通過(guò)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學(xué)模型與流程描述 眾所周知， 吸附式干燥機 成品低露點(diǎn)是以再生高耗能為代價(jià)的。周期內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......
壓縮熱干燥器數學(xué)模型與流程描述
眾所周知，吸附式干燥機成品低露點(diǎn)是以再生高耗能為代價(jià)的。周期內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(gè)標志：
?。?）吸附床水分全部汽化并離開(kāi)塔體，即恢復到原始“干燥”狀態(tài)；
?。?）吸附床溫度恢復到原始狀態(tài)。
一個(gè)受過(guò)良好科學(xué)訓練的工程技術(shù)人員，必然會(huì )接受一個(gè)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(shí)際的普適前提和嚴密而翔實(shí)的數據平臺支撐；對任何非規范、有歧義的論述都有深入探討的必要。
“壓縮熱”再生干燥器，目前國內沒(méi)有統一的標準、統一的結構和統一的流程，實(shí)際上還處于初級技術(shù)探索階段。
“物理吸附”與任何過(guò)程變化一樣有一定的共遵規律：“穩定系統邊界內的流程無(wú)論如何變化，進(jìn)出系統能量守恒”。以此可以構建如圖1所示的“壓縮熱”干燥器數學(xué)模型。圖中省略了與再生熱量交換及傳遞無(wú)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(lái)的一股壓縮空氣首先進(jìn)入電加熱器升溫后對B塔吸附劑進(jìn)行加熱再生，它從B塔流出后與另一股氣流匯合（未畫(huà)出），經(jīng)“塔間水冷卻器”冷卻后通過(guò)分離器（未畫(huà)）進(jìn)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(kāi)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(jìn)途中要相繼克服電加熱器和吸附床層的阻力，攜帶著(zhù)更多水分出塔時(shí)已“能損壓降”。壓力不同的氣流不能用“平均值”相混。但定性結論無(wú)疑是“主流股”降壓（這是“能量向低流”的自然結果），即混流氣體壓力必定低于原先高壓股氣流壓力。其“空氣動(dòng)力學(xué)”解釋是：不同壓力氣流混合時(shí)形成的湍流激波漩渦等復雜流型會(huì )消耗流體本身能量。
另外，氣流通過(guò)管道、物料層及轉角、閥門(mén)、擴徑、縮孔時(shí)會(huì )產(chǎn)生摩擦損失和局部損失，流程復雜的“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(lèi)型吸干器進(jìn)排氣壓力降為0.03MPa左右的話(huà)，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(jiàn)文獻[1]。
用以比較，圖2是通用氣源系統的結構[2]，空氣干燥器是系統中一個(gè)設備。
“壓縮熱”干燥器取消了空壓機與干燥器間的許多設備（如后部冷卻器、儲氣罐及油過(guò)濾器等）——“裸氣”直達電加熱器對“壓縮熱”干燥器講來(lái)很是必要，但帶來(lái)的副作用也非常明顯。例如，失去了除油過(guò)濾器的前置保護，就嚴格限制了“壓縮熱”干燥器只適用于無(wú)油空氣系統。
壓縮熱干燥器的外設功能部件
“壓縮熱”干燥器為“節能”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。這不僅僅是簡(jiǎn)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(guò)程是儲能過(guò)程，吸附劑將水分相變所釋放的“凝聚熱”存儲起來(lái)。比之“進(jìn)口”的“壓縮熱”，內蓄“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(dòng)力完全來(lái)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據，如常用活性氧化鋁的“動(dòng)吸附量”在4%～6%左右，TSA進(jìn)氣溫度為230～280℃、排氣溫度為100～150℃，這些特性數據是吸附干燥器熱工計算和正常運行的依據。
“壓縮熱”干燥器與傳統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(lái)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?jì)r(jià)值所在。但它的副作用卻尤為明顯：
?。?）“壓縮熱干燥器”內設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(jìn)塔溫度；
