影響余熱再生干燥裝置排氣露點(diǎn)因素的分析與處理

李文偉

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063200）

引言

露點(diǎn)溫度（簡(jiǎn)稱(chēng)露點(diǎn)）指空氣在水汽含量和氣壓都不改變的條件下，冷卻到飽和時(shí)的溫度。形象地說(shuō)，就是空氣中的水蒸汽變?yōu)槁吨闀r(shí)候的溫度叫露點(diǎn)溫度。對(duì)于一定含濕量的氣體，露點(diǎn)和壓力有關(guān)，與溫度無(wú)關(guān)。在鋼鐵企業(yè)里，露點(diǎn)是衡量壓縮空氣品質(zhì)的最重要的指標(biāo)之一。氣動(dòng)工具、用氣設(shè)備和儀表如果使用低質(zhì)量的壓縮空氣，會(huì)經(jīng)常發(fā)生故障，需要維修和更換，甚至將導(dǎo)致停工，影響生產(chǎn)，其損失比任何維修大得多。

1 京唐公司壓縮空氣現(xiàn)狀

京唐公司壓縮空氣按用途主要分為兩類(lèi)，一類(lèi)為儀表氣，供全公司各部門(mén)儀表及氣動(dòng)設(shè)備等使用，全年要求露點(diǎn)≤-20℃；另一類(lèi)為生產(chǎn)用氣，專(zhuān)供煉鋼連鑄使用，對(duì)露點(diǎn)無(wú)要求。

1.1 設(shè)備配置

公司儀表空氣主要由能環(huán)部16臺(tái)三級(jí)壓縮的離心式空壓機(jī)提供，單臺(tái)空壓機(jī)流量為250 m3/min，排氣壓力0.85 MPa。每臺(tái)空壓機(jī)出口配置一套余熱再生干燥裝置來(lái)保證壓縮空氣露點(diǎn)，其主要參數(shù)如下：

處理量：250 m3/min；

工作壓力：0.65～0.85 MPa（表壓）；

再生方式：利用壓縮熱再生吸附劑；

進(jìn)氣溫度：≥120℃；

吸附劑：活性氧化鋁（粒徑 ?3～?5）；

排氣溫度：≤40℃；

壓力露點(diǎn)：≤-20℃；

耗氣量：≤2%的處理量。

1.2 余熱再生原理及工藝流程

1.2.1 余熱再生原理

余熱再生干燥裝置主要運(yùn)用了變溫吸附原理，即吸附劑在低溫條件下吸附水分，在高溫條件下解吸水分。

1.2.2 工藝流程

干燥裝置一個(gè)完整的工作流程由上半周期和下半周期組成，每半周期又分為兩個(gè)階段。現(xiàn)以上半周期為例描述整個(gè)流程，下半周期類(lèi)似，不再贅述。

（1）A罐工作、B罐再生加熱階段（見(jiàn)圖1）

來(lái)自空壓機(jī)的壓縮空氣，經(jīng)電加熱器加熱后由V11閥進(jìn)入B干燥罐，加熱B罐的吸附劑后，經(jīng)V4閥進(jìn)入末及冷卻器，冷卻后的氣體經(jīng)氣水分離器分離出液態(tài)水后再經(jīng)V1閥進(jìn)入A罐，進(jìn)一步脫水，然后經(jīng)V7閥到除塵器，濾去塵埃后送入管網(wǎng)。

圖1 A罐工作、B罐再生加熱

（2）A罐工作、B罐再生冷卻階段（見(jiàn)圖2）

B罐經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的加熱后，罐內(nèi)的吸附劑得以再生，此時(shí)打開(kāi)閥V12后關(guān)閉V11及V4閥，使部份熱氣體不再流向B罐，而是全部直接經(jīng)V12閥進(jìn)入冷卻器及氣水分離器，然后由V1閥進(jìn)入A罐，再經(jīng)V7閥至除塵器輸出。

與此同時(shí)，V6閥開(kāi)啟，B罐卸壓排氣，V9開(kāi)啟，讓A罐經(jīng)冷卻及吸附干燥后的無(wú)水無(wú)塵氣體通過(guò)限流孔板DV1降壓膨脹后，流經(jīng)B罐，使B罐的吸附劑床層降溫，再經(jīng)消聲器排到大氣中。

