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        變壓吸附制氧的節(jié)能設(shè)計

        2015-08-10 02:52:06寸啟龍昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司云南昆明65005云南馳宏鋅鍺股份有限公司云南會澤65400
        有色金屬設(shè)計 2015年3期
        關(guān)鍵詞:設(shè)備選型節(jié)能設(shè)計

        寸啟龍,梁 可,張 春(.昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司,云南 昆明 65005;.云南馳宏鋅鍺股份有限公司,云南 會澤 65400)

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        變壓吸附制氧的節(jié)能設(shè)計

        寸啟龍1,梁 可1,張 春2
        (1.昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司,云南昆明650051;2.云南馳宏鋅鍺股份有限公司,云南會澤654200)

        摘要:作為助燃劑和氧化劑的氧氣,在工業(yè)生產(chǎn)中起到節(jié)能減排和加快氧化反應的作用,普遍被使用。而變壓吸附制氧過程本身就是一個耗能的生產(chǎn)過程,能耗指標變化范圍較大,節(jié)能空間比較大。如何穩(wěn)定、節(jié)能、高效地制取氧氣,從工藝路線選擇、設(shè)備選型、制氧吸附劑選用、工藝參數(shù)的設(shè)計和控制等方面,探討變壓吸附制氧生產(chǎn)裝置的節(jié)能設(shè)計,提高節(jié)能效果。

        關(guān)鍵詞:變壓吸附制氧;工藝路線;設(shè)備選型;節(jié)能設(shè)計

        0 引 言

        現(xiàn)代工業(yè)逐漸向節(jié)能、環(huán)保、高效的方向發(fā)展,作為助燃劑和氧化劑的氧氣,在工業(yè)中起到節(jié)能減排和加快氧化反應的作用,普遍被使用。氧氣主要來自于空氣中的氧,空氣中含氧量約為21%,含氮約為78%。變壓吸附制氧是利用吸附劑在加壓條件下吸附空氣中的氮氣,而排出氧氣,在減壓或常壓條件下解吸所吸附的氮氣(和其它微量雜質(zhì)氣體),用雙塔或多塔循環(huán)進行空氣分離和吸附劑解吸再生,從而實現(xiàn)連續(xù)制取氧氣的過程。根據(jù)制氧裝置的不同,變壓吸附制氧裝置能耗為0.42~1.1 kW·h/Nm3,能耗指標變化范圍較大,節(jié)能空間比較大。該文將從工藝路線、設(shè)備選型、吸附劑和生產(chǎn)工藝參數(shù)的控制等方面就如何穩(wěn)定、節(jié)能、高效地制取氧氣進行探討。

        1 工藝路線

        變壓吸附分為高壓吸附常壓解吸的變壓吸附制氧(PSA)和低壓吸附真空解吸的變壓吸附制氧(VPSA)。PSA法單套裝置規(guī)模一般在400 Nm3/h以下,裝置能耗較高,一般在1.0 kW·h/Nm3以上,適用于小規(guī)??辗种蒲?,也可多套裝置并聯(lián)適用,但經(jīng)濟性較差。VPSA法在PSA法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來,單套裝置產(chǎn)能可達80 000 Nm3/h,純度可達95%,適用于大規(guī)模制氧,且規(guī)模越大制氧能耗越低,正??煽刂圃?.55 kW·h/Nm3以內(nèi)。目前國內(nèi)只有少數(shù)廠家能生產(chǎn)大產(chǎn)能變壓吸附制氧機組,按照吸附塔的配置數(shù)量,VPSA工藝又分為單床VPSA工藝、兩床VPSA工藝、三床VPSA工藝、五床VPSA工藝。具體選用哪種工藝,需根據(jù)企業(yè)對純度要求、用氣量、用氣制度和現(xiàn)場條件等進行綜合考慮擇優(yōu)選擇。

        對于PSA和VPSA法制氧,在工藝路線的選擇上,當生產(chǎn)規(guī)模<1 500 Nm3/h時,考慮到設(shè)備投資,可以選用多個PSA法制氧裝置并聯(lián);當生產(chǎn)規(guī)模>1 500 Nm3/h時,VPSA法制氧的綜合節(jié)能效果開始顯現(xiàn)。

        2 設(shè)備選型

        變壓吸附制氧裝置必須本著“可靠性和先進性相統(tǒng)一”的原則進行設(shè)備選型。可靠性是基礎(chǔ)和前提,即要求裝置故障率低,能長期安全、穩(wěn)定運行。先進性是目標,即要求裝置性能指標先進、經(jīng)濟性好、運行成本低。

