覃小文，廖茹霞，魏小龍，張小波，袁曉旭

（1.東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000；2.東方電氣風(fēng)電有限公司，四川 德陽，618000）

0 引言

2018年6月國務(wù)院印發(fā)《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》，為節(jié)能環(huán)保、清潔生產(chǎn)、大氣治理等裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展和推廣應(yīng)用提供了極大的機遇。

干燥工藝在化學(xué)品制造以及材料、制藥、食品、輕工、環(huán)保等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用[1-7]，但傳統(tǒng)生產(chǎn)干燥系統(tǒng)能耗高、廢氣粉塵治理難度大，對大氣環(huán)境質(zhì)量帶來不可忽視的影響，是過程工業(yè)眾多生產(chǎn)部門技術(shù)升級的重要領(lǐng)域。擬采用1種尾氣低溫廢熱回收系統(tǒng)，實現(xiàn)內(nèi)部封閉，系統(tǒng)無氣體排放，杜絕任何氣體污染。

本文主要對工業(yè)干燥廢氣封閉循環(huán)技術(shù)進行分析，對循環(huán)系統(tǒng)中透平、壓縮機環(huán)節(jié)進行了熱力分析，確定其工作條件的準確性，探索循環(huán)系統(tǒng)的潛力，確定透平、壓縮機的設(shè)計方案。

1 封閉循環(huán)系統(tǒng)基本原理

1.1 傳統(tǒng)生產(chǎn)干燥系統(tǒng)

噴霧流化干燥塔是磷化工產(chǎn)品生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，目前均采用開式循環(huán)，尾氣排入大氣，外部輸入干燥所需熱量，尾氣排放對環(huán)境有污染且能源未得到充分有效利用，造成產(chǎn)品浪費等。傳統(tǒng)干燥工藝流程見圖1。

圖1 傳統(tǒng)干燥工藝流程圖

1.2 封閉循環(huán)干燥系統(tǒng)

封閉循環(huán)干燥系統(tǒng)，可以解決傳統(tǒng)噴霧干燥工藝中存在的問題并彌補不足，能夠?qū)崿F(xiàn)零污染物排放和節(jié)約能源，具體系統(tǒng)流程圖見圖2。

圖2 封閉循環(huán)干燥系統(tǒng)示意圖

該系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

（1）全系統(tǒng)干燥氣體實現(xiàn)內(nèi)部封閉，系統(tǒng)無氣體排放，杜絕任何氣體污染；對于藥品等需要使用特殊氣體干燥的工藝，還能進一步降低成本。

（2）干燥氣體內(nèi)部循環(huán)使得輸入至系統(tǒng)中的能量被充分用于產(chǎn)品干燥，減少了干燥氣體直接排放帶來的能源浪費。

（3）同軸透平-壓縮機設(shè)計是實現(xiàn)干燥尾氣低溫廢熱回收的關(guān)鍵，壓縮機有大約一半的輸入能量來源于透平回收的廢熱。

2 封閉循環(huán)干燥系統(tǒng)方案設(shè)計的技術(shù)特點

針對封閉循環(huán)干燥系統(tǒng)的特殊要求，本文從熱力循環(huán)條件、循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化、本體結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面進行分析。

2.1 熱力循環(huán)條件的確認

由于工業(yè)干燥廢氣（主要成分是空氣，其次是水、低濃度的化學(xué)物質(zhì)等）[8]在循環(huán)過程中經(jīng)歷了非飽和態(tài)與飽和態(tài)的轉(zhuǎn)變，因而在熱力計算中需要考慮水相變造成焓的突變。對于初期市場調(diào)研獲得的參數(shù)及用戶的需求，當(dāng)透平入口壓力為95 kPa，溫度55℃，含濕量70 g時，無法實現(xiàn)出口壓力40 kPa，溫度1～2℃的條件。經(jīng)推算，當(dāng)透平出口壓力40 kPa時，其出口溫度大約為25℃，無法達到所需的除水效果。為了探尋進一步提升除水量的可能，同時考慮設(shè)備成本和運營成本等因素，需對于整個系統(tǒng)進一步分析。

