氧化鋁廠空壓站的設計

邱佳文 陳蓓(東北大學設計研究院(有限公司)，遼寧 沈陽 110166)

0 引言

空壓站氧化鋁廠各生產工段、通風除塵以及儀表提供所需的壓縮空氣，空壓機的作用：(1)提高壓力；(2)輸送氣體。氧化鋁廠預脫硅及高壓泵房、測流苛化、分解分級等需要壓縮空氣提料；溶出及稀釋、氫氧化鋁焙燒需要壓縮空氣吹掃；分解分級、細種子過濾及洗滌、綜合過濾需要壓縮空氣反吹過濾機；還有一些泵、氣動閥和儀表也需要壓縮空氣。

1 空壓站熱負荷計算

計算壓縮空氣熱負荷根據工藝提的壓縮空氣使用量來計算，若為間斷用氣，則取間斷用氣的最大量乘以間斷系數(一般可以取0.7)；若為連續用氣，則取連續用氣最大量，最后加和取整，就是壓縮空氣最大熱負荷。

考慮當地氣候條件、管網漏損、間斷用氣同時使用系數等綜合因素，壓縮空氣設計熱負荷=壓縮空氣最大熱負荷×1.15。

2 管徑計算

壓縮空氣管徑計算按體積流量計算：

式中：d為管道內徑；qv為工作狀態下的體積流量(m3/h)；q0為標準狀態下的體積流量(m3/h)；w為工作狀態下的流速(m/s)；t為工作狀態下，介質的溫度(℃)；p為工作狀態下，介質的絕對壓力(MPa)。

3 空壓站設備選型

3.1 空壓機選擇

螺桿機一般流量Q≤100m3/h，最大能達到120m3/h，離心機一般流量Q＞100m3/h，最小為70m3/h。根據壓縮空氣的設計熱負荷選擇選擇不同的空壓機設備，另外留有備用。

3.2 空壓站管道系統及配有的設備

氧化鋁廠的壓縮空氣一般有三種：高壓用壓縮空氣：0.6MPa、40℃；低壓用壓縮空氣：0.3MPa、40℃；儀表用壓縮空氣：0.6MPa、40℃(干燥，需配干燥機)。

選擇不同的空壓機，會對應有不同的系統。風冷螺桿機有壓縮空氣管道系統、排污管道系統，配儲氣罐。若為風冷無油螺桿機，風冷噴油螺桿機需要配有除油過濾器、除塵過濾器。水冷螺桿機有壓縮空氣管道系統、排污管道系統、循環冷卻水管道系統，配儲氣罐。若為水冷噴油螺桿機需要配有除油過濾器、除塵過濾器。水冷離心機有壓縮空氣管道系統、排污管道系統、循環冷卻水管道系統，配自潔式過濾器(帶有反吹氣系統)、消音器、除塵過濾器。

3.3 空壓機及配套設備

3.3.1 螺桿機

具有螺旋形狀旋轉活塞的容積式壓縮機，其原理是在1930年提出的，當時需要在一種變工況下大容量，穩定流動的旋轉壓縮機。螺桿壓縮機由一對隨彼此向前推動的陰陽轉子作為主要件，陰陽螺桿與機殼之間的容積減少，基于轉子長度、排氣口和節距的形狀差異決定了一個螺桿壓縮機主機的固定內壓縮比。當壓縮比和目標作業壓力相適應時可以達到最佳的工作效率。無油螺桿機得益于其外部齒輪，可以讓一對同時進行相對轉動的轉子保持轉速同步。由于不與機殼接觸的轉子之間相互不接觸，從而使壓縮腔中無需潤滑。噴油螺桿機的工作原理是將液體同時噴入壓縮腔和壓縮機軸承，以此達到壓縮機的冷卻和潤滑之目的。有良好潤滑作用的潤滑油作為噴液的常用液體，可以發揮以冷卻壓縮機主機為主、以降低氣體從進氣口露回為輔的實際作用。

3.3.2 離心式空壓機

具有徑向排氣特點的離心式空壓機，其葉輪上的葉片呈徑向狀態分布，從中央進入螺旋葉輪的空氣由于離心力的作用被甩向葉輪外圍。同時擴壓器和蝸殼可以完成動力和壓力的變換，然后進入下一個葉輪。

