姜 賀

(北京北大先鋒科技有限公司, 北京 100080)

變壓吸附制氧技術(shù)的發(fā)展

姜 賀

(北京北大先鋒科技有限公司, 北京 100080)

概述了變壓吸附制氧技術(shù)的發(fā)展，分別對(duì)變壓吸附制氧設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域、工藝設(shè)計(jì)和選型進(jìn)行論述，簡(jiǎn)要介紹了變壓吸附制氧設(shè)備的特性。

變壓吸附； 制氧； 工藝設(shè)計(jì)及選型

伴隨著能源的日益緊缺、工業(yè)生產(chǎn)成本的不斷提高以及環(huán)境保護(hù)要求的更加嚴(yán)格，節(jié)約能源、降低成本及減少環(huán)境污染已成為大多數(shù)工業(yè)企業(yè)需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。氧氣作為一種助燃性的氣體，在金屬冶煉、化工、工業(yè)窯爐等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，在很多情況下不僅是工藝需要，更是為了節(jié)能減排、增產(chǎn)增效。近十年來(lái)，工業(yè)用氧的需求越來(lái)越大，變壓吸附制氧裝置在這十幾年中也取得了飛躍式發(fā)展，本文簡(jiǎn)要介紹變壓吸附制氧技術(shù)的發(fā)展情況。

1 變壓吸附制氧設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域

變壓吸附制氧設(shè)備制取的氧氣，純度通常在90%左右，極限純度可以達(dá)到95.5%，目前工業(yè)化最大制氧裝置產(chǎn)量已達(dá)4萬(wàn)m3/h。變壓吸附制氧具有操作靈活、負(fù)荷調(diào)節(jié)方便、能耗低及建設(shè)周期短等諸多優(yōu)點(diǎn)，非常適用于對(duì)氧氣純度要求不高、不需要產(chǎn)氮?dú)獾膱?chǎng)合。變壓吸附制氧設(shè)備在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越普遍。

1.1 鋼鐵行業(yè)

鋼鐵行業(yè)對(duì)氧氣的需求量最大，轉(zhuǎn)爐煉鋼、電弧爐煉鋼及高爐煉鐵都要用氧氣，除轉(zhuǎn)爐需要純氧之外，變壓吸附制氧設(shè)備制取的氧氣在電弧爐煉鋼及高爐煉鐵中均可以應(yīng)用。電弧爐煉鋼一般需要純度在93%左右的氧氣，對(duì)于中小型鋼廠的電弧爐，比較適合選擇變壓吸附制氧設(shè)備。高爐富氧噴煤可以提高煤比，降低焦比、提高產(chǎn)量。實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，富氧率增加1%，產(chǎn)量至少提高3%，增加噴煤20 kg/t鐵。目前國(guó)內(nèi)高爐的富氧率不高，如果富氧率能夠達(dá)到5%以上，則會(huì)給企業(yè)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 有色冶金行業(yè)

近些年來(lái)變壓吸附制氧設(shè)備在銅、鉛等有色金屬冶煉中得到了廣泛的應(yīng)用。由于多數(shù)冶煉工藝對(duì)氧氣的純度要求不高，而變壓吸附制氧設(shè)備操作靈活、能耗低的特性很好地滿足了有色冶金領(lǐng)域的需要。有色金屬冶煉工藝中用富氧代替空氣熔煉，可以提高爐溫，提高熔煉效率，減少氮?dú)獾墓娜肓?，降低能耗，同時(shí)降低煙氣量。因此，富氧在有色冶金行業(yè)應(yīng)用，可以帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益且有利于環(huán)境保護(hù)。

1.3 化工行業(yè)