2.2 循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化

在初始的循環(huán)系統(tǒng)（圖2（a））中，透平與壓縮機之間包含1個低溫脫濕復(fù)熱系統(tǒng)。脫濕是整個循環(huán)的核心目的，也是此系統(tǒng)不可或缺的原因，然而復(fù)熱這項功能，卻需要根據(jù)新的熱力條件進行重新討論。在原始方案中，透平出口溫度接近0℃，為了使3倍壓比的壓縮機出口達到170℃的工作需求，必須提升壓縮機入口濕空氣溫度。進一步分析可知，原設(shè)計中透平出口壓力設(shè)為40 kPa：如果進一步降低壓強，濕空氣溫度會低于冰點，導(dǎo)致葉片工作出現(xiàn)危險。然而透平實際出口溫度較高，出口壓力有進一步下降空間。由于透平出口壓力與壓縮機入口壓力基本一致，透平出口壓力的降低意味著壓縮機的壓比增大、進出口溫差會加速提升，電機的凈輸入功率需要增加。這意味著存在1個透平出口條件，使得此時的濕空氣可以不需要復(fù)熱，直接通過壓縮機達到設(shè)計需要的壓縮機出口濕空氣指標。

通過分析可知，在去除復(fù)熱功能后，透平出口壓力越低，其出口溫度也越低，除水效果越好，但同時壓縮機的壓比增大，出口溫度上升，電機輸入功率增大。由于系統(tǒng)的主要目的是除水，因而透平出口壓力應(yīng)該盡可能低，但是由于成本和安全因素，壓縮機出口溫度存在1個上限（不超過190℃），因此可以求出滿足生產(chǎn)要求的透平出口壓力最低值。

不同的壓縮機效率意味著同等壓比條件下壓縮機進出口溫差不同，因此透平出口壓力最低值的取值依賴于壓縮機的效率。壓縮機效率與其構(gòu)造形式關(guān)系密切。

2.3 透平、壓縮機結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的選取

根據(jù)以上分析，考慮到壓縮機出口溫度為170～190℃，為了盡可能多除水，最后以壓縮機出口溫度180℃作為條件，補充取消復(fù)熱換熱器的方案。結(jié)合之前包含復(fù)熱換熱器的方案，表1列出3個方案的熱力基本參數(shù)。

表1 方案熱力基本參數(shù)

需要注意的是，之前包含換熱器的方案，壓縮機出口溫度略低于170℃。

根據(jù)表1參數(shù)進行初步通流設(shè)計，見表2。

表2初步通流設(shè)計方案

對于表中的3個方案，目前推薦方案是方案三。理由如下，對于最接近原始設(shè)計的方案一，除水效果最差，需要復(fù)熱，耗電量雖低，但系統(tǒng)總性能不佳。對于方案二，不考慮復(fù)熱可以節(jié)約換熱器成本，但是其壓縮機尺寸較大，制造成本不低，轉(zhuǎn)速高需要配置齒輪箱，耗電量最大。對于方案三，除水效率最高，也不需要復(fù)熱，耗電量也比原方案增加不少。綜合以上特點，考慮除水是首要目標，因而推薦方案三。

3 結(jié)論

根據(jù)對工業(yè)干燥廢氣封閉循環(huán)技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)實與潛在市場規(guī)模和技術(shù)適宜性進行調(diào)研，結(jié)果見表3。其中，技術(shù)參數(shù)匹配度代表直接將該技術(shù)應(yīng)用于此行業(yè)某個產(chǎn)品工藝線的可行度；技術(shù)移植性高低與此行業(yè)內(nèi)各類產(chǎn)品生產(chǎn)情況的相似程度呈正比，代表該技術(shù)是否能較為容易地用于行業(yè)內(nèi)其他產(chǎn)品的生產(chǎn)；廢氣處理難度是指進入透平—壓縮裝置之前，廢氣凈化處理的難度，與產(chǎn)品廢氣成分的復(fù)雜程度呈正比。

表3 工業(yè)干燥廢氣封閉循環(huán)技術(shù)在各行業(yè)中的應(yīng)用適宜性對比情況

綜合比較，廢氣封閉循環(huán)技術(shù)首選應(yīng)用領(lǐng)域是食品行業(yè)，具體適合的產(chǎn)品可見文中簡述及參考文獻；應(yīng)用于制藥行業(yè)時也較優(yōu)，但需要對廢氣處理裝置的吸收劑進行相應(yīng)改進；應(yīng)用于環(huán)保行業(yè)的廢水處理時，需要先對原工藝參數(shù)進行調(diào)節(jié)，且廢氣處理裝置的吸收劑同樣需要進行改進；陶瓷行業(yè)雖然市場較大但并不能直接應(yīng)用該技術(shù)，必須進行較大的適配性改進?；ぷ鳛榧晌镔|(zhì)科學(xué)與技術(shù)的代表性領(lǐng)域，最有希望通過循環(huán)利用技術(shù)創(chuàng)新實現(xiàn)廢氣免排工藝與工程示范，率先突破開放式物質(zhì)／能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)傳統(tǒng)理念制約，為低碳技術(shù)發(fā)展（包括純氧燃燒CCUS）帶來方法和進步。