紡織廠空壓機進口空氣預處理的研究

秦 莉，顏蘇芊，劉 寧，魏世祥

(西安工程大學環境與化學工程學院，西安 710048)

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紡織廠空壓機進口空氣預處理的研究

秦 莉，顏蘇芊，劉 寧，魏世祥

(西安工程大學環境與化學工程學院，西安 710048)

探討了紡織企業空壓機進口空氣預處理的必要性、節能性與經濟性。通過采用實驗測試與理論計算相結合的研究方法，對空壓機吸氣預處理方案進行對比分析，結果表明：采用機械制冷方式與噴淋室噴淋循環水結合壓縮空氣處理空壓機吸氣并不節能；企業應利用低于空壓機吸氣露點溫度的水作為冷源對空氣進行干燥降溫處理，且混合式換熱設備較間壁式換熱器優勢更明顯，同時將成品壓縮空氣作為氣體吸濕劑可使空壓機吸氣被進一步冷卻干燥；采用噴淋室結合壓縮空氣對空壓機入口空氣進行干燥降溫處理，可使某紡織企業空壓機入口干球溫度降低18.6℃，含濕量減少6.7g/kg(干空氣)，空壓系統運行能耗降低11.3%，空氣預處理初期設備投資費用大約為5.9萬元，月平均使用費用為11.7萬元，每月可減少運行成本18.12萬元，該項投資回報期約為28d，可帶來直接經濟效益6.42萬元/月，節能效益非?？捎^。

空氣壓縮機；進口空氣；溫度；含濕量；預處理

中國是一個紡織大國，而紡織又是一個高能耗的行業，現如今隨著世界范圍內能源短缺日益嚴重，國家對節能減排提出了更高的要求，因此紡織企業的節能得到了社會的廣泛關注。在紡織企業中，壓縮空氣已成為僅次于電力的第二大動力源，但其生產過程的巨大能耗，成為紡織企業節能減排的一大瓶頸。壓縮空氣是由空壓系統生產出來的，其中空壓機能耗占到了系統總能耗的96%。因此，深入挖掘空壓機運行過程中存在的節能點，對降低壓縮空氣系統能耗和企業耗能勢在必行。

目前，由于受到設備投資、運行費用的限制，紡織企業等一些工業空壓站往往僅對吸氣進行除塵過濾處理，空壓機直接吸入過濾后的室外空氣。室外空氣來源于大氣，其狀態會發生波動，這種波動導致空壓機乃至整個系統運行不穩定，嚴重時還會影響企業正常生產[1]。空壓機吸入高溫高濕空氣，會導致其排氣量與排氣壓力降低，運行能耗增加。且當空壓機吸氣溫度每升高1℃，壓縮空氣系統能耗將增加0.39%；含濕量每降低1g/kg干空氣，系統能耗下降0.59%[2]，所以空壓機進口空氣預處理已成為壓縮空氣系統乃至整個紡織行業節能減排的首要工作。

1 某紡織企業概況

某紡織企業目前設有兩個額定產氣量為650m3/min(空氣處于標準狀態下的體積流量)的空壓站，其中有油螺桿空壓站與無油螺桿空壓站各一個，總占地面積1 050m2。有油螺桿空壓站面積為592m2，全部使用Sullair公司的有油螺桿空壓機；無油螺桿空壓站面積為592m2，使用Atlas公司的無油螺桿空壓機。該企業使用地下水作為水源，且夏季平均溫度為15℃?？諌簷C進氣口設在站房外，室外空氣經過過濾除塵后直接進入空壓機，空壓機將空氣進行壓縮后送至冷卻器、干燥機進行冷卻干燥后輸送到各用氣點供用戶使用。

