发酵用压缩空气系统节能因素的探索

发酵用压缩空气系统节能因素的探索
【摘要】本文分析了发酵用压缩空气系统的节能因素。

提出了确定压空用气量和压力的方法，分析了压缩机选型配置对能耗的影响；简述了减少空压系统压力损失、泄漏及余热利用的方法。

【关键词】压缩空气；节能因素；压空系统
1.概述
好氧发酵产品丰富，如：氨基酸、有机酸、多元醇、抗生素、维生素等与我们的生活息息相关。

好氧发酵是在通入无菌空气条件下的纯种浸没培养过程，因而压缩空气系统在发酵行业举足轻重。

据悉，在有发酵车间的原料药厂，压缩空气能耗约占总动力能耗的30～40%[1]，如何在制备压缩空气的过程中降低能耗对于发酵行业具有重要意义。

空压机本身电机是否节能，传动效率是否提高，摩擦功耗是否降低对于使用者来说，无法改变，使用者只有在采购前了解此类参数后，以左右其选择。

本文就空压机之外的压空系统的节能因素进行了分析总结。

2.确定合适的压力
压缩空气压力是压空系统的主要参数之一。

通常发酵用压缩空气的压力在0.18～0.35 Mpa之间。

确定合适的压缩空气的压力是压空系统必须考虑的因素。

压缩空气降低0.01Mpa的压力，能耗减少约3%左右。

例如一个中型发酵车间总用气量为1250 Nm3/min，压力为0.25Mpa，总装机功率4800 kW。

若出口压力减小0.01Mpa，其电机耗能减少144 kW，折算到一年的能耗降低7920h×144 kW≈114×104 kW·h。

可见压力的确定与整个工厂的能耗关系紧密。

影响压缩空气压力的确定的因素如下：
①空压站后冷却器、再冷却器及气水分离器的压力损失
②发酵车间空气加热器的压力损失
③发酵车间空气总过滤器、预过滤器、精过滤器的压力损失
④压缩空气输送过程中的管路、管件的压力损失
⑤为防止发酵罐染菌所需的发酵罐保压压力
⑥发酵罐高度因素
以上因素①～④为压缩空气通过工艺设备所产生的压力损失，⑤～⑥为工艺条件的决定因素。

通过分析计算空压机的出口压力，不盲目的确定甚至增大压力，是节能需要考虑的必要因素。

3.确定合适的用气量
压缩空气用气量是压空系统的另一主要参数。

压缩空气的用气量是由建设单位提供的工艺条件决定的，其数值与产品的通气比及生产规模有关。

品种的不同，通气比不同。

生产规模是按年生产量来计，根据生产规模、产品的发酵周期、发酵单位、后期提取收率可以计算出每天发酵罐放料体积。

再根据发酵周期确定发酵罐规格和个数。

发酵罐装料体积、发酵罐台数与通气比相乘，即为需要的压缩空气用气量。

压缩空气的用气量应经过详细计算后得出较为准确的值，避免过小或过大，过小则不能满足生产，过大则造成产气量浪费，进而造成能耗的损失浪费。

4.后冷却器温度控制
生物发酵用压缩空气生产的基本流程[1]通常为：
大气→空气过滤器→空压机组→后冷却器→再冷却器→气水分离器→室外输送管道→→空气加热器→空气总过滤器→空气预过滤器→空气精过滤器→发酵罐
空压机的出气温度高于100℃，后冷却器作用是将压缩空气冷却，一般将压缩空气的排气温度冷却到40℃左右，冷却冷媒为冷却塔循环冷却水。

