通過國標GBT2589-2008分析“壓縮熱”吸附式干燥機的能耗壓縮熱干燥器數(shù)學模型與流程描述 眾所周知， 吸附式干燥機 成品低露點是以再生高耗能為代價的。周期內(nèi)吸水總量決定了再生能耗，將氣態(tài)水帶出塔外決定了干燥器耗氣量。 吸附劑完......
壓縮熱干燥器數(shù)學模型與流程描述
眾所周知，吸附式干燥機成品低露點是以再生高耗能為代價的。周期內(nèi)吸水總量決定了再生能耗，將氣態(tài)水帶出塔外決定了干燥器耗氣量。
吸附劑完全再生有2個標志：
?。?）吸附床水分全部汽化并離開塔體，即恢復(fù)到原始“干燥”狀態(tài)；
?。?）吸附床溫度恢復(fù)到原始狀態(tài)。
一個受過良好科學訓(xùn)練的工程技術(shù)人員，必然會接受一個約定俗成的方法論秩序：任何新穎的概念敘述，必須要有清晰的、符合實際的普適前提和嚴密而翔實的數(shù)據(jù)平臺支撐；對任何非規(guī)范、有歧義的論述都有深入探討的必要。
“壓縮熱”再生干燥器，目前國內(nèi)沒有統(tǒng)一的標準、統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)和統(tǒng)一的流程，實際上還處于初級技術(shù)探索階段。
“物理吸附”與任何過程變化一樣有一定的共遵規(guī)律：“穩(wěn)定系統(tǒng)邊界內(nèi)的流程無論如何變化，進出系統(tǒng)能量守恒”。以此可以構(gòu)建如圖1所示的“壓縮熱”干燥器數(shù)學模型。圖中省略了與再生熱量交換及傳遞無關(guān)的流程，另外作為“零氣耗”的吹冷流程在圖1中也未予顯示，將在文中另作定性討論。
圖1中再生塔標記為B，吸附塔標記為A.。其流程為：從空壓機末級出來的一股壓縮空氣首先進入電加熱器升溫后對B塔吸附劑進行加熱再生，它從B塔流出后與另一股氣流匯合（未畫出），經(jīng)“塔間水冷卻器”冷卻后通過分離器（未畫）進入A塔脫水干燥，排入用氣管網(wǎng)。
兩級壓縮空壓機的排氣溫度約在125℃左右，離開空壓機排氣口后“氣分兩股各奔前程”。經(jīng)計算作為“再生”股的氣流（圖中1-2段）約占了總氣量的25%，其余75%左右“主流股”在“塔間水冷器”前端與“再生股”匯流。
解吸氣流在沿進途中要相繼克服電加熱器和吸附床層的阻力，攜帶著更多水分出塔時已“能損壓降”。壓力不同的氣流不能用“平均值”相混。但定性結(jié)論無疑是“主流股”降壓（這是“能量向低流”的自然結(jié)果），即混流氣體壓力必定低于原先高壓股氣流壓力。其“空氣動力學”解釋是：不同壓力氣流混合時形成的湍流激波漩渦等復(fù)雜流型會消耗流體本身能量。
另外，氣流通過管道、物料層及轉(zhuǎn)角、閥門、擴徑、縮孔時會產(chǎn)生摩擦損失和局部損失，流程復(fù)雜的“壓縮熱”干燥器壓力損失比其他吸附式干燥機更大。
壓力損失當然屬能量損失。大致估算：若其他類型吸干器進排氣壓力降為0.03MPa左右的話，那么“壓縮熱”干燥器的壓力損失要在0.05 MPa以上。排氣壓降與功率損耗的關(guān)系可參見文獻[1]。
用以比較，圖2是通用氣源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[2]，空氣干燥器是系統(tǒng)中一個設(shè)備。
“壓縮熱”干燥器取消了空壓機與干燥器間的許多設(shè)備（如后部冷卻器、儲氣罐及油過濾器等）——“裸氣”直達電加熱器對“壓縮熱”干燥器講來很是必要，但帶來的副作用也非常明顯。例如，失去了除油過濾器的前置保護，就嚴格限制了“壓縮熱”干燥器只適用于無油空氣系統(tǒng)。
壓縮熱干燥器的外設(shè)功能部件
“壓縮熱”干燥器為“節(jié)能”采用了部分空壓排氣溫度（和熱量），為此將具有必要功能的電加熱器、水冷卻器遷移至本機邊界之內(nèi)。這不僅僅是簡單的“功能移位”，因為它們對整機能耗惡化有很大的影響。分析如下：
