覃小文，廖茹霞，魏小龙，张小波，袁晓旭

（1.东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000；2.东方电气风电有限公司，四川 德阳，618000）

0 引言

2018年6月国务院印发《打赢蓝天保卫战三年行动计划》，为节能环保、清洁生产、大气治理等装备产业发展和推广应用提供了极大的机遇。

干燥工艺在化学品制造以及材料、制药、食品、轻工、环保等行业有着广泛的应用[1-7]，但传统生产干燥系统能耗高、废气粉尘治理难度大，对大气环境质量带来不可忽视的影响，是过程工业众多生产部门技术升级的重要领域。拟采用1种尾气低温废热回收系统，实现内部封闭，系统无气体排放，杜绝任何气体污染。

本文主要对工业干燥废气封闭循环技术进行分析，对循环系统中透平、压缩机环节进行了热力分析，确定其工作条件的准确性，探索循环系统的潜力，确定透平、压缩机的设计方案。

1 封闭循环系统基本原理

1.1 传统生产干燥系统

喷雾流化干燥塔是磷化工产品生产的关键设备，目前均采用开式循环，尾气排入大气，外部输入干燥所需热量，尾气排放对环境有污染且能源未得到充分有效利用，造成产品浪费等。传统干燥工艺流程见图1。

图1 传统干燥工艺流程图

1.2 封闭循环干燥系统

封闭循环干燥系统，可以解决传统喷雾干燥工艺中存在的问题并弥补不足，能够实现零污染物排放和节约能源，具体系统流程图见图2。

图2 封闭循环干燥系统示意图

该系统具有以下优势：

（1）全系统干燥气体实现内部封闭，系统无气体排放，杜绝任何气体污染；对于药品等需要使用特殊气体干燥的工艺，还能进一步降低成本。

（2）干燥气体内部循环使得输入至系统中的能量被充分用于产品干燥，减少了干燥气体直接排放带来的能源浪费。

（3）同轴透平-压缩机设计是实现干燥尾气低温废热回收的关键，压缩机有大约一半的输入能量来源于透平回收的废热。

2 封闭循环干燥系统方案设计的技术特点

针对封闭循环干燥系统的特殊要求，本文从热力循环条件、循环系统优化、本体结构设计等方面进行分析。

2.1 热力循环条件的确认

由于工业干燥废气（主要成分是空气，其次是水、低浓度的化学物质等）[8]在循环过程中经历了非饱和态与饱和态的转变，因而在热力计算中需要考虑水相变造成焓的突变。对于初期市场调研获得的参数及用户的需求，当透平入口压力为95 kPa，温度55℃，含湿量70 g时，无法实现出口压力40 kPa，温度1～2℃的条件。经推算，当透平出口压力40 kPa时，其出口温度大约为25℃，无法达到所需的除水效果。为了探寻进一步提升除水量的可能，同时考虑设备成本和运营成本等因素，需对于整个系统进一步分析。

2.2 循环系统优化

在初始的循环系统（图2（a））中，透平与压缩机之间包含1个低温脱湿复热系统。脱湿是整个循环的核心目的，也是此系统不可或缺的原因，然而复热这项功能，却需要根据新的热力条件进行重新讨论。在原始方案中，透平出口温度接近0℃，为了使3倍压比的压缩机出口达到170℃的工作需求，必须提升压缩机入口湿空气温度。进一步分析可知，原设计中透平出口压力设为40 kPa：如果进一步降低压强，湿空气温度会低于冰点，导致叶片工作出现危险。然而透平实际出口温度较高，出口压力有进一步下降空间。由于透平出口压力与压缩机入口压力基本一致，透平出口压力的降低意味着压缩机的压比增大、进出口温差会加速提升，电机的净输入功率需要增加。这意味着存在1个透平出口条件，使得此时的湿空气可以不需要复热，直接通过压缩机达到设计需要的压缩机出口湿空气指标。

通过分析可知，在去除复热功能后，透平出口压力越低，其出口温度也越低，除水效果越好，但同时压缩机的压比增大，出口温度上升，电机输入功率增大。由于系统的主要目的是除水，因而透平出口压力应该尽可能低，但是由于成本和安全因素，压缩机出口温度存在1个上限（不超过190℃），因此可以求出满足生产要求的透平出口压力最低值。

不同的压缩机效率意味着同等压比条件下压缩机进出口温差不同，因此透平出口压力最低值的取值依赖于压缩机的效率。压缩机效率与其构造形式关系密切。

2.3 透平、压缩机结构设计方案的选取

根据以上分析，考虑到压缩机出口温度为170～190℃，为了尽可能多除水，最后以压缩机出口温度180℃作为条件，补充取消复热换热器的方案。结合之前包含复热换热器的方案，表1列出3个方案的热力基本参数。

表1 方案热力基本参数

需要注意的是，之前包含换热器的方案，压缩机出口温度略低于170℃。

根据表1参数进行初步通流设计，见表2。

表2初步通流设计方案

对于表中的3个方案，目前推荐方案是方案三。理由如下，对于最接近原始设计的方案一，除水效果最差，需要复热，耗电量虽低，但系统总性能不佳。对于方案二，不考虑复热可以节约换热器成本，但是其压缩机尺寸较大，制造成本不低，转速高需要配置齿轮箱，耗电量最大。对于方案三，除水效率最高，也不需要复热，耗电量也比原方案增加不少。综合以上特点，考虑除水是首要目标，因而推荐方案三。

3 结论

根据对工业干燥废气封闭循环技术应用的现实与潜在市场规模和技术适宜性进行调研，结果见表3。其中，技术参数匹配度代表直接将该技术应用于此行业某个产品工艺线的可行度；技术移植性高低与此行业内各类产品生产情况的相似程度呈正比，代表该技术是否能较为容易地用于行业内其他产品的生产；废气处理难度是指进入透平—压缩装置之前，废气净化处理的难度，与产品废气成分的复杂程度呈正比。

表3 工业干燥废气封闭循环技术在各行业中的应用适宜性对比情况

综合比较，废气封闭循环技术首选应用领域是食品行业，具体适合的产品可见文中简述及参考文献；应用于制药行业时也较优，但需要对废气处理装置的吸收剂进行相应改进；应用于环保行业的废水处理时，需要先对原工艺参数进行调节，且废气处理装置的吸收剂同样需要进行改进；陶瓷行业虽然市场较大但并不能直接应用该技术，必须进行较大的适配性改进。化工作为集成物质科学与技术的代表性领域，最有希望通过循环利用技术创新实现废气免排工艺与工程示范，率先突破开放式物质／能量转化系统传统理念制约，为低碳技术发展（包括纯氧燃烧CCUS）带来方法和进步。