圖2 A罐工作、B罐再生冷卻

1.3 壓縮空氣露點(diǎn)現(xiàn)狀

干燥裝置經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行后，目前壓縮空氣露點(diǎn)逐漸出現(xiàn)異常，主要表現(xiàn)在平時(shí)有個(gè)別機(jī)組露點(diǎn)偏高，到夏季時(shí)露點(diǎn)普遍嚴(yán)重惡化，最高曾達(dá)到+29℃。

2 導(dǎo)致露點(diǎn)不合格因素的理論分析

由于夏季出現(xiàn)露點(diǎn)不合格的現(xiàn)象最嚴(yán)重，所以著重分析夏季工況。由工藝流程可知壓縮空氣通過(guò)余熱再生干燥裝置時(shí)經(jīng)過(guò)了兩次脫水，第一次是通過(guò)末級(jí)冷卻器將空氣中的大部分水冷凝然后通過(guò)其后的氣水分離器去除；第二次是通過(guò)干燥劑吸附后去除。任何一次脫水效果不好都會(huì)導(dǎo)致最終露點(diǎn)不合格，因此下面從兩大方面著手分析可能影響露點(diǎn)的因素。

2.1 影響一次脫水的因素分析

一次脫水通過(guò)干燥裝置的末級(jí)冷卻器降低濕空氣的溫度使之達(dá)到飽和進(jìn)行脫水，所以末級(jí)冷卻器換熱效果差，會(huì)導(dǎo)致脫水效果差。通過(guò)分析造成換熱效果差的因素主要包括冷卻器進(jìn)氣溫度高、進(jìn)氣流量大、冷卻水溫度高、冷卻水流量小、冷卻器本身?yè)Q熱能力差。

2.1.1 進(jìn)氣溫度高

進(jìn)氣溫度越高，冷卻器所承受的熱負(fù)荷越大，換熱效果自然越差。夏季，雖然環(huán)境溫度升高，但空壓機(jī)的排氣溫度并未顯著升高。這是因?yàn)榭諌簷C(jī)采用等溫壓縮，雖然空壓機(jī)吸入空氣溫度高，但是通過(guò)空壓機(jī)級(jí)間冷卻器換熱后，進(jìn)入三級(jí)葉輪再壓縮時(shí)的溫度是相同的，所以空壓機(jī)排氣溫度基本保持不變。但這有一個(gè)前提，那就是級(jí)間冷卻器換熱效果良好。實(shí)際通過(guò)手持紅外溫度測(cè)量?jī)x對(duì)空壓機(jī)排氣溫度進(jìn)行測(cè)量，各空壓機(jī)普遍排氣溫度在90℃左右，溫度基本恒定，對(duì)換熱不構(gòu)成影響。

2.1.2 進(jìn)氣流量大

進(jìn)氣流量大意味著單位時(shí)間內(nèi)冷卻器要冷卻更多的氣體，所以熱負(fù)荷增加，換熱效果會(huì)變差。在空壓機(jī)入口導(dǎo)葉不變的情況下，空壓機(jī)排氣量是恒定的。但是在夏季，由于空氣的密度降低，雖然空壓機(jī)的排氣量不變，但質(zhì)量流量是降低的。這也就意味著進(jìn)入冷卻器的空氣是減少的，對(duì)換熱實(shí)際是有利的。

2.1.3 冷卻水溫度高

冷卻水溫度對(duì)換熱有著極大影響，水溫越高換熱效果越差。夏季，隨著氣溫的升高，冷卻水溫度普遍升高，對(duì)換熱極為不利，大量冷卻器出現(xiàn)排氣溫度偏高問(wèn)題。

2.1.4 冷卻水流量小

冷卻水流量越小，所能冷卻的空氣量就越少。由于冷卻水通過(guò)站內(nèi)自有循環(huán)水系統(tǒng)供給，可通過(guò)水泵進(jìn)行調(diào)節(jié)，流量能夠滿(mǎn)足要求。