        變壓吸附制氧工藝的選擇往往受制于制氧設(shè)備。吸附塔是制氧工藝的核心設(shè)備,如何考慮吸附塔內(nèi)的氣流流向和分布,決定制氧效率和裝置產(chǎn)能。一般有軸向流和徑向流2種,軸向流的氣流方向為吸附塔的軸向,軸向流吸附塔直徑大,高度小,實現(xiàn)理想的布氣難度大,單塔裝置產(chǎn)能小,可用多塔流程實現(xiàn)大產(chǎn)能,占地相應較大。徑向流的氣流方向為吸附塔的徑向,徑向流吸附塔直徑相對較小,高度大,容易實現(xiàn)大產(chǎn)能雙塔流程,氣流阻力小,節(jié)能效果好,能耗指標可控制在0.5 kW·h/Nm3以內(nèi)。

        變壓吸附裝置吸附周期一般為60 s,一個周期內(nèi)要完成吸附、均壓、解吸、沖洗、加壓等步驟。關(guān)鍵程控閥門在每個周期內(nèi)開關(guān)一次,開關(guān)頻繁,開關(guān)速度要求<1 s,開關(guān)運行機構(gòu)的雙向快速動作,加之高壓高速氣流的沖刷,對閥門的運行機構(gòu)、閥板和密封要求較高,要求密封件使用壽命>100萬次,特別是當閥門>DN250,閥門越大,要實行穩(wěn)定正常的運行就顯得更困難。運行一般采用氣動和液動2種,氣動閥門噪音較大,液動閥門易漏油。閥門的技術(shù)和大小也決定裝置的大小,很多裝置就是受制于閥門而不能做大。優(yōu)質(zhì)的程控閥門是制氧裝置正常運行的可靠保證。

        鼓風機、真空泵和氧氣壓縮機的選擇主要從節(jié)能、環(huán)保和工藝需要進行選擇。一般情況下制氧設(shè)備廠家會進行流程計算,給出相關(guān)的選型參數(shù)和選擇意見,設(shè)計時根據(jù)制氧項目具體情況進行設(shè)備選型計算,采用低能耗設(shè)備,綜合考慮。

        3 吸附劑

        當空氣經(jīng)過加壓后通過裝有吸附劑的吸附塔時,氮氣被吸附劑吸附,氧氣被分離出在氣相中得到富集并流出吸附塔。當吸附劑吸附氮氣飽和后,停止吸附塔空氣的供給,并降低吸附塔的壓力,把吸附劑吸附的氮氣解吸出來,使吸附劑得到再生并重復利用。2個以上的吸附床輪流切換工作,便可連續(xù)生產(chǎn)出氧氣。

        變壓吸附制氧用的吸附劑大的分為碳分子篩和沸石分子篩,早期較多采用碳分子篩,但其吸附效果不好,氧氣的純度和回收率低,使用壽命短。沸石分子篩屬平衡選擇性吸附劑,包括A型沸石(CaA)和 X型沸石(CaX、NaX、LiX),其中 LiX分子篩處理空氣量和氧氣回收率高,使用壽命長,節(jié)能效果明顯,大裝置制氧設(shè)備連續(xù)生產(chǎn)成為可能。

        4 工藝參數(shù)的控制

        工藝參數(shù)的控制分為設(shè)計參數(shù)控制和生產(chǎn)參數(shù)控制2個階段。生產(chǎn)參數(shù)可以在生產(chǎn)過程中進行調(diào)節(jié)和修改,但很多設(shè)計參數(shù)一旦確定,無法更改。

        設(shè)計時要求考慮各環(huán)節(jié)和設(shè)備的氣體流量、壓力、溫度等因數(shù),設(shè)備的工作負荷(流量和壓力)為70%~80%時,設(shè)備的運行較為平穩(wěn)且節(jié)能。在留有一定的富余量的情況下,各環(huán)節(jié)的能力要互相匹配,越往后要考慮設(shè)備的能力余量,不能出現(xiàn)瓶頸現(xiàn)象,否則也不便于節(jié)能和產(chǎn)能調(diào)節(jié)。

        為了便于說明生產(chǎn)工藝參數(shù)控制,以常規(guī)雙塔流程為例,先對工藝步序進行說明。

        1)第一步(T1):吸附塔A的空氣進氣閥、產(chǎn)品氣出口閥、吸附塔B真空解吸氣出口閥門打開。吸附塔B處于抽真空解吸狀態(tài);

        2)第二步(T2):時序T1結(jié)束后,吸附塔A空氣進氣閥、產(chǎn)品氣出口閥延時打開,吸附塔B產(chǎn)品氣升壓閥延時打開、真空解吸氣出口閥處于打開狀態(tài)。吸附塔A處于進料吸附產(chǎn)氧的狀態(tài),吸附塔B處于抽真空解吸狀態(tài)并開始進行產(chǎn)品氣升壓;

        3)第三步(T3):時序T2結(jié)束,吸附塔B產(chǎn)品氣升壓閥、真空解吸氣出口閥打開,吸附塔A空氣進氣閥、產(chǎn)品氣出口閥處于打開狀態(tài)。吸附塔A處于進料吸附產(chǎn)氧的狀態(tài),吸附塔B處于抽真空解吸和繼續(xù)產(chǎn)品氣升壓狀態(tài);

