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)

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，分別對變壓吸附制氧設(shè)備的應用領(lǐng)域、工藝設(shè)計和選型進行論述，簡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)境保護要求的更加嚴格，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)需要重點解決的問題。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，工業(yè)用氧的需求越來越大，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，極限純度可以達到95.5%，目前工業(yè)化最大制氧裝置產(chǎn)量已達4萬m3/h。變壓吸附制氧具有操作靈活、負荷調(diào)節(jié)方便、能耗低及建設(shè)周期短等諸多優(yōu)點，非常適用于對氧氣純度要求不高、不需要產(chǎn)氮氣的場合。變壓吸附制氧設(shè)備在工業(yè)領(lǐng)域的應用越來越普遍。

1.1 鋼鐵行業(yè)

鋼鐵行業(yè)對氧氣的需求量最大，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用。電弧爐煉鋼一般需要純度在93%左右的氧氣，對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。實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，富氧率增加1%，產(chǎn)量至少提高3%，增加噴煤20 kg/t鐵。目前國內(nèi)高爐的富氧率不高，如果富氧率能夠達到5%以上，則會給企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟效益。

1.2 有色冶金行業(yè)

近些年來變壓吸附制氧設(shè)備在銅、鉛等有色金屬冶煉中得到了廣泛的應用。由于多數(shù)冶煉工藝對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，減少氮氣的鼓入量，降低能耗，同時降低煙氣量。因此，富氧在有色冶金行業(yè)應用，可以帶來巨大的經(jīng)濟效益且有利于環(huán)境保護。

1.3 化工行業(yè)

變壓吸附制氧設(shè)備在化工行業(yè)的應用是近些年才發(fā)展起來的，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，目前中小氮肥廠應用的主要是固定床間歇式造氣爐，雖然技術(shù)不先進，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)展起來的，對氧氣純度的要求不高。采用富氧連續(xù)氣化技術(shù)可以提高對煤種的適應性，避免吹風氣放空帶來的環(huán)境污染及提高生產(chǎn)能力等，因此該項技術(shù)在中小氮肥廠煤氣化過程中的應用將會更加廣泛。

1.4 玻璃窯爐

我國玻璃窯爐采用富氧燃燒技術(shù)較國外晚，由于采用富氧助燃能夠減少氮氣帶走的熱量，節(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)備在應用中需要結(jié)合液氧儲罐備用系統(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，半個多世紀以來，變壓吸附制氧技術(shù)日漸成熟并不斷地改進和提高。

美國對變壓吸附制氧技術(shù)的開發(fā)比較早。20世紀60年代變壓吸附制氧技術(shù)在美國首次工業(yè)化應用，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)進入了新的發(fā)展時期。2000年前后，我國引進了幾套美國Praxair公司的VPSA制氧設(shè)備，采用LiX分子篩，配置羅茨鼓風機、雙級或單級羅茨真空泵。采用雙級真空泵的制氧設(shè)備具有較高的壓力比，氧氣回收率高，但能耗相對于單級真空泵要高。近些年建成的制氧設(shè)備均采用單級真空泵并增加了空氣冷卻器，能耗進一步降低。

日本變壓吸附制氧技術(shù)的應用始于1972年，引進了美國聯(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，應用較為廣泛。近些年，日本一些公司大多采用離心式鼓風機，在微正壓下吸附，雙級羅茨真空泵解吸的制氧工藝。

我國對變壓吸附制氧技術(shù)的研究起步于20世紀70年代，由于受到當時技術(shù)條件的限制一直沒有突破性的發(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，國內(nèi)設(shè)計的變壓吸附制氧裝置規(guī)模較小、能耗較高、應用較少，由于國外的變壓吸附制氧設(shè)備價格昂貴，因此引進的設(shè)備也不多。 2000年以前變壓吸附制氧設(shè)備的應用在我國并不常見。1997年，北京大學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用。

雖然經(jīng)過了多年的發(fā)展，但目前國內(nèi)外僅有少數(shù)幾家公司具備設(shè)計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)原理簡單，但在工藝設(shè)計和設(shè)備選型中仍然有許多難點，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)高效鋰基制氧專用吸附劑。國內(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，因為Li+交換的低硅鋁比的分子篩(LiLSX)制作有諸多難點，大規(guī)模合成低硅鋁比X型分子篩時容易出現(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，焙燒時容易被破壞，最困難的是Li+親水性極強，離子交換十分困難且成本極高。國內(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、氮氣吸附容量分別是常規(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，防止氣體對吸附劑造成影響，需嚴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大，對設(shè)備長期穩(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，采用強制分布對稱結(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際性難題，已經(jīng)建成的吸附器最大直徑達7 m，氣體分布均勻、阻力小，能夠保證吸附系統(tǒng)長期穩(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)鼓風機及真空泵選型。VPSA制氧設(shè)備的特性是在短時間內(nèi)操作壓力會大幅變化，也就是說鼓風機和真空泵的排氣壓力和吸氣壓力在短時間內(nèi)大幅變化，這一特性要求配套的鼓風機和真空泵需要具有如下幾個特點：一從保護吸附床的角度考慮，鼓風機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)備配套電機的輸出功率應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。能夠同時滿足以上幾點特性的鼓風機和真空泵只有羅茨式的鼓風機和真空泵，這也是國內(nèi)外先進變壓吸附氣體公司的共識。

(4)噪音治理。變壓吸附制氧設(shè)備有諸多優(yōu)點，近些年得到了廣泛應用，但選擇羅茨式風機存在噪音偏大的缺點，由于羅茨式風機產(chǎn)生的噪音是低頻噪音，處理起來難度較大。某公司經(jīng)過多年的研究開發(fā)和工程實踐，目前形成了一套完整的噪音治理方案，包括羅茨鼓風機排氣噪音及振動處理方案、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處理方案。通過這一系列的處理方法，噪音明顯降低，完全能夠達到環(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世紀初期，國內(nèi)單套變壓吸附制氧設(shè)備最大能做到1 000 m3/h，國外最大能做到5 000 m3/h，當時很多人認為超過該規(guī)模的制氧設(shè)備應選擇深冷空分。目前國內(nèi)單套變壓吸附制氧設(shè)備最大可超過10 000 m3/h，國外還沒有近似規(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：

(1)操作靈活、開停機方便，開機15 min即可達到使用要求；

(2)負荷調(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，運行成本低，純氧電耗小于0.35 kWh/m3；

(5)設(shè)備簡單，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，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氣，氧氣純度不大于93%時，非常適合選擇變壓吸附制氧設(shè)備。少量的氮氣可以通過變壓吸附制氮裝置解決，用量如果超過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

變壓吸附空分制氧技術(shù)在我國工業(yè)領(lǐng)域應用越來越普遍，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，變壓吸附制氧技術(shù)將進一步推動企業(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>

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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，從事變壓吸附制氧技術(shù)研究工作。

TQ116.19

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