安 宁

（中国中轻国际工程有限公司，北京，100026）

压缩空气作为一种重要的动力能源，在我国轻工行业中的制浆造纸项目中广泛应用。但由于压缩空气前期资料收集、设计及设备配置、现场用气使用及管理等因素，造成压缩空气系统的能耗在整个制浆造纸项目能耗中占很大的比例。笔者根据近年来所做的制浆造纸项目，其中压缩空气系统能耗约占制浆造纸项目总能耗的10%（以2014 年我国制浆造纸工业能源消费总量4040.56 万t 标准煤[1]为基准）。在国家积极提倡节能减排的大环境下，压缩空气系统的节能要求也日趋紧迫。本文主要从制浆造纸项目压缩空气系统设计方面进行分析，以确定合理的流程及设备选型方案，进而降低制浆造纸项目压缩空气系统的能耗。

1 制浆造纸行业压缩空气的特点

在造纸项目中，按照压缩空气使用部位来分，可以分为纸机设备系统和造纸生产车间及其他车间。对于纸机本体，压缩空气主要作用于网部、压榨部、前干燥部、后干燥部、施胶部、换辊、压光机、辊子等部位，用以实现自动调节、自动控制、自动张紧及断纸的自动接头等[2]。对于造纸生产车间等，主要用于吹扫、清洗纸机成形网、引纸等[3]。造纸项目压缩空气按照用途可分为两种：①工艺用气：主要用于吹扫、引纸；其用气量及用气时间和间隔需要根据实际生产情况确定，具有不确定性；工艺用气的用气品质要求不高。②仪表用气：主要用于需气动控制的阀门、仪表等；其用气压力、用气量及用气时间持续稳定。整体来说，造纸项目压缩空气用气点较为分散，且每个点的用气量和用气持续时间均不同。制浆造纸项目的压缩空气系统，要优先保证纸机的安全稳定运行，特别是在断纸情况下，为缩短引纸时间，在其他车间使用压缩空气时，如出现特殊情况要立即停机让峰，待纸机恢复正常运行后再使用。

为增加产能，现代纸机逐步向高车速和大幅宽方向发展，纸机长度和宽度不断增加，压缩空气的用量也越来越大。年产30 万～55 万t 的不同纸种的压缩空气消耗量约为 1 68～206 m3∕min，用气压力约 0.6～0.8 MPa（表压）。

在制浆项目中，压缩空气主要用于厂区的制浆、浆板、碱回收、化学品等车间，也分为工艺用气和仪表用气。年产10～100万t的不同种类的浆料的压缩空气消耗量约为 144～420 m3∕min，用气压力约 0.6～0.8 MPa（表压）。

制浆造纸行业压缩空气的用气压力是根据不同纸机厂家和不同仪表、阀门厂家的要求而略有不同，但总体属于低压范围，用气压力≤1.6 MPa（表压）。制浆造纸行业压缩空气的用气品质要求根据ISO 8573-1《一般用压缩空气第一部分污染物和质量等级》中的规定执行。仪表用气品质要求为：最大粒子尺寸1 μm；含尘浓度1 mg∕m3；压力露点温度-40℃；最大含油量0.1 mg∕m3。工艺用气品质要求一般为：最大粒子尺寸1～5 μm；含尘浓度1 mg∕m3；压力露点温度3℃；最大含油量 5 mg∕m3。

2 压缩空气资料收集

在进行压缩空气系统设计的过程中发现，无论是制浆项目还是造纸项目，往往由于第一步的工艺用气和仪表用气的资料收集问题，造成空气压缩机初步选型与同类型规模产量相似且已经投入实际运行项目的压缩空气站设备配置差别很大。其主要原因在于在资料收集时出现了对各种工况下压缩空气的混淆。

对于国内制浆造纸项目，新上大项目的纸机和浆板机大多由Valmet、Voith、Andritz 公司生产，国产纸机和浆板机所占份额很小。对于使用Valmet、Voith、Andritz 公司等设备的项目，纸机和浆板机厂家均会提供详细的压缩空气消耗表，其中包括纸机工艺用气和仪表用气的详细数据，尤其是对于用气量和用气压力波动比较大的工艺用气，其平均用气量、瞬时用气量、最大用气量和用气持续时间，以及从压榨部到最后卷曲所消耗的压缩空气随时间的变化曲线均会被详细提供。此部分的工艺用气和仪表用气消耗量均为标准工况条件，资料收集准确，没有争议。

