VPSA變壓吸附制氧技術在制漿過程中的應用

胡光勇

(云南云景林紙股份有限公司，云南普洱，666400)

VPSA變壓吸附制氧技術在制漿過程中的應用

胡光勇

(云南云景林紙股份有限公司，云南普洱，666400)

氧漂白是清潔制漿的必需工藝。VPSA變壓吸附制氧控制系統(tǒng)操作方便，維護簡單，投資少，運行費用低，在國內越來越多的紙漿企業(yè)得以廣泛應用。

氧漂白;變壓吸附制氧控制系統(tǒng);清潔制漿

氧漂白已成為發(fā)展清潔制漿的必需工藝。由于氧無毒，本身對環(huán)境沒有污染，氧脫木素廢液可合并到黑液提取段，進入堿回收系統(tǒng)，經氧脫木素后，后段的漂白劑用量和漂白廢水污染物可降低50%左右。氧脫木素作為新建漂白紙漿廠控制污染物的一種措施，可大大減少漂白廢水中的BOD、COD、色度和總有機氯的含量，對減少制漿漂白廢水的污染起著重要作用。

云南云景林紙股份有限公司 (簡稱云景林紙)是一家林漿紙一體化的現代企業(yè)，公司主要設備從芬蘭、美國、加拿大等國引進，整體技術裝備處于國際先進水平，制漿采用540 m3ITC等溫連續(xù)蒸煮器，采用低固形物蒸煮、封閉篩選、逆流洗滌、氧脫木素和無元素氯四段漂白工藝技術和裝備。年產能10萬t，2009年10月擴建后，年產能達到20萬t。公司采用芬蘭AHLSTROM三段壓力篩、氧脫木素、D/C-E/OD1-D2四段漂白工藝，配套國產VPSA-350-2B型變壓吸附制氧系統(tǒng)。紙漿經氧脫木素后，后段用ClO2的漂白劑消耗量及漂白產生廢水量降低許多。本文介紹了VPSA變壓吸附制氧控制系統(tǒng)及其在云景林紙的應用。

1 VPSA變壓吸附制氧系統(tǒng)的工作原理及流程

最初用于國內紙漿漂白的變壓吸附制氧機均為加壓吸附 (PSA)型小設備，產量在100 m3/h以下，能耗大約1．0～1．3 kWh/m3，而且工藝并不成熟，大多為實驗型設備。產量和純度不能長期穩(wěn)定，分子篩性能和裝填工藝不合格，在產品氣中常有粉末，設備性能不穩(wěn)定，影響了氧漂在國內造紙行業(yè)的推廣。

我國變壓吸附法制氧始于20世紀70年代初，到20世紀90年代初才實現了小型裝置的工業(yè)化。變壓吸附制氧的基本原理是利用空氣中的氮氣和氧氣在沸石分子篩 (ZMS)上因壓力不同而吸附性能的差異來進行氧氮分離。目前國內制漿企業(yè)用氧規(guī)模大，紙漿氧漂白壓力一般為0．8 MPa。VPSA變壓吸附制氧設備，低壓吸附制氧，抽真空解吸，產品氧氣根據用戶需要配置增壓氧壓機，再送用戶使用，能耗低，制漿企業(yè)配置更為經濟。

VPSA變壓吸附制氧系統(tǒng)的工作原理是利用固體吸附劑對各組分氣體的吸附能力不同而進行分離的。因固體吸附劑是多孔性的，當氣體與之接觸時，在其表面或內部將發(fā)生容納氣體的現象，稱為固體對氣體的吸附;已被固體吸附的原子或分子返回到氣體中去，稱為解吸或脫附。采用吸附劑隨著壓力的變化吸附量發(fā)生變化，對氣體進行吸附或脫附的方法稱為變壓吸附法。VPSA變壓吸附制氧系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 VPSA變壓吸附制氧系統(tǒng)流程圖

