供風系統余熱再生零氣耗吸附式干燥器改進及優化

王大偉,王秋霞,王仲楊,南文姣

(白銀有色集團股份有限公司,甘肅 白銀 730900)

0 引言

白銀有色集團股份有限公司銅業公司經過不斷發展和多次技術升級,目前生產規模達到年產陰極銅32 萬t、硫酸102 萬t。銅業公司閃速爐動力中心余熱再生零氣耗吸附式干燥器承擔銅業公司的供水、供風任務。

現有型號為CHD2500RZ 的吸附式干燥器能提供無油干燥風,其運行流程為A 塔余熱再生/B 塔吸附階段:空壓機排出的高溫壓縮空氣進入A 塔余熱加熱再生后進入冷卻器、分離器、B 塔吸附水分后經后置過濾器排出;輔助加熱再生/吸附階段:高溫壓縮空氣經旁通直接進入冷卻器、分離器、B 塔、后置過濾器排出,同時循環風機啟動抽取約15%干燥成品氣進入輔助加熱器進行二次高溫加熱深度后再進入A 塔,并進一步深度脫附水分后再與主氣流匯合一并進入冷卻器;吹冷階段:加熱器停止運行,循環風機繼續抽取部分干氣經再生氣冷卻器進入A 塔利用塔內余熱對吸附劑進行邊吹冷邊再生。

但是該型號的吸附式干燥器在實際工作中,由于循環風機為內置結構,所以存在不容易觀察、維護檢修困難、排氣溫度等缺點,同時在二次高溫加熱深度再生抽取的干燥空氣量約為總量的15%,其攜帶余熱能量不足,吸附不徹底,從而導致露點飄逸,設備運行極不穩定。

1 余熱再生零氣耗吸附式干燥器簡介

近年來,隨著國內工業快速發展,對配套使用的設備提出了更高的要求。余熱再生零氣耗吸附式干燥器屬于目前成熟的吸附式干燥器,其零氣耗技術來源于等壓再生零排放天然氣脫水裝置成熟技術。

余熱再生技術是伴隨著離心機和無油螺桿的廣泛應用以及近十年離心機技術進步,排氣溫度下降而增加了余熱再生利用的難度,將等壓再生零氣耗技術與余熱利用整合后形成了余熱再生零氣耗吸附式干燥器。余熱再生零氣耗吸附式干燥器包含五大系統。

空壓機余熱利用系統:90%以上的再生能量來自于空壓機余熱。再生氣回收系統:采用干氣等壓加熱再生/吹冷并回收,整個過程零氣耗。輔助電加熱/二次冷卻系統:電加熱器設置在再生干氣側,電耗僅為空壓機輸入功率的0.5%～1%,當排氣溫度低于90 ℃,啟動混搭加熱,提升再生能力;二次冷卻器串聯在常規主冷卻器之后,利用現場冷水源或自配工業冷水機組。吸附干燥過濾系統:提供無油干燥空氣。智能控制管理系統:自動控制,負荷調節,遠程監測,故障顯示。實現設備低露點、低漂移、零氣耗三大功能。

2 余熱再生零氣耗吸附式干燥器主要技術參數

目前白銀有色集團股份有限公司銅業公司有一臺余熱再生零氣耗吸附式干燥器,其型號為CHD2500RZ。工藝參數流量:250 Nm3/min;工作壓力:0.5～0.8 MPa;進氣溫度≥100 ℃;再生方式:利用壓縮熱+輔助電加熱再生吸附;常壓露點≤-40℃(夏季)/≤-50 ℃(冬季)。

3 余熱再生零氣耗吸附式干燥器的結構及原理

余熱再生零氣耗吸附式干燥器內置循環風機結構圖如圖1 所示,其流程為:A 塔余熱再生/B 塔吸附階段:空壓機排出的高溫壓縮空氣進入A 塔余熱加熱再生后進入冷卻器、分離器、B 塔吸附水分后經后置過濾器排出。輔助加熱再生/吸附階段:高溫壓縮空氣經旁通直接進入冷卻器、分離器、B 塔、后置過濾器排出,同時循環風機啟動抽取約15%干燥成品氣經輔助加熱器進入A 塔進一步深度脫附水分后再與主氣流匯合一并進入冷卻器。吹冷階段:加熱器停止運行,循環風機繼續抽取部分干氣經再生氣冷卻器進入A 塔利用塔內余熱對吸附劑進行邊吹冷邊再生(PSA+PST)。