        4)第四步(T4):時序T3結(jié)束,吸附塔A空氣進氣閥、產(chǎn)品氣出口閥、吸附塔B真空解吸氣出口閥、產(chǎn)品氣升壓閥關(guān)閉,吸附塔A上均壓閥、真空解吸氣出口閥、吸附塔B上均壓閥打開、下充壓閥打開。吸附塔A吸附過程結(jié)束,均壓降壓延時后開始抽真空。吸附塔B抽真空再生過程完成,接收鼓風機鼓入的原料空氣進行充壓,為后續(xù)吸附過程作準備。

        5)第五步(T5):時序T4結(jié)束,吸附塔A上均壓閥、吸附塔B上均壓閥關(guān)閉,吸附塔A均壓降壓、吸附塔B均壓升壓過程完成,吸附塔A進行抽真空,吸附塔B進行原料空氣充壓。

        6)第六步(T6):時序T5結(jié)束,吸附塔B下充壓閥關(guān)閉、空氣進氣閥打開、產(chǎn)品氣出口閥延時打開。吸附塔B進入吸附產(chǎn)氧過程,吸附塔A繼續(xù)抽真空。

        第六步T6結(jié)束后,便完成了一個完整的“A塔吸附-B塔解吸”循環(huán),轉(zhuǎn)入“B塔吸附-A塔解吸”循環(huán)。2個吸附塔按程序交替工作,保證產(chǎn)品氧氣的連續(xù)生產(chǎn)。

        PLC控制的各時序的時間設(shè)定,對氧氣純度、產(chǎn)量和能耗指標都有很大的不同。下面以某鉛鋅冶煉廠設(shè)計產(chǎn)能為7 500 Nm3/h,純度為93%制氧站為例,根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定可行的11種時序,統(tǒng)計對應的相關(guān)儀表數(shù)據(jù),求得最佳時序設(shè)計,見表1,表2。

        表1 時序設(shè)計值表Tab.1 Value of timing sequence

        PLC控制時序T1 T2 T3 T4 T5 T6 7 456373 8 455383 9 635383 10 645373 11 655363

        表2 生產(chǎn)儀表數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Tab.2 Instrument data statistics

        將表2中氧氣產(chǎn)量折算為純氧,電耗合并,動力設(shè)備電耗按1.732×電壓(10 kV)×電流×功率因素(取0.9),得出純氧產(chǎn)量和單位純氧電耗與時序的對應圖,見圖1和圖2。

        圖1 PLC時序與氧氣產(chǎn)量關(guān)系圖Fig.1 Relationship between PLC timing sequence and oxygen output

        圖2 PLC時序與氧氣單位電耗關(guān)系圖Fig.2 Relationship between PLC timing sequence and unit electricity consumption

        從圖1可見,在時序3的控制模式下,氧氣產(chǎn)量最高;從圖2可見,在時序1的控制模式下,單位純氧電耗最高?,F(xiàn)實生產(chǎn)中根據(jù)氧氣需求量,可以靈活設(shè)定時序,做到既滿足生產(chǎn),又實現(xiàn)節(jié)能的目的。

        5 結(jié) 語

        變壓吸附制氧裝置本身屬于能耗設(shè)備,節(jié)能空間比較大,根據(jù)生產(chǎn)需要,選擇合適的生產(chǎn)工藝、恰當?shù)脑O(shè)備選型、合適的吸附劑,以及合理的工藝參數(shù)的設(shè)計,將是裝置節(jié)能生產(chǎn)的關(guān)鍵。

        參考文獻:

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        中圖分類號:TQ116.1

        文獻標識碼:B

        文章編號:1004-2660(2015)03-0021-04

        收稿日期:2015-07-28.

        作者簡介:寸啟龍(1974-),男,云南人,工程師.主要研究方向:冶金化工.

        Energy Conservation Design on Pressure Swing Adsorption Oxygen Process

        CUN Qi-long1,LIANG Ke1,ZHANG Chun2
        (1.Kunming Engineering&Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.,Ltd.,Kunming 650051,China;2.Yunnan Chihong Zinc and Germanium Co.,Ltd.,Huize 654200,China)

        Abstract:As a combustion improver and oxidizing agent,oxygen is widely used in energy conservation and accelerating the speed of oxidation reaction in industry.However,the pressure swing adsorption oxygen process consumes a lot of energy and the energy consumption index changes greatly.And therefore there is a great potential in energy conservation of this process.The energy conservation design on pressure swing adsorption oxygen device was investigated by discussing the stable,energy-saving and efficient production of oxygen,the selection of process,equipment,oxygen adsorbent,and the design and control of process parameters.

        Key words:PSA Oxygen;technical process;selection of equipment;energy conservation design

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