1、空分系统压缩流程特性
如图1.3 所示，低温空分设备是一个大型复杂系统，发展至今系统整体架构已经较为成熟完整，其主要有多个子系统构成，其中包括空压系统、空冷系统，纯化系统、制冷系统、热交换系统、精馏系统、产品输送系统和控制系统等。其中，空分压缩流程包含最主要的核心动力设备，用于提供空气膨胀制冷所需的压力势能，是精馏过程顺利进行的重要基础。空压流程能耗一般占整个空分系统总功耗的 70-80%，因此压缩过程的效率高低直接决定了空分能耗和产品成本。
研究表明，空压过程中的中间冷却过程产生的㶲损就占据了整体空分系统㶲损的38%，通过压缩机叶轮优化设计及控制技术提高部机压缩效率的方法已接近其技术瓶颈，而目前针对空压流程的余热回收利用技术尚处于探索阶段，市场仍未有成熟系统运行。因此，通过有效利用空压过程余热降低流程能耗将是未来空分系统节能减排的关键方向之一。
低温空分系统中的空气压缩过程接近于绝热压缩，为降低压缩能耗和减小空压机制造难度，实际空分系统一般采用多级压缩、中间冷却的压缩方式。图 1.4所示传统空压流程为典型的三级压缩过程，主要包括三级空压过程和两级中间冷却过程。空分压缩流程出口空气压力一般为 0.58-0.70 MPa，每级压缩机出口空气温度约为 100-120 ℃。为保证压缩机正常运行，需要利用级间冷却器对压缩机入口空气进行降温，一般通过冷却循环水将其降至 40 ℃左右，该过程总输入电功中仅约 10-20%最终转化为空分系统所需有效压力势能 ，其余能量均以余热形式通过中间冷却器带走。
空压流程中空气处理量大、压缩能耗高、㶲效率低，压缩余热量巨大。该部分压缩余热是目前提升空气压力势能过程中不可避免产生的，造成了大量高品质电能的耗费。目前，空压机单体机械效率已提升至瓶颈，充分利用压缩过程产生的巨量空气余热，有望成为提升空压流程效能的重要突破口。表 1.2 为几种常见工业余热热源，可以看出，空分压缩余热具有一定的特殊性，具体体现在以下几个方面：
1) 、空分压缩余热伴随多级压缩热力过程产生， 表现为 过程中间热。
常见的内燃机余热、窑炉烟气余热、干熄焦余热等都来源于主体流程结束后排出的废气、液、固中的余热，余热回收相对独立，对上游主体流程影响较小。而多级空压流程中级间余热的回收利用，必定对下一级空压过程入口空气状态造成影响，从而引起系统连锁反应，造成余热特性变化，反馈影响压缩性能和余热回收过程。
2) 、空分压缩余热 总量大、 品位低、 载体 能量密度低。
以 12 万 Nm 3 /h 制氧量规模的空分系统为例，空压机进气流量约为 60 万Nm 3 /h，空压过程中被冷却水带走的热量（焓差）高达 30 MW，约占总输入功的80%-90%。空压机中各级出口温度一般低于 120 ℃，实际运行过程中一般在 100-110 ℃之间。相比于一般余热热源如内燃机排气余热、水泥窑路烟气余热以及钢铁行业中的干熄焦余热（200-500 ℃），空压余热属于较低低品位能源。此外，相较于水等液体介质，压缩空气热容小、能量密度低，因此有效回收并利用空压余热，实现空压流程的节能减排，在技术及经济层面都难度较大。
3) 空压余热具有较强波动性。
目前，钢铁等行业对于产品气体供应在变比例和变负荷方面要求较高，需求量波动幅度大、变化频繁，加上全年气候条件多变，以环境空气为原料的空分系统一般要求在 70-105%负荷范围内灵活可调。因此，空压过程空气余热量也会波动较大，导致在保持系统稳定运行的基础上有效回收系统余热有一定难度。
空分压缩余热的上述特点使得设计能够实现高效经济地回收余热的方法极具挑战。余热回收过程与多级压缩过程紧密交织，具有复杂的内部反馈和耦合特征。深入研究压缩过程与余热回收过程间的耦合匹配机理，是有效回收压缩余热、提升压缩性能的关键所在。此外，压缩余热波动性和低品位特征，也将使得压缩余热回收系统也常常被迫运行在动态变化的非设计工况下，亟需在深入认识其动态运行规律的基础上，形成以降低空压流程能耗为目标的整体优化运行策略。
2、空压机余热利用方法
如 1.2.1 所述，空分压缩过程的特点限制了余热回收技术在空分系统中的应用，目前针对空分压缩余热回收的研究较少，且大多都处于设计验证阶段。但在其他工业领域中，压缩气体余热回收的方法已经有所应用，对空分系统中空压余热回收利用有较强参考意义。据统计，压缩空气能耗约占我国总电耗的 9.4% ，相关余热回收技术引起了工业界和学术界的广泛关注，余热回收利用方式主要可分为直接热利用和能量品位提升两类方式。
2.1、直接热利用
直接热利用方法是压缩余热最简单直接的回收利用方式。目前大多数压缩余热回收研究都是基于该方法进行的，即以水、导热油或其他传热介质为媒介，通过换热设备将余热能量直接传递到其他工艺过程中利用的方法，主要包括区域供暖、生活热水供应、工艺过程加热、除湿干燥等。
陆振乾等对阿特拉斯 ZR400 型水冷无油螺杆空压机提出改造方案，加装板式换热器用于空压机余热回收并用于办公采暖，计算结果显示轴功率为355kW的空压机每年可节省成本 71 万元，回收周期为 6 个月。Opoku 等提出使用一种新型管翅式换热器对空压机余热进行回收并制取 42-70 ℃热水，热回收率可达到 54.5%，每年可节省 710 MWh 能源，投资回收期为 8 个月。
