危廢處置工廠空壓站的系統設計及節能設計探索

周亮

上海叢麟環保科技股份有限公司，上海，201102

0 引言

根據危險廢物處置工廠生產特點，所處置的物料種類多樣，物料處置方式調整頻繁，因此多套裝置為間歇運行，壓縮空氣用氣量大、波動大是該類工廠的顯著特點，合理規劃此類工廠的壓縮空氣系統、并且最大限度利用空壓機組產生的廢熱，一直是個難題。因此，該類工廠空壓站系統相關設施的規劃設計對全廠高效低耗運行具有重要意義。

1 空壓站的系統規劃

該工廠屬于綜合性危險廢物處置工廠，處理能力大，用氣量大，用氣量波動較大。該工廠部分裝置和罐區設置了氮封體系，設置了氣動閥門、氣動隔膜泵、布袋除塵器反吹、噴槍冷卻、激波吹灰、氣力輸送系統等。因此系統運行需要的氣源種類為干燥壓縮空氣、儀表空氣、高純氮氣。

根據各規劃裝置用氣情況，統計如下，干燥壓縮空氣消耗量為5294 Nm3/h（正常），最大6244 Nm3/min；儀表空氣消耗量為578 Nm3/h（正常），最大745 Nm3/min；氮氣消耗量為832 m3/h（正常），最大966 m3/min；原壓縮空氣正常消耗量約142.8 m3/min。

考慮綜合工況配置了3臺60Nm3/min的微油螺桿空壓機，利用原有的兩臺30Nm3/min微油螺桿空壓機（作為備用）。配制制氮機1套（1000Nm3/h），氮氣增壓機1臺（60Nm3/h），微熱吸附干燥機1臺（20Nm3/min），冷凍干燥機（60Nm3/min）2臺，冷凍干燥機（45Nm3/min，制氮機專用）1臺[1]。

2 空壓站的系統設計及控制方案

2.1 制氮系統設計

主要設備名稱：PSA制氮機組、空氣緩沖罐、氮氣緩沖罐，氮氣儲氣罐、風冷冷凍干燥機、氮氣壓縮機，與整個系統配套的管路和電控系統（含本系統所需的電氣柜、控制柜、控制開關、顯示屏等）。

氮氣（0.6MPa）用途：凈化后的壓縮氮氣，壓力0.6MPa（G），常壓露點不大于-40攝氏度，含油量不大于0.1ppm，為裝置各工段提供氮密封氣源、敏感物料轉運動力源以及吹掃氣源等。

氮氣（1.0MPa）用途：凈化后的壓縮氮氣，壓力1.0MPa（G），常壓露點-23攝氏度，含油量不大于0.1ppm，為裝置某些工段高壓部分提供氮密封氣源以及吹掃氣源等。

2.2 制氮系統運行方式

系統配置1臺PSA制氮機（1000Nm3/h，99.5%純度，進氣壓力0.7～0.8MPa），1臺壓縮空氣冷凍干燥機（60Nm3/min，排氣常壓露點-23攝氏度，進氣壓力0.8MPa），1臺氮氣工藝罐（碳鋼，5.0m3，0.6MPa）。1臺6公斤氮氣儲罐（碳鋼，5.0m3，0.6MPa），1臺10公斤氮氣儲罐（碳鋼，2.0m3，1.0MPa），1臺氮氣增壓機（1.0m3，進氣0.6MPa，排氣1.0MPa）。

空壓機制備的壓縮空氣粗濾后進入制氮裝置冷干機，干燥后的空氣通過精密過濾器后處理合格的氣體進入制氮機，經檢測純度合格的氮氣一部分通過儲罐進入廠區氮氣（0.6MPa）管網，另一部分通過氮壓機加壓后經過儲罐進入廠區氮氣（1.0MPa）管道。

