肖 露

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司瓦斯研究分院）

礦山工作面尤其是高原地區(qū)的工作面缺氧問(wèn)題一直是煤礦安全工作中的難題［1］。 煤礦井下用緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)（救生艙和避難硐室）是重要的井下安全保障裝備［2，3］，使之具有快速、安全可靠的壓縮氧供應(yīng)是目前急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題［4～7］。若供氧問(wèn)題得不到解決，將導(dǎo)致長(zhǎng)期從事繁重勞動(dòng)的施工人員的健康和生命安全受到嚴(yán)重威脅。

目前，變壓吸附（Pressure Swing Adsorption，PSA） 技術(shù)主要用于中小型分離空氣制取富氧領(lǐng)域［8］，與其他分離空氣制氧方法（低溫精餾法、薄膜滲透法及化學(xué)吸收法等）相比，它具有隨時(shí)開(kāi)機(jī)即可制氧、裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、操作簡(jiǎn)便、自動(dòng)化程度高及裝置啟動(dòng)快等優(yōu)點(diǎn)。

煤礦用供氧裝置對(duì)產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性要求較高，因此要求其控制系統(tǒng)具有良好的靈活性、可靠性、穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)能力，并能準(zhǔn)確控制工藝參數(shù)［9～11］。 在此，筆者建立一套煤礦安全生產(chǎn)用PSA 制氧裝置，對(duì)其均壓工藝和反吹工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，以實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的準(zhǔn)確控制，提高系統(tǒng)的可靠性。

1 PSA 制氧裝置

筆者建立了一套制氧純度在90%以上的雙吸附柱變壓吸附制氧裝置（圖1）。原料氣（環(huán)境空氣） 首先通過(guò)空氣過(guò)濾器除去塵埃和固體雜質(zhì)，然后被吸入螺桿壓縮機(jī)，將氣體壓縮到吸附時(shí)所需的壓力后再經(jīng)冷干機(jī)冷卻至常溫， 以除去水分。 分子篩對(duì)水有強(qiáng)烈的吸收性，若水分進(jìn)入吸附床層將導(dǎo)致分子篩的吸附性能降低，同時(shí)沸石分子篩是極性化合物， 對(duì)空氣中的二氧化碳、一氧化碳、 酸堿及臭氧等極性分子的吸附能力較強(qiáng)， 所以這些物質(zhì)在進(jìn)入吸附柱之前應(yīng)被除去。過(guò)濾器除去氣體中的飽和水分、油質(zhì)及二氧化碳等雜質(zhì)后，此時(shí)流出的氣體可以看作是氧、氮雙組分的混合氣，混合氣經(jīng)流量計(jì)測(cè)量流量后進(jìn)入吸附柱，在控制系統(tǒng)的控制下，電磁閥開(kāi)啟或關(guān)閉，從而使兩個(gè)吸附柱交替進(jìn)行吸附制氧。 產(chǎn)品氧氣通過(guò)測(cè)氧儀和氧氣流量計(jì)進(jìn)入氧氣儲(chǔ)罐。 此裝置的優(yōu)點(diǎn)是，開(kāi)機(jī)10 min 后整個(gè)裝置便可以穩(wěn)定運(yùn)行，并不斷地制取富氧產(chǎn)品。

圖1 PSA 制氧裝置示意圖

2 均壓工藝實(shí)驗(yàn)研究

Banerjee R 等利用有效能分析討論了無(wú)均壓步驟和有均壓步驟的PSA 過(guò)程，指出與無(wú)均壓步驟相比， 有均壓步驟的流程吸附壓力明顯降低，氧氣純度和回收率明顯提高［12］。 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，上均壓時(shí)V7 閥打開(kāi)，將兩塔接通，把已完成吸附的高壓空氣引入到已完成解吸的吸附塔內(nèi)；下均壓時(shí)V1、V2 閥同時(shí)打開(kāi)。