但对于除此之外的其他制浆造纸辅助设备及仪表阀门等压缩空气用量的资料收集时，收集人员分不清所收集的压缩空气的数值是标准工况的还是实际工况的。根据ISO 8573-1 的规定，压缩空气标准工况为：空气温度20℃；空气压力1 bar（100 kPa）绝对压力；相对水蒸气分压力0，即相对湿度为0。一般标准工况下的压缩空气流量单位为m3∕min。实际工况即为最终使用所要求的压缩空气的压力和流量。如需在0.7 MPa（表压）下的压缩空气流量为30 m3∕min。在空气压缩机的铭牌上经常可以见到一个FAD 工况下的压缩空气流量，FAD 工况流量即为自由状态下的空气流量（free air delivery）。根据《压缩空气站设计手册》[4]中的规定：压缩空气自由状态指的是空气温度20℃、绝对压力98066.5 Pa，用气设备铭牌标定的用气量均指自由状态空气量[4]。FAD 工况流量是将空气压缩机出口的流量换算到入口条件的流量，表示空气压缩机单位时间内吸入自由空气的量。由此可见，无论空气压缩机处于何种环境，其自由吸气量均不会改变，因此，在进行压缩空气系统设计的收集资料阶段，需要把收集的压缩空气流量统一为自由状态空气流量。而FAD 工况和标准工况很接近，对于工程项目来说，可近似把标准工况下的压缩空气流量等同于自由状态下的压缩空气流量。根据理想气体状态方程，压缩空气实际工作状态下的体积流量Qg（m3∕h）与自由状态下的体积流量Qz（m3∕h）之间的关系可简化为式(1)[4]。

式中，T为压缩空气的工作温度，一般指排气温度，℃；对于水冷冷却空气压缩机，排气温度一般小于40℃；对于风冷冷却空气压缩机，排气温度一般小于等于环境温度8～10℃。P为压缩空气的工作压力，MPa（绝对压力）。

假设收集的资料为实际工况下的0.7 MPa（表压）对应的压缩空气流量30 m3∕min，排气温度按40℃考虑，则换算为自由状态下的压缩空气流量为224.7 m3∕min。自由状态下的压缩空气流量约为实际工况下的压缩空气流量的7.5 倍。两种资料情况下，压缩空气系统的设备选型大不相同。

造成资料收集偏差的另外一个因素是资料收集人员主观地把各设备的最大用气量进行叠加，没有考虑各设备及阀门等分时使用情况和各自使用时间及持续时间。

在压缩空气资料收集正确的前提下，压缩空气系统总的设计容量还需要考虑消耗量不平衡系数、管道漏损系数、用气设备磨损增耗系数及未预见的消耗量系数。各种系数的取值详见《压缩空气站设计手册》[4]。

3 压缩空气系统设计

3.1 压缩空气系统流程

现代制浆造纸项目中压缩空气系统较为成熟的流程一般为：自由空气→过滤器→空气压缩机→缓冲罐→前置除油除水过滤器→冷冻式干燥机→后置除油过滤器，在此经处理后的压缩空气分为两路，一路进入工艺用储气罐直接供工艺用气，另一路经过吸附式干燥机、除尘过滤器后进入仪表气储气罐供仪表用气。为保护环境，压缩空气系统的废油废水经过收集后进行集中处理排放。