2.3 空壓系統設計

設備名稱：空氣壓縮機組、儲氣罐、微熱吸附干燥機、冷干機以及與整個系統配套的管路和電控系統（含本系統所需的電氣柜、控制柜、控制開關、軟啟動器、變頻器等）。

壓縮空氣用途：從空壓機出來的壓縮空氣，壓力0.8MPa，常壓露點-25攝氏度，含油量不大于0.1ppm，為制氮系統和儀表空氣系統供氣，為噴槍霧化、布袋反吹、燃燒器霧化、氣動隔膜泵等供氣。

儀表空氣用途：氣源需求壓力0.7MPa，常壓露點-40攝氏度，含油量不大于0.01ppm，為氣動執行機構供氣（如氣動調節閥、氣動開關閥等）。

2.4 空壓系統運行方式

空壓系統配置2 臺緩沖空氣罐（1 0 m3，0.8MPa），3套精密過濾器（包含C級、T級、A級，設計進氣壓力0.8MPa），2臺冷干機（70Nm3/min，0.8MPa），1套微熱吸附干燥機（0.8MPa，排氣量27Nm3/min），系統配置3臺空壓機，空壓機參數（排氣量64.5m3/min，0.8MPa），2臺工頻空壓機，1臺變頻空壓機，配置2臺軟啟動柜、1臺變頻柜。制氮裝置空氣預處理系統以及儀表空氣處理系統，處理合格的氣體分別進入廠區裝置空氣管網，儀表空氣管網以及制氮系統。具體方案詳見圖1空壓站各系統設計方案。

3 空壓機系統的節能設計

在我國，目前空壓機的總耗電量已接近3200億kWh，為了節能和減少二氧化碳排放，在技術和投資允許的情況下，降低空壓系統的能耗顯得尤為重要[2]。

對本項目的各空壓機進行自動節能控制是控制空壓機低水平能耗的有效手段，因此本系統配置了聯控功能組件（聯控柜）：本系統中的空壓機/冷干機/微熱吸附干燥機都具備聯控功能，并要求每一臺空壓機都可以作為主機控制其他空壓機/設備的運行。

對聯控基本功能說明如下：聯控的主要作用是控制2臺工頻和1臺變頻空壓機的啟停（加/卸載）和變速調節，可以手動調節壓力上限和下限，監控三臺空壓機的運行狀態，具備存儲器，保存和實時監控各機組運轉狀態信號，具備RS485通訊協議接口，可實現與其他空壓機或我方DCS系統遠程通信的功能。聯控功能和單機控制功能可切換。當系統負荷小的時候可以自動關閉1臺冷干機和進口開關閥，實現節能控制，并在系統負荷增加超過一臺干燥機干燥能力時，打開另一臺干燥機，兩臺干燥機可實現主機輔機切換。

a）在聯控狀態下，按下系統啟動按鈕，通過變頻器啟動A機組（變頻），變頻器輸出頻率由低至高逐級調節，直到達到壓力下限值，頻率根據氣量變化，自動調節。若變頻器調節到最大頻率，系統壓力仍未達到壓力下限值，一段延遲時間后，通過軟啟動系統啟動B機組（工頻），體系輸出壓力上升，若輸出壓力達到系統設置的上限值，則降低A機組配套的變頻器輸出頻率，直到達到系統設定的壓力下限值，系統穩定運行。若變頻器調節到最大頻率，系統壓力仍未達到壓力下限值，一段延遲時間后，通過軟啟動系統啟動C機組（工頻）后，系統輸出壓力上升，壓力達到上限值。調節A機組變頻器輸出頻率，頻率由高至低逐級調節，直到達到壓力下限值，系統穩定運行。