2.1 均壓時(shí)間對(duì)氧純度的影響

圖2 為不同操作壓力下均壓時(shí)間對(duì)氧純度的影響。 由圖2 可看出，隨著均壓時(shí)間的增加，氧純度先迅速增加，到達(dá)最大值后又逐漸減小，整個(gè)過(guò)程中存在一個(gè)最佳均壓時(shí)間， 此時(shí)氧純度達(dá)到最大值。 這是因?yàn)樵诰鶋哼^(guò)程中，被均壓的吸附塔內(nèi)的氣體得到及時(shí)補(bǔ)充，使得壓力快速升高，隨著均壓時(shí)間的增加，吸附塔升壓加快，產(chǎn)氧量增多，使得氧純度增加，但當(dāng)均壓時(shí)間達(dá)到某一值后，分子篩解吸出來(lái)的氮?dú)饩蜁?huì)進(jìn)入被均壓的吸附塔內(nèi)，使得氧純度降低。 另外從圖2 還可看出，操作壓力的改變對(duì)最佳均壓時(shí)間的影響不明顯。

圖2 不同操作壓力下均壓時(shí)間對(duì)氧純度的影響

2.2 均壓時(shí)間對(duì)吸附壓力的影響

圖3 為半個(gè)吸附周期內(nèi)均壓時(shí)間對(duì)吸附壓力的影響。由圖3 可看出，均壓時(shí)間分別為6、10、12 s 時(shí)，吸附壓力曲線均有一個(gè)明顯的壓力折點(diǎn)，因此可以將升壓階段分為均壓升壓階段和升壓吸附階段。 在均壓升壓階段，吸附壓力曲線的斜率較大，壓力迅速升高，進(jìn)入升壓吸附階段后斜率逐漸減小。 均壓時(shí)間為0 s 時(shí)，吸附壓力曲線沒(méi)有壓力轉(zhuǎn)折點(diǎn)，隨著時(shí)間的增加，吸附壓力均勻增大。 對(duì)于變壓吸附制氧，平均吸附壓力影響氣體的吸附量，由圖3 可知，平均吸附壓力隨均壓時(shí)間的增加而增加。 如果操作壓力相同，則有均壓流程的吸附時(shí)間小于無(wú)均壓流程的吸附時(shí)間，并且隨著均壓時(shí)間的增加而減小。 因此均壓流程可縮短吸附周期，使相同時(shí)間內(nèi)吸附床的循環(huán)次數(shù)增加，分子篩利用率增大，單位分子篩的產(chǎn)氧量提高，吸附器結(jié)構(gòu)變小，成本降低。

圖3 半個(gè)吸附周期內(nèi)均壓時(shí)間對(duì)吸附壓力的影響

圖4 為均壓時(shí)間10 s 時(shí)，兩吸附柱吸附壓力隨時(shí)間的變化曲線，其中點(diǎn)1、點(diǎn)2 處為均壓結(jié)束時(shí)刻兩吸附柱的壓力。 由圖4 可知，在均壓結(jié)束時(shí)刻，A 柱的壓力值（點(diǎn)2）小于B 柱的壓力值（點(diǎn)1）。 對(duì)于均壓工藝，均壓結(jié)束時(shí)兩吸附柱壓力相等為完全均壓， 存在一定壓差則為不完全均壓。因此，均壓時(shí)間為10 s 時(shí)為不完全均壓。 對(duì)于本實(shí)驗(yàn)裝置，氧純度在均壓時(shí)間為10 s 時(shí)達(dá)到最大值，且對(duì)應(yīng)的是不完全均壓流程。

圖4 均壓時(shí)間10 s 時(shí)兩吸附柱吸附壓力隨時(shí)間的變化曲線

3 反吹工藝實(shí)驗(yàn)研究

在實(shí)驗(yàn)條件下，僅靠降壓解吸，分子篩無(wú)法徹底再生，導(dǎo)致進(jìn)入下一循環(huán)的分子篩吸附量減少，從而使氧純度降低。 氧氣逆流反吹可使分子篩再生得更加徹底，增加進(jìn)入下一循環(huán)的分子篩的吸附量， 形成有利于提高氧純度的良性循環(huán)，對(duì)吸附裝置的優(yōu)化節(jié)能具有至關(guān)重要的作用。 吸附柱在反吹過(guò)程中只打開(kāi)進(jìn)氣閥而不打開(kāi)排氣閥，目的是讓反吹氣與分子篩充分接觸。 文獻(xiàn)［13］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 恒壓反吹流程的制氧效果優(yōu)于增壓反吹流程，為此本實(shí)驗(yàn)采用恒壓反吹流程。

