淺析空分設(shè)備分子篩純化系統(tǒng)節(jié)能措施

徐勇

（首鋼長(zhǎng)治鋼鐵有限公司動(dòng)力廠，山西 長(zhǎng)治 046031）

近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)生產(chǎn)制造技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于生產(chǎn)設(shè)備的質(zhì)量要求也不斷提高，空分設(shè)備是制造業(yè)中的重要設(shè)備，分子篩純化系統(tǒng)則是影響空分效果的關(guān)鍵。這種設(shè)備在運(yùn)行中需要消耗大量的能源，加強(qiáng)對(duì)于空分設(shè)備分子篩純化系統(tǒng)的節(jié)能措施研究是十分必要的。

1 空分設(shè)備分子篩純化系統(tǒng)

1.1 空分設(shè)備分子篩純化系統(tǒng)的原理特點(diǎn)

分子篩純化系統(tǒng)的主要作用是對(duì)凈化空氣，保證進(jìn)入冷箱內(nèi)空氣的純凈度，使用空氣分子篩純化系統(tǒng)能夠有效清除空氣內(nèi)混雜的二氧化碳等雜質(zhì)氣體，從而避免空分設(shè)備在使用過(guò)程中出現(xiàn)堵塞爆炸等問(wèn)題，保證設(shè)備的可靠運(yùn)行以及設(shè)備安全?？辗衷O(shè)備中使用的分子篩純化系統(tǒng)一般是由兩臺(tái)分子篩吸附器配合運(yùn)行，兩臺(tái)設(shè)備處于不同的狀態(tài)，其中一臺(tái)處于吸附狀態(tài)，從周邊空氣中吸入氣體，另外一臺(tái)處于再生狀態(tài)，達(dá)到一定的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，兩臺(tái)設(shè)備切換。在分子篩純化系統(tǒng)中，除了分子吸附器之外，還需要使用加熱裝置、儀電控制裝置以及管道閥門(mén)等輔助設(shè)備。

在分子篩純化系統(tǒng)的運(yùn)行使用過(guò)程中，存在多種不同類型的能量損耗，其一是分子吸附器在吸附空氣時(shí)，空氣需要經(jīng)過(guò)管道、閥門(mén)等設(shè)備，克服阻力的過(guò)程中需要消耗能量，其二是再生能耗，再生過(guò)程中，需要對(duì)空氣進(jìn)行加熱，對(duì)污氮?dú)膺M(jìn)行處理，也會(huì)產(chǎn)生能耗，這些過(guò)程中能耗的高低與諸多因素有關(guān)，也會(huì)影響到空分設(shè)備運(yùn)行的成本和空分效果。

1.2 不同結(jié)構(gòu)形式吸附器的阻力分析

目前在行業(yè)內(nèi)使用的分子篩純化系統(tǒng)吸附器按照不同的結(jié)構(gòu)形式可以分為水平床和立式徑向流兩種不同的類型，結(jié)構(gòu)形式不同，產(chǎn)生的阻力也存在一定的差異。其中立式或臥式水平床吸附器在運(yùn)行中，從吸附器床層下方將周圍的空氣吸附到內(nèi)部，再?gòu)纳掀矫鎸⒎蛛x處理后的空氣排出。這種結(jié)構(gòu)的吸附器普遍采用雙層床層設(shè)計(jì)，上下兩層分別為分子篩和活性氧化鋁。立臥式水平床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成熟，在行業(yè)內(nèi)使用時(shí)間長(zhǎng)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上能夠避免出現(xiàn)分子篩泄漏問(wèn)題，而且床層分布均勻，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠。在制造方面，立臥式水平床的生產(chǎn)加工成本更低，能夠相對(duì)方便的完成裝卸作業(yè)。用戶在使用時(shí)，可以比較方便的完成檢查、維修作業(yè)，因此這種設(shè)備目前在國(guó)內(nèi)空分行業(yè)中的應(yīng)用更加廣泛。但是水平床吸附器的床層體積占比不足設(shè)備總體積的1/2，空間利用率較低。