b）廠區壓縮空氣消耗氣量減少時，降低變頻器的頻率，穩定系統的壓力。當變頻器頻率降低到設定值時，系統壓力仍為上限值，一段延遲時間后，發出卸載指令，卸載其中1臺工頻空壓機（B/C）。自動調節A機組變頻器輸出頻率，直到達到壓力下限值，系統穩定運行，一段延遲時間后，關閉已經卸載的1臺工頻空壓機（B/C）。當廠區壓縮空氣消耗氣量進一步減少時，降低變頻器的頻率，穩定系統的壓力。當變頻器頻率降低到設定值時，系統壓力仍為上限值，發出卸載指令，卸載正在運行的1臺工頻空壓機（B/C）。同時自動調節A機組變頻器輸出頻率，直到達到壓力下限值，系統穩定運行，一段延遲時間后，關閉已經在卸載狀態下的1臺工頻空壓機（B/C）。

通過以上的調節，空壓站內設備可以實現恒壓供氣的同時，最大限度使站內能耗達到較低水平。

4 空壓機組的余熱綜合利用

4.1 空壓機組余熱情況

本項目空壓站現有3臺型號為M355-8的水冷噴油螺桿空壓機，額定功率為355 kW，額定排氣壓力為0.8 MPa，額定產氣量為每臺62 m3/min，單臺空壓機滿負荷運行的熱量交換需求為1045 MJ/h，油流量為390L/min，經過油冷卻器和后冷卻器后的冷卻水壓降0.85 bar[3]。在水冷機組的冷卻水基礎上增加1套供熱的上回水管路，冬季切換為供暖線路，夏季切換為循環冷卻水。夏季工況：利用廠區800m3/h涼水塔，輸入的冷卻循環水流量最大為108m3/h，上水溫度25℃，回水溫度32℃[4]。

4.2 空壓機組余熱利用情況

1）供熱條件：根據空壓機組的熱交換需求和廠區現有房間供暖面積情況，本工程利用機組余熱對廠區供熱，廠區總供熱面積約為5800m2（含綜合辦公樓4600m2和輔助生產用房1200m2），室內配置的鋼制暖氣片600mm高（TLE-6，中心距600mm，高度645mm，片距80mm，每組7柱，最大供熱量每組840w），單組散熱面積約1.45m2，共計645組，散熱器的總安裝面積約935m2。

2）供熱系統介紹，供熱回水依次經過后冷卻器和油冷卻器溫度從34℃升溫到49℃，三臺空壓機的供熱回水并聯運行，設循環熱水罐1臺（安裝），循環泵2臺（60m2/h，45m，11kW，1用1備），實際總供水量為55m2/h，進出空壓機組換熱器的上水母管管徑150，上回水管道總長度570m，泵出口壓力0.49MPa。空壓機組的后冷卻器進水壓力為0.36MPa，出油冷卻器的水壓為0.28 MPa，系統總阻力0.34MPa，系統平穩運行。

3）供熱效果介紹，管路采用30mm橡塑進行保溫，從空壓站至最遠端溫度損失為3℃，所供熱的建筑物都做了外墻保溫，室外溫度最低-10℃。在室內最冷的季節實測平均室內溫度18.5℃（陰面）以上。采暖期為11月初至次年4月初。供暖改造前冬季供暖采用中央空調，每年取暖季的電耗約為95500kWh。經過供熱改造，年節約空調電量8.6萬kWh，且循環水塔的出來循環冷卻水，每年可節約新鮮水6300t（循環水蒸發和排污后的補水）[5]。

本空壓機組余熱回收系統主要方案見圖2空壓機組余熱回收系統設計方案。

5 結語

國家各級能源部門、各生產企業等都對壓縮空氣系統節能技術的能源節約提出了要求，中大型空壓機組耗電量大，因此做好系統匹配和節能設計都具有重要的意義，從國內外壓縮空氣系統節能技術的發展可以看出，未來的節能研究方向主要趨于以下幾個方面：機組本身的節能設計及對余熱的綜合利用，需要根據每個空壓站的特點，針對性地全面考慮，同時還需要加強對相關技術的研究，確保所采用的節能措施能夠有效降低生產、生活能耗。