以往习惯做法，再冷却器是将40℃的压缩空气进一步冷却至20℃左右，冷却冷媒为制冷机的低温冷冻水。

在进入空气过滤系统之前再将压缩空气进行加热，使温升10℃，或加热至40℃左右。

以上做法主要是分水，进而实现进入空气精过滤器的空气RH（相对湿度）在60～70%以下，不会因为水份原因将菌带入发酵罐。

经过分析计算，再冷却器将40℃的压缩空气不一定冷却至20℃，可以适当提高至26℃甚至是32℃，这样低温冷冻水的用量大为减少。

压缩空气进入空气加热器进行加热，温升不一定为10℃才能保证RH在60～70%以下，7℃足够满足要求，这样就减少了蒸汽的用量。

5.合适的空压机机型配置
常用的发酵用空压机有活塞式、离心式、轴流式等几种，根据用气量的大小确定不同的空压机类型。

不同类型的空压机使用范围选型图见图1。

随着生产产能的扩大化，发酵用气量逐渐增大，绝大多数厂家根据用气量选择离心式或轴流式空压机。

在同一空压站内空压机的型号不宜超过两种，大型空压机的台数宜为2～5台[2]。

空压机的配置最好能有一台小气量的调节机。

小气量空压机身兼调节机和试生产起动机的作用。

在最初生产阶段，由于生产经验的缺失，若干大发酵罐不可能同时投料生产，一般做法是先试生产一个发酵罐，若开动大空压机可能供气远大于一个发酵罐的需求量，造成能源的浪费，此时开动小空压机即可满足要求且避免浪费能源。

由于医药生产的特殊性，某一品种的价格始终波动，有波峰有波谷。

生产企业为了追求利润最大化，其生产任务也会相应做出调整，发酵厂房所有发酵罐满负荷生产的情景会在该品种利润较高时出现。

随着品种价格的波动，生产企业会选择性的减少生产任务，此时可能关掉1个、几个、甚至一半以上的发酵罐。

随之而来的，压缩空气的使用量不均匀的减少，空压站需相应的关掉1台或者几台空压机，此时“1小”空压机的作用很大，在满足生产的情况下，又不致大空压机空转，造成能源浪费。

现在市场上大型空压机厂家较多，有国产品牌、合资品牌和国外品牌。

大型轴流空压机多为国产品牌，其气量可以根据用户的需求特定制作。

离心式空压机现在多为合资品牌，且其各自有自己的特定机型，如A公司的特定机型为160Nm3/min和250Nm3/min，S公司的特定机型为320Nm3/min，I公司的特定机型为650Nm3/min。

如I公司的特定机型为650Nm3/min，实际上该机型的出气量是一个范围，出气量也可根据用户需要调至500Nm3/min，设备厂家调节了设备本身的电机、转子等内部元件即可满足。

但空压机在其厂家给定的出气量下运行，其运行曲线接近最优运行点，运行成本也是最低的。

经过调节后的设备，其运行点势必远离最优运行点，造成能源浪费。

6.减少压力损失和泄漏
通过生物发酵用压缩空气生产的基本流程可以看出若减少压力损失即为减少空气通过的设备和管路的阻力，减少泄漏就是减少该过程的管路衔接。

可以从以下方面减少压力损失和泄漏：
①设计管路系统时，尽量减少不必要的管件，管路尽量平缓布置，避免大弯，减少阻力。

②采用大管径，低流速送气，降低阻力。

空气流速一般选择8～10m/s[3]之间。

③选用较为先进的辅助设备，如后冷却器、再冷却器的选择，现在有一种高效带翅片形式的换热器换热面积大，压降小，一般压力降能控制在0.005 MPa以内，能较好的减少能耗。

④安装工程，监管到位。

确保安装节点无泄漏。

⑤使用过程中，定期检测，“查漏补缺”。

7.余热利用
从基本流程可以知道，压缩空气进入空气加热器进行加热，升温后保证RH 在60～70%以下。

通常做法是用蒸汽加热压缩空气，蒸汽的利用也是较大的运行成本和耗能点。

现在已经有一种新式处理方法，达到节能目的：空压机的出气温度高于100℃，利用此高温热源加热再冷却器冷却后的低温空气，低温空气经过加热达到RH在60～70%的温度，高温空气经过冷却后再进入后冷却器冷却，进一步降低了循环冷却水的消耗，一举两得，既节省了蒸汽的消耗也节约了循环冷却水的消耗。

此种技术正在推广应用。

8.结语
压缩空气占发酵工厂能耗的较大部分，而影响压缩空气系统能耗的因素很多。

能耗优劣除压缩机本身性能外，还与压力确定、用气量确定、后冷却器温度控制、机型选择等主观性因素有关；客观上如何达到节能目的，与怎样减少压力损失和泄漏及是否将余热利用好等因素有关。

节能是一个系统性的问题，需多方面考虑才能做到。

参考文献：
[1] 中国石化集团上海工程有限公司.化工工艺手册（第四版），北京：化学工业出版社，2009 ，394～400
[2] GB50029-2003，压缩空气站设计规范[S]
[3] 岑文学，陆飞浩. 发酵用无菌压缩空气制备过程节能探讨，医药工程设计，2011，第32卷，第1期，43～46。