发酵用压缩空气余热再生吸附干燥工艺

高志凯

（肇庆化工机械厂，广东省 肇庆 526020）

摘要：有氧发酵生产过程所需的低压压缩空气一般采用冷冻干燥，干燥后压缩空气的含水量较高且过程耗能高。本文提出一种使用余热再生吸附式干燥工艺，直接对低压高温压缩空气进行干燥，不需消耗其他能源。采用该工艺不仅可使干燥空气露点低于－10℃，而且还具有良好的节能效益。

关键词：有氧发酵，压缩空气，干燥，节能

1 引言

在一些有氧发酵生产过程中，需向发酵介质提供大量低压压缩空气。压缩空气经汽水分离后，如果分水效果不好，可能引起压缩空气带水，这样会引起发酵染菌^【1】。因此，为避免压缩空气中水分携带杂菌，需先对空气进行干燥处理，再进行过滤除菌处理，以达到发酵呼吸用气的质量要求。目前，药品生产及发酵等过程用压缩空气干燥大多采用冷冻干燥^【2】。然而，冷冻干燥后的压缩空气含水量还是较多，压力露点一般都高于3℃，且需要消耗大量能源。尤祥胜^【3】、葛春贵^【4】比较了冷冻干燥和普通无热吸附再生干燥方法，发现普通无热吸附再生干燥尽管能使处理空气露点降低到-40℃，但将比冷冻干燥消耗更多的能源。因此，在保证发酵空气系统正常运行的同时，做到高效节能，是该领域研究所面临的重要课题^【5-6】。压缩空气系统能耗占企业总能耗的比重较大，约占其全部能耗的10％-40％^【7】。Ryszard Dindorf^【8】对压缩空气系统的节能潜力进行了详细的分析，但只是针对压缩机系统本身，而未涉及到压缩空气的干燥系统。本文提出一种使用余热再生吸附式干燥工艺，直接对低压高温压缩空气进行干燥，不需消耗其他能源，就可使压力露点达到－10℃以下，即可以获得品质更高的压缩空气，还可以获得较高的节能效益。

2 余热吸附干燥的再生热能分析

    在对空气进行压缩过程中，会产生压缩热，空气温度将升高。一般发酵生产采用的单级压缩机，排气温度可达120℃以上，可否利用压缩空气的这一热能加热再生吸附剂，在不消耗或少消耗其他能源的情况下，对压缩空气进行干燥处理，满足除菌过滤对湿度的要求。以下从两方面进行分析。

1）压缩空气的温度、湿度
    对于吸附式压缩空气干燥装置，再生气体的温度、湿度、压力都会影响吸附剂的再生质量。在同一压力下，再生气体温度高、湿度低，吸附剂再生的效果亦佳。据资料介绍：从70℃开始，铝胶就有再生(干燥)效果，当再生温度达到120℃时，即可满足一般铝胶加热再生的温度要求。温度继续升高，再生效果基本不变（见图1）

当含水量未达到饱和状态的气体，才具有吸纳水分的能力。气体经压缩后，由于温度升高，容纳水蒸汽的能力也大幅度提高。相对于压缩前，单位体积的气体水蒸汽含量会大幅增加，一般都处于未饱和状态。表一列出：在常压、吸气温度为30℃、相对湿度为85%的工况下，压缩机排气压力0.25MPa，排气温度120℃，压缩空气相应的饱和含水量和实际含水量。

表1 压缩空气含水量和相应的饱和温度

按表一数据计算：压缩空气温度为120℃时，相对湿度仅为4.1%，极为干燥，具有很强的吸纳水分能力，即使加上再生脱附出来的水分(平均水蒸汽含量＜188.88g/m³)，也小于70℃的饱和水蒸汽含量(198.2g/m³)，可用于吸附剂的再生。

2）压缩空气的热量

空气压缩时产生的热量能否满足吸附剂再生对能量的需求？根据吸附的水量计算加热再生需要的热量，结果表明:压缩空气从120℃降至70℃释放的热量为42kcal/m³，多于再生所需的能量36.8kcal/m³，可满足吸附剂再生的能量需求(见表2)。

表2 压缩空气放出热量和干燥剂再生需要的热量

通过上述分析表明：发酵生产的低压压缩空气，在压缩机排气的高温状态下，其温度达到吸附剂再生对温度的要求，且具有很强的吸纳水分能力，携带的热能可以满足吸附剂再生对能量的需求，使用余热再生干燥装置干燥低压压缩空气是可行的。

3 余热再生干燥装置的工艺流程

余热再生干燥装置采用双塔或多塔吸附干燥，首先直接利用气体被压缩过程中产生的压缩热对吸附剂热再生，再将同一气流降温、冷吹吸附剂使之降温并进行吸附干燥，从而完成整个加热再生和吸附干燥过程。气体流程如下：

