纺织厂空压机进口空气预处理的研究

秦 莉，颜苏芊，刘 宁，魏世祥

(西安工程大学环境与化学工程学院，西安 710048)



纺织厂空压机进口空气预处理的研究

秦 莉，颜苏芊，刘 宁，魏世祥

(西安工程大学环境与化学工程学院，西安 710048)

探讨了纺织企业空压机进口空气预处理的必要性、节能性与经济性。通过采用实验测试与理论计算相结合的研究方法，对空压机吸气预处理方案进行对比分析，结果表明：采用机械制冷方式与喷淋室喷淋循环水结合压缩空气处理空压机吸气并不节能；企业应利用低于空压机吸气露点温度的水作为冷源对空气进行干燥降温处理，且混合式换热设备较间壁式换热器优势更明显，同时将成品压缩空气作为气体吸湿剂可使空压机吸气被进一步冷却干燥；采用喷淋室结合压缩空气对空压机入口空气进行干燥降温处理，可使某纺织企业空压机入口干球温度降低18.6℃，含湿量减少6.7g/kg(干空气)，空压系统运行能耗降低11.3%，空气预处理初期设备投资费用大约为5.9万元，月平均使用费用为11.7万元，每月可减少运行成本18.12万元，该项投资回报期约为28d，可带来直接经济效益6.42万元/月，节能效益非常可观。

空气压缩机；进口空气；温度；含湿量；预处理

中国是一个纺织大国，而纺织又是一个高能耗的行业，现如今随着世界范围内能源短缺日益严重，国家对节能减排提出了更高的要求，因此纺织企业的节能得到了社会的广泛关注。在纺织企业中，压缩空气已成为仅次于电力的第二大动力源，但其生产过程的巨大能耗，成为纺织企业节能减排的一大瓶颈。压缩空气是由空压系统生产出来的，其中空压机能耗占到了系统总能耗的96%。因此，深入挖掘空压机运行过程中存在的节能点，对降低压缩空气系统能耗和企业耗能势在必行。

目前，由于受到设备投资、运行费用的限制，纺织企业等一些工业空压站往往仅对吸气进行除尘过滤处理，空压机直接吸入过滤后的室外空气。室外空气来源于大气，其状态会发生波动，这种波动导致空压机乃至整个系统运行不稳定，严重时还会影响企业正常生产[1]。空压机吸入高温高湿空气，会导致其排气量与排气压力降低，运行能耗增加。且当空压机吸气温度每升高1℃，压缩空气系统能耗将增加0.39%；含湿量每降低1g/kg干空气，系统能耗下降0.59%[2]，所以空压机进口空气预处理已成为压缩空气系统乃至整个纺织行业节能减排的首要工作。

1 某纺织企业概况

某纺织企业目前设有两个额定产气量为650m3/min(空气处于标准状态下的体积流量)的空压站，其中有油螺杆空压站与无油螺杆空压站各一个，总占地面积1 050m2。有油螺杆空压站面积为592m2，全部使用Sullair公司的有油螺杆空压机；无油螺杆空压站面积为592m2，使用Atlas公司的无油螺杆空压机。该企业使用地下水作为水源，且夏季平均温度为15℃。空压机进气口设在站房外，室外空气经过过滤除尘后直接进入空压机，空压机将空气进行压缩后送至冷却器、干燥机进行冷却干燥后输送到各用气点供用户使用。

