徐勇

（首鋼長治鋼鐵有限公司動力廠，山西 長治 046031）

近年來隨著國內生產制造技術的不斷發(fā)展，對于生產設備的質量要求也不斷提高，空分設備是制造業(yè)中的重要設備，分子篩純化系統(tǒng)則是影響空分效果的關鍵。這種設備在運行中需要消耗大量的能源，加強對于空分設備分子篩純化系統(tǒng)的節(jié)能措施研究是十分必要的。

1 空分設備分子篩純化系統(tǒng)

1.1 空分設備分子篩純化系統(tǒng)的原理特點

分子篩純化系統(tǒng)的主要作用是對凈化空氣，保證進入冷箱內空氣的純凈度，使用空氣分子篩純化系統(tǒng)能夠有效清除空氣內混雜的二氧化碳等雜質氣體，從而避免空分設備在使用過程中出現(xiàn)堵塞爆炸等問題，保證設備的可靠運行以及設備安全?？辗衷O備中使用的分子篩純化系統(tǒng)一般是由兩臺分子篩吸附器配合運行，兩臺設備處于不同的狀態(tài)，其中一臺處于吸附狀態(tài)，從周邊空氣中吸入氣體，另外一臺處于再生狀態(tài)，達到一定的運行標準時，兩臺設備切換。在分子篩純化系統(tǒng)中，除了分子吸附器之外，還需要使用加熱裝置、儀電控制裝置以及管道閥門等輔助設備。

在分子篩純化系統(tǒng)的運行使用過程中，存在多種不同類型的能量損耗，其一是分子吸附器在吸附空氣時，空氣需要經過管道、閥門等設備，克服阻力的過程中需要消耗能量，其二是再生能耗，再生過程中，需要對空氣進行加熱，對污氮氣進行處理，也會產生能耗，這些過程中能耗的高低與諸多因素有關，也會影響到空分設備運行的成本和空分效果。

1.2 不同結構形式吸附器的阻力分析

目前在行業(yè)內使用的分子篩純化系統(tǒng)吸附器按照不同的結構形式可以分為水平床和立式徑向流兩種不同的類型，結構形式不同，產生的阻力也存在一定的差異。其中立式或臥式水平床吸附器在運行中，從吸附器床層下方將周圍的空氣吸附到內部，再從上平面將分離處理后的空氣排出。這種結構的吸附器普遍采用雙層床層設計，上下兩層分別為分子篩和活性氧化鋁。立臥式水平床結構設計成熟，在行業(yè)內使用時間長，在結構設計上能夠避免出現(xiàn)分子篩泄漏問題，而且床層分布均勻，設備運行穩(wěn)定可靠。在制造方面，立臥式水平床的生產加工成本更低，能夠相對方便的完成裝卸作業(yè)。用戶在使用時，可以比較方便的完成檢查、維修作業(yè)，因此這種設備目前在國內空分行業(yè)中的應用更加廣泛。但是水平床吸附器的床層體積占比不足設備總體積的1/2，空間利用率較低。

立式徑向流吸附器的基本結構如圖1所示，在運行使用過程中，吸附器從四周經過外周流道將空氣徑向吸入，空氣先后通過位于吸附器筒體周邊的活性氧化鋁外層和分子篩內層后進入中心管并流出。在結構設計上，吸附器設備總體積的一半以上都是床層空間，這種類型的吸附器設備空間有效利用率更高，可以相應減小吸附器的規(guī)格。而且設備在使用過程中，采取立式安裝，不需要占據較大的場地面積。這種類型的吸附器結構相對復雜，生長制造難度較大，立式徑向流吸附器的內部包括多層同心床層而且需要滿足同心要求，需要較高的制造技術要求，而且成本偏高。而且設備內部空間小，在使用過程中不容易進行裝卸料和設備維修。除此之外，設備使用安裝時需要滿足較高的網格牢固度和使用壽命。

圖1 立式徑向流吸附器基本結構

2 吸附與再生過程阻力分析與控制措施

2.1 降低管道和閥門阻力

在對吸附器設備進行設計時，需要結合設備結構計算管道的空氣阻力。同時根據設備要求的性能合理選擇使用不同尺寸的管道，比如管道的直徑、結構形式以及彎曲半徑等，通過結構調整來降低吸附器使用中管道的阻力。近年來，國內大型空分設備中使用的分子篩純化系統(tǒng)普遍使用三桿閥作為切換閥門，這種閥門的密封性能良好，而且在閥板和閥座密封面之間不存在摩擦，因此能夠保證閥門使用的可靠性以及使用壽命。相對于三桿閥，結構蝶閥的優(yōu)點是限制開啟壓差，避免出現(xiàn)分子篩吸附器被沖床情況的出現(xiàn)，但是在使用中這種閥門會產生較大的阻力，使用新型三桿閥能夠有效降低阻力。