2 空壓機進口空氣預處理方案的研究分析

2.1 進口空氣預處理方案的確定

通過對某紡織企業空壓站進行測試，最熱月空壓機組平均產氣量為625m3/min,月平均耗電量為200.4萬kW·h；最冷月空壓機組平均產氣量為672m3/min,月平均耗電量僅為138.7萬kW·h，最冷月排氣量超過了最熱月的6.99%，而耗電量僅為最熱月的69.2%，因此該企業空壓機組對進口空氣進行預處理的節能及經濟效益非?？捎^?？諌簷C進口空氣預處理的任務就是在高溫高濕時對空壓機入口空氣進行降溫干燥處理。由于空壓機吸氣量大，若采用機械制冷方式對入口空氣進行干燥降溫處理，運行費用過高，可能會導致企業運行成本進一步增加。某市夏季空氣調節室外計算干球、濕球與露點溫度分別為35.1、25.8℃和22.6℃[3]，該企業以井水作為水源且最熱月水溫約為15℃，因此可以利用水對空壓機進口空氣進行降溫干燥處理。同時，壓縮空氣由于含濕量低，可作為一種“氣體吸濕劑”在膨脹過程中可對被處理空氣進行進一步降溫[4-5]。

當空氣分別與低于其濕球溫度與露點溫度的水接觸時，假設水量無限大，接觸時間無限長，則空氣狀態變化見圖1，其中1點為空氣初始狀態點，2點為對空氣進行降溫除濕后的終了狀態點，3點為對空氣進行等焓降溫后的終了狀態點。

t1、t2、t3分別為1、2、3點干球溫度；ts1、ts2、ts3為1、2、3點濕球溫度；d1、d2、d3為1、2、3點含濕量；h1、h2、h3為1、2、3點比焓圖1 理想條件下空氣狀態變化

由圖1可以看出，經過降溫干燥處理后的室外空氣干球溫度可降低(t1-t2)℃，濕球溫度可降低(ts1-ts2)℃，含濕量可降低(d1-d2)g/kg(干空氣)，焓值可降低(h1-h2)kJ/kg(干空氣)。經過等焓降溫處理后的室外空氣干球溫度可降低(t1-t3)℃，含濕量將增加(d3-d1)kJ/kg(干空氣)，其他參數均不變。對空氣的降溫干燥處理過程可以通過將空氣與低于其露點溫度的水利用噴淋室直接接觸或通過不同類型的換熱器，使空氣與水在換熱器表面進行熱量與質量交換來進行，將兩種空氣處理方式進行對比，結果見表1。同時對空氣的等焓降溫過程可以通過噴淋室噴淋循環水來實現。

表1 空氣處理方案對比

空氣處理方式耗水量耗電量占地面積熱質交換效率初投資噴淋室小小小高低換熱器大大大低高

通過分析，選擇使用噴淋室分別對空壓機進口空氣進行降溫除濕與等焓降溫處理，并利用壓縮空氣對吸氣進行進一步降溫同時對空氣進行干燥處理。空壓機進口空氣狀態變化見圖2，其中1點為空氣初始狀態點，2點為使用噴淋室對空氣進行降溫除濕后的終了狀態點，3點為對干燥降溫后的空氣使用壓縮空氣進一步干燥降溫后的終了狀態點，4點為對空氣進行等濕降溫后的終了狀態點，5點為對等焓降溫處理后的空氣使用壓縮空氣降溫干燥后的終了狀態點。

圖2 空壓機進口空氣狀態變化

其中：1—2過程為噴淋室對空壓機進口空氣進行降溫除濕的過程，2—3過程是壓縮空氣對空壓機吸氣進行進一步降溫干燥過程，1—4過程為換熱器對空壓機進口空氣過程,4—5壓縮空氣對空壓機吸氣進行降溫干燥過程。

2.2 噴淋室處理空壓機吸氣的分析

以某市夏季空調室外設計溫度與空壓機組額定產氣量為依據噴淋室進行設計。同時為了提高換熱效率選擇雙級對噴噴水室，并取經過噴淋深井水處

噴淋室橫斷面積f(m2)：

(1)式(1)中：G—通過噴水室的空氣量，kg/h；vρ—空氣質量流速，kg/(m2·s),常用的vρ取2.5～3kg/(m2·s)[3]。

噴淋室噴水量W(kg/h)：

W=μG

(2)

式(2)中：μ—噴水室的噴水系數，對冷卻干燥過程μ=0.75～0.8，對等焓加濕過程μ=0.5～0.7[8]。

噴淋室出水溫度tw2(℃)：

(3)