Prommuak等利用空压机余热空压机余热，设计了一种咖啡渣托盘干燥机，可将咖啡渣中水含量降低至 20%以下，该结果可扩展应用到干燥其它类似性质的农产品。Zhan 等 [48] 设计了一种利用压缩空气余热辅助进行液体除湿的方法，将空压机余热回收用于加热液体除湿剂，充当再生热源完成溶液再生，实验再生温度为 72.9 ℃，表明空压余热用于驱动溶液再生是可行的。
文献调研表明，经合理设计后直接热利用方法可回收约 50%-90%压缩余热，投资回收周期基本都低至 1 年以下。直接热利用方法虽然简单有效，但其前提是现场需要有与压缩余热相匹配的热量需求。在低温空分系统中，空气纯化器内分子筛脱附再生是主要热量需求过程，再生用污氮气温度要求为 170-180 ℃（一般采用电或蒸气加热），但流量仅为工作空气流量的 15-20%。已有研究显示，虽然压缩余热可用于预热再生污氮气，但可回收热量非常有限（<10%） 。不难发现，从热量总量和温度品位上来说，低温空分系统中不存在与压缩余热直接相匹配的合适热量需求，常规直接热利用存在明显局限。
2.2、能量品位提升
能量品位提升方法在余热缺乏直接利用的场合经常用到，即通过制冷、热泵或热功转换方法，利用工艺流程循环提高余热能量等级后再利用。
利用制冷或热泵循环提升余热能量品位，主要是以溴化锂吸收制冷或热泵循环为途径。朱晓琳等提出一种以压缩余热为热源的热泵驱动的真空纤维膜进气除湿系统，通过回收余热用于压缩入口除湿，提高了压缩机系统综合能源利用率，且可以提高系统安全性和经济性；针对合成氨装置，一些文献提出了回收氮氢气压缩机级间气体余热，来驱动溴化锂吸收式制冷机制取冷水，再用冷水冷却压缩机一入气体的方案，从而达到降低压缩工段能耗、提高生产效率的目的，文献利用 Aspen Plus 模拟，计算得到采用新工艺流程后，在入口原料气流量不变的情况下，压缩工段可节省循环冷却水用量 68.7%。以溴化锂水溶液为工质的吸收式制冷系统作为低品位余热回收利用方式之一，一般可利用 80-250℃范围的低温热源，多用于空气调节或工业用冷冻水，可以利用低温工业余热、太阳能、地热等低品位热能，不消耗高品质电能，在工业余热利用方面有一定优势 。
利用热功转换技术将余热转换为机械能或电能加以利用，需要在余热资源利用现场有合理的机械负载或有效电能储存、传输途径，才能实现余热的高效利用。大部分余热回收现场都缺少匹配的机械负载，因此低品位余热的热功转换技术主要为余热发电，具体发电方式如表 1.3 所示。可以看出，目前大部分工业系统中的低温余热发电都采用有机朗肯循环技术，涉及液化空气储能、低温空分 、电厂碳捕集、工业级空气压缩等不同系统内气体压缩余热回收。
She 等提出一种混合液态空气储能系统，将空压余热作为 ORC 循环的驱动热源，VCR 系统为其冷凝提供冷量，可以产生额外电量。热力学分析表明，新提出的系统比传统液态空气储能系统效率提高 9-12%，投资回收期为 2.7 年。
Aneke 等提出利用 ORC 循环，将空分压缩余热转换为电能，并利用 AspenPlus 进行系统流程模拟。结果显示，将 100 kg/s 空气作为原料气体输入时，入口温度保持为 30℃，氧氮氩气体的生产比功耗分别为 0.32、0.37 和 17.35kWh/kg，可减少将近 11%的空分压缩功耗。
Yu 等提出将 ORC 系统与富氧燃烧设备中原料气体压缩过程结合，以降
低碳捕集成本，计算结果显示与传统设计流程相比，可以降低能耗 7.9%，并可以减少一级压缩过程，但对于跨临界 ORC 来说，热交换器的设计和系统控制仍然具有较大挑战性。
Wang 等设计使用 ORC 循环或卡琳娜循环回收多级压缩中间冷却过程中的废热，比较了两个循环产生的节能效果，结果显示对于以 R123 为工质的 ORC系统，膨胀机入口流体状态为饱和蒸气时，压力为最佳值，系统的净能耗最小；对于卡琳娜循环系统，在一定范围内，膨胀机入口压力越高，温度和氨气质量分数越低，系统的净功耗也越低。比较两个系统的优化结果，使用卡琳娜循环的系统净功耗要小于使用 ORC 的系统净功耗。
上述研究对于空分系统中空压余热回收利用具有一定参考价值，但大多是对热力循环本身的热力学分析，对热力循环与空压余热利用之间的匹配关系及相互影响涉及较少。压缩余热用于发电虽较为便捷，但考虑到低温空分系统中压缩余热品位低的特性，其发电效率低，且波动性大会带来电力不稳定，自用或并网均存在问题。
目前，上述两类压缩余热利用方法在低温空分领域仍然未能得到实际应用，主要原因在于压缩余热的量大且品位低，而空分系统内缺乏与之匹配的需求端。由此可见，低温空分系统内压缩余热存在显著的“供需失衡”矛盾，亟需探索更适合空分应用场合的新型压缩余热利用方法。
摘自基于空分压缩余热驱动的自增效多级空压流程设计优化与实验研究，作者荣杨一鸣
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