圖1 余熱再生零氣耗吸附式干燥器內置循環風機的結構圖

4 余熱再生零氣耗吸附式干燥器問題分析及改進

在實用過程中發現余熱再生零氣耗吸附式干燥器內置循環風機結構(如圖1 所示),設備在運行過程中會出現露點飄逸,排氣溫度高,不易觀察和維護檢修困難的等技術問題,嚴重影響正常生產。通過多次技術優化,將余熱再生零氣耗吸附式干燥器內置循環風機改造為外置循環風機結構,可以有效解決上述問題。余熱再生零氣耗吸附式干燥器外置循環風機結構圖如圖2 所示。

圖2 余熱再生零氣耗吸附式干燥器外置循環風機結構圖

其流程為A 塔吸附/B 塔余熱再生:空壓機排出的高溫壓縮空氣經過閥門F2、B2 進入B 塔利用系統余熱加熱再生后經法蘭B4、F9 進入水冷卻器、分離器然后經閥門A3 進入A 塔吸附水分后經閥門A1、后置過濾器排出。A 塔吸附/B 塔干氣加熱:進氣口高溫主氣流直接通過閥門F1、水冷卻器、分離器后經閥門A3 進入A 塔吸附然后經閥門A1、后置過濾器排出。再生B 塔經閥門Z4 泄壓完成后打開閥門Z3、打開閥門F6 及加熱器,取部分通過后置過濾器排除的成品氣經加熱器加熱到160～180 ℃后經閥門B2 進入B 塔進行二次高溫加熱深度再生(補償余熱能量不足),然后由閥門B4、Z3 排出。A塔吸附/B 塔吹冷再生:A 塔吸附與上述流程不變。B 塔進入閉式循環吹冷階段。離心風機繼續開啟,抽取B 塔內余氣經B2、表冷器進入離心機風機提壓后經過Z2、B4 進入B 再生塔進行吹冷,然后再經閥門B2、Z1、表冷器進入離心風機組成閉式循環,對B塔持續吹冷。

5 余熱再生零氣耗吸附式干燥器改造過程

余熱再生零氣耗吸附式干燥器改進過程如圖3所示:提供一種余熱再生零氣耗吸附式干燥器系統,包括A 塔、B 塔、進氣管。進氣管上連通有加熱管,加熱管從左到右依次設有電加熱器、后置過濾器、進氣管,從上到下依次設有表冷器、離心風機,A 塔、B塔通過回形管連通,回形管與進氣管、加熱管連通,進氣管上設有與回形管連通的連通管,連通管上設有水冷卻器、分離器,進氣管上設有與連通管連通的排氣管,排氣管上設有泄壓管,進氣管、加熱管、回形管、連通管、排氣管、泄壓管上分別設有閥門。

圖3 余熱再生零氣耗吸附式干燥器改造過程示意圖

因離心風機通過進氣管外置,所以便于工作人員觀察,維護檢修也容易,不會影響離心風機的自身溫度及損壞自身部件,而且因離心風機外置,電加熱器可以吸附更多余熱,使電加熱器攜帶余熱能量足夠吸附徹底,從而保證設備運行穩定,避免了露點飄逸的情況。整個系統的運行可分為三步,第一步為A 塔吸附/B 塔余熱再生:外部空壓機排出的高溫壓縮空氣通過進氣管、回形管進入B 塔,并利用B 塔系統余熱加熱再生后通過回形管、連通管進入水冷器、分離器,然后進入A 塔吸附水分后通過回形管、排氣管進入后置過濾器,然后再排出;第二步為A塔吸附/B 塔干氣加熱:高溫壓縮空氣通過進氣管、連通管進入水冷器、分離器后經回形管進入A 塔吸附,然后通過回形管、加熱管進入后置過濾器后排出,再生B 塔通過泄壓管泄壓后打開加熱器,經過A塔吸附的干燥空氣在進入加熱管時,約占總量15%～25%的干燥空氣會進入電加熱器內,使得吸附徹底,避免露點飄逸,而電加熱器對其進行160～180℃的加熱,然后再通過加熱管、進氣管、回形管進入B 塔進行二次高溫加熱深度再生,以補償余熱能量不足,再通過回形管、排氣管排出;第三步為A 塔吸附/B 塔吹冷再生:高溫壓縮空氣通過進氣管、連通管進入水冷器、分離器后經回形管進入A 塔吸附,通過回形管、加熱管進入后置過濾器后排出,則B 塔進入閉式循環吹冷階段,即離心風機繼續開啟,抽取B 塔內余氣經回形管、進氣管、表冷器進入離心風機提壓后經過進氣管、回形管進入B 塔進行吹冷再生,再經回形管、進氣管、表冷器進入離心風機內,從而組成閉式循環,對B 塔持續吹冷;采用離心風機可以免除原風機容器內風機較困難的保養問題,同時采用離心風機除偶爾加注潤滑脂外無需其他保養,運行可靠性也大大提高。