式(3)中：c—水的比熱，取4.19kJ/(kg·℃)；

噴水室熱交換效率系數：

(4)

式(4)中：tw1、tw2—水的初、終狀態溫度[8]。

對噴淋室進行設計計算，結果見表2、表3。

表2 噴淋室空氣狀態

處理過程空氣量G/(kg/h)進氣溫度t1/℃ts1/℃進氣含濕量d1/[g/kg(干空氣)]進氣比焓h1/[kJ/kg(干空氣)]出氣溫度t2/℃ts2/℃出氣含濕量d2/[g/kg(干空氣)]出氣比焓h2/[kJ/kg(干空氣)]空氣質量流速vρ(m/s)降溫除濕4543535.125.816.779181812.850.93等焓降溫4543535.125.816.7792826.923.885.93

表3 噴淋室水狀態與噴淋室設計數據

處理過程進水溫度tw1/℃水量W/(kg/h)出水溫度tw2/℃橫斷面積f/m2噴淋室噴水系數熱交換效率接觸系數降溫除濕153634823.384.210.80.971等焓降溫262726126.804.210.60.500.763

2.3 壓縮空氣處理空壓機吸氣的分析

壓縮空氣對空壓機吸氣進行除濕處理是依據是將低含濕量的壓縮空氣與空壓機吸氣混合，使混合后的壓縮空氣含濕量升高而空氣含濕量降低；它的降溫過程處理是依靠壓縮空氣膨脹而完成對空壓機進氣的降溫處理。氣風比是壓縮空氣與被處理空氣的比值，當氣風比在3%～3.5%之間時，被處理空氣溫將可達1.5℃，含濕量可降低2.8g/kg干空氣[9]。由于經過噴淋室過的壓縮空氣相對濕度為100%且經過壓縮空氣處理后的空氣直接進入空壓機進行壓縮，因此該過程干燥冷卻空氣時氣風比取3.5%，壓縮空氣消耗量為22.75m3/min，經過處理空氣參數見表4。

表4 空壓機吸氣狀態參數

空氣狀態進氣參數溫度/℃含濕量/[g/kg(干空氣)]焓值/[kJ/kg(干空氣)]出氣參數溫度/℃含濕量/[g/kg(干空氣)]焓值/[kJ/kg(干空氣)]降溫除濕后1812.850.916.510.041.9等焓降溫后2823.885.926.52181.1

3 空壓機進口空氣預處理效益分析

通過上述的分析，采用噴淋室噴深井水與壓縮空氣相結合的方式對空壓機進口空氣進行預處理可以使空壓機吸氣溫度降低18.6℃，含濕量減少6.7g/kg(干空氣)，經過處理的空氣再進入空壓機進行壓縮時，可使壓縮空氣系統運行能耗降低11.3%；采用噴淋室噴循環水結合壓縮空氣處理空氣時，可以使空壓機進口空氣溫度降低8.6℃，含濕量增加4.3g/kg(干空氣)，耗電量降低3.93%。該企業壓縮空氣系統在最熱月產氣量分別提高87.0m3/min和17.9m3/min的同時，耗電量減少22.7和7.88萬kW·h。按照某市工業用電0.8元/kW·h來計算，該企業采用噴淋室噴深井水與循環水結合壓縮空氣處理空壓機進氣時，最熱月運行成本分別減少18.12、6.30萬元。當空壓機進氣被處理后，可以降低空壓機組故障率、提高運行效率，因此實際節能、節支效果更加明顯。為了進一步驗證壓縮空氣進口空氣預處理的可行性，依據某市市場對進口空氣與處理設備投資回報期與運行費用進行計算。初期設備投資費用為58 875元，其中包括設備材料購買費47 625元和安裝費11 250元，空壓機進口空氣預處理設備運行費用主要有風機、水泵的電費和折舊費、壓縮空氣的生產費用，其中生產1m3壓縮空氣成本為0.08～0.12元[10]，取其生產成本為0.1元/m3計算壓縮空氣使用費用，結果見表5。

