回收利用空气压缩机冷却器中产生的冷凝水的系统和方法与流程

本发明涉及回收利用冷凝水的系统和方法，特别是回收利用空气压缩机冷却器中产生的冷凝水的系统和方法。

背景技术：

空气压缩机在钢铁、电力、化工、石油天然气、矿山、机械制造等领域有广泛的应用。为了增加大型空气压缩机的输出功率，通常采用一些降低被压缩气体入口温度的手段，包括雾化，湿压缩，蒸发冷却等。当空气压缩机通过凝汽式汽轮机驱动时，该汽轮机的输出功率也受到相连接的空冷凝汽器的影响。蒸汽在空冷凝汽器中降温越充分，汽轮机的输出功率就越高。当空气饱和湿度较低时，空冷凝汽器的降温性能可以通过增加空气流的湿度来提高。

空压机入口空气的雾化或空冷凝汽器中空气流的增湿都需要软化水，而且这一需要在炎热的天气中格外迫切。然而，在干旱的地区，使用大量的软化水会大大增加运营费用，因此，上述节能减耗的措施往往得不到实施。

大型分级式空气压缩机的中间冷却器和后冷却器中一般会有冷凝水产生。现有技术中，这类冷凝水往往没有得到利用，作为污水排空时还会污染环境。

cn205940194u公开了一种空气压缩机用冷凝水分离和集中排放系统，通过多级气水分离器和集水器收集到的冷凝水被汇总到统一的排污管中排放。

cn202073793u公开了一种空气压缩机主机外雾化喷水冷却系统。空压机工作过程中产生的冷凝水以雾状形式喷洒在空压机主机外壳上，汽化冷却主机，以达到合理利用水资源，快速降低空压机主机温度和运行环境温度，节省能耗，延长寿命的目的。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是在减少消耗额外水量的前提下，特别是在炎热干燥的环境中，降低空气压缩机、凝汽式汽轮机，空冷凝汽器等设备的能耗，提高它们的运行性能。

为了解决上述技术问题，采用一种回收利用空气压缩机冷却器中产生的冷凝水的系统，这一系统包括原料空气进气管道，空气压缩机，包含中间冷却器和/或后冷却器的空压机冷却系统，冷凝水储罐，冷凝水过滤和泵压系统，冷凝水雾化装置；其中，原料空气进气管道连通空气压缩机，空压机冷却系统的中间冷却器和/或后冷却器与冷凝水储罐连通，冷凝水储罐与冷凝水过滤和泵压系统、冷凝水雾化装置以及原料空气进气管道依次连通，冷凝水雾化装置包括喷嘴并设置于原料空气进气管道中；经各级空气压缩机加压后的原料空气在上述冷却器中冷却生成冷凝水，至少部分冷凝水输送入冷凝水储罐，必要时，将至少部分冷凝水储罐中的冷凝水通过冷凝水过滤和泵压系统的处理后，在冷凝水雾化装置中雾化并进入原料空气进气管道以降低原料空气的温度。

上述系统还可进一步包括驱动空气压缩机的凝汽式汽轮机，空冷凝汽器和对蒸汽进行再热的锅炉；其中，凝汽式汽轮机，空冷凝汽器和锅炉连通构成蒸汽的热力循环，冷凝水过滤和泵压系统与空冷凝汽器连通，至少部分冷凝水储罐中的冷凝水通过冷凝水过滤和泵压系统的处理后，进入空冷凝汽器作为喷雾加强空冷凝汽器的传热效果。