變壓吸附制氧設(shè)備在化工行業(yè)的應(yīng)用是近些年才發(fā)展起來(lái)的，主要用于中小氮肥廠的煤氣化工藝。煤氣化工藝已有很多年的歷史，目前中小氮肥廠應(yīng)用的主要是固定床間歇式造氣爐，雖然技術(shù)不先進(jìn)，但是投資低、建設(shè)周期短，然而由于技術(shù)較為落后、環(huán)境污染較大，已經(jīng)被限制發(fā)展，因此部分氮肥廠開始采用富氧連續(xù)氣化技術(shù)。富氧連續(xù)氣化技術(shù)是在固定床間歇式造氣技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，對(duì)氧氣純度的要求不高。采用富氧連續(xù)氣化技術(shù)可以提高對(duì)煤種的適應(yīng)性，避免吹風(fēng)氣放空帶來(lái)的環(huán)境污染及提高生產(chǎn)能力等，因此該項(xiàng)技術(shù)在中小氮肥廠煤氣化過(guò)程中的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。

1.4 玻璃窯爐

我國(guó)玻璃窯爐采用富氧燃燒技術(shù)較國(guó)外晚，由于采用富氧助燃能夠減少氮?dú)鈳ё叩臒崃?，?jié)省燃料以及減少污染物的排放等，近些年玻璃窯爐富氧助燃仍廣泛采用。由于玻璃窯爐的特殊性，變壓吸附制氧設(shè)備在應(yīng)用中需要結(jié)合液氧儲(chǔ)罐備用系統(tǒng)以滿足玻璃窯爐生產(chǎn)的需要。

1.5 其他

變壓吸附制氧設(shè)備在其他領(lǐng)域的應(yīng)用也很多，例如紙漿漂白、水泥回轉(zhuǎn)窯、垃圾焚燒、污水處理、水產(chǎn)養(yǎng)殖等。

2 變壓吸附制氧技術(shù)的發(fā)展

變壓吸附制氧技術(shù)始于1958年，半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，變壓吸附制氧技術(shù)日漸成熟并不斷地改進(jìn)和提高。

美國(guó)對(duì)變壓吸附制氧技術(shù)的開發(fā)比較早。20世紀(jì)60年代變壓吸附制氧技術(shù)在美國(guó)首次工業(yè)化應(yīng)用，采用常壓解吸工藝(PSA工藝)，使用的吸附劑是CaA分子篩。采用PSA工藝及CaA分子篩的制氧設(shè)備，氧氣回收率低，能耗較高。1989年，美國(guó)聯(lián)合碳化物公司(現(xiàn)轉(zhuǎn)為UOP和Praxair公司)開發(fā)成功采用LiX分子篩的真空解吸變壓吸附(VPSA)制氧設(shè)備，使得制氧設(shè)備投資降低，氧氣回收率大幅提高，能耗大大降低，從此變壓吸附制氧技術(shù)進(jìn)入了新的發(fā)展時(shí)期。2000年前后，我國(guó)引進(jìn)了幾套美國(guó)Praxair公司的VPSA制氧設(shè)備，采用LiX分子篩，配置羅茨鼓風(fēng)機(jī)、雙級(jí)或單級(jí)羅茨真空泵。采用雙級(jí)真空泵的制氧設(shè)備具有較高的壓力比，氧氣回收率高，但能耗相對(duì)于單級(jí)真空泵要高。近些年建成的制氧設(shè)備均采用單級(jí)真空泵并增加了空氣冷卻器，能耗進(jìn)一步降低。

日本變壓吸附制氧技術(shù)的應(yīng)用始于1972年，引進(jìn)了美國(guó)聯(lián)合碳化物公司的PSA制氧技術(shù)用于污水處理。1983年，依據(jù)Bayer AG專利技術(shù)，開始采用在大氣壓下吸附- 抽真空進(jìn)行解吸的工藝流程，即VSA制氧工藝，該工藝較PSA 制氧工藝能耗大幅降低。到1993年，日本已建設(shè)多套采用VSA工藝的制氧設(shè)備，應(yīng)用較為廣泛。近些年，日本一些公司大多采用離心式鼓風(fēng)機(jī)，在微正壓下吸附，雙級(jí)羅茨真空泵解吸的制氧工藝。