從圖1可見，VPSA變壓吸附制氧系統(tǒng)主要由鼓風機、真空泵、切換閥、吸附塔、氧氣緩沖罐、氧壓機和儲氣罐組成?？諝饨涍^過濾器進入鼓風機，在鼓風機的輸送下進入吸附塔中。吸附塔下部填充滿活性氧化鋁，活性氧化鋁的作用是去除空氣中的水分子和二氧化碳分子，以免沸石分子篩“中毒”。吸附塔的上部是沸石分子篩，當空氣流經填滿沸石的分子篩固定床時，空氣中的氮氣分子在吸附作用力下擴散到分子篩固體中去，氧氣分子和氬氣原子則通過床層到緩沖罐中。緩沖罐與氧壓機相連，將產品壓縮到用戶所需的壓力，送到儲氣罐中，供生產使用。經過一段時間的吸附，分子篩顆粒中充滿氮氣分子，達到吸附平衡階段，此時，關閉空氣進口閥和產氣閥，利用塔內的富氧空氣對剛抽真空的塔進行沖洗，等壓力降到某一設定值時關閉均壓閥，同時打開真空泵進口閥門對塔體抽真空，到一定真空度后利用塔內的富氧氣及緩沖罐中部分產品氣對沸石分子篩沖洗，從而使吸附劑徹底解吸。吸附劑解吸過程完成后，用產品氣對真空度較高的吸附塔進行充壓，充壓至某一低真空度值后關閉緩沖罐，打開鼓風機出口閥門對吸附塔進行充壓，為下一次吸附做準備。

VPSA的每個吸附器都交替執(zhí)行以下步驟：——吸附——解吸——沖壓。上述三個基本工藝步驟由PLC和切換閥系統(tǒng)來實現自動控制。

2 工藝過程參數檢測及自動控制調節(jié)系統(tǒng)

2.1 檢測信號

VPSA變壓吸附制氧系統(tǒng)主要的工藝參數有壓力、溫度 (補償)、成分、流量等。

(1)壓力信號：吸附塔A塔壓力;吸附塔B塔壓力;緩沖罐壓力;儲氧罐壓力;真空管道壓力;鼓風機管道壓力;氧壓機潤滑油壓力;氧壓機一級排氣壓力;氧壓機二級排氣壓力;蝶閥空氣源壓力;氧壓機冷卻水壓力。以上前9個壓力信號在控制柜的人機界面上顯示，后2個壓力信號為現場顯示，各壓力信號均有自動連鎖報警停車控制。

(2)溫度信號：流量計溫度補償

(3)成分信號：氧壓機出口氧氣純度，在控制柜上顯示。

(4)流量信號：儲氣罐出口流量信號，在控制柜上顯示。

2.2 自動控制報警及說明

為了保證設備長期安全可靠地運行，本裝置設置了自動控制及報警系統(tǒng)。

2.2.1 VPSA程序切換自動控制系統(tǒng)

根據VPSA的工藝流程，本裝置共設置13個程序切換閥門執(zhí)行每個塔的時序步驟，而且切換頻率很高，所以必須有一套程序切換自動控制系統(tǒng)來控制這些閥門的動作，本系統(tǒng)的核心是可編程控制器 (PLC)。

2.2.2 吸附塔壓力監(jiān)控報警系統(tǒng)

吸附塔A和吸附塔B壓力由壓力變送器采集的電流4～20 mA標準信號送至PLC的AI模塊，經PLC轉換成數字量后在人機界面上顯示壓力值，同時PLC監(jiān)控壓力值是否超過設定的報警值，超過設定的報警值則報警停車。

2.2.3 緩沖罐壓力監(jiān)控報警系統(tǒng)

緩沖罐壓力由壓力變送器采集的電流4～20 mA的標準信號送至PLC的AI模塊，經PLC轉換成數字量后在人機界面上顯示壓力值，同時PLC監(jiān)控壓力值是否超過設定的報警值，超過設定的報警值則報警停車。

2.2.4 儲氣罐壓力高自動監(jiān)控報警系統(tǒng)

儲氣罐壓力由壓力變送器采集的電流4～20 mA標準信號送至PLC的AI模塊，經PLC轉換成數字量后在人機界面上顯示壓力值，同時PLC監(jiān)控壓力值是否超過設定的報警值，超過設定的報警值則報警停車，從而達到控制系統(tǒng)自動停機的功能。

2.2.5 真空管道壓力低自動監(jiān)控報警停車系統(tǒng)

真空管道壓力由壓力變送器采集的電流4～20 mA的標準信號送至PLC的AI模塊，經PLC轉換成數字量后在人機界面上顯示壓力值，同時PLC監(jiān)控壓力值是否低于設定的報警值，低于設定的報警值則報警停車。

2.2.6 鼓風機管道壓力自動監(jiān)控報警停車系統(tǒng)

鼓風機管道壓力由壓力變送器采集的電流4～20 mA的標準信號送至PLC的AI模塊，經PLC轉換成數字量后在人機界面上顯示壓力值，同時PLC監(jiān)控壓力值是否低于設定的報警值，低于設定的報警值則報警停車。