2.1.5 冷卻器本身?yè)Q熱能力差

冷卻器為管殼式結(jié)構(gòu)形式，管束材質(zhì)為換熱效率高的紫銅，管程介質(zhì)為壓縮空氣，殼程介質(zhì)為水。一般冷卻器使用一段時(shí)間后，換熱效果都會(huì)下降，主要是因?yàn)閾Q熱管表面結(jié)垢導(dǎo)致傳熱系數(shù)降低。

2.2 影響二次脫水的因素分析

二次脫水是余熱再生工藝的主要流程，在這里將空氣中剩余的微量水分離出來(lái)。導(dǎo)致二次脫水效果較差的因素主要有壓縮空氣含水量大、再生氣瞬時(shí)流量小、再生加熱氣溫度低、再生冷吹氣溫度高、再生時(shí)間短、吸附劑劣化、閥門(mén)內(nèi)漏。

2.2.1 壓縮空氣含水量大

進(jìn)入干燥罐的壓縮空氣含水量過(guò)高，將會(huì)使得工作罐中的吸附劑快速達(dá)到吸水飽和。而此時(shí)再生罐未完成再生，工作罐也尚未達(dá)到固定的切換時(shí)間，因此后段時(shí)間吸附劑所能吸附的水越來(lái)越少，成品氣含水量不斷升高，出現(xiàn)露點(diǎn)超標(biāo)情況。一次脫水量較少或者因?yàn)槔鋮s器之后的氣水分離器分離效果差都會(huì)造成此種情況。

2.2.2 再生氣瞬時(shí)流量小

加熱和冷吹是吸附劑再生的兩個(gè)階段，前者將游離水從吸附劑中完全解吸，后者將吸附劑恢復(fù)到正常工作溫度。加熱再生氣瞬時(shí)流量過(guò)小，會(huì)降低作為熱載體的再生氣傳熱效率，造成局部過(guò)熱而大部無(wú)熱，破壞吸附劑結(jié)構(gòu)與性能，同時(shí)流量過(guò)小會(huì)使流速過(guò)低，易形成因氣流穿越吸附層短路而形成“遂道效應(yīng)”而導(dǎo)致無(wú)法均勻傳熱與有效解吸。再生冷吹氣與之類(lèi)似，流量過(guò)小會(huì)造成部分吸附劑溫度仍然很高失去吸附能力。

2.3.3 再生加熱氣溫度低

對(duì)于活性氧化鋁吸附劑只有達(dá)到120℃以上才能完全解吸水分，而來(lái)自空壓機(jī)的壓縮空氣通常最高只有90℃，需要通過(guò)電加熱器進(jìn)行加熱。如果電加熱器功率小或加熱棒損壞，再生加熱氣溫度就達(dá)不到吸附劑解吸的要求。通常溫度越高，解吸效果越好，但能耗也會(huì)升高，因此控制在120℃即可。

2.3.4 再生冷吹氣溫度高

吸附劑通常需要冷吹到40℃以下才能獲得最佳工作狀態(tài)，超過(guò)這個(gè)溫度，吸附效果將大打折扣。冷吹氣體來(lái)源于干燥完的成品氣，成品氣的溫度又和末級(jí)冷卻器的換熱效果有關(guān)，也和工作罐上一次的冷吹效果有關(guān)。空氣經(jīng)過(guò)末級(jí)冷卻器換熱后如果溫度還較高，自然冷吹效果不好。如果工作罐在上一次冷吹完溫度仍很高，那么成品氣溫度自然也高，這樣會(huì)形成惡性循環(huán)，吸附劑無(wú)法恢復(fù)到最佳工作溫度。

2.3.5 吸附及再生時(shí)間不合理

相對(duì)于工作罐吸附時(shí)間越短，吸附床一次吸附的水分越少，吸附劑的吸附率就越大。一般來(lái)說(shuō)，吸附周期越短，干燥效果越好。但對(duì)于加熱和冷吹的再生過(guò)程來(lái)說(shuō)，時(shí)間又不能過(guò)短，否則吸附劑不是尚未完全解吸就是未恢復(fù)到最佳工作溫度。所以吸附和再生時(shí)間需要合理匹配。

