零气损吸附式干燥技术在宁钢压缩空气系统中的应用

吕向东,曹军华,黄莉

零气损吸附式干燥技术在宁钢压缩空气系统中的应用

吕向东,曹军华,黄莉

（宁波钢铁有限公司,浙江宁波315807）

介绍了零气损吸附式干燥技术。其特点在于吸附剂的再生过程无需消耗成品压缩空气，从而节省了大量的运行成本，并对其原理、工艺流程及主要设备作了阐述。

零气损；干燥器；压缩空气

1 概述

压缩空气是气动设备的一种动力源。气动设备对于压缩空气的含水量有着非常严格的要求，过多的水份会导致设备的构件锈蚀，降低设备使用寿命，严重的时候甚至会使设备功能失效，引发更多的不良后果。而来自于大气的空气中都含有一定量的水蒸汽，经过压缩后，单位体积压缩空气的含水量还会增加，因此，作为动力源使用的压缩空气必须对其进行干燥处理。

目前，在对压缩空气进行干燥除湿处理方面，通常采取的方法有冷冻除湿和吸附干燥两种方式。冷冻除湿法耗能低，但工艺复杂，除湿范围小，适合对压缩空气露点要求不高的环境使用，而吸附干燥除湿法，除湿效果好，工艺简单，控制及操作简便，除湿稳定，但耗能偏高。宁波钢铁有限公司（以下简称宁钢）于2007年5月建成投产时，采用的就是吸附干燥除湿技术，在宁钢主厂区净化压缩空气系统中建有4套吸附干燥除湿装置，这种装置的再生过程使用的是成品干燥空气，在接下来的实际生产运行中发现压缩空气的能耗相对偏高，2013年5月通过合同能源管理的模式引进了2套零气损吸附干燥装置，以取代原有的吸附干燥除湿装置。

2 零气损吸附干燥装置工艺原理及特点

零气损吸附干燥装置采用活性氧化铝作为吸附剂。氧化铝是一种多孔性物质，每克氧化铝的内表面积高达数百平方米，其物理性质决定了对于水等分子极性较强的物质具有很强的吸附力，并且这种吸附能力会随着吸附温度的变化而发生变化，吸附温度越低，吸附剂的吸附能力越强。当含水的压缩空气通过装满活性氧化铝的吸附器时，利用前面提到的氧化铝的物理特性，把压缩空气中的水份吸附在氧化铝庞大的孔隙中，从而达到干燥压缩空气的目的。当氧化铝工作了一定时间，吸附的水份达到饱和平衡后，它就不会再吸附压缩空气中的水份，由于氧化铝具有吸附能力随温度变化而变化的特性，这时就可以对氧化铝进行加热处理，以恢复它的吸附能力。正是由于活性氧化铝本身具备的这些特性，我们可以通过加热再生的方式进行循环使用，才使得吸附式干燥工艺在实际的工业应用中得以广泛使用。

吸附式干燥的工艺过程包括吸附、加热、冷却、再次吸附等四个主要工艺步骤，以往的工艺在对吸附剂进行再生（加热、冷却步骤）时，使用的是通过干燥后的成品压缩空气，这个过程消耗的成品压缩空气约占装置处理空气量的20%左右。零气损吸附干燥装置的工艺过程同以往是一样的，最大的区别就在于再生阶段即装置的加热和冷却步骤，它不再采用成品压缩空气对吸附剂进行加热和冷却，而是采用装置自带的风机从大气环境中抽取空气对吸附剂进行再生处理，这样就实现了压缩空气吸附干燥过程的零气损。由于吸附剂的吸附能力对温度比较敏感，对压力不敏感，所以装置自带的风机无需提供较高输出压力，那么新增风机的能源消耗相对于以往20%成品压缩空气的消耗就完全可以接受。宁钢目前正在使用的零气损吸附干燥装置，相对之前的有热再生吸附干燥装置具有了如下一些特点：