2 空压机进口空气预处理方案的研究分析

2.1 进口空气预处理方案的确定

通过对某纺织企业空压站进行测试，最热月空压机组平均产气量为625m3/min,月平均耗电量为200.4万kW·h；最冷月空压机组平均产气量为672m3/min,月平均耗电量仅为138.7万kW·h，最冷月排气量超过了最热月的6.99%，而耗电量仅为最热月的69.2%，因此该企业空压机组对进口空气进行预处理的节能及经济效益非常可观。空压机进口空气预处理的任务就是在高温高湿时对空压机入口空气进行降温干燥处理。由于空压机吸气量大，若采用机械制冷方式对入口空气进行干燥降温处理，运行费用过高，可能会导致企业运行成本进一步增加。某市夏季空气调节室外计算干球、湿球与露点温度分别为35.1、25.8℃和22.6℃[3]，该企业以井水作为水源且最热月水温约为15℃，因此可以利用水对空压机进口空气进行降温干燥处理。同时，压缩空气由于含湿量低，可作为一种“气体吸湿剂”在膨胀过程中可对被处理空气进行进一步降温[4-5]。

当空气分别与低于其湿球温度与露点温度的水接触时，假设水量无限大，接触时间无限长，则空气状态变化见图1，其中1点为空气初始状态点，2点为对空气进行降温除湿后的终了状态点，3点为对空气进行等焓降温后的终了状态点。

t1、t2、t3分别为1、2、3点干球温度；ts1、ts2、ts3为1、2、3点湿球温度；d1、d2、d3为1、2、3点含湿量；h1、h2、h3为1、2、3点比焓图1 理想条件下空气状态变化

由图1可以看出，经过降温干燥处理后的室外空气干球温度可降低(t1-t2)℃，湿球温度可降低(ts1-ts2)℃，含湿量可降低(d1-d2)g/kg(干空气)，焓值可降低(h1-h2)kJ/kg(干空气)。经过等焓降温处理后的室外空气干球温度可降低(t1-t3)℃，含湿量将增加(d3-d1)kJ/kg(干空气)，其他参数均不变。对空气的降温干燥处理过程可以通过将空气与低于其露点温度的水利用喷淋室直接接触或通过不同类型的换热器，使空气与水在换热器表面进行热量与质量交换来进行，将两种空气处理方式进行对比，结果见表1。同时对空气的等焓降温过程可以通过喷淋室喷淋循环水来实现。

表1 空气处理方案对比

空气处理方式耗水量耗电量占地面积热质交换效率初投资喷淋室小小小高低换热器大大大低高

通过分析，选择使用喷淋室分别对空压机进口空气进行降温除湿与等焓降温处理，并利用压缩空气对吸气进行进一步降温同时对空气进行干燥处理。空压机进口空气状态变化见图2，其中1点为空气初始状态点，2点为使用喷淋室对空气进行降温除湿后的终了状态点，3点为对干燥降温后的空气使用压缩空气进一步干燥降温后的终了状态点，4点为对空气进行等湿降温后的终了状态点，5点为对等焓降温处理后的空气使用压缩空气降温干燥后的终了状态点。

图2 空压机进口空气状态变化

其中：1—2过程为喷淋室对空压机进口空气进行降温除湿的过程，2—3过程是压缩空气对空压机吸气进行进一步降温干燥过程，1—4过程为换热器对空压机进口空气过程,4—5压缩空气对空压机吸气进行降温干燥过程。

2.2 喷淋室处理空压机吸气的分析

以某市夏季空调室外设计温度与空压机组额定产气量为依据喷淋室进行设计。同时为了提高换热效率选择双级对喷喷水室，并取经过喷淋深井水处

喷淋室横断面积f(m2)：

(1)式(1)中：G—通过喷水室的空气量，kg/h；vρ—空气质量流速，kg/(m2·s),常用的vρ取2.5～3kg/(m2·s)[3]。

喷淋室喷水量W(kg/h)：

W=μG

(2)

式(2)中：μ—喷水室的喷水系数，对冷却干燥过程μ=0.75～0.8，对等焓加湿过程μ=0.5～0.7[8]。

喷淋室出水温度tw2(℃)：

(3)

式(3)中：c—水的比热，取4.19kJ/(kg·℃)；

喷水室热交换效率系数：

(4)

