浅谈压缩空气后处理设备的工作原理

◇杭州山立净化设备股份有限公司 尹小平 冯中强

压缩空气是我国目前一种具备多种用途的工艺气源，同时也是仅次于电力的第二大能源，广泛被应用于冶金、机械、汽车制造、石油、化工、纺织等行业。压缩空气后处理设备在业内被统称为干燥机，主要针对空气压缩机处理后具备高温高压的空气进一步处理，除去其中含有的气态水，以期获得更好的使用性能。本文针对现有市场主流的干燥机进行简单的原理分析。

总所周知，大气中含有一定量的气态水，且受季节、地理位置以及气候条件等因素的影响，气态水含量时刻在发生着变化[1]。压缩空气中的水蒸气可以通过加压、降温、吸附等方法除去，也可以通过加热、过滤、机械分离等方法除去液态水分。经空气压缩机处理之后的压缩空气通常处于饱和状态，其相对湿度为100%，且含有诸多杂质，这种压缩空气在工业上是不能够直接使用的，需要经过后处理设备进一步进行干燥处理。

工业上一共用过三种方法对压缩空气进行干燥处理：①利用压缩空气中的水分子的分压由温度的高低决定的特性进行降温脱水吸附；②利用吸附剂对压缩空气中的水分子进行吸附的特性脱水干燥；③利用某些化学物质的潮解的特性进行脱水干燥[2]。在上述三种压缩空气设备中，第三种已被市场所淘汰，而第一种和第二种正在被广泛使用。

1 冷冻式压缩空气干燥机

根据物理学有关性质，我们可以了解到，压缩空气中的水蒸气的量是由温度决定的，在压力一定的情况下，温度越低，压缩空气中的水蒸气含量越少。降低压缩空气的温度使多余的水蒸气凝结成为液体而除去，冷冻式压缩空气干燥机（以下简称冷干机）就是利用这一原理来工作的。故冷干机具备制冷系统，而根据原理的不同制冷系统又分为水冷和风冷两种，本文着重介绍水冷系统。制冷系统由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器四大部分组成。压缩机将低温低压的冷媒气体变为高温高压的气体，由管道流向冷凝器，通过冷凝器内循环的冷却水将冷媒由高温高压的气体变为低温高压的液体；冷凝器降温之后的高压液体通过膨胀阀，使其变为低压的液体；低温低压的冷媒液流经蒸发器，与蒸发器内的空气进行热交换，降低压缩空气的温度，除去多余的水蒸气。而此时冷媒由低温低压的液体升华为气体，再次流经压缩机，进入下一次循环。

如图1所示为冷干机的工作原理，湿空气首先进入预冷器与蒸发器冷却之后的冷空气进行第一次热交换，湿空气经由预冷器流向蒸发器，与冷媒进行第二次热交换。两次热交换之后在气液分离器中把多余的水排掉，这时通过预冷器排出的压缩空气就直接可以使用了。值得一提的是，预冷器并不是冷干机的必备部件，但是现在冷干机都有预冷器。这是因为预冷器主要回收被蒸发器冷却后压缩空气所带的废冷，并利用这部分冷量来冷却携带大量水蒸气的高温气体，大大减轻了制冷系统的负荷。同时低温的空气在预冷器内得到回升，使排气管外壁不会因为温度过低而出现挂露现象。

2 吸附式压缩空气干燥机

吸附式压缩空气干燥机是利用吸附剂本身对水蒸气的毛细作用，来吸附压缩空气中的水蒸气。吸干机一般为双塔结构，其中一塔在较高的压力之下吸附水分，另外一塔在较低压力之下进行脱水再生，连续循环的工作。吸干机根据再生方式不同分为无热再生和有热再生，本文着重介绍无热再生。图2所示为冷干机的工作原理图，以A塔吸附B塔再生为例，湿空气经阀15进入A塔进行吸附，经过止回阀1流出。在出口处取成品器经调节阀5、限流板7及止回阀4进入B塔进行脱水再生。再生之后的气流通过阀14流向消音器，最终排向大气。因为脱水再生流程的气流最终排向大气，故吸干机存在气耗量。