2.2 降低再生阻力

使用串聯(lián)方式連接蒸汽加熱器和電加熱器共同完成對于吸附器設備的加熱操作中，需要適當量降低串聯(lián)流程阻力，盡量使用自身阻力更小的蒸汽加熱器，避免導致污氮氣排出壓力的增加。因此針對這種情況，可以使用節(jié)能型蒸汽加熱器，這種加熱器采用低翅片無折流板設計，當吸附器內部的蒸汽壓力處于0.6MPa左右的壓力狀態(tài)時，可以采用蒸汽加熱器和電加熱器串聯(lián)的方式進行加熱。為了更好的降低再生阻力，可以在串聯(lián)時將備用電加熱器在內的所有通道同時開啟，將電加熱器調節(jié)到小功率狀態(tài)，這樣能夠更好的減小阻力。

3 調整吸附器吸附時間

吸附器在使用中，吸附運行時間會關系到系統(tǒng)的能耗，通過調整吸附器的吸附時間可以降低能耗。

3.1 調整已投用吸附器的吸附時間

在分子篩吸附器使用中，設備大小、吸附劑類型用量都會影響到吸附器的吸附時間。其中吸附劑用量主要參照環(huán)境條件設計確定。但是周邊空氣中二氧化碳含量不是固定不變的，吸附器設備的運行也會受到季節(jié)和風向等不同周邊因素的影響，因此吸附器的分子篩量普遍存在余量。一般情況下可以根據出口空氣中二氧化碳含量判定分子篩是否存在余量，如果變化不明顯說明存在有一定余量，針對這種情況可以適當延長吸附器的吸附時間。相應的，如果周邊環(huán)境中季節(jié)風向變化，也可以根據環(huán)境變化適當縮短吸附時間。對于大型空分設備用戶，在實際使用中可以監(jiān)測大氣中二氧化碳含量，對比實際數據和吸附器的設計值，適當調整吸附時間。

3.2 使用更強吸附能力的分子篩

近年來隨著分子篩技術的不斷發(fā)展，市場上也出現(xiàn)了更多更高性能的吸附分子篩。新型分子篩能夠實現(xiàn)更長時間的吸附，使用中的能耗更低。因此在用戶使用過程中，可以更換使用性價比更高、性能更好的分子篩，能夠實現(xiàn)理想的節(jié)能收益。在更換分子篩的同時，可以適當調整活性氧化鋁床層，有利于延長吸附床層的吸附時間，降低能耗。

4 選擇合適的加熱源

在分子篩純化系統(tǒng)的運行中，可以使用加熱器對污氮氣進行加熱后再間接加熱吸附劑。而蒸汽熱源的加熱成本更低，如果系統(tǒng)中能夠產生穩(wěn)定的蒸汽來源，可以選擇使用蒸汽作為再生熱源。如果蒸汽來源不穩(wěn)定或者蒸汽壓力不達標，也可以在蒸汽加熱器的基礎上附加電加熱器，兩種設備串聯(lián)加熱方式，實現(xiàn)對于吸附劑再生的加熱。相關實踐證明，如果在40000m3/h空分設備中采用蒸汽與電加熱器串聯(lián)的方式對吸附器再生進行加熱，每年運行成本可以降低約188.5萬元，對于20000m3/h的空分設備每年可以節(jié)約近80萬元。在1～2年內可以收回蒸汽加熱器的投資成本。

5 吸附器操作上的節(jié)能措施

除了吸附器設計使用方面的節(jié)能之外，在操作方面可能達到技能效果。首先可以控制空氣進口溫度，通過降低分子篩純化系統(tǒng)空氣進口位置的溫度能夠達到一定的節(jié)能效果，但是在實際操作中也要合理控制進口溫度，避免出現(xiàn)進口溫度太低導致的結冰、失控等問題，一般情況下吸附器設備空氣進口溫度需要保持在13℃左右。其次是調控再生總熱量，在運行使用過程中可以通過控制吸附器的加熱溫度、加熱時間和再生氣量等簡介調控再生總熱量?？梢愿鶕訜釙r的吸附器出口的最低溫度以及出口位置的吹冷峰值等數據來綜合判定熱量是否達到再生要求。一般情況下，當吹冷峰值超過80℃時，即達到吸附器再生要求。另外，可以根據分子篩純化系統(tǒng)的使用情況改善保溫效果，使用高性能保溫材料包裹分子篩純化系統(tǒng)中使用的高溫設備、管道閥門等，一般情況下可以使用超細玻璃棉對這些設備進行保溫。同時要做好保溫材料的防水處理，避免由于加熱管道的滴水造成管道設備的熱損耗，因此需要做好外防水的包扎處理。

6 結語

通過本文分析可知，空分設備分子篩純化系統(tǒng)的能耗與周邊環(huán)境、設備結構、操作使用等諸多因素有關，需要從多方面入手才能實現(xiàn)更好的節(jié)能效果。未來隨著空分設備使用的不斷增加，對于空分設備的運行質量以及分子篩純化系統(tǒng)的能耗要求也會更加嚴格，這就需要相關人員不斷加強對于空分設備分子篩純化系統(tǒng)節(jié)能的研究，制定更加合理的節(jié)能方案，降低系統(tǒng)運行的能耗，更好的發(fā)揮系統(tǒng)的作用。