具體的,B 塔進行加熱吸附為PSA 再生方式,B塔進行吹冷再生為PST 再生方式。

如圖3 所示,在上述的基礎上,回形管包括連接管一、連接管二,連接管一包括通氣管一,通氣管一上設有與進氣管連通的通氣管二,通氣管一通過短管與加熱管連通,連接管二包括通氣管三,通氣管三上設有通氣管四,通氣管三、通氣管四上連通有同一連通管。在本實施例中,通氣管一、通氣管二、通氣管三、通氣管四可保證系統能順利進行A 塔吸附/B塔余熱再生、A 塔吸附/B 塔干氣加熱、A 塔吸附/B塔吹冷的運行流程;其中,進氣管與通氣管二連通有利于高溫壓縮空氣進入B 塔進行余熱加熱再生,通氣管一通過短管與加熱管連通有利于A 塔在吸附水分后進入后置過濾器內,通氣管三上設有通氣管四,便于連通連通管。通氣管一上設有閥門A 一、閥門B 一,通氣管一處于閥門A 二、閥門B 一之間的部位連通有短管。通氣管二上設有閥門A 二、閥門B 二,通氣管二處于閥門A 二、閥門B 二之間的部位連通有進氣管。連通管包括輸送管,輸送管從上到下依次設有與通氣管四連通的分支管一、與通氣管三連通的分支管二,分支管一從左到右一次設有水冷卻器、分離器,分支管二與排氣管連通,分支管二上設有閥門F 二。通氣管三上設有閥門A 三、閥門B 三,通氣管三處于閥門A 三、閥門B 三之間的部位連通有分支管一,通氣管四上設有閥門A四、閥門B 四,通氣管四處于閥門A 四、閥門B 四之間的部位連通有分支管二。進氣管處于輸送管、加熱管之間的部位設有閥門F 二,進氣管處于通氣管二、表冷器之間的部位設有閥門Z 一,進氣管處于離心風機、分支管二之間的部位設有閥門Z 二。

輸送管上設有閥門F 一,閥門F 一設在分支管一的上方。排氣管從左到右依次設有泄壓管、閥門Z 三,泄壓管上設有閥門Z 四。加熱管處于電加熱管、后置過濾器之間的部位連通有短管,加熱管處于電加熱器、短管之間的部位設有閥門F 三。