图2 吸干机工作原理

3 鼓风热再生吸附式压缩空气干燥机

鼓风热再生吸附式压缩空气干燥机也属于吸附式压缩空气干燥机的一种，利用吸附剂对水分子的亲和作用除去多余的水，但是有略有不同。鼓风热吸干机利用鼓风机抽取环境空气经过加热后去对干燥塔的吸附剂进行再生，大大减少了成品气的消耗，如图3所示为鼓风热吸干机的工作原理，可大致分为三步，即吸附再生阶段、冷吹阶段以及均压阶段。由于均压过程只是在冷吹完成之后让两个吸附塔内的压力保持一致，在很短的一瞬间完成，本文不作详细的介绍。

（1）吸附再生阶段。湿空气从入口处经1号阀门流向A塔进行吸附，经5号阀门排出。同时鼓风机抽取环境空气经10号阀门流向电加热器，加热之后具有高温的空气经8号阀门对B塔进行再生，同时将吸附剂里的水分再走由K12排出，而再生气流通过4号阀门排向大气。吸附再生阶段的再生气由鼓风机从环境抽取，最后排向大气，故无气量消耗，最大程度地节约了能量。

（2）冷吹阶段。A塔吸附过程同吸附再生阶段一致，这里不再过多的赘述。不同的是在出口处取部分成品气经9号阀门流向电加热器（此时的电加热器处于关闭状态，只相当于一个管道），再经由8号阀门对B塔进行冷吹，冷吹之后由4号阀门把气体排向大气。这一过程虽然有气量消耗，但其消耗量远小于吸附式压缩空气干燥机，适用于要求再生耗气量小的场合。

图3 鼓风热吸干机原理图

4 压缩热再生吸附式压缩空气干燥机

压缩热再生吸附式压缩空气干燥机本质上也属于吸干机的一种，但从结构上也区别于吸干机，其与吸干机最大的区别在于首先利用空压机排出的高温气体对其中一塔的吸附剂进行加热再生，除去吸附剂中多余的水分，然后进行冷吹和均压。根据有无成品气的消耗将其分为有气耗压缩热再生吸附式干燥机和零气耗压缩热再生吸附式干燥机。压缩热吸干机的功能原理也大致分为三步：吸附再生阶段、冷吹阶段以及均压阶段。

4.1 有气耗压缩热吸附式压缩空气干燥机

（1）加热再生阶段。如图4所示，经空压机排出的高温气体经由阀门9流向A塔，首先对其进行加热再生，排出多余的水分；再通过阀门3进入后部冷却器和气液分离器进行降温和排水，再通过10号阀门流向B塔，B塔对压缩空气进行吸附处理，通过12号阀门将空气排出得到成品气。

图4 有气耗鼓风热吸干机

（2）冷吹阶段。压缩空气经过阀门7直接进入后部冷却器和气液分离器进行降温处理，排出多余的水分，再由10号阀门进入B塔进行吸附处理，最后经由12号阀门排出。与加热再生阶段不同的是，冷吹阶段需在出口处经由17号阀门取部分成品气流经13号阀门对A塔进行冷吹，冷吹气由14号阀门排出。

4.2 零气耗压缩热吸附式压缩空气干燥机

如图5所示为零气耗压缩热吸附式压缩空气干燥机的工作原理图，与有气耗相比最直接的区别在于零气耗压缩热吸干机有两个冷却器和分离器。以A塔再生B塔吸附为例：

（1）加热再生阶段。空压机排出的高温气体经过1号阀门进入A塔进行加热再生，经过2号阀门和3号阀门进入冷却器和分离器排出多余的水分再通过4号阀门进入B塔进行吸附处理，最后由5号阀门排出。

（2）冷吹阶段。高温空气首先进入冷却器和分离器进行冷却，再通过6号阀门和2号阀门对A塔进行冷吹，经过7号阀门进入第二个冷却器和分离器再次进行冷却，通过4号阀门进入B塔进行吸附处理，最后经5号阀门排出。

图5 零气耗鼓风热吸干机