3.2 空气压缩机及后处理设备

3.2.1 空气压缩机

制浆造纸项目中空气压缩机的使用与空气压缩机的发展历程相一致。经历了从早期的活塞式空气压缩机到螺杆式空气压缩机再到离心式空气压缩机。早期制浆造纸项目中多使用活塞式空气压缩机，活塞式空气压缩机体积大且笨重、结构复杂、易损件多且维修工作量较大，机器本体和进、排气管道的振动和噪声都比较大[5]。且经过活塞式空气压缩机处理后的压缩空气温度较高，约100～150℃，需要先通过后冷却器来降低进入储气罐前压缩空气的温度，使之析出油和水，温度降低到50℃以下，再经过油水分离器分离出压缩空气中的油分和水分，使压缩空气得到初步的净化。经过加热再生空气干燥法吸附压缩空气中的水分，达到干燥压缩空气的目的，使压缩空气最终净化。随着科技的不断发展进步，活塞式空气压缩机由于其庞大的体积和总质量、较大的噪声及维修工作量，已经慢慢退出了制浆造纸行业；螺杆式空气压缩机逐渐走进人们的视野，螺杆式空气压缩机凭借其高集约化程度、紧凑结构、基础简单、良好的减震效果及较低的噪声、高自动化程度等，适用范围越来越广，逐渐成为当前制浆造纸项目中的主流空气压缩机。离心式空气压缩机易损件少、工作可靠、使用寿命长[6]，且其结构紧凑、排气量范围大，一般为20～10000 m3∕min，但离心式空气压缩机在启动和停车的过程中容易出现喘振现象。离心式空气压缩机一般用于超大型浆厂项目，如百万吨级别的浆厂，且由于《压缩空气站设计规范》[7]的规定，螺杆式空气压缩机的台数宜为3～6台；离心式空气压缩机的台数宜为2～5台[7]。如果空气压缩机台数过多，维护管理不便，且相应的建筑面积也增加，因此，当供气量大时，应采用大型机组。在制浆项目中，离心式空气压缩机作为稳定供气源多用来配合调峰用的螺杆式空气压缩机使用。这种结合方式，保证了离心式空气压缩机的高效率运行，降低了喘振的可能。

空气经过空气压缩机后，仅有一少部分进入后处理设备经处理后供使用，剩余90%的电能转换为热能[8]，散发在压缩空气站内，导致压缩空气站内环境温度升高，即空气压缩机的吸气温度升高。环境温度越高，空气压缩机的产气能力就越低。因此空气压缩机的这部分热能需要通过其他介质冷却带走。其常见的冷却方式有水冷和风冷。风冷即通过空气压缩机自带的排气扇直接排在空气压缩站内或者接风管排至室外。空气压缩站另设通风系统以排除此部分热量。风冷式空气压缩机使用灵活，基本不受地域和环境的影响。水冷式空气压缩机一般采用循环冷却水带走热量，但其对冷却水水质有一定的要求，可参考GB∕T 50050—2017《工业循环冷却水处理设计规范》中的规定，有条件时也可采用软化水，且其使用受项目所在地水资源的限制。在制浆造纸项目中，风冷式空气压缩机和水冷式空气压缩机的使用比例不相上下，主要取决于项目所在地的环境及水资源情况。采用风冷式的空气压缩机，在严寒和寒冷地区冬季使用时，空气压缩机的排风可接风管，用于回收此部分排风的热量，提高空气压缩站内的温度或者根据空气压缩站设备布置位置，将此部分热风送至车间内用于提高车间内的环境温度。

螺杆式空气压缩机又分为喷油式螺杆空气压缩机和干式无油螺杆空气压缩机。喷油螺杆通过对气缸喷入一定压力的润滑油，一方面吸收并带走压缩过程中产生的热量，从而改善压缩过程的热交换，降低排气温度；另一方面起润滑、密封和消声的作用[9]。干式无油螺杆空气压缩机主要用来压缩与油接触后不稳定的介质，以及要求提供洁净气体的场合。干式无油螺杆空气压缩机由于其提供的压缩空气品质高，与喷油式螺杆空气压缩机相比，其造价也高出许多，几乎是喷油式螺杆空气压缩机价格的2倍。高品质的压缩空气虽然可大大提高系统和设备运行的稳定性，但由于造价原因，国内的制浆造纸项目多采用喷油式螺杆空气压缩机。