可选地，还可以采用另一种回收利用空气压缩机冷却器中产生的冷凝水的系统，此一系统包括原料空气进气管道，空气压缩机，包含中间冷却器和/或后冷却器的空压机冷却系统，冷凝水储罐，冷凝水过滤和泵压系统，驱动空气压缩机的凝汽式汽轮机，空冷凝汽器和对蒸汽进行再热的锅炉；凝汽式汽轮机，空冷凝汽器和锅炉连通构成蒸汽的热力循环，原料空气进气管道连通空气压缩机，空压机冷却系统的中间冷却器和/或后冷却器与冷凝水储罐连通，冷凝水储罐与冷凝水过滤和泵压系统和空冷凝汽器依次连通；其中，加压后的原料空气在上述冷却器中冷却生成冷凝水，至少部分冷凝水输送入冷凝水储罐，必要时，将至少部分冷凝水储罐中的冷凝水通过冷凝水过滤和泵压系统的处理后，进入空冷凝汽器作为喷雾加强空冷凝汽器的传热效果。

上文中的另一种系统还可以进一步包括一端连通原料空气进气管道，另一端连通冷凝水过滤和泵压系统的冷凝水雾化装置；冷凝水雾化装置包括喷嘴并设置于原料空气进气管道中；其中，将至少部分冷凝水储罐中的冷凝水通过冷凝水过滤和泵压系统的处理后，在冷凝水雾化装置中雾化并进入原料空气进气管道以降低原料空气的温度。

上述各系统中的空压机冷却系统包括冷却水驱动装置，进水管路和出水管路。

所述的空冷凝汽器包括增湿型空冷器，喷淋型空冷器以及表面蒸发式空冷器。

较佳地，所述的冷凝水储罐还连接有补给水管道。

上述各系统应用于深冷空分装置中。

本发明还公开了一种回收利用空气压缩机冷却器中产生的冷凝水的方法，包括：提供原料空气进气管道，空气压缩机，包含中间冷却器和/或后冷却器的空压机冷却系统，冷凝水储罐，冷凝水过滤和泵压系统，以及，可选的a)冷凝水雾化装置；和/或b)驱动空气压缩机的凝汽式汽轮机，空冷凝汽器和对蒸汽进行再热的锅炉；其中，经空气压缩机分级加压后的原料空气在上述冷却器中冷却生成冷凝水，至少部分冷凝水输送入冷凝水储罐，必要时，将冷凝水储罐中的冷凝水通过冷凝水过滤和泵压系统的处理后，可选的，c)至少部分冷凝水在冷凝水雾化装置中雾化并进入原料空气进气管道以降低原料空气的温度；和/或d)至少部分冷凝水进入空冷凝汽器作为喷雾加强空冷凝汽器的传热效果。

采用本发明的系统和方法回收利用空气压缩机的冷却系统中生成的冷凝水，在冷凝水充足时将其储存起来，减少冷凝水向环境的排放；在炎热干燥的环境中，可以使用储存下来的冷凝水对空气压缩机的原料空气和/或空冷凝汽器的进口空气进行喷雾/增湿降温，降低空气压缩机和空冷凝汽器的能耗，提高它们的性能，从而达到节能、节水、环保的效果。

附图说明

本公开中的附图仅作为对本发明的示意，供理解和解释本发明的精神，但不在任何方面对本发明加以限定。为了清楚起见，本发明的各组成部分未按照实际的比例绘制。

图1是本发明的一个实施方案的示意图。

1-空气压缩机；2-中间冷却器；3-后冷却器；4-一级压缩机；5-二级压缩机；6-凝汽式汽轮机；7-空冷凝汽器；8-锅炉；9-冷凝水储罐；10-冷凝水过滤和泵压系统；11-冷凝水雾化装置；12-原料空气进气管道；21-空压机冷却系统；22-冷凝水管道；23-补给水管道。

具体实施方式

空气压缩机是用来压缩空气借以提高空气压力的机械，一般包括三种基本类型，即往复式空压机、回转式空压机和离心式空压机。当需要将气体压力提升较高时，空气压缩往往会在空压机中分级完成。气体在压缩过程中温度会显著升高，而在高温下压缩气体会消耗更大的能量，因此在各级压缩腔之间设置中间冷却器，即由中间级压缩而出的高温气体在进入下一级之前，先被导入中间冷却器进行冷却，再将冷却后的低温气体送入下一级压缩。压缩完成后的排气，在进一步利用前，相应地也需在后冷却器中冷却至40℃以下。