（1）再生过程无需消耗成品干燥空气，再生加热阶段气源采用环境空气，冷却阶段采用系统内自身循环空气，有效降低装置能耗。

（2）采用PLC可编程程序控制器自动切换阀门，设定好相关工艺参数后，可全程实现自动化运行，无需人工操作。

（3）采用液晶触摸屏显示工作状态，能够实时监控整个工艺过程。

（4）采用固定时间切换/露点切换两种控制模式，可根据吸附剂的使用情况自由选择，提高吸附剂的使用效率。

（5）采用小口径泄压阀，不仅能有效降低装置泄压时产生的噪音，还可以避免由于泄压速度过快而造成对床层的冲击。

3 工艺流程

零气损吸附式干燥装置主要由两只交替使用的吸附器,一台鼓风机，一只电加热器，一只后部冷却器，一套切换阀门，一套控制系统组成，工艺流程简图及具体工艺过程如图1。

来自上游经压缩加压后的无油湿空气，自下而上通过吸附器，空气中所含水份被吸附剂吸附清除，干燥后的空气进入后续工艺。在切换工作时间内,一个吸附器处于吸附工作状态,另一个吸附器处于再生解吸状态，再生工艺主要由泄压、加热、加热延后、冷却、充压组成，具体工艺过程如下。

吸附：吸附器工作时压缩空气通过空气进口阀V11（V12），进入吸附床层，然后经空气出口阀V13（V14）出系统。

再生：吸附器再生共分五步，依次分为泄压、加热、加热延后、冷却、充压。

（1）泄压：当两个吸附器在切换时间结束后，AD1进入吸附，AD2进入再生。首先将AD2剩留在容器内的带压空气排放出去，动作实现是打开V22，排放时间控制在3 min，时间到，结束泄压步骤。

（2）加热：泄压结束，AD2进入加热阶段。分别打开V18、V20、V51、V53、V55，然后启动鼓风机，启动电加热器，环境空气经过吸气过滤器、吸气进口阀V55进入鼓风机，增加一定压力后，进入电加热器加热空气至200℃，然后经加热阀V53、经过再生气进口阀V18进入吸附剂床层，对吸附剂加热解吸，被解吸出来的水份随再生气体经再生气出口阀V20、V51经过消音器排入大气。加热阶段，加热再生温度控制在200℃，加热时间控制为164 min。当加热时间结束，关闭加热器。

（3）加热延后：当加热时间结束进入加热延后期，关闭加热器，方法是不改变阀门动作，继续由环境空气吹扫，吸收加热器余热，加热延后时间控制在8 min。

（4）冷却：当结束加热延后期，进入冷却期，冷却用再生气采用循环空气，方法是先提前5 min打开V56，然后分别打开V52、V54，同时分别关闭V51、V53、V55，鼓风机从系统内负压抽取空气，经过鼓风机，增加一定压力后，经过鼓风出口阀V52，进入再生气出口阀V20，由下向上进入吸附床层，对所加热吸附床层进行冷却，以期达到可以进入吸附工作。从吸附器出来的再生气经过V18、V54，然后进入后部冷却器降温，继续在鼓风机增压，冷却时间控制在62 min,冷却时间到，结束冷却。

（5）充压：当AD2即将转入下一切换周期前，必须将再生的吸附器内压力充压至吸附工作压力。方法是打开V16，然后自动打开V28，空气自动从AD1充入AD2，当充压时间到，两个吸附器此时达到压力平衡，充压时间控制为3 min，充压时间到，等待切换。

切换：当AD2再生完毕，AD1吸附工作结束，两个吸附器应进行切换使用，关闭V16，打开V12，关闭V11，此时两个吸附器完成切换进入下一周期。投入吸附的吸附器在开始投入吸附工作之其始，由于吸附热的原因，出口温度会比入口温度高约15～25℃，工作一定时间后，出口温度约高5～10℃左右。

4 主要设备

（1）吸附器

吸附器结构由下部筛网、上部扩散器、装料口、人孔和保温夹层所组成。下部筛网用于支撑所填装吸附剂，同时起到将入口空气在进入吸附剂床层之前，进行气流沿床层截面均布化，以保证空气在床层截面吸附的均匀，另外的作用是阻挡吸附剂的粉末带入系统管路。下部筛网由支撑结构件、孔板和上下两层丝网组成。上部扩散器的作用是使进入吸附器的再生气有一个良好的气流分布，同时也阻挡吸附剂的粉末带入系统管路。人孔的作用是检修内部结构件之用，另外吸附剂的排放也从人孔排放。床层布置为双层布置，上层填装分子筛，下层填装活性氧化铝，所填装吸附剂分别是为空气干燥专用吸水性极好的活性氧化铝和分子筛。吸附器保温结构是碳钢外壳，其中的夹层填充良好的绝热性能的超细玻璃棉的绝热材料，这种保温结构具有良好的保温作用，以减少再生加热时热量散发。