表5 空壓機吸氣預處理設備月平均運行費用 元

通過分析，當采用噴淋室噴深井水處理空壓機進氣時，該項投資的投資回報期約為28d，經濟效益非?？捎^；當采用噴淋室噴循環水處理空壓機進氣時，由于空氣在降溫的同時被加濕，雖然一個月可節能6.30萬元，考慮其初期設備投資與運行費用后，這種空壓機進口空氣預處理方案非但不能也節能節支，還會造成企業耗能與運行成本的進一步增加，因此這種空壓機進口空氣預處理方案在某市并不適用。該企業空壓系統通過安裝空氣預處理設備每月可為企業減少運行成本6.42萬元，按照全年使用三個月來計算，每年可為企業帶來直接經濟效益19.26萬元。同時，空壓機進口空氣經過噴淋后，其含塵量就會減少，空氣過濾器濾料的使用壽命就會相應延長，實際經濟效益將會更大。

4 結 論

通過對噴淋室結合壓縮空氣對紡織廠空壓機進口空氣進行研究分析，可以得出以下結論：

a)經過處理的空壓機進口全部進入主機內進行壓縮，若利用機械制冷方式對空壓機吸氣進行預處理，需采用全新風系統，但由于對空氣進行降溫除濕的節能節支效果有限，這樣的空氣處理方式不會帶來節能效益的同時還會造成系統能耗的進一步增加，因此并不適用。

b)對于空壓機進口空氣方案不宜選用噴淋室噴循環水結合壓縮空氣的處理過程。噴淋室噴循環水處理空氣雖然降低了空氣的干球溫度，但由于空氣的濕球溫度與焓值均增加，這樣在考慮設備運行費用后，會造成企業耗能與運行成本的進一步增加，因此這種空壓機進口空氣預處理方案并不適用。

c)在某紡織企業采用低于空壓機吸氣露點溫度的水作為冷源對空氣進行干燥降溫處理時，噴淋室較間壁式換熱器優勢更明顯，同時將壓縮空氣產氣量的3.5%作為氣體吸濕劑可使空壓機吸氣被進一步冷卻干燥，為空壓機入口空氣的除濕效果提供可靠保證。

d)將噴淋室結合壓縮空氣對空壓機入口空氣進行干燥降溫處理，可使某紡織企業空壓機入口干球溫度降低18.6℃，含濕量減少6.7g/kg(干空氣)，空壓系統運行能耗降低11.3%。初期設備投資費用大約為5.9萬元，月平均使用費用為11.7萬元，每月可減少運行成本18.12萬元，該項投資回報期約為28d，可帶來直接經濟效益6.42萬元/月，節能與經濟效益非?？捎^。

e)建議對于壓縮空氣用量大與空壓機吸氣溫濕度較高的企業，應該采取積極措施降低空壓機吸氣溫濕度，以達到為企業節能節支的目的。

[1] 高龍，周義德，楊端梁，等.噴氣織機壓縮空氣吸氣預處理的節能性分析[J].棉紡織技術，2009,37(7):59-61.

[2] 秦莉，顏蘇芊，劉寧，等.吸氣參數對無油螺桿空壓機運行能耗的影響[J].棉紡織技術，2015,43(11):43-46.

[3] 黃翔.空調工程[M].北京：機械工業出版社，2006:619.

[4] 黃翔，霍海紅，衛晨.高壓噴氣填料蒸發冷卻空調的應用于分析[J].棉紡織技術，2013(4):22-27.

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[6] 顏蘇芊.靶式撞擊流噴水室對空氣熱濕處理和噴嘴流場模擬研究[D].西安:西安建筑科技大學，2011：25-28.

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[10] 蔡茂林，權明，王偉民.紡織行業壓縮空氣系統現狀及節能潛力[C].紡織空調除塵高效節能減排研討會論文集，北京：中國紡織工程學會，2010：149-153.

(責任編輯：陳和榜)

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，江蘇無錫人，碩士研究生，主要從事紡織廠壓縮空氣優化技術方面的研究。

顏蘇芊，E-mail:746266396@qq.com

TH138.21

B

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