立式徑向流吸附器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，在運(yùn)行使用過(guò)程中，吸附器從四周經(jīng)過(guò)外周流道將空氣徑向吸入，空氣先后通過(guò)位于吸附器筒體周邊的活性氧化鋁外層和分子篩內(nèi)層后進(jìn)入中心管并流出。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，吸附器設(shè)備總體積的一半以上都是床層空間，這種類型的吸附器設(shè)備空間有效利用率更高，可以相應(yīng)減小吸附器的規(guī)格。而且設(shè)備在使用過(guò)程中，采取立式安裝，不需要占據(jù)較大的場(chǎng)地面積。這種類型的吸附器結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，生長(zhǎng)制造難度較大，立式徑向流吸附器的內(nèi)部包括多層同心床層而且需要滿足同心要求，需要較高的制造技術(shù)要求，而且成本偏高。而且設(shè)備內(nèi)部空間小，在使用過(guò)程中不容易進(jìn)行裝卸料和設(shè)備維修。除此之外，設(shè)備使用安裝時(shí)需要滿足較高的網(wǎng)格牢固度和使用壽命。

圖1 立式徑向流吸附器基本結(jié)構(gòu)

2 吸附與再生過(guò)程阻力分析與控制措施

2.1 降低管道和閥門(mén)阻力

在對(duì)吸附器設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)計(jì)算管道的空氣阻力。同時(shí)根據(jù)設(shè)備要求的性能合理選擇使用不同尺寸的管道，比如管道的直徑、結(jié)構(gòu)形式以及彎曲半徑等，通過(guò)結(jié)構(gòu)調(diào)整來(lái)降低吸附器使用中管道的阻力。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)大型空分設(shè)備中使用的分子篩純化系統(tǒng)普遍使用三桿閥作為切換閥門(mén)，這種閥門(mén)的密封性能良好，而且在閥板和閥座密封面之間不存在摩擦，因此能夠保證閥門(mén)使用的可靠性以及使用壽命。相對(duì)于三桿閥，結(jié)構(gòu)蝶閥的優(yōu)點(diǎn)是限制開(kāi)啟壓差，避免出現(xiàn)分子篩吸附器被沖床情況的出現(xiàn)，但是在使用中這種閥門(mén)會(huì)產(chǎn)生較大的阻力，使用新型三桿閥能夠有效降低阻力。

2.2 降低再生阻力

使用串聯(lián)方式連接蒸汽加熱器和電加熱器共同完成對(duì)于吸附器設(shè)備的加熱操作中，需要適當(dāng)量降低串聯(lián)流程阻力，盡量使用自身阻力更小的蒸汽加熱器，避免導(dǎo)致污氮?dú)馀懦鰤毫Φ脑黾?。因此針?duì)這種情況，可以使用節(jié)能型蒸汽加熱器，這種加熱器采用低翅片無(wú)折流板設(shè)計(jì)，當(dāng)吸附器內(nèi)部的蒸汽壓力處于0.6MPa左右的壓力狀態(tài)時(shí)，可以采用蒸汽加熱器和電加熱器串聯(lián)的方式進(jìn)行加熱。為了更好的降低再生阻力，可以在串聯(lián)時(shí)將備用電加熱器在內(nèi)的所有通道同時(shí)開(kāi)啟，將電加熱器調(diào)節(jié)到小功率狀態(tài)，這樣能夠更好的減小阻力。

3 調(diào)整吸附器吸附時(shí)間

吸附器在使用中，吸附運(yùn)行時(shí)間會(huì)關(guān)系到系統(tǒng)的能耗，通過(guò)調(diào)整吸附器的吸附時(shí)間可以降低能耗。

3.1 調(diào)整已投用吸附器的吸附時(shí)間

在分子篩吸附器使用中，設(shè)備大小、吸附劑類型用量都會(huì)影響到吸附器的吸附時(shí)間。其中吸附劑用量主要參照環(huán)境條件設(shè)計(jì)確定。但是周邊空氣中二氧化碳含量不是固定不變的，吸附器設(shè)備的運(yùn)行也會(huì)受到季節(jié)和風(fēng)向等不同周邊因素的影響，因此吸附器的分子篩量普遍存在余量。一般情況下可以根據(jù)出口空氣中二氧化碳含量判定分子篩是否存在余量，如果變化不明顯說(shuō)明存在有一定余量，針對(duì)這種情況可以適當(dāng)延長(zhǎng)吸附器的吸附時(shí)間。相應(yīng)的，如果周邊環(huán)境中季節(jié)風(fēng)向變化，也可以根據(jù)環(huán)境變化適當(dāng)縮短吸附時(shí)間。對(duì)于大型空分設(shè)備用戶，在實(shí)際使用中可以監(jiān)測(cè)大氣中二氧化碳含量，對(duì)比實(shí)際數(shù)據(jù)和吸附器的設(shè)計(jì)值，適當(dāng)調(diào)整吸附時(shí)間。