2.3.6 吸附劑劣化

吸附劑劣化是指使用時(shí)間長(zhǎng)后，由于疲勞或老化而引起的吸附性能的衰弱。具體表現(xiàn)在吸附“轉(zhuǎn)效點(diǎn)”急驟降低，出口露點(diǎn)快速上升。活性氧化鋁吸附劑是一種多孔性、高分散度的固體材料，其微孔有很大的表面積。吸附劑的使用壽命正常情況下可達(dá)2～4年。影響其使用壽命的因素，一是破碎問(wèn)題；另一是永久吸附問(wèn)題。目前使用壽命較短的原因主要是破碎問(wèn)題。一旦吸附劑破碎粉化，其表面積減小，吸水能力降低。

2.3.7 閥門(mén)內(nèi)漏

余熱再生裝置采用大量氣動(dòng)蝶閥，每個(gè)閥門(mén)2 h動(dòng)作一次，平均一年要開(kāi)關(guān)2200次。如此高頻次長(zhǎng)時(shí)間使用后，閥板密封處必然磨損導(dǎo)致閥門(mén)內(nèi)漏。內(nèi)漏帶來(lái)的危害就是冷熱氣體混流，造成再生加熱和冷吹出現(xiàn)問(wèn)題。

3 檢查和處理

3.1 問(wèn)題診斷

結(jié)合前面的理論分析，對(duì)4座空壓機(jī)站16套余熱再生干燥裝置進(jìn)行了逐一檢查，影響露點(diǎn)的因素有共性的也有非共性的，因機(jī)組不同存在一定差異。差異的產(chǎn)生由每臺(tái)空壓機(jī)組運(yùn)行工況及站所配置不完全相同造成。將所有檢查結(jié)果綜合起來(lái)，影響京唐公司壓縮空氣露點(diǎn)的因素主要表現(xiàn)在以下5個(gè)方面：

（1）冷卻水溫度普遍偏高，最高達(dá)到35.8℃，而冷卻器設(shè)計(jì)的最高進(jìn)水溫度為33℃。

（2）末級(jí)冷卻器殼程普遍結(jié)垢嚴(yán)重，造成換熱效果下降。

（3）部分機(jī)組吸附劑已連續(xù)使用達(dá)到3年，超過(guò)2年的更換周期，吸附劑粉化嚴(yán)重。

（4）干燥裝置的氣動(dòng)閥門(mén)普遍存在內(nèi)漏情況。

（5）個(gè)別機(jī)組加熱再生氣溫度僅達(dá)到95℃，嚴(yán)重不達(dá)標(biāo)。

3.2 處理措施

針對(duì)檢查出的問(wèn)題，制定了相應(yīng)的措施，露點(diǎn)得到有效改善。

（1）對(duì)水溫最高的軋區(qū)空壓站，鋪設(shè)了一條新管路，引進(jìn)了新的冷卻水源。新水源比原站內(nèi)水溫低2℃，此舉降低了站內(nèi)的熱負(fù)荷。

（2）針對(duì)冷卻器殼程結(jié)垢問(wèn)題，由于無(wú)法使用物理清洗方法，因此找專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家采用化學(xué)清洗法在線(xiàn)對(duì)冷卻器殼體進(jìn)行了清洗。

（3）對(duì)使用2年以上的吸附劑逐批次進(jìn)行更換。

（4）對(duì)氣動(dòng)閥門(mén)逐臺(tái)進(jìn)行了修理，對(duì)密封進(jìn)行了更換，打壓確認(rèn)不漏。

（5）對(duì)于加熱再生氣溫度低的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)電加熱器功率進(jìn)行了調(diào)節(jié)，目前加熱再生氣溫度普遍能夠達(dá)到120℃。

上述措施的實(shí)施，達(dá)到了立竿見(jiàn)影的效果，部分效果如圖3、圖4所示。

圖3 新水源對(duì)露點(diǎn)的改善情況

圖4 更換吸附劑對(duì)露點(diǎn)的改善情況

4 結(jié)束語(yǔ)

影響壓縮空氣露點(diǎn)的因素錯(cuò)綜復(fù)雜，但基本上筆者所分析的原因要素中都已涵蓋。結(jié)合理論分析，對(duì)造成京唐公司壓縮空氣露點(diǎn)不合格的原因進(jìn)行了排查，采取了有效的控制措施，壓縮空氣露點(diǎn)明顯改善。