3.2.2 后处理设备

压缩空气系统的后处理设备主要指干燥和净化设备，即各种过滤器和冷冻式干燥机、吸附式干燥机。冷冻式干燥机通过降低空气的温度，使空气中的水蒸气在低温下被冷凝下来，空气得到干燥。通过冷冻干燥获得的压缩空气露点温度一般为2～10℃，根据制浆造纸项目工艺用气压力露点温度的要求，采用冷冻式干燥机即可满足。冷冻式干燥机的压缩空气处理量需考虑机器入口压缩空气压力、温度以及环境温度和要求的压力露点温度等因素。根据项目所在地的环境条件并结合产品说明书进行参数修正。吸附式干燥机是利用吸附剂吸附空气中的水分，达到干燥压缩空气的目的[10]。此法可使压缩空气的露点温度达到-70～-20℃。根据制浆造纸项目仪表用气压力露点温度的要求，需采用吸附式干燥机。制浆造纸项目中吸附式干燥机常用的吸附剂是分子筛。吸附干燥法又分为3种：加热再生空气干燥法、无热再生空气干燥法、微热再生空气干燥法[10]。无热再生空气干燥法对被要求干燥的压缩空气品质要求较高，需要被干燥的压缩空气是无油的。与加热再生吸附式干燥机相比，微热再生吸附式干燥机虽然消耗一定量的压缩空气，但加热再生吸附式干燥机需消耗较多的电能或蒸汽，考虑到制浆造纸项目中空气压缩系统一般位于厂区的偏远位置，且设计压缩空气量一般比实际运行需要的压缩空气量富裕，因此制浆造纸项目多采用微热再生吸附式干燥机。无论是哪种再生方式，都需要消耗再生能量即气耗或热耗。微热再生吸附式干燥机的耗气量约为3%～11%。在制浆造纸项目中，冷冻式干燥机作为前级主要用来去除压缩空气中的大量水分，一般和吸附式干燥机联合使用，减轻后级吸附式干燥机的负荷[10]。

目前，国内的制浆造纸项目广泛采用的压缩空气处理系统为：喷油式螺杆空气压缩机+冷冻式干燥机+微热再生吸附式干燥机。对于百万吨级别以上的超大型浆厂多采用：离心式空气压缩机+喷油式螺杆空气压缩机+冷冻式干燥机+微热再生吸附式干燥机。其中离心式空气压缩机作为稳定供气源，喷油式螺杆空气压缩机作为调峰辅助使用。

3.3 储气罐的设计选型

制浆造纸项目压缩空气系统一般设有两种用途的储气罐，第一种是接在空气压缩机排气后的储气罐，称为缓冲罐。可多台空气压缩机共用1个缓冲罐，也可1 台空气压缩机对应1 个小缓冲罐。缓冲罐主要用于平衡压缩空气的压力波动，分离压缩空气中的水和油。第二种是调节用气负荷的储气罐，分工艺储气罐和仪表储气罐。此两种类型的储气罐多选用立式，节省占地面积。且大多布置在室外。当储气罐布置在室内时，需满足《压缩空气站设计规范》[7]中对储气罐室内布置的要求。调节用气负荷储气罐的设计选型计算举例如下：某项目空气压缩机的额定排气压力为0.8 MPa（表压），使用点的用气压力要求为0.6 MPa（表压），纸机引纸单位时间用气流量为80 m3∕min，用气持续时间为1.5 min；现需要确定所需储气罐的台数和容积。查《压缩空气站设计手册》[4]可知，0.8 MPa压缩空气容重r1=10.204 kg∕m3；0.6 MPa 压缩空气容重r2=7.653 kg∕m3；根据质量守恒定律，引纸所需的压缩空气质量G1=1.2×80×1.5=144(kg)，为储存G1压缩空气量，相应储气罐体积V1=G1∕r1=144∕10.204=14.1(m3)。当储气罐储存压缩空气压力降至0.6 MPa时 ， 储 气 罐 调 节 容 积V2=G1（∕r1-r2）=144（∕10.204-7.653）=56.4(m3)。考虑运输及现场检修等情况，可选3 台单台容积20 m3的储气罐，或者2 台单台容积30 m3的储气罐。对于缓冲罐，原则上其容积越大越好，但根据实际情况一般选用与工艺储气罐一致的规格。

3.4 压缩空气系统管道设计

压缩空气系统的管道设计依据《压缩空气站设计规范》[7]和《压缩空气站设计手册》[4]中的规定进行设计即可。整体来说管路系统比较简单。制浆造纸项目的压缩空气用气范围较为集中，用气压力要求基本一致，且厂区一般都设有贯穿全厂主车间的管廊，因此一般设集中压缩空气系统供气。对于制浆造纸项目中的废水处理厂，由于其位置较多位于厂区边缘，且用气量小，一般选用小型空气压缩机就地供气。

4 结 语

根据多个制浆造纸项目现场实际运行反馈，制浆造纸项目压缩空气用量和压力波动范围较大，实际生产使用中，压缩空气系统往往在偏离设计工况负荷下运行，导致能耗增加。当然这与现场压缩空气系统的使用管理情况也密不可分，但从设计方面来说在压缩空气系统设计时不仅要对收集的资料进行详细分析，更要借鉴已经投入运行项目空压站的实际使用运行情况进行合理设计。