我國(guó)對(duì)變壓吸附制氧技術(shù)的研究起步于20世紀(jì)70年代，由于受到當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制一直沒(méi)有突破性的發(fā)展，直到1990年前后才有第一套PSA和VPSA工業(yè)化制氧設(shè)備建成。在2000年以前，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的變壓吸附制氧裝置規(guī)模較小、能耗較高、應(yīng)用較少，由于國(guó)外的變壓吸附制氧設(shè)備價(jià)格昂貴，因此引進(jìn)的設(shè)備也不多。 2000年以前變壓吸附制氧設(shè)備的應(yīng)用在我國(guó)并不常見(jiàn)。1997年，北京大學(xué)研制出高效鋰基制氧專用分子篩，并由北大先鋒公司于2000年投入工業(yè)化生產(chǎn)，從此由我國(guó)自主生產(chǎn)并采用高效LiX制氧專用吸附劑的變壓吸附制氧裝置逐漸得到廣泛應(yīng)用。

雖然經(jīng)過(guò)了多年的發(fā)展，但目前國(guó)內(nèi)外僅有少數(shù)幾家公司具備設(shè)計(jì)制造大型變壓吸附制氧設(shè)備的能力，其根本原因在于盡管變壓吸附制氧技術(shù)原理簡(jiǎn)單，但在工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備選型中仍然有許多難點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)高效鋰基制氧專用吸附劑。國(guó)內(nèi)很多單位從事高效制氧吸附劑研制多年，但很難取得成功，因?yàn)長(zhǎng)i+交換的低硅鋁比的分子篩(LiLSX)制作有諸多難點(diǎn)，大規(guī)模合成低硅鋁比X型分子篩時(shí)容易出現(xiàn)雜晶，而且由于低硅鋁比X型分子篩晶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，焙燒時(shí)容易被破壞，最困難的是Li+親水性極強(qiáng)，離子交換十分困難且成本極高。國(guó)內(nèi)某公司已攻克上述難題，生產(chǎn)出的吸附劑穩(wěn)定高效，鋰離子交換度接近100%，氮氧選擇性、氮?dú)馕饺萘糠謩e是常規(guī)CaA和CaX分子篩的2～3倍。

(2)吸附器及其氣流分布器。用于變壓吸附制氧設(shè)備的吸附器是制氧裝置的核心設(shè)備。為了降低阻力，防止氣體對(duì)吸附劑造成影響，需嚴(yán)格控制吸附器的空塔流速，因此吸附器通常具有較大的直徑以降低流速。雖然吸附器直徑加大能夠保證較低的流速，但實(shí)現(xiàn)氣流分布均勻就比較困難，然而變壓吸附制氧設(shè)備的吸附器必須做到氣流分布均勻才能充分利用吸附劑。氣流分布不均勻，必然造成局部流速過(guò)大，對(duì)設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定操作產(chǎn)生影響，降低產(chǎn)品的純度和產(chǎn)量。某公司開發(fā)的吸附器，采用強(qiáng)制分布對(duì)稱結(jié)構(gòu)氣流分布器，在各種直徑下均能保證吸附器內(nèi)氣流分布的均勻性，很好地解決了大直徑、扁平化吸附器氣流分布難以均勻的國(guó)際性難題，已經(jīng)建成的吸附器最大直徑達(dá)7 m，氣體分布均勻、阻力小，能夠保證吸附系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作并節(jié)能降耗。此外，該公司還成功開發(fā)出了阻力更小的徑向床吸附器，并已經(jīng)用于工業(yè)化裝置。

(3)鼓風(fēng)機(jī)及真空泵選型。VPSA制氧設(shè)備的特性是在短時(shí)間內(nèi)操作壓力會(huì)大幅變化，也就是說(shuō)鼓風(fēng)機(jī)和真空泵的排氣壓力和吸氣壓力在短時(shí)間內(nèi)大幅變化，這一特性要求配套的鼓風(fēng)機(jī)和真空泵需要具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：一從保護(hù)吸附床的角度考慮，鼓風(fēng)機(jī)的氣量不能隨排氣壓力的變化大幅變化，否則氣體流速的大幅變化必然影響吸附床的正常工作；二從節(jié)能的角度考慮，設(shè)備配套電機(jī)的輸出功率應(yīng)隨排氣壓力或吸氣壓力的變化而同比例變化，即在壓力不斷變化的過(guò)程中設(shè)備不能一直處于高能耗的狀態(tài)；三從可靠性的角度考慮，設(shè)備需要在短時(shí)間大幅度變化的工況下穩(wěn)定可靠工作，故障率低。能夠同時(shí)滿足以上幾點(diǎn)特性的鼓風(fēng)機(jī)和真空泵只有羅茨式的鼓風(fēng)機(jī)和真空泵，這也是國(guó)內(nèi)外先進(jìn)變壓吸附氣體公司的共識(shí)。