?。?）為了充分換熱，電加熱器里往往要設置多塊折流板——與冷干機蒸發(fā)器相似的結構，會(huì )使再生股氣流產(chǎn)生較大壓降。
受上述結構制約，進(jìn)入電加熱器的氣流必須保證絕對無(wú)油。目前除透平壓縮機外的任何類(lèi)型空壓機都不敢自稱(chēng)“絕對無(wú)油”，即使理論上“絕對無(wú)油”的透平機也不能確保吸入空氣的絕對無(wú)油性——含油量為零點(diǎn)幾乘10的6次冪，“氣溶膠”進(jìn)入電加熱器后，在長(cháng)期大流量累積效應下彎角死角處難免會(huì )滋生積炭油垢，在遠高于其閃點(diǎn)的富氧環(huán)境下，一個(gè)小小的摩擦火花就會(huì )帶來(lái)極具破壞性的后果。
2.水冷卻器
空壓系統中的后部冷卻器是緊挨空壓機排氣口安裝的附屬設備。一個(gè)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(lái)，并使其溫度下降到40℃以下以適合下游設備要求的進(jìn)氣工況。
后部冷卻器是“高耗能”設備，它消耗的冷卻水應是“軟水”。就“能源等價(jià)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?chē)艺邍栏窆苤?，不像空氣那樣可?ldquo;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：
?。?）計算設備綜合能耗時(shí)必須先劃定“邊界”，在圖2所示的氣源系統中，作為獨立設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(dòng)提供通道，同時(shí)還負擔起降溫、凝聚及排水等任務(wù)，水耗量要計入整機；
?。?）作為空壓系統獨立設備使用時(shí)，后部冷卻器水耗量并沒(méi)有統一標準。因為實(shí)際運作中它與很多因素有關(guān)，如用來(lái)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(jìn)出水溫差20℃、壓縮空氣進(jìn)出溫差80℃時(shí)，每小時(shí)耗水量約為3.18t，如果進(jìn)出水溫差降低到10℃、壓縮空氣進(jìn)出溫差仍為80益的話(huà)，每小時(shí)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(shí)還要承接B塔解吸出來(lái)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(shí)間（8h）里吸附的水量要在一半時(shí)間（4h）里解吸汽化，單位時(shí)間載體（壓縮空氣）攜出的水汽量要大大超過(guò)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，這在干旱缺水地區尤為突出。
3.零氣耗
“零氣耗”概念來(lái)自產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過(guò)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，資源轉化或能源轉化時(shí)都不可能實(shí)現100% 轉化的。根據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、渠道和節點(diǎn)，總有一些東西（包括物質(zhì)和能量）最終還是要進(jìn)入環(huán)境的。
從這個(gè)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(jià)的了。雖然冷卻效果并不令人滿(mǎn)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(lèi)品，更不是稀缺珍貴的資源。壓縮空氣與同類(lèi)“能耗工”氮、氧、氬、二氧化碳及水等比起來(lái)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(kāi)始時(shí)直接取自A塔）。
吹冷氣排出溫度有個(gè)從高到低的“漸冷”過(guò)程，因此循環(huán)過(guò)程中要用冷卻水（新水）來(lái)降溫，并借用循環(huán)泵來(lái)提供動(dòng)力和補償因多次穿越吸附床而造成的壓損。這種“零氣耗”實(shí)質(zhì)上是將本應排放的壓縮空氣消耗轉移到價(jià)值更高的電能和水量消耗上去了。
綜合耗能標準
現代企業(yè)中節能是非常重要的課題，而且早就有系列的國家標準可循。在統計產(chǎn)品綜合節能時(shí)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(fēng)、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(guò)程中所消耗的不作為原料使用、也不進(jìn)入產(chǎn)品，在生產(chǎn)或制取時(shí)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見(jiàn)表1。