通过降低入口的原料空气温度也可以改善空压机的输出功率。在原料空气的进气管道中放置雾化装置，一般为喷嘴。当加压的软化水以例如2000psi的压力通过一排喷嘴时，会形成直径在微米级别的细小水珠，这些水珠在原料空气的进气流中很快蒸发，有效地降低了原料空气的温度。

各级中间冷却器和后冷却器都是空压机冷却系统的一部分。冷却器可分为空冷式和水冷式，与多级空压机配套的一般为水冷式，因为水冷的效率更高，冷却后的温度更低。冷却器的款式则包括管式，板式，伞式等。例如，列管式冷却器中设置有气体管路，气体管路与冷却器壳体之间为冷却水通道。气体管路的一端通过接管与上一级气体压缩腔的出口相接，另一端则通过接管与下一级压缩腔的进口或排气口相连。

除冷却器外，冷却系统还包括冷却水驱动装置，进水管路，出水管路。冷却水通过管道先进入中间冷却器，再进入后冷却器对压缩后气体进行冷却。气体在冷却器中降温后有可能产生冷凝水，故在中间冷却器和后冷却器后一般会设置冷凝水收集及排放装置。常见的此类装置包括设置于气体管路上的气水分离器，集水器或过滤器/排水阀等。

空气压缩机一般由电动机或汽轮机驱动。汽轮机是将蒸汽的热能转换成机械功的一种旋转式原动机。汽轮机由于效率高，能耗低，制造成本低，在电力、空分等领域有广泛的应用。凝汽式和背压式是两类常用的汽轮机，其中凝汽式汽轮机与凝汽器及锅炉结合，实现蒸汽的热力循环。凝汽器在上述热力循环中起着冷源的作用，并且在汽轮机的排汽管内建立并维持高度真空及供应洁净的凝结水作为锅炉给水。随着汽轮机排汽压力和排汽温度的降低，循环的热效率可以得到提升，因此选用凝汽效率高的凝汽器是十分必要的。

凝汽器，根据使用的冷却介质分为水冷和空冷。空冷与水冷相比，具有节水，对环境污染小，操作费用低的优点，缺点是占地面积(或空间)大，一次性投资多，受到介质温度、环境温度的限制。在干燥的地区，优选空冷。但是如果仅依靠空气温升带走热量，由于空气的热焓太低，其冷却温度取决于空气的干球温度，所以只能把管内热流体冷却到高于环境温度15℃～20℃，这在炎热的沙漠地区不能达到高效凝汽的要求。因此，湿式空冷凝汽器，简称湿式空冷器，即依靠空气温升带走热量，靠翅片管和风机及喷雾水增湿降温强化传热的空冷器，近年来获得了广泛的应用。按照喷水方式，湿式空冷器又可分为增湿型、喷淋型和表面蒸发型三种。例如，增湿型空冷器是在空气入口处喷雾状水，使干燥的空气增湿接近饱和温度，且降温。干空气相对湿度越小，增湿后降温愈多，冷却效果也愈显著。而喷淋型空冷器是直接在管束的翅片管上喷雾状水，由于水的蒸发和空气被增湿降温而强化传热。喷淋用的水量仅为水冷器的2％～3％，传热强度可比干空冷器高2～4倍。

与现有技术将冷凝水通过排污管道排出不同，本发明中各中间冷却器和后冷却器中产生及收集到的冷凝水，通过管道输送到冷凝水储罐。沙漠气候变化大，当环境温度过高时，比如沙漠地区的炎夏，冷凝水储罐中的冷凝水经过冷凝水过滤和泵压系统处理后，可以输送到设置于原料空气进气管道中的冷凝水雾化装置，和/或空冷凝汽器中作为喷雾加强空冷器的传热效果。适宜的空冷凝汽器包括湿式空冷器中的增湿型和喷淋型。冷凝水储罐还可以连接补给水管道以确保对雾化和喷雾装置的供水。

