生持續(xù)一段時(shí)間后，出口再生溫度達(dá)到設(shè)定值，再生氣加熱器停止加熱。未加熱的干燥空氣進(jìn)入B塔對(duì)吸附劑進(jìn)行冷卻，使其恢復(fù)到吸附時(shí)的溫度，這一階段稱為”冷吹階段“。冷吹結(jié)束后，B塔進(jìn)行均壓，最后完成整個(gè)再生過程。經(jīng)過切換后，A塔再生，B塔吸附，完成整個(gè)循環(huán)過程。

微熱再生吸附式干燥機(jī)綜合了鼓風(fēng)加熱和無熱再生的優(yōu)點(diǎn)，利用了由于吸附劑具有在低溫高壓下能夠吸收空氣中的水分，在高溫低壓下能夠解吸水分的特點(diǎn)，相比于無熱再生耗氣量較少，約為7%；相比于鼓風(fēng)加熱再生吸附式干燥機(jī)，耗電量較少。微熱再生干燥器的電加熱功率約為0.5KW/m3[2]。

3.4 壓縮熱再生式干燥機(jī)

空壓機(jī)在壓縮過程中，輸入的電能僅有小部分轉(zhuǎn)化為壓縮空氣的勢(shì)能，其中大部分都轉(zhuǎn)化為熱量，這部分熱量大都需要通過冷卻器冷卻來除去。而干燥劑再生過程需要大量的熱量，壓縮熱再生吸附式干燥機(jī)基于這一原理，利用空壓機(jī)出口高溫的空氣來進(jìn)行干燥劑的再生。

圖5 壓縮熱再生吸附式干燥機(jī)流程

壓縮熱再生的流程比較復(fù)雜，這里僅介紹一般情況下的壓縮熱再生式干燥機(jī)的工作過程，壓縮熱再生的工作過程 主要分為：

（1）第一階段：干燥機(jī)開機(jī)后，A塔吸附，B塔加熱再生，高溫壓縮空氣（約125°C）經(jīng)進(jìn)氣閥1進(jìn)入干燥器B塔，對(duì)B塔內(nèi)的吸附劑進(jìn)行加熱再生，吸收水分后的壓縮空氣經(jīng)過閥10、閥8進(jìn)入后冷卻器Ⅱ，將壓縮空氣冷卻至45°C以下，冷凝脫水后的壓縮空氣經(jīng)閥12進(jìn)入干燥器A塔進(jìn)行吸附，經(jīng)干燥后的壓縮空氣經(jīng)閥6輸出，得到凈化的壓縮空氣。（2）第二階段：A塔吸附，B塔冷吹和再生。高溫的壓縮空氣首先進(jìn)入后冷卻器Ⅰ將壓縮空氣溫度冷卻至45 ℃以下，經(jīng)冷凝脫水后的壓縮空氣經(jīng)閥7和閥10進(jìn)入B塔并對(duì)其進(jìn)行冷吹，壓縮空氣在B塔吸收熱量后經(jīng)閥3進(jìn)入后冷卻器Ⅱ，將壓縮空氣冷卻至45°C以下，然后經(jīng)氣水分離器脫水，脫水后的壓縮空氣經(jīng)閥12進(jìn)入A塔進(jìn)行吸附，經(jīng)干燥后的壓縮空氣經(jīng)閥6輸出，得到凈化的壓縮空氣。（3）第三階段：A塔吸附，B塔自冷。B塔經(jīng)壓縮空氣初步冷卻后，進(jìn)入自冷階段（有些廠家是利用干燥后的壓縮空氣進(jìn)行吹冷，自耗氣量為1%），壓縮機(jī)排氣（約125°C）依次經(jīng)過后冷卻器Ⅰ，后冷卻器Ⅱ，經(jīng)過冷凝脫水后進(jìn)入A塔，經(jīng)吸附后，干燥凈化的壓縮空氣輸出。

壓縮熱再生吸附式干燥機(jī)充分利用了空壓機(jī)排氣中的高溫?zé)崃浚涓稍餀C(jī)無自耗氣（或者1%），大大節(jié)省了能耗。由于含油壓縮空氣會(huì)引起吸附劑中毒，因此，壓縮熱再生式干燥機(jī)不適用于噴油壓縮機(jī)，而只能是無油空壓機(jī)。另外，如果空壓機(jī)排氣溫度過低，吸附劑將不能完全再生，結(jié)果是出口的壓縮空氣露點(diǎn)難以達(dá)到要求。

4、 壓縮空氣干燥裝置的運(yùn)行能耗比較

運(yùn)行能耗：為了便于壓縮空氣干燥裝置運(yùn)行能耗分析，我們從某廠家樣本上選取了處理量40Nm3/min，各種類型干燥機(jī)的電耗和氣耗。干燥機(jī)的能耗計(jì)算見表1，其相對(duì)比例大小見圖7所示。

結(jié)論1：根據(jù)圖6，我們可以看出，無熱再生吸干機(jī)綜合能耗最高，壓縮熱再生吸附式干燥機(jī)能耗最低。

結(jié)論2：根據(jù)圖7比較，我們可以看出，對(duì)于壓縮空氣后處理設(shè)備來說，設(shè)備固定費(fèi)用投資在10年費(fèi)用中的占比不大，對(duì)于壓力露點(diǎn)要求不高（+3℃以上），我們應(yīng)優(yōu)先選用冷凍式干燥機(jī)，費(fèi)用比較低。對(duì)于壓力露點(diǎn)要求在-20℃以下的情況，無油機(jī)應(yīng)優(yōu)先選用壓縮熱再生吸附式干燥機(jī)，含油壓縮空氣選擇微熱再生吸附式干燥機(jī)。

參考文獻(xiàn)：

【1】李申. 《壓縮空氣凈化原理及設(shè)備》. 浙江大學(xué)出版社.2005. P323

【2】趙斌 吸附式壓縮空氣干燥機(jī)的對(duì)比分析[J]，玻璃，2011年第8期