3.3.3 自潔式過濾器

自潔式空氣過濾器的工作原理是將空壓機入口與凈氣室出口進行連接，利用負壓的作用將將加工空氣從大氣中吸入。經過過濾濾筒的空氣中存在的灰塵顆?？梢栽贋V料的迎風表面形成一層提高過濾效果的塵膜，但是也會增大氣流的阻力。電腦根據迎風表面的阻力高限和初始阻力控制自潔系統進行粉塵的清理工作。自潔式過濾器對于粒徑≥2μm的微粒其濾除效率不應低于99.5%并且潔凈時的壓力降不應大于500Pa[1]。

3.3.4 干燥機

加熱再生吸附式干燥裝置或壓縮熱再生吸附式干燥裝置適用于工作壓力小于10MPa、單臺處理氣量大于20m3/min或工作壓力大于或等于10MPa、單臺處理氣量大于3m3/min的吸附式干燥裝置；冷凍式干燥裝置或壓縮熱再生吸附式干燥裝置適用于壓縮空氣濕度等級要求不高于5級時[1]，其優缺點對比如表1所示。

表1 余熱再生吸附式干燥機、微熱再生吸附式干燥機、冷凍式干燥機優缺點對比

3.3.5 儲氣罐

用于儲存氣體同時具有穩定系統壓力作用的儲氣罐一般由筒體、法蘭、封頭、密封元件接管、支座以及必要的安全裝置等零部件構成。以罐體材質的不同可以劃分為：碳素鋼儲氣罐、不銹鋼儲氣罐和低合金鋼儲氣罐。氧化鋁廠一般取8～10m3儲氣罐即可。

3.3.6 除油、除塵過濾器

應在空氣干燥裝置(干燥機)前后設置壓縮空氣凈化過濾器(除油、除塵過濾器)[1]。油、水、顆粒塵埃和銹是自然空氣不可避免的雜質，為了保證產品質量、降低生產損耗同時減輕維護成本，需要對這些雜志進行去除。除油、除塵過濾器可以有效提高壓縮空氣品質。

3.3.7 起重設備

應當設置檢修用起重設備的條件為：存在額定之容積流量≥20m3/min的單臺壓縮機以及空壓站之總安裝容量≥60m3/min時，起重能力應當大于檢修中空壓機組中最重的起吊部件質量[1]。

4 空壓站廠房

4.1 生產火災危險性類別和房間布置

空壓站的生產火災危險性類別：不噴油螺桿空氣壓縮機組成的空壓站為戊類；噴油螺桿空氣壓縮機或離心機組成的空壓站為丁類[1]。

空壓站靠近用氣負荷中心，考慮有擴建的可能性，宜位于有害物質場所全年最小頻率風向的下風側。裝有離心空氣壓縮機的空壓站，當單機額定功率大于或等于75kW或總臺數大于3臺時，宜為獨立建筑物[1]。

專門檢修場地的面積不宜大于一臺最大空壓機組占地和運行所需面積[1]。

應當基于符合設備拆裝起吊和通風且凈高不宜＜4m的實際需要，確定空壓站機器間屋架的梁底或下弦高度。在夏季熱但冬季冷或暖的地區同時機器之間跨度＞9m時應當設置天窗[1]。離心空壓機站的安全出口不應少于2個，且必須有1個直通室外[1]。壓縮空氣站宜設隔聲值班室[1]。

4.2 設備布局與定位

空壓機宜靠外墻布置(圖1)。

儲氣罐布置在空氣壓縮機與干燥凈化裝置之間，宜置于獨立建筑物中或位于建筑物陰面的室外[1]。

圖1 空壓站設備布局

空壓機額定容積流量10≤Q<40m3/min，壓力小于10MPa的空壓機組機器間通道的凈距[1]，離心空壓機需要抽芯，因此凈距要根據設備廠家提供的資料確定。

5 其他配套專業要求

5.1 空壓站自控

控制室設計算機控制系統。計算機顯示測量數據如下：

壓縮空氣總管壓力(壓力：P≤1.0MPa)、壓縮空氣總管溫度(溫度：T=45℃)、壓縮空氣總管流量 (流量0～QNm3/min)，除塵過濾器前后壓差、除油過濾器前后壓差。

就地儀表：(1)干燥機進、排氣口壓差(≤0.05MPa)；(2)其他就地測量儀表隨設備自帶。

5.2 空壓站電力

機器間設置380V和220V專用檢修電源；車間按規定設照明。

5.3 空壓站給排水

設備循環冷卻水量按照設備廠家提供的資料；衛生間設洗手盆，拖布池；冷卻循環水水質要求：冷卻循環水水質應符合GB/T 50050—2017《工業循環冷卻水處理設計規范》規定。