1.電加熱器
吸附過程是儲能過程，吸附劑將水分相變所釋放的“凝聚熱”存儲起來。比之“進口”的“壓縮熱”，內(nèi)蓄“吸附熱”是一種效率更高的能量資源。
吸附式干燥機的吸附動力完全來自固體微孔的“表面自由焓”，與此緊密相關(guān)的吸水/脫水性能目前已有相當完善的數(shù)據(jù)，如常用活性氧化鋁的“動吸附量”在4%～6%左右，TSA進氣溫度為230～280℃、排氣溫度為100～150℃，這些特性數(shù)據(jù)是吸附干燥器熱工計算和正常運行的依據(jù)。
“壓縮熱”干燥器與傳統(tǒng)加熱再生干燥器一樣，都以相對濕度極低的干燥氣流解吸水分并帶出B塔。不同的是傳統(tǒng)加熱干燥器的水分載體是不需回收的環(huán)境空氣，后者則是空壓機的部分排氣，完成解吸后必須全額“帶水”回收。
顯然僅利用125℃左右的空壓排氣溫度是遠遠達不到TSA要求的。因此必須經(jīng)外熱源升溫才能利用，電加熱器是最適合的一種外熱源。
電加熱器將125℃左右的壓縮空氣升溫到250℃左右，所以它的功率比用來提升30益左右環(huán)境空氣要小一些，這也是“壓縮熱”再利用的全部價值所在。但它的副作用卻尤為明顯：
?。?）“壓縮熱干燥器”內(nèi)設(shè)電加熱器屬壓力容器，經(jīng)氣體狀態(tài)方程計算，它承受的壓力比空壓機排氣壓力高，且發(fā)熱體表面溫度也高于再生氣進塔溫度；
?。?）為了充分換熱，電加熱器里往往要設(shè)置多塊折流板——與冷干機蒸發(fā)器相似的結(jié)構(gòu)，會使再生股氣流產(chǎn)生較大壓降。
受上述結(jié)構(gòu)制約，進入電加熱器的氣流必須保證絕對無油。目前除透平壓縮機外的任何類型空壓機都不敢自稱“絕對無油”，即使理論上“絕對無油”的透平機也不能確保吸入空氣的絕對無油性——含油量為零點幾乘10的6次冪，“氣溶膠”進入電加熱器后，在長期大流量累積效應(yīng)下彎角死角處難免會滋生積炭油垢，在遠高于其閃點的富氧環(huán)境下，一個小小的摩擦火花就會帶來極具破壞性的后果。
2.水冷卻器
空壓系統(tǒng)中的后部冷卻器是緊挨空壓機排氣口安裝的附屬設(shè)備。一個良好的后部冷卻器至少可以將空壓機排氣中60%以上的水分和油分攔截下來，并使其溫度下降到40℃以下以適合下游設(shè)備要求的進氣工況。
后部冷卻器是“高耗能”設(shè)備，它消耗的冷卻水應(yīng)是“軟水”。就“能源等價值”而言軟水要明顯高于同屬“耗能工質(zhì)”的壓縮空氣。水作為獨立收費的自然資源受國家政策嚴格管制，不像空氣那樣可以“取之不盡用之不竭”。
下列因素影響了壓縮熱干燥器的水量消耗：
?。?）計算設(shè)備綜合能耗時必須先劃定“邊界”，在圖2所示的氣源系統(tǒng)中，作為獨立設(shè)備的后部冷卻器是以“水耗量”計耗的；
在“壓縮熱”干燥器中“塔間冷卻器”是不可缺失的部件，它既為壓縮空氣流動提供通道，同時還負擔起降溫、凝聚及排水等任務(wù)，水耗量要計入整機；
?。?）作為空壓系統(tǒng)獨立設(shè)備使用時，后部冷卻器水耗量并沒有統(tǒng)一標準。因為實際運作中它與很多因素有關(guān)，如用來測評后部冷卻器功效的“接近溫度”或可取大或可取小。此外不同季節(jié)因水溫不同水耗量相差也很大。資料表明：一臺40 Nm3/min空壓機適配的后部冷卻器，在進出水溫差20℃、壓縮空氣進出溫差80℃時，每小時耗水量約為3.18t，如果進出水溫差降低到10℃、壓縮空氣進出溫差仍為80益的話，每小時冷卻水耗量將高達6.35t[6]。
“壓縮熱”干燥器中的“塔間冷卻器”（圖1），負荷明顯高于圖2中的后部冷卻器，因為后者不僅要承接空壓排氣的溫度和含水量，同時還要承接B塔解吸出來的全部高溫水汽，在其它加溫干燥器中這些水汽是隨載體一起排空的！