式(4)中：tw1、tw2—水的初、终状态温度[8]。

对喷淋室进行设计计算，结果见表2、表3。

表2 喷淋室空气状态

处理过程空气量G/(kg/h)进气温度t1/℃ts1/℃进气含湿量d1/[g/kg(干空气)]进气比焓h1/[kJ/kg(干空气)]出气温度t2/℃ts2/℃出气含湿量d2/[g/kg(干空气)]出气比焓h2/[kJ/kg(干空气)]空气质量流速vρ(m/s)降温除湿4543535.125.816.779181812.850.93等焓降温4543535.125.816.7792826.923.885.93

表3 喷淋室水状态与喷淋室设计数据

处理过程进水温度tw1/℃水量W/(kg/h)出水温度tw2/℃横断面积f/m2喷淋室喷水系数热交换效率接触系数降温除湿153634823.384.210.80.971等焓降温262726126.804.210.60.500.763

2.3 压缩空气处理空压机吸气的分析

压缩空气对空压机吸气进行除湿处理是依据是将低含湿量的压缩空气与空压机吸气混合，使混合后的压缩空气含湿量升高而空气含湿量降低；它的降温过程处理是依靠压缩空气膨胀而完成对空压机进气的降温处理。气风比是压缩空气与被处理空气的比值，当气风比在3%～3.5%之间时，被处理空气温将可达1.5℃，含湿量可降低2.8g/kg干空气[9]。由于经过喷淋室过的压缩空气相对湿度为100%且经过压缩空气处理后的空气直接进入空压机进行压缩，因此该过程干燥冷却空气时气风比取3.5%，压缩空气消耗量为22.75m3/min，经过处理空气参数见表4。

表4 空压机吸气状态参数

空气状态进气参数温度/℃含湿量/[g/kg(干空气)]焓值/[kJ/kg(干空气)]出气参数温度/℃含湿量/[g/kg(干空气)]焓值/[kJ/kg(干空气)]降温除湿后1812.850.916.510.041.9等焓降温后2823.885.926.52181.1

3 空压机进口空气预处理效益分析

通过上述的分析，采用喷淋室喷深井水与压缩空气相结合的方式对空压机进口空气进行预处理可以使空压机吸气温度降低18.6℃，含湿量减少6.7g/kg(干空气)，经过处理的空气再进入空压机进行压缩时，可使压缩空气系统运行能耗降低11.3%；采用喷淋室喷循环水结合压缩空气处理空气时，可以使空压机进口空气温度降低8.6℃，含湿量增加4.3g/kg(干空气)，耗电量降低3.93%。该企业压缩空气系统在最热月产气量分别提高87.0m3/min和17.9m3/min的同时，耗电量减少22.7和7.88万kW·h。按照某市工业用电0.8元/kW·h来计算，该企业采用喷淋室喷深井水与循环水结合压缩空气处理空压机进气时，最热月运行成本分别减少18.12、6.30万元。当空压机进气被处理后，可以降低空压机组故障率、提高运行效率，因此实际节能、节支效果更加明显。为了进一步验证压缩空气进口空气预处理的可行性，依据某市市场对进口空气与处理设备投资回报期与运行费用进行计算。初期设备投资费用为58 875元，其中包括设备材料购买费47 625元和安装费11 250元，空压机进口空气预处理设备运行费用主要有风机、水泵的电费和折旧费、压缩空气的生产费用，其中生产1m3压缩空气成本为0.08～0.12元[10]，取其生产成本为0.1元/m3计算压缩空气使用费用，结果见表5。

表5 空压机吸气预处理设备月平均运行费用 元

通过分析，当采用喷淋室喷深井水处理空压机进气时，该项投资的投资回报期约为28d，经济效益非常可观；当采用喷淋室喷循环水处理空压机进气时，由于空气在降温的同时被加湿，虽然一个月可节能6.30万元，考虑其初期设备投资与运行费用后，这种空压机进口空气预处理方案非但不能也节能节支，还会造成企业耗能与运行成本的进一步增加，因此这种空压机进口空气预处理方案在某市并不适用。该企业空压系统通过安装空气预处理设备每月可为企业减少运行成本6.42万元，按照全年使用三个月来计算，每年可为企业带来直接经济效益19.26万元。同时，空压机进口空气经过喷淋后，其含尘量就会减少，空气过滤器滤料的使用寿命就会相应延长，实际经济效益将会更大。