3.1 進(jìn)氣流量對(duì)反吹工藝的影響

圖5 為不同進(jìn)氣流量下反吹時(shí)間與氧純度、氧回收率的關(guān)系。 可以看出，隨著反吹時(shí)間的增大，氧純度先增大后減小，氧回收率呈線性下降趨勢(shì)；在相同反吹時(shí)間下，進(jìn)氣流量越大，氧回收率越高。

圖5 不同進(jìn)氣流量下反吹時(shí)間與氧純度、氧回收率的關(guān)系

3.2 產(chǎn)品氣量對(duì)反吹工藝的影響

在一定沖洗氣量下，出口產(chǎn)品富氧流量越大，吸附柱內(nèi)壓力越低；而出口產(chǎn)品富氧流量一定時(shí)，沖洗氣量越小， 壓力越高。 這是因?yàn)閴嚎s機(jī)的排氣量是一定的，如果排出的產(chǎn)品氣多，或是沖洗量大（沖洗氣最終是通過(guò)消聲器排入大氣的），都將降低吸附壓力。 因此產(chǎn)品氣量也是重要的工藝參數(shù)，與操作壓力和反吹時(shí)間有著重要關(guān)系。 圖6為不同產(chǎn)品氣量下反吹時(shí)間與氧純度的關(guān)系。 由圖6 可看出，在相同反吹時(shí)間下，產(chǎn)品氣量越小，氧純度越高。 這是因?yàn)楫a(chǎn)品氣量小， 從吸附柱流出的總氣量小，吸附柱內(nèi)氣體流動(dòng)速度慢，壓力升高快， 有利于提高吸附柱內(nèi)分子篩的吸附容量。同時(shí)，反吹氣含氧量高，促進(jìn)了吸附柱中分子篩的解吸，形成了有利于氧氮分離的環(huán)境，達(dá)到了較高的氧純度。 隨著產(chǎn)品氣量的增加，吸附床內(nèi)的壓力逐漸下降， 分子篩的吸附能力也下降，氧純度降低，而用純度不高的氧氣吹掃無(wú)法使分子篩徹底再生，因此產(chǎn)品氣量大時(shí)，反吹過(guò)程的影響較小。

圖6 不同產(chǎn)品氣量下反吹時(shí)間與氧純度的關(guān)系

4 結(jié)論

4.1 隨著均壓時(shí)間的增加， 氧純度迅速增加，到達(dá)最大值后又逐漸減小，因此存在一個(gè)最佳均壓時(shí)間；操作壓力的改變對(duì)最佳均壓時(shí)間影響不明顯。

4.2 均壓流程的壓力曲線有一個(gè)明顯的壓力折點(diǎn)，因此可以將升壓階段分為均壓升壓階段和升壓吸附階段。 在均壓升壓階段，吸附柱進(jìn)氣壓力曲線的斜率較大，壓力迅速升高，進(jìn)入升壓吸附階段后斜率逐漸減小。 無(wú)均壓流程的壓力曲線沒(méi)有壓力折點(diǎn)，隨著時(shí)間的增加，壓力均勻增大。 在升壓吸附階段，無(wú)均壓流程和有均壓流程的壓力曲線大致平行，且壓力呈線性增加趨勢(shì)。 平均吸附壓力隨均壓時(shí)間的增加而增加。

4.3 隨著反吹時(shí)間的增加，氧純度先增大，達(dá)到最大值后開(kāi)始下降， 因此存在一個(gè)最佳反吹時(shí)間。

4.4 進(jìn)氣流量與反吹時(shí)間的關(guān)系不大；進(jìn)氣流量越小，氧純度越高，氧回收率越低；產(chǎn)品氣量越小，氧純度越高，反吹氣量對(duì)氧純度的影響越大。