工業(yè)用氧制備電力消耗的成本估算

張秋玲

（廣東省茂名市民興氣體有限公司 廣東茂名 525000）

與實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)。傳統(tǒng)上，制氧方法常包括化學(xué)法、電化學(xué)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(shí)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(shè)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(lán)星硅業(yè)、山西潞安硅業(yè)）經(jīng)過對(duì)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(shè)備，從而達(dá)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?dú)饨M分的沸點(diǎn)的不同。氧由于沸點(diǎn)較高從蒸汽中不斷的冷凝為液體，而氮由于沸點(diǎn)較低轉(zhuǎn)換到蒸汽中，從而達(dá)到了氮和氧的分離，可以獲得氧氣或氮?dú)?。此法可以連續(xù)制取氧氣，且純度能夠達(dá)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(jī)械雜質(zhì)和灰塵?？諝饨?jīng)過過濾后由空壓機(jī)進(jìn)行加壓達(dá)到啟動(dòng)壓力（4.9Mpa），然后空氣進(jìn)入到到分子篩吸附系統(tǒng)中，達(dá)到去除空氣中的二氧化碳、水分以及大部分的碳?xì)浠衔铮@樣空氣完成了潔凈過程。再經(jīng)由三個(gè)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(shí)冷卻。其中有一些由于膨脹機(jī)的作用后再經(jīng)過過濾器達(dá)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(jìn)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(jìn)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(fù)熱，裝瓶時(shí)由氧壓機(jī)壓縮到15Mpa。

該工藝制氧工藝流程復(fù)雜、投資成本較高、耐壓設(shè)備安全性要求較高、操作復(fù)雜、裝置啟動(dòng)時(shí)間較長（大約需30h）、氧、氮純度都可達(dá)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(duì)空氣中的氧、氮組分選擇性吸附而使空氣分離得到氧氣。達(dá)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(dá)90-93%。

首先鼓風(fēng)機(jī)將過濾后的壓縮空氣運(yùn)輸?shù)轿剿ˋ、B）中，吸附塔中同時(shí)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(shí)，空氣中的氮分子由于吸附力被優(yōu)先吸附，吸附達(dá)到平衡后吸附層中的氮?dú)膺_(dá)到飽和狀態(tài)，此時(shí)需要將空氣進(jìn)氣閥門關(guān)閉，并對(duì)另一個(gè)吸附塔進(jìn)行沖洗并對(duì)塔體進(jìn)行抽真空處理，當(dāng)壓力達(dá)到閾值時(shí)均壓閥門關(guān)閉，從吸附塔放空口排出氮?dú)?，同時(shí)空氣中的氧則輸送到緩沖罐經(jīng)由氧壓機(jī)加壓，達(dá)到合適壓力后放入儲(chǔ)氣罐以供使用。最后利用另一個(gè)塔內(nèi)的富氧氣以及緩沖罐中的部分產(chǎn)品氣對(duì)沸石分子篩沖洗，達(dá)到徹底解吸的目的。解吸完成后使用產(chǎn)品氣對(duì)塔進(jìn)行充壓，充壓后將緩沖閥關(guān)閉，打開鼓風(fēng)機(jī)出口閥，進(jìn)行吸附塔的充壓，準(zhǔn)備下一次吸附，達(dá)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(shí)裝置操作簡單，開停車方便，啟動(dòng)時(shí)間短，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)供氣和間斷供氣。另外投資和管理費(fèi)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(yùn)作成本。以一個(gè)化工廠需要投資建設(shè)一個(gè)產(chǎn)量約為3100m3/h的純氧制備生產(chǎn)裝置為例，進(jìn)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(fèi)用。由表可見，無論從基建投資、經(jīng)營成本、技術(shù)安全各個(gè)方面去分析考慮，新興的變壓吸附制氧裝置都具有相當(dāng)?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(duì)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(yīng)該優(yōu)先選擇變壓吸附法。而對(duì)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(yīng)著重降低單位體積氧氣的電力消耗。同時(shí)，根據(jù)氧氣產(chǎn)量設(shè)計(jì)不同的耐壓容器，也可以做到設(shè)計(jì)成本最低化。

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