3.2 使用更強(qiáng)吸附能力的分子篩

近年來(lái)隨著分子篩技術(shù)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)上也出現(xiàn)了更多更高性能的吸附分子篩。新型分子篩能夠?qū)崿F(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間的吸附，使用中的能耗更低。因此在用戶使用過(guò)程中，可以更換使用性價(jià)比更高、性能更好的分子篩，能夠?qū)崿F(xiàn)理想的節(jié)能收益。在更換分子篩的同時(shí)，可以適當(dāng)調(diào)整活性氧化鋁床層，有利于延長(zhǎng)吸附床層的吸附時(shí)間，降低能耗。

4 選擇合適的加熱源

在分子篩純化系統(tǒng)的運(yùn)行中，可以使用加熱器對(duì)污氮?dú)膺M(jìn)行加熱后再間接加熱吸附劑。而蒸汽熱源的加熱成本更低，如果系統(tǒng)中能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的蒸汽來(lái)源，可以選擇使用蒸汽作為再生熱源。如果蒸汽來(lái)源不穩(wěn)定或者蒸汽壓力不達(dá)標(biāo)，也可以在蒸汽加熱器的基礎(chǔ)上附加電加熱器，兩種設(shè)備串聯(lián)加熱方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)于吸附劑再生的加熱。相關(guān)實(shí)踐證明，如果在40000m3/h空分設(shè)備中采用蒸汽與電加熱器串聯(lián)的方式對(duì)吸附器再生進(jìn)行加熱，每年運(yùn)行成本可以降低約188.5萬(wàn)元，對(duì)于20000m3/h的空分設(shè)備每年可以節(jié)約近80萬(wàn)元。在1～2年內(nèi)可以收回蒸汽加熱器的投資成本。

5 吸附器操作上的節(jié)能措施

除了吸附器設(shè)計(jì)使用方面的節(jié)能之外，在操作方面可能達(dá)到技能效果。首先可以控制空氣進(jìn)口溫度，通過(guò)降低分子篩純化系統(tǒng)空氣進(jìn)口位置的溫度能夠達(dá)到一定的節(jié)能效果，但是在實(shí)際操作中也要合理控制進(jìn)口溫度，避免出現(xiàn)進(jìn)口溫度太低導(dǎo)致的結(jié)冰、失控等問(wèn)題，一般情況下吸附器設(shè)備空氣進(jìn)口溫度需要保持在13℃左右。其次是調(diào)控再生總熱量，在運(yùn)行使用過(guò)程中可以通過(guò)控制吸附器的加熱溫度、加熱時(shí)間和再生氣量等簡(jiǎn)介調(diào)控再生總熱量。可以根據(jù)加熱時(shí)的吸附器出口的最低溫度以及出口位置的吹冷峰值等數(shù)據(jù)來(lái)綜合判定熱量是否達(dá)到再生要求。一般情況下，當(dāng)吹冷峰值超過(guò)80℃時(shí)，即達(dá)到吸附器再生要求。另外，可以根據(jù)分子篩純化系統(tǒng)的使用情況改善保溫效果，使用高性能保溫材料包裹分子篩純化系統(tǒng)中使用的高溫設(shè)備、管道閥門(mén)等，一般情況下可以使用超細(xì)玻璃棉對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行保溫。同時(shí)要做好保溫材料的防水處理，避免由于加熱管道的滴水造成管道設(shè)備的熱損耗，因此需要做好外防水的包扎處理。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文分析可知，空分設(shè)備分子篩純化系統(tǒng)的能耗與周邊環(huán)境、設(shè)備結(jié)構(gòu)、操作使用等諸多因素有關(guān)，需要從多方面入手才能實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能效果。未來(lái)隨著空分設(shè)備使用的不斷增加，對(duì)于空分設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量以及分子篩純化系統(tǒng)的能耗要求也會(huì)更加嚴(yán)格，這就需要相關(guān)人員不斷加強(qiáng)對(duì)于空分設(shè)備分子篩純化系統(tǒng)節(jié)能的研究，制定更加合理的節(jié)能方案，降低系統(tǒng)運(yùn)行的能耗，更好的發(fā)揮系統(tǒng)的作用。