4 结 论

通过对喷淋室结合压缩空气对纺织厂空压机进口空气进行研究分析，可以得出以下结论：

a)经过处理的空压机进口全部进入主机内进行压缩，若利用机械制冷方式对空压机吸气进行预处理，需采用全新风系统，但由于对空气进行降温除湿的节能节支效果有限，这样的空气处理方式不会带来节能效益的同时还会造成系统能耗的进一步增加，因此并不适用。

b)对于空压机进口空气方案不宜选用喷淋室喷循环水结合压缩空气的处理过程。喷淋室喷循环水处理空气虽然降低了空气的干球温度，但由于空气的湿球温度与焓值均增加，这样在考虑设备运行费用后，会造成企业耗能与运行成本的进一步增加，因此这种空压机进口空气预处理方案并不适用。

c)在某纺织企业采用低于空压机吸气露点温度的水作为冷源对空气进行干燥降温处理时，喷淋室较间壁式换热器优势更明显，同时将压缩空气产气量的3.5%作为气体吸湿剂可使空压机吸气被进一步冷却干燥，为空压机入口空气的除湿效果提供可靠保证。

d)将喷淋室结合压缩空气对空压机入口空气进行干燥降温处理，可使某纺织企业空压机入口干球温度降低18.6℃，含湿量减少6.7g/kg(干空气)，空压系统运行能耗降低11.3%。初期设备投资费用大约为5.9万元，月平均使用费用为11.7万元，每月可减少运行成本18.12万元，该项投资回报期约为28d，可带来直接经济效益6.42万元/月，节能与经济效益非常可观。

e)建议对于压缩空气用量大与空压机吸气温湿度较高的企业，应该采取积极措施降低空压机吸气温湿度，以达到为企业节能节支的目的。

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(责任编辑：陈和榜)

Study on Entrance Air Pretreatment of Air Compressor in Textile Mill

QINLi,YANSuqian,LIUNing,WEIShixiang

(College of Environment and Chemical Engineering, Xi’an Polytechnic University，Xi’an 710048, China)

This paper discusses the necessity, economical efficiency and energy saving of entrance air pretreatment of air compressor in the textile mill. Experimental test and theoretical calculation were combined to carry out comparative analysis of inspired air pretreatment scheme of air compressor. The results show that the combination of mechanical refrigeration and spaying recycled water in sprinkling chamber is not applicable to compressor air pretreatment. Companies should use the water lower than the dew point temperature of inspired air of air compressor as the cold source to dry and cool air. Besides, mixed heat exchange equipment is more energy-saving than dividing-wall heat exchanger. And the compressed air as moisture absorbent can further cool and dry inspired air of air compressor. When sprinkling chamber is combined with compressed air to dry and cool entrance air of air compressor, dry-bulb temperature at the entrance of air compressor in a textile enterprise can reduce 18.6℃; moisture content can reduce 6.7g/kg (dry air); operation energy consumption of air compressing system can reduce 11.3%; The equipment investment is about 59 000 Yuan in the early stage and the payback period is 28 days. The average cost is 117 000 Yuan per month and the operation cost can lower 181 200 Yuan every month. The renovation can bring direct economic benefit 64 200 Yuan every month and the energy-saving effect is remarkable.

air compressor; entrance air; temperature; humidity; pretreatment

2015-10-07

秦 莉(1991-)，女，江苏无锡人，硕士研究生，主要从事纺织厂压缩空气优化技术方面的研究。

颜苏芊，E-mail:746266396@qq.com

TH138.21

B

1009-265X(2016)06-0056-05