如图2所示，该工艺过程分为上半周期和下半周期。

在上半周期，压缩机输出的热气流，经进气口、阀门，进入A干燥器，加热里面的吸附剂，使吸附剂脱附再生，之后经阀门进入A1冷却器，气体经冷却冷凝换热后，析出的水分经排污阀排出，而气体经阀门进入B干燥器，在吸附剂的吸附作用下，气体进一步脱水干燥，然后经阀门送到出气口输出成品气。A干燥器加热一段时间后，干燥器内的吸附剂得到再生，此时开启及关闭有关阀门，使压缩机输出的热气流经进气口进入B1冷却器，经冷却冷凝换热后，析出的水分经排污阀排出，而气体经阀门进入A干燥器，使该干燥器的吸附剂降温，以备下半周期使用，气体再经阀门进入A1冷却器，气体经冷却冷凝换热后，析出的水分经排污阀排出，气体经阀门进入B干燥器，在吸附剂的吸附作用下，气体进一步脱水干燥，然后经阀门送到出气口输出成品气。

下半周期工作过程与上半周期工作过程相同。

在压缩空气干燥过程中，既不消耗压缩空气，也不耗费电能和蒸汽，仅使用循环冷却水。

4 压缩空气干燥工艺的比较

以某厂的实际应用为例，对有氧发酵生产用压缩空气的冷冻干燥与余热再生干燥两种工艺流程、供气露点和能耗费用、设备进行比较。

（1）干燥工艺流程及供气露点

（a）冷冻干燥工艺流程及供气露点

说明：由于冷冻干燥的气体温度较低，一般都含有液态水，在过滤除菌处理前，还须回热升温，降低压缩空气的相对湿度，消除液态水。

（b）余热再生干燥工艺流程及供气露点

（2）能耗费用

在相同工况条件下，比较两种干燥工艺的运行能耗费用。

表3 两种干燥工艺的能耗费用

注：a.电价：0.75元/度；冷却水单价：0.13元/吨小时；蒸汽单价：180元/吨小时；

b.工况条件：流量300m³/min；压力0.25MPa；排气温度120℃；冷却水流量相同；

c.按一年365天，每天24小时计算运行费用。

从表3数据可以看出：在相同工况条件下，余热再生干燥工艺与冷冻干燥加回热工艺相比，成品气含水量更低，对过滤除菌更加有利，运行费用不到冷冻干燥工艺的15%，

每年可节省83.6万元，节能效益巨大。

（3）设备及投资

（a）冷冻干燥加回热工艺的设备及投资：

① 冷却器及气水分离器合计200000元；

② 35×104制冷机组及气水分离器合计300000元；

③ 300t/hr冷却塔及冷却水泵和低温冷冻水泵合计60000元；

④ 回热换热器和相关阀门、管道合计90000元。

设备投资约650000元。

(b)余热再生干燥工艺的设备投资：

① 余热再生干燥装置费用为1800000元；

② 250t/hr冷却塔和冷却水泵合计50000元。

设备投资约1850000元。

采用余热再生干燥工艺与冷冻干燥加回热工艺相比，虽然设备投资多120万元，但前者的年运行费用比后者少83.6万元，设备投资增加的部分仅需18个月即可收回。长期使用余热再生压缩空气干燥装置将为用户带来可观经济效益。

5 结论

对于有氧发酵生产使用的低压压缩空气，采用余热再生吸附式干燥装置进行干燥处理是完全可行的。不仅能降低气体露点，提高过滤除菌的可靠性，保障供气质量，还能大大降低生产成本，简化气体干燥处理流程，减少设备的维护保养工作，为用户提高生产效益。

参考文献

【1】丁治贤.发酵用压缩空气的除湿,医药工程设计[J].医药工程设计，1995：42-43.

【2】倪立明.压缩空气的干燥净化与生产实用[J].机电信息，2012:49-51.

【3】尤祥胜.压缩空气干燥方案的对比[J].压缩机技术，2006:36-38,44.

【4】葛春贵.压缩空气干燥工艺的选择[J].梅山科技，2006,3:60-61，64.

【5】鱼宝生.发酵用压缩空气的制备和节能(一)[J].医药工程设计,2007，28(5):5-10.

【6】鱼宝生.发酵用压缩空气的制备和节能(二)[J].医药工程设计,2007，28(5:)1-9.

【7】周佃民.压缩空气系统节能技术综述[J].上海节能,2010，10:36-41.

【8】Ryszard Dindorf, Estimating Potential Energy Savings in Compressed Air Systems, Procedia Engineering, 2012，39, 204–211.