吸附床全部時間（8h）里吸附的水量要在一半時間（4h）里解吸汽化，單位時間載體（壓縮空氣）攜出的水汽量要大大超過本身含水量。為此“塔間冷卻器”幾乎要付出雙倍的冷卻水耗量，其中90%以上用于水蒸氣凝聚。由此可得出“壓縮熱”干燥器耗水量是如何之大了，這在干旱缺水地區(qū)尤為突出。
3.零氣耗
“零氣耗”概念來自產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過程中將不得已產(chǎn)生的“廢棄物”排放減少到零；或者將已排放的廢棄物充分利用變?yōu)榱硪环N產(chǎn)業(yè)的原料或燃料。從技術(shù)角度講，資源轉(zhuǎn)化或能源轉(zhuǎn)化時都不可能實現(xiàn)100% 轉(zhuǎn)化的。根據(jù)能量守恒定律和物質(zhì)不滅定律，其損失部分最終都以水、氣、聲、渣、熱等形式排入環(huán)境。所謂“零排放”只是改變了物質(zhì)或能量的排放方式、渠道和節(jié)點，總有一些東西（包括物質(zhì)和能量）最終還是要進入環(huán)境的。
從這個意義上講，真正的“零排放”只是一種理論上的理想狀態(tài)。
在一般加熱再生干燥器中，B塔吸附劑再生所需的吹冷氣是取自A塔的一小部分干燥常溫壓縮空氣，這已是最方便最廉價的了。雖然冷卻效果并不令人滿意，吸附劑終溫必定高于初溫，但這是空氣干燥TSA方案必然性所導(dǎo)致。
吹冷排出氣量中既不含有任何破壞環(huán)境的物質(zhì)，本身也不是易爆易燃或有毒類品，更不是稀缺珍貴的資源。壓縮空氣與同類“能耗工”氮、氧、氬、二氧化碳及水等比起來要“大眾”得多。
“壓縮熱”干燥器吹冷階段用閉合循環(huán)的壓縮空氣作冷卻介質(zhì)（在冷卻開始時直接取自A塔）。
吹冷氣排出溫度有個從高到低的“漸冷”過程，因此循環(huán)過程中要用冷卻水（新水）來降溫，并借用循環(huán)泵來提供動力和補償因多次穿越吸附床而造成的壓損。這種“零氣耗”實質(zhì)上是將本應(yīng)排放的壓縮空氣消耗轉(zhuǎn)移到價值更高的電能和水量消耗上去了。
綜合耗能標準
現(xiàn)代企業(yè)中節(jié)能是非常重要的課題，而且早就有系列的國家標準可循。在統(tǒng)計產(chǎn)品綜合節(jié)能時就要遵循GB/T2589-2008 《綜合能耗計算通則》。
GB/T2589-2008將壓縮空氣與鼓風、新水、軟水、氧氣、氮氣、二氧化碳氣等一起歸為“耗能工質(zhì)”。其定義是“在生產(chǎn)過程中所消耗的不作為原料使用、也不進入產(chǎn)品，在生產(chǎn)或制取時需要直接消耗能源的工作物質(zhì)。”[4]
各種耗能工質(zhì)的單位耗能量及折算標準煤系數(shù)見表1。
“耗能工質(zhì)”雖然與工廠“一次能源”（包括原煤、原油、天然氣、水力等） 及“二次能源”（包括熱力、電力、汽油、煤油、液化石油氣等）
在定義上有所不同，但計算產(chǎn)品綜合耗能時是要一并計入的。且都折算成“一次能源”（單位“標準煤系數(shù)”）。如工廠最常用“二次能源”電力,其“平均低位發(fā)熱量”為3600kJ/（kW·h）[860kcal/（kW·h）]，折標準煤系數(shù)為0.1229 kgce/（kW·h）[4]。
在GB/T2589-2008附列的各種耗能工質(zhì)中，就“能源等價值”（定義為：生產(chǎn)單位數(shù)量的二次能源或耗能工質(zhì)所消耗的各種能源折算成一次能源的能量） 而言，壓縮空氣只比“鼓風”稍高了一些，甚至還不如“新水”（表1）更不能與軟水、氧氣、氮氣、乙炔、電石等高耗能工質(zhì)相比了。
當然這不能說明壓縮空氣不重要，各種耗能工質(zhì)都有自身的應(yīng)用價值，彼此間更不能作簡單類比。但壓縮空氣無論是有油的或無油的，由于原料取之無盡又沒有特別費用支出，其成本除卻設(shè)備采購及各項管理費用外幾乎全部依附在工廠“二次能源”和其他耗能工質(zhì)上（主要是電力和水），遠非傳說中那樣稀貴高昂。所謂“電氣不等價”這類籠統(tǒng)表述雖然不乏語義正確性但毫無實際意義。