“耗能工質(zhì)”雖然與工廠(chǎng)“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(shí)是要一并計入的。且都折算成“一次能源”（單位“標準煤系數”）。如工廠(chǎng)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(jià)值”（定義為：生產(chǎn)單位數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(fēng)”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(shuō)明壓縮空氣不重要，各種耗能工質(zhì)都有自身的應用價(jià)值，彼此間更不能作簡(jiǎn)單類(lèi)比。但壓縮空氣無(wú)論是有油的或無(wú)油的，由于原料取之無(wú)盡又沒(méi)有特別費用支出，其成本除卻設備采購及各項管理費用外幾乎全部依附在工廠(chǎng)“二次能源”和其他耗能工質(zhì)上（主要是電力和水），遠非傳說(shuō)中那樣稀貴高昂。所謂“電氣不等價(jià)”這類(lèi)籠統表述雖然不乏語(yǔ)義正確性但毫無(wú)實(shí)際意義。
遵循GB/T2589-2008，各種后處理設備能耗要根據類(lèi)型來(lái)加以區別，例如冷凍干燥機除了制冷壓縮機功耗外，制冷系統的水（或鼓風(fēng)）耗量要計入能耗成本；傳統的吸附式干燥機都沒(méi)有水量消耗，但“壓縮熱”干燥器卻是個(gè)例外。
為了對不同類(lèi)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(wú)油”兩級壓縮空壓機選配不同類(lèi)型吸附干燥器時(shí)的能耗數據（吸附劑為活性氧化鋁）及運作效果。
不用去追究表2數字上的“精確性”，它只是向業(yè)內專(zhuān)家提供了一個(gè)“論出有理、數出有據”且可供探討的平臺。不同結構不同工況下干燥器實(shí)際能耗可能會(huì )有較大出入。因此表2也不代表任何現場(chǎng)設備，但應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(shí)間里空壓機吸氣環(huán)境是達不到這個(gè)濕度的，但設計時(shí)必須引此為準——技術(shù)倫理上有“工況從嚴”的學(xué)術(shù)要求。
結語(yǔ)
?。?）壓縮熱再生比之鼓風(fēng)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(fēng)”時(shí)的消耗。但這些“節能”本質(zhì)上是以大量水耗換來(lái)的，而且壓縮空氣終了排氣壓力幾乎增加了一倍。在更多空壓系統中，排氣壓力比起“露點(diǎn)”來(lái)更受用戶(hù)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(shí)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(wú)熱再生干燥器幾乎全程處于“絕熱”狀態(tài)。“熱力學(xué)”原理指出：系統“絕熱”過(guò)程的能量利用或功量效率是最大的。傳統的無(wú)熱再生干燥器存在設計缺陷，這是技術(shù)發(fā)展的歷史留痕，但即使滿(mǎn)負荷時(shí)“壓力分之一”的氣耗量，“能量等價(jià)值”還是大大低于各種型式的加熱再生干燥器。隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步，一種“基于變工況全天候的無(wú)熱再生干燥器”已呼之欲出。
?。?）按“吸附理論”溯源，“壓縮空氣TSA吸附式干燥機”根本就沒(méi)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(dòng)則百分之十幾的“動(dòng)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(chǎng)企業(yè)望而卻步。
?。?）100年前美國物理化學(xué)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(jià)力”可以吸附一個(gè)氣體分子，從而使“表面化學(xué)”成為化學(xué)中一個(gè)熱門(mén)分支（為此獲得1932年諾貝爾化學(xué)獎）。后人(Stephen Brunauer，Paul H Emmeet和Edword Teller)借助電鏡技術(shù)發(fā)現固體表面微孔內有復雜的拓撲組織，以此構建了“BET多層吸附模型”。BET理論大大拓展了吸附技術(shù)的應用范圍，但始終沒(méi)有離開(kāi)“朗格繆爾模型”所揭示的“吸附平衡”“吸附溫度”“飽和吸附量”“吸附轉效點(diǎn)”等吸附技術(shù)核心。
可以斷定：在吸附材料獲得突破性進(jìn)展之前，壓縮空氣吸附式干燥機不會(huì )有“更新?lián)Q代”的可能。
現在最需要的是“正本清源”，并在此基礎上“繼陳創(chuàng )新”，這才是一代人應關(guān)注的工作。
