張秋玲

（廣東省茂名市民興氣體有限公司 廣東茂名 525000）

與實驗室制氧不同，工業(yè)用氧的用量規(guī)模要求工業(yè)用氧制備工藝能實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，生產(chǎn)成本低等特點。傳統(tǒng)上，制氧方法常包括化學法、電化學法和空氣深冷分離法。比較成熟的工業(yè)用氧制備方法即是通過深冷工藝流程，低溫下實現(xiàn)空氣中的氧和氮的分離提取。然而，鑒于深冷氧氣制備過程中能源消耗和設備成本的弱勢，在激烈的市場競爭中，國內(nèi)部分企業(yè)（保利協(xié)鑫硅業(yè)、藍星硅業(yè)、山西潞安硅業(yè)）經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，都取代了過去的深冷工藝，一般都選擇采用成本低、效益較好的變壓吸附制氧設備，從而達到精煉工業(yè)氧氣的需求。本文就這兩種制氧工藝做了簡要介紹。

1 氧氣制備方式

1.1 深冷法制氧工藝

深冷法制氧是先將空氣壓縮、冷卻，并使空氣液化，根據(jù)氧氣與氮氣組分的沸點的不同。氧由于沸點較高從蒸汽中不斷的冷凝為液體，而氮由于沸點較低轉(zhuǎn)換到蒸汽中，從而達到了氮和氧的分離，可以獲得氧氣或氮氣。此法可以連續(xù)制取氧氣，且純度能夠達到99.6%以上。

首先從大氣中吸入空氣，空氣可被空氣凈化器除去其中的一些機械雜質(zhì)和灰塵?？諝饨?jīng)過過濾后由空壓機進行加壓達到啟動壓力（4.9Mpa），然后空氣進入到到分子篩吸附系統(tǒng)中，達到去除空氣中的二氧化碳、水分以及大部分的碳氫化合物，這樣空氣完成了潔凈過程。再經(jīng)由三個管路將潔凈后的空氣輸入氧隔層、熱交換器氧隔層以及餾份隔層管中，同時冷卻。其中有一些由于膨脹機的作用后再經(jīng)過過濾器達到下塔中，而另外一部分在熱交換器中靠氮氧隔層被繼續(xù)冷卻，最后由節(jié)流閥控制壓力（0.56Mpa）再進入下塔。

下塔中安裝有乙炔吸附器，可以將液化的空氣中含有的乙炔進一步去除，再經(jīng)由液空過冷器過冷后節(jié)流入上塔。氧氣可由上塔的下部提取，再送入到貯氣囊，在此之前由熱交換器氧隔層復熱，裝瓶時由氧壓機壓縮到15Mpa。

該工藝制氧工藝流程復雜、投資成本較高、耐壓設備安全性要求較高、操作復雜、裝置啟動時間較長（大約需30h）、氧、氮純度都可達到99.99%，并且產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量穩(wěn)定。

1.2 PSA變壓吸附制氧

變壓吸附(Pressure Swing Adsorption,PSA)制氧，是指常溫情況下，基于吸附劑對空氣中的氧、氮組分選擇性吸附而使空氣分離得到氧氣。達到了吸附和脫附連續(xù)循環(huán)操作的目的，制取氧氣的純度可達90-93%。

首先鼓風機將過濾后的壓縮空氣運輸?shù)轿剿ˋ、B）中，吸附塔中同時安裝有吸附層包括活性氧化鋁和分子篩，經(jīng)過吸附塔的吸附層時，空氣中的氮分子由于吸附力被優(yōu)先吸附，吸附達到平衡后吸附層中的氮氣達到飽和狀態(tài)，此時需要將空氣進氣閥門關閉，并對另一個吸附塔進行沖洗并對塔體進行抽真空處理，當壓力達到閾值時均壓閥門關閉，從吸附塔放空口排出氮氣，同時空氣中的氧則輸送到緩沖罐經(jīng)由氧壓機加壓，達到合適壓力后放入儲氣罐以供使用。最后利用另一個塔內(nèi)的富氧氣以及緩沖罐中的部分產(chǎn)品氣對沸石分子篩沖洗，達到徹底解吸的目的。解吸完成后使用產(chǎn)品氣對塔進行充壓，充壓后將緩沖閥關閉，打開鼓風機出口閥，進行吸附塔的充壓，準備下一次吸附，達到連續(xù)循環(huán)制氧的操作目的。

該制氧方式可在常溫、低壓下操作，工藝流程簡單。同時裝置操作簡單，開停車方便，啟動時間短，能實現(xiàn)連續(xù)供氣和間斷供氣。另外投資和管理費用比較低，氣體生產(chǎn)成本低，可制備純度在95%以下的單一氣體。

3 氧氣制備電力消耗成本分析比較

兩種氧氣制備方法所用的制氧原料均為空氣，因此本文制氧成本主要考慮的因素包括基建投資、水電消耗及車間運作成本。以一個化工廠需要投資建設一個產(chǎn)量約為3100m3/h的純氧制備生產(chǎn)裝置為例，進行變壓吸附制氧裝置與深冷空分制氧裝置投資分析的比較。比較結(jié)果如表1所示：

表中所列數(shù)據(jù)均按百分比估算的成本費用。由表可見，無論從基建投資、經(jīng)營成本、技術安全各個方面去分析考慮，新興的變壓吸附制氧裝置都具有相當?shù)膬?yōu)勢，尤其是單位純氧成本為0.26元 /m3純O2，僅為傳統(tǒng)深冷空分制氧生產(chǎn)方法的1/2。因此對于氧氣純度要求不高，且氧氣用量不超過20000m3/h的產(chǎn)業(yè)，應該優(yōu)先選擇變壓吸附法。而對于用氧純度要求比較高的情況，在利用深冷法制備氧氣過程中，應著重降低單位體積氧氣的電力消耗。同時，根據(jù)氧氣產(chǎn)量設計不同的耐壓容器，也可以做到設計成本最低化。

?