(4)噪音治理。變壓吸附制氧設(shè)備有諸多優(yōu)點(diǎn)，近些年得到了廣泛應(yīng)用，但選擇羅茨式風(fēng)機(jī)存在噪音偏大的缺點(diǎn)，由于羅茨式風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪音是低頻噪音，處理起來(lái)難度較大。某公司經(jīng)過(guò)多年的研究開發(fā)和工程實(shí)踐，目前形成了一套完整的噪音治理方案，包括羅茨鼓風(fēng)機(jī)排氣噪音及振動(dòng)處理方案、羅茨真空泵排氣噪音及氣水分離處理方案、廠房綜合消音及通風(fēng)處理方案。通過(guò)這一系列的處理方法，噪音明顯降低，完全能夠達(dá)到環(huán)保要求，且綜合投資也不高，只占設(shè)備總投資很小一部分。

3 變壓吸附制氧設(shè)備的特性及選擇

21世紀(jì)初期，國(guó)內(nèi)單套變壓吸附制氧設(shè)備最大能做到1 000 m3/h，國(guó)外最大能做到5 000 m3/h，當(dāng)時(shí)很多人認(rèn)為超過(guò)該規(guī)模的制氧設(shè)備應(yīng)選擇深冷空分。目前國(guó)內(nèi)單套變壓吸附制氧設(shè)備最大可超過(guò)10 000 m3/h，國(guó)外還沒(méi)有近似規(guī)模的大型變壓吸附制氧設(shè)備出現(xiàn)。

變壓吸附制氧設(shè)備具有如下特點(diǎn)：

(1)操作靈活、開停機(jī)方便，開機(jī)15 min即可達(dá)到使用要求；

(2)負(fù)荷調(diào)節(jié)方便，產(chǎn)量可在30%～100%間調(diào)節(jié)，純度在70%～95%間可以調(diào)節(jié)；

(3)建設(shè)周期短、投資小、占地面積??；

(4)能耗低，運(yùn)行成本低，純氧電耗小于0.35 kWh/m3；

(5)設(shè)備簡(jiǎn)單，維修方便；

(6)常溫操作，安全性高。

綜合以上變壓吸附制氧設(shè)備的特點(diǎn)，如果只需要氧氣，不需要其他產(chǎn)品氣或者只需要少量的氮?dú)?，氧氣純度不大?3%時(shí)，非常適合選擇變壓吸附制氧設(shè)備。少量的氮?dú)饪梢酝ㄟ^(guò)變壓吸附制氮裝置解決，用量如果超過(guò)單套變壓吸附制氧設(shè)備的上限可采用幾套設(shè)備并聯(lián)的方式解決。

4 結(jié)語(yǔ)

變壓吸附空分制氧技術(shù)在我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越普遍，在冶金、化工、玻璃玻纖、造紙、污水處理等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。隨著工藝的優(yōu)化與不斷改進(jìn)，變壓吸附制氧技術(shù)將進(jìn)一步推動(dòng)企業(yè)節(jié)能降耗，提高生產(chǎn)效率。該技術(shù)有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

[1]耿云峰，耿晨霞，張文效.變壓吸附(PSA)空分制氧技術(shù)進(jìn)展[J].煤化工，2003，(2)：33-36.

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Developmentofpressure-swing-adsorptionoxygengeneratingtechnology

JIANG He

The development of pressure-swing-adsorption oxygen generating technology was introduced. The application field, process design and type selection of pressure-swing-adsorption oxygen generating devices were presented, and the characteristics of the devices were simply introduced.

pressure-swing-adsorption; oxygen generating; process design and type selection

姜 賀(1978—)，男，遼寧阜新人，技術(shù)工程師，2001年畢業(yè)于大連理工大學(xué)，從事變壓吸附制氧技術(shù)研究工作。

TQ116.19

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