遵循GB/T2589-2008，各種后處理設(shè)備能耗要根據(jù)類型來加以區(qū)別，例如冷凍干燥機除了制冷壓縮機功耗外，制冷系統(tǒng)的水（或鼓風）耗量要計入能耗成本；傳統(tǒng)的吸附式干燥機都沒有水量消耗，但“壓縮熱”干燥器卻是個例外。
為了對不同類型吸附式干燥機作耗能與其他技術(shù)性能的比較，“算例”表2列出了一臺40Nm³/min“全無油”兩級壓縮空壓機選配不同類型吸附干燥器時的能耗數(shù)據(jù)（吸附劑為活性氧化鋁）及運作效果。
不用去追究表2數(shù)字上的“精確性”，它只是向業(yè)內(nèi)專家提供了一個“論出有理、數(shù)出有據(jù)”且可供探討的平臺。不同結(jié)構(gòu)不同工況下干燥器實際能耗可能會有較大出入。因此表2也不代表任何現(xiàn)場設(shè)備，但應(yīng)具有一定的借鑒意義。
本案例以90%環(huán)境相對濕度為計算背景，在一年大部分時間里空壓機吸氣環(huán)境是達不到這個濕度的，但設(shè)計時必須引此為準——技術(shù)倫理上有“工況從嚴”的學術(shù)要求。
結(jié)語
?。?）壓縮熱再生比之鼓風外加熱干燥器，由于利用了一部分空壓排氣溫度，使電加熱器功率減小兩至三成；另外也基本消除了壓縮空氣作為“吹冷風”時的消耗。但這些“節(jié)能”本質(zhì)上是以大量水耗換來的，而且壓縮空氣終了排氣壓力幾乎增加了一倍。在更多空壓系統(tǒng)中，排氣壓力比起“露點”來更受用戶關(guān)注。
?。?）空壓排氣“壓縮熱”是可資利用的資源，但“吸附熱”同樣也是可資利用的資源，而且因不存在外耗吸附熱利用率可達100%。任何加熱再生干燥器由于存在表2顯示的“剛性”能耗（Q2、Q3及ql、q）f ，即在低負荷時再生能耗同樣很大，“變負荷”恰恰是任何壓縮空氣干燥器的工作常態(tài)。這里所謂的“變負荷”包括兩層含義，它們是：工作用氣量變化和吸氣環(huán)境相對濕度變化。
?。?）無熱再生干燥器幾乎全程處于“絕熱”狀態(tài)。“熱力學”原理指出：系統(tǒng)“絕熱”過程的能量利用或功量效率是最大的。傳統(tǒng)的無熱再生干燥器存在設(shè)計缺陷，這是技術(shù)發(fā)展的歷史留痕，但即使?jié)M負荷時“壓力分之一”的氣耗量，“能量等價值”還是大大低于各種型式的加熱再生干燥器。隨著技術(shù)進步，一種“基于變工況全天候的無熱再生干燥器”已呼之欲出。
（4）按“吸附理論”溯源，“壓縮空氣TSA吸附式干燥機”根本就沒有存在的理由（如同“空分”產(chǎn)業(yè)所堅持的），其原因是“有限的吸附劑充填量只能容納有限的吸附質(zhì)”，動則百分之十幾的“動吸附量”既降低了吸附劑使用壽命，又嚴重影響成品氣品質(zhì)，巨大的再生能耗更使許多工廠企業(yè)望而卻步。
?。?）100年前美國物理化學家朗格繆爾(Lang原miur) 創(chuàng)建“單分子層吸附模型”，認為固體表面微孔具有的“外向剩余價力”可以吸附一個氣體分子，從而使“表面化學”成為化學中一個熱門分支（為此獲得1932年諾貝爾化學獎）。后人(Stephen Brunauer，Paul H Emmeet和Edword Teller)借助電鏡技術(shù)發(fā)現(xiàn)固體表面微孔內(nèi)有復(fù)雜的拓撲組織，以此構(gòu)建了“BET多層吸附模型”。BET理論大大拓展了吸附技術(shù)的應(yīng)用范圍，但始終沒有離開“朗格繆爾模型”所揭示的“吸附平衡”“吸附溫度”“飽和吸附量”“吸附轉(zhuǎn)效點”等吸附技術(shù)核心。
可以斷定：在吸附材料獲得突破性進展之前，壓縮空氣吸附式干燥機不會有“更新?lián)Q代”的可能。
現(xiàn)在最需要的是“正本清源”，并在此基礎(chǔ)上“繼陳創(chuàng)新”，這才是一代人應(yīng)關(guān)注的工作。