（2）电加热器

电加热器内部置有53支管状电热元件，电热元件被固定在管板上呈均匀布置，电热元件与管板是焊接结构，并成束形成电加热芯，电加热器装机功率92.82 kW，使用功率70.98 kW，共分二组功率：运行功率组43.68 kW，调节功率组27.3 kW。加热时当再生气进入电加热器，两组功率同时用加热器加热至所需加热温度，当加热温度达到200℃，关闭调节功率组，致使加热温度下降至190℃，控制部分重启调节功率组。加热温度控制在190～200℃范围内，当由于某种原因仅投入运行功率组工作时，但加热温度继续升高至超过200℃时，控制部分在达到240℃时，关闭运行功率组。为了防止电加热器没有气体流量而导致干烧，电加热器内还设置炉内过温保护，当炉内温度超过350℃，温度控制器自动关闭电加热器。

（3）后部冷却器

后部冷却器是结构型式为管壳式换热器，空气走管程，冷却水走壳程，高温空气与冷却水进行热交换，使得来自从吸附器出来的高温再生气由200℃左右降温至40℃左右，后部冷却器内换热管为光铜管，具有传热效率高，在壳程中设置了多块折流板，增加冷却水侧换热的扰动，以增加壳程换热系数。

（4）鼓风机

鼓风机的机型为旋涡鼓风机，它的作用是为环境空气吸入后，增加一定压力以便能克服系统阻力，产生再生风量对吸附器进行再生。

（5）控制气源单元

系统为气动阀门专门设配置控制气源单元，其气源从主管路引出一部分干燥空气作为控制气源，其流程走向是控制气源从主管路引一管路，先进入气源处理件，减压至控制气所需的0.5 MPa，向气动阀门提供干燥清洁气源。

（6）控制显示部分

仪电控系统包括有PLC程序控制器，彩色触摸屏，显示仪表及控制元件所组成，所有元器件安装在仪电控柜。本干燥机工作阀门在运行过程中，由程序控制器实现过程自动控制，程序控制器可通过触摸屏对过程参数进行设定，通过上述功能实现保证干燥机组安全正常运行。流程中还设置鼓风机压力开关，用于低压保护，当鼓风机压力低于10 kPa，压力开关信号送入控制器，关闭鼓风机、并关闭干燥机。在空气进口设置分别高压低压压力开关用于确认吸附器充压、放压完成程度，否则系统就停机,充压联锁值0.5 MPa，放压联锁值0.1 MPa。本装置设计有露点切换模式，当程序设置为露点模式时，在4小时切换时间内空气露点低于设计值-40℃值，程序自动延长充压时间，最大延长时间为900 min，直至露点逐渐升至-40℃，方进行两塔切换。此外还有鼓风机入口温度超过50℃联锁保护、冷却水断水保护联锁保护。

5 运行实绩

用每生产1000 m3所消耗的电量作为压缩空气的能耗指标，表1统计了2012年、2013年及2014年上半年的压缩空气能耗指标。

从表1的统计数据可以看出，零气损吸附干燥装置的投用有效地降低了压缩空气的能耗，按照每年压缩空气产量5亿m3计算，年节约电量达到250万kWh。通过1年多时间的实践检验，零气损吸附式干燥技术在宁钢压缩空气系统中的应用是成功的。

Application of Zero Loss Absorption Drying technology in the Compressed Air System of Ningbo Steel

Lv Xiangdong,Cao Junhua,Huangli
（Ningbo Iron&Steel Co.,Ltd.Ningbo,Zhejiang 315807,China）

The zero-loss adsorption drying technology is introduced.The characteristics of the drying technology lie in that the regenerating process of absorption agent does not consume compressed air,which saves significant operation cost.The principle,process flow and main equipment of the system are also discussed.

zero gas loss;dryer;compressed air

TH138

B

1006-6764（2015）01-0027-04

2014-08-05

吕向东（1974-），男，工程师，现从事动力运行技术管理工作。