系統運行并進行第一步,A 塔吸附/B 塔余熱再生:外部空壓機排出的高溫壓縮空氣通過進氣管上的閥門F 二、通氣管二上的閥門B 二進入B 塔,并利用B 塔余熱加熱再生后通過通氣管三上的閥門B四、分支管二上閥門F 二進入水冷卻器、分離器,經冷卻和分離后的空氣通過通氣管四上的閥門A 三進入A 塔吸附水分,然后通過通氣管一上的閥門A一、短管、后置過濾器排出;進入第二步,A 塔吸附/B 塔干氣加熱:高溫壓縮空氣通過進氣管、輸送管上的閥門F 一進入水冷卻器、分離器,經冷卻和分離后的空氣通過通氣管上閥門A 三進入A 塔吸附水分,然后通過通氣管四上的閥門A 一、短管、后置過濾器排出,再生B 塔通過泄壓管的閥門Z 四卸壓后打開加熱器、加熱管上的閥門F 三、排氣管上的閥門Z 三,因閥門F 三是打開的,所以通過后置過濾器排放干燥空氣時,約占總量20%的干燥空氣會通過閥門F 三進入點電加熱器內,使得吸附徹底,從而避免露點飄逸,而電加熱器會對其進行170℃的加熱,然后再通過進氣管、通氣管二上的閥門B 二進入B 塔進行二次高溫加熱深度再生,以補償余熱能量不足,然后再通過通氣管三上的閥門B 四、排氣管上的閥門Z 三排出;進入第三步,A 塔吸附/B塔吹冷再生:高溫壓縮空氣通過進氣管、輸送管上的閥門F 一進入水冷卻器、分離器,經冷卻和分離后的空氣通過通氣管上閥門A 三進入A 塔吸附水分,然后通過通氣管四上的閥門A 一、短管、后置過濾器排出,則B 塔進入閉式循環吹冷階段,即離心風機繼續開啟,抽取B 塔內余氣并經通氣管二上的閥門B 二、進氣管上的閥門Z 一、表冷器進入離心風機提壓力后通過進氣管上的閥門Z 二、通氣管三上的閥門B 四進入B 塔進行吹冷再生,然后再通過通氣管上的閥門B 二、進氣管上的閥門Z 一、表冷器進入離心風機內,因而組成閉式循環,對B 塔持續吹冷。進氣管處于閥門Z 一之前的部分是帶壓管道,壓力≦8bar,帶壓管道能確保流速.閥門Z 三為氣動蝶閥。

6 余熱再生零氣耗吸附式干燥器改造后效果

6.1 解決設備露點飄逸

離心風機通過進氣管外置,外置的離心風機便于工作人員觀察,維護檢修也容易,而且排氣是直接排放在外,不會影響離心風機的自身溫度及損壞自身部件,同時在二次高溫加熱深度再生抽取的干燥空氣量約為總量的15%～25%,其攜帶余熱能量足夠,吸附徹底,從而保證設備運行穩定,避免了露點飄逸的情況。

6.2 解決余熱能量不足

整個系統可形成余熱、干氣加熱、鼓風閉式吹冷的再生系統,余熱是進入零氣耗余熱再生干燥器的高溫壓縮空氣攜帶的熱能,用于對干燥器水分吸附;干氣加熱是為了對經過外置離心風機干燥后的空氣通過電加熱器二次高溫加熱深度再生,補償余熱能量之不足;鼓風閉式吹冷是抽取塔內余氣經表冷器進入離心機風機提壓后對再生塔進行吹冷,將PSA+PST 兩種再生方式充分結合,同時采用鼓風大流量吹冷,可大大地緩解切換后零氣耗余熱再生干燥器的露點飄逸及排氣溫度高等問題。閥門F 三可控制后置過濾器排出的成品氣進入電加熱器的量,從而使進入電加熱器內額成品氣余熱能量足,而且電加熱器吸附成品氣更徹底,因而避免了露點飄逸的情況,使得設備運行穩定。

6.3 解決設備內部熱量排出

因型號為CHD2500RZ 的吸附式干燥器的循環風機是內置的,且干燥器是密閉的,所以干燥器內的熱量無法及時排除,再加上熱量含有一定水分,所以循環風機主軸在高速運轉過程中會發生損壞,而外置的離心風機可及時將熱量排放至外界,因而不會影響離心風機的自身溫度及破壞自身的部件。

6.4 解決對管路排出氣體降溫

拆除原內置風機及風機容置、板式換熱器及風機側再生管路,增加離心風機、表冷器及部分閥門、管路,形成余熱、干氣加熱、外置風機閉式吹冷的再生循環系統。離心風機在高速旋轉的過程中可對管道中的氣體降溫。

7 結語

余熱再生零氣耗吸附式干燥器是白銀有色集團股份有限公司銅業公司供風的核心設備,循環風機是余熱再生零氣耗吸附式干燥器的重要組成部分,經過對循環風機的改進及優化,有效解決設備的露點飄逸、溫度高、不穩定運行等問題。