竇竹潔 吳少華

（中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北石家莊 050021）

1 前言

壓縮空氣制備的費(fèi)用對(duì)于發(fā)酵產(chǎn)品的成本舉足輕重，其能耗費(fèi)用約占總動(dòng)力費(fèi)用的30%～40%，如何在制備壓縮空氣的過(guò)程中降低能耗對(duì)于發(fā)酵生產(chǎn)具有重要意義。本文就發(fā)酵用壓縮空氣制備站后冷卻裝置排氣冷卻溫度及溫升的確定進(jìn)行了能效優(yōu)化的分析探索。

2 概述

2.1 典型的發(fā)酵用壓縮空氣的流程[1]

生物發(fā)酵用壓縮空氣制備的基本流程通常為：

大氣→空氣過(guò)濾器→空壓機(jī)組→后冷卻器→再冷卻器→氣水分離器→室外輸送管道→空氣加熱器→空氣總過(guò)濾器→空氣預(yù)過(guò)濾器→空氣精過(guò)濾器→發(fā)酵罐

2.2 通?？諌簷C(jī)出氣后冷卻器到再冷卻器溫度調(diào)節(jié)的處理做法

空壓機(jī)的出氣溫度高于100℃，后冷卻器作用是將壓縮空氣冷卻，一般將壓縮空氣的排氣溫度冷卻到40℃左右，冷卻冷媒為冷卻塔循環(huán)冷卻水（供水溫度為32℃，回水溫度溫升8℃）。再冷卻器是將40℃的壓縮空氣進(jìn)一步冷卻至20℃左右，冷卻冷媒為制冷機(jī)的低溫冷凍水（供水溫度為9℃，回水溫度溫升18℃）。在進(jìn)入空氣過(guò)濾系統(tǒng)之前再將壓縮空氣進(jìn)行加熱至40℃左右。實(shí)現(xiàn)進(jìn)入空氣過(guò)濾器的空氣RH(相對(duì)濕度)在60%～70%以下，使空氣過(guò)濾器處于干燥的良好操作狀態(tài)，不會(huì)因水滴而造成過(guò)濾失效，產(chǎn)生空氣過(guò)濾效率降低而引起的發(fā)酵染菌現(xiàn)象。

3 再冷卻器和空氣加熱器的能耗

3.1 分析計(jì)算用到的幾個(gè)重要公式

通過(guò)文獻(xiàn)[2]可知：

式中：φ — 空氣的RH(相對(duì)濕度)，%；

ps— 與空氣同溫度的水的飽和蒸汽壓，bar；

P — 空氣的總壓強(qiáng)，bar（A）；

x — 空氣的濕含量，kg（水氣）/kg（干空氣）；水的Antoine 公式[3]如下：

式中：t — 溫度，℃；

ps— 與空氣同溫度的水的飽和蒸汽壓，bar；

注：上式中t 適用范圍為-17.1℃～100℃。

（2）式可轉(zhuǎn)化為：

知道RH，溫度，空氣總壓力后計(jì)算空氣濕含量的計(jì)算式為（4）式[2]

（4）式中參數(shù)意義同（1）式。

若空氣的濕含量在增壓情況下為超過(guò)飽和濕度，即其濕含量不變，根據(jù)（1）式可以得到下式：

式中：φ1，φ2— 分別為原始空氣和壓縮空氣的空氣的RH（相對(duì)濕度），%；

ps1，ps2— 分別為原始空氣和壓縮空氣溫度下的水的飽和蒸汽壓，bar；

P1，P2— 分別為原始空氣和壓縮空氣的壓強(qiáng)，bar（A）；

3.2 例舉分析

3.2.1 相對(duì)濕度的計(jì)算

按通常做法將壓縮空氣經(jīng)再冷卻器后的排氣溫度降至20℃后再升至40℃進(jìn)入空氣過(guò)濾系統(tǒng)。

先計(jì)算20℃、40℃時(shí)的水的飽和蒸汽壓。由（2）式計(jì)算得：

ps20℃=0.023 1bar，ps40℃=0.074 2bar

計(jì)算0.25MPa(G)、20℃時(shí)壓縮空氣RH100%時(shí)的空氣濕含量。將ps20℃=0.023 1bar，代入（4）式得：

把以上結(jié)果及ps40℃=0.074 2bar 代入（1）式得：

即按通常做法將空壓機(jī)排氣降至20℃后再升至40℃進(jìn)入空氣過(guò)濾系統(tǒng)時(shí)壓縮空氣的RH 為31%，小于60%～70%的安全值，完全沒(méi)有問(wèn)題。

3.2.2 能耗的計(jì)算

中型發(fā)酵車間總用氣量設(shè)為960 Nm3/min，壓力 為0.25MPa（G），選 用3 臺(tái)320 Nm3/min 空 壓機(jī)。空氣加熱介質(zhì)為0.3 MPa 飽和蒸汽（汽化熱r 為2 138.5 kJ/kg），以下通過(guò)計(jì)算比較再冷卻器后排氣溫度提高1℃時(shí)冷凍水的用量的變化情況，以及空氣加熱器排氣溫度降低1℃時(shí)蒸汽用量的變化情況。