下面结合附图1对本发明的可行的几种实施方案进行示例性地描述。

在一套空分装置中，原料空气进气管道12同主空气压缩机1相连通。此处的原料空气已经过预冷装置的预冷和纯化装置的纯化，出于简化的目的，上述装置未在附图1中体现。空气压缩机1可由电动机，汽轮机或燃气轮机等驱动。为了达到较好的压缩效果，空气压缩机一般采用多级压缩，并在各级压缩腔之间通过冷却器对进入下一级压缩腔的空气进行冷却。附图1中的空气压缩机示意性地包括两级压缩腔4和5，以及中间冷却器2和后冷却器3，二者通过空压机冷却系统21相连。出于冷却效果的考虑，通常使用水冷，因此空压机冷却系统21包括冷却水驱动装置，进水管路和出水管路(附图1未示出)。压缩后的空气在冷却时会产生冷凝水，该冷凝水在冷却器中被收集，可选地经初步过滤后(附图1未示出)，经共同的冷凝水管道22输送入冷凝水储罐9。

在一年中收集储存的冷凝水有多种使用方式。一种方式是在天气炎热的时候，将至少部分储存于冷凝水储罐9中的冷凝水经冷凝水过滤和泵压装置10处理后，经管道输送入冷凝水雾化装置11。冷凝水雾化装置11包括喷嘴并设置于原料空气进气管道12中，冷凝水可通过喷嘴雾化成直径为微米级水雾喷洒于原料空气上从而降低原料空气的温度，改善了空气压缩机的能耗和输出功率。

另一种方式适用于采用凝汽式汽轮机6驱动空气压缩机1的情况。凝汽式汽轮机6，空冷凝汽器7和锅炉8依次连通并构成蒸汽的热力学循环。凝汽器可使用水冷和空冷，本处选择空冷。当天气炎热时，将至少部分储存于冷凝水储罐9中的冷凝水经冷凝水过滤和泵压装置10处理后，进入空冷凝汽器7作为喷雾提升空冷凝汽器7的降温幅度和效率，使凝汽式汽轮机6排气温度下降，循环的热效率更高，凝汽式汽轮机6的能耗下降。

再有一种方式是将储存于冷凝水储罐9中的冷凝水经冷凝水过滤和泵压装置10处理后，同时输送入冷凝水雾化装置11和进入空冷凝汽器7作为喷雾，从而进一步改善整个系统的能耗。

为防止空气压缩机1中产生的冷凝水不足以供给，增设补给水管道23用于向冷凝水储罐9补充软化水。

下面的实施例1对应于一套氧气产量为2000吨/日的低温精馏空分装置。该装置的主空气压缩机的处理能力为300000nm³/h。nm³为正常立方米，指在0℃，1个标准大气压下的单位体积。下表列举了某一地区各个月份的平均相对湿度，平均温度，平均空气含水量，以及相应地每月被压缩的空气中的含水总量和每月在空压机中产生的冷凝水总量：

如上表所示，每小时可处理30万正常立方米空气的空气压缩机在一年中压缩的所有的空气中的含水量为12个月的加和，约为23347吨，其中约14235吨可在冷却器中冷凝，并送入冷凝水储罐中储存。这一部分冷凝水可以在该地区气温最高的时段(根据各个地区的不同，最高温度各异，一般选择气温超过25或30℃的时间段)，通过上文所列举的实施方式中的一种或几种使用。例如，可以进入原料空气管道作为喷雾，这一方式每年将消耗约270吨冷凝水；或送入空冷凝汽器作为喷雾，这一方式每年将消耗约9100吨冷凝水。采用收集到的冷凝水基本可以满足这两种需要，因此可以在节省能源的同时，大大减少对水资源的消耗。

应当理解，以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。