熱量衡算方程：

式中：W壓空，W冷媒— 壓空、冷媒的質(zhì)量流量，kg/h；

T1，T2— 壓空進(jìn)出換熱器溫度，℃；

t1，t2— 冷媒進(jìn)出換熱器溫度，℃；

Cp壓空，Cp冷媒— 壓空、冷媒的定壓比熱，kJ/(kg?℃)

即：

再冷卻器后排氣溫度提高1℃時(shí)所用冷媒量：

則有：

再冷卻器后排氣溫度提高1℃時(shí)所節(jié)約的冷媒量與原冷媒量占比：

由于生產(chǎn)的連續(xù)性，決定空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的連續(xù)性，通常情況下，空壓機(jī)為全年不停運(yùn)轉(zhuǎn)。

若全年按300 天生產(chǎn)的話，全年節(jié)約冷媒用量為：

（13 965.31-13 267.04）×3×24×300/1 000=15 082.6 t

假設(shè)制冷機(jī)用電量與產(chǎn)冷量的比值為1：5，則全年節(jié)約制冷機(jī)電量為：

15 082.6×1 000×4.174×8/(3 600×5)=27 980 度

即再冷卻器后排氣溫度由20℃提高1℃時(shí)，制冷機(jī)全年用電量可以節(jié)約27 980 度電。

熱量衡算方程2：

式中：W壓空— 壓空、冷媒的質(zhì)量流量，kg/h；

T1，T2— 壓空進(jìn)出換熱器溫度，℃；

Q蒸汽— 蒸汽流量，kg/ h；

r — 蒸汽汽化熱，kg/ h；

空氣加熱器排氣溫度降低1℃，即溫升?t 減少1℃時(shí)蒸汽用量：

全年節(jié)約蒸汽用量：

10.9×3×24×300/1 000=235.5t

即空氣加熱器的溫升?t 降低1℃時(shí)，全年蒸汽用量可以節(jié)約235.5t。

4 分析與思考

通過(guò)以上計(jì)算可知，在滿足進(jìn)入過(guò)濾系統(tǒng)的壓縮空氣RH60%～70%的同時(shí)，若能找出一個(gè)合適的再冷卻器出口溫度及一個(gè)合適的加熱器溫升?t，將對(duì)節(jié)能有著重要意義。

壓縮空氣從壓縮機(jī)出口到發(fā)酵罐的過(guò)程中一直有壓力損失，從壓縮機(jī)出口到空氣預(yù)過(guò)濾器前的壓力損失在0.025 MPa 左右。若將此因素考慮在內(nèi)，壓縮空氣RH60%～70%時(shí)溫升?t 會(huì)進(jìn)一步降低。

由（1）（3）（4）可以分析計(jì)算不同壓力、不同再冷卻器排氣溫度下的相關(guān)參數(shù)并求出此壓力（考慮壓損）下的壓縮空氣保持其RH60%或RH70%時(shí)的溫升?t。通過(guò)計(jì)算后得到溫升表。注：此表中所得的數(shù)據(jù)基于再冷卻器排氣RH100%時(shí)的計(jì)算。

表 壓縮空氣在不同壓力和冷卻溫度下達(dá)到相對(duì)濕度60%和70%的溫升表

從表可知：

溫升?t 隨再冷卻器的排氣溫度的升高而有小幅升高，但變化不大。在常用壓縮空氣壓力（0.18MPa～0.35 MPa）下，再冷卻器的排氣溫度達(dá)到相應(yīng)壓力下RH60%溫度時(shí)的溫升?t多在6℃～8℃之間；再冷卻器的排氣溫度達(dá)到相應(yīng)壓力下RH70%溫度時(shí)的溫升?t多在4℃～6℃之間。

5 結(jié)論

（1）通常做法中，將再冷卻器后空氣溫度降至20℃的做法不是節(jié)能最優(yōu)做法?？筛鶕?jù)發(fā)酵廠所在地的使用環(huán)境溫度、蒸汽價(jià)格和供電價(jià)格比較計(jì)算選擇利用冷媒將壓縮空氣多降1℃，還是利用蒸汽多加熱1℃，以達(dá)到最佳成本。

（2）通常做法中，將進(jìn)入過(guò)濾器前的空氣溫度溫升10℃～20℃或確定加熱至40℃的做法，從節(jié)能原則出發(fā)不盡合理。通過(guò)計(jì)算分析，發(fā)酵常用壓力的壓縮空氣在再冷卻器的排氣溫度達(dá)到相應(yīng)壓力下RH60%～70%時(shí)的溫升?t 在4℃～8℃之間，考慮保險(xiǎn)因素，取?t 為7℃完全能滿足要求。

[1]中國(guó)石化集團(tuán)上海工程有限公司.化工工藝手冊(cè)（第四版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009，395-400.

[2]俞俊堂.抗生素生產(chǎn)設(shè)備（第一版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1982，78-86.

[3]NIST（美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院）數(shù)據(jù).