2.2.7 儀表氣源壓力低自動監(jiān)控報警系統(tǒng)

此系統(tǒng)由電接點壓力表的處點信號送至PLC，當檢測壓力低于設定的報警值時，由PLC報警自動停車。

2.2.8 冷卻水壓力低自動監(jiān)控報警系統(tǒng)

此系統(tǒng)由電接點壓力表的處點信號送至PLC，當檢測壓力低于設定的報警值時，由PLC報警自動停車，保護真空泵。

2.2.9 電動機過載監(jiān)控報警系統(tǒng)

此系統(tǒng)由各個電機啟動柜內的熱繼電器和PLC組成，由熱繼電器檢測電動機是否過載，并輸出一個開關量信號給PLC，由PLC控制相應模塊發(fā)出聲光報警并停車，保護電動機。

2.2.10 氧壓機潤滑油壓力低監(jiān)控報警系統(tǒng)

氧壓機潤滑油壓力由壓力變送器采集的電流4～20 mA的標準信號送至PLC的AI模塊，經PLC轉換成數字量后在人機界面上顯示壓力值，同時PLC監(jiān)控壓力值是否低于設定的報警值，低于設定的報警值則報警停車，保護氧壓機。

2.2.11 氧壓機一級、二級壓力高監(jiān)控報警系統(tǒng)

氧壓機一級、二級壓力由壓力變送器采集的電流4～20 mA的標準信號送至PLC的AI模塊，經PLC轉換成數字量后在人機界面上顯示壓力值，同時PLC監(jiān)控壓力值是否低于設定的報警值，低于設定的報警值則報警停車。

2.2.12 真空泵、鼓風機電流監(jiān)控報警系統(tǒng)

真空泵、鼓風機電流由電流變送器采集的電流4～20 mA的標準信號送至PLC的AI模塊，經PLC轉換成數字量后在人機界面上顯示壓力值，同時PLC監(jiān)控壓力值是否超出設定的報警值，低于設定的報警值則報警停車。

3 VPSA變壓吸附制氧系統(tǒng)的特點

VPSA變壓吸附制氧系統(tǒng)流程簡單，設備數量少，基建費用少，對廠房要求也不高，基建費用僅占設備總投資的5%～10%。

VPSA變壓吸附制氧系統(tǒng)能全自動無負荷地運轉，且停車后，吸附塔內氣氛穩(wěn)定，重新開車后幾分鐘就能出產品。簡單的啟動及停車能避開用電高峰運行，降低生產成本。

VPSA變壓吸附制氧系統(tǒng)簡單，運轉機器的數量少，運轉設備為羅茨鼓風機、羅茨真空泵和氧氣壓縮機，運行最大功率為330 kW，因其工作原理都為容積式、無油，常溫常壓下操作，維修保養(yǎng)工作量少，費用低。年設備開車率97%左右，設備正常維修保養(yǎng)停車累計約每年10天，主要用于風機、真空泵注油及軸承更換潤滑質、運轉設備的定期維修保養(yǎng)和空氣過濾器無紡布的定期更換。

VPSA變壓吸附制氧系統(tǒng)分子篩性能可靠，氧氣產品質量穩(wěn)定。

VPSA變壓吸附制氧系統(tǒng)是廉價適用的氧氣源，制氧工藝成熟，能耗低，一般能耗在0．75 kWh/m3氧氣，氧氣純度大于93%以上，系統(tǒng)采用PLC儀表自動控制，操作方便，維護簡單，投資相對少，運行費用低。氧氣單位成本0．3元左右，是制漿企業(yè)配置經濟的選擇。

VPSA流程是國外普遍采用的較為先進的變壓吸附制氧流程。國內正式工業(yè)化應用是在20世紀90年代后期，并很快應用于紙漿漂白領域。其氧氣純度93%，能完全滿足紙漿漂白工藝要求，能耗0．4～0．5 kWh/m3，與全低壓大型深冷空分能耗相當，開車時間只要幾分鐘，能隨時開停車，無論在設備投資，還是在操作成本方面都具有很強的競爭力。

4 VPSA變壓吸附制氧系統(tǒng)在云景林紙的應用效果

云景林紙股份有限公司是采用ECF四段無元素氯漂白工藝的制漿生產企業(yè)，所生產的紙漿具有白度高、潔凈度高、綠色環(huán)保等優(yōu)點。公司采用芬蘭AHLSTROM三段壓力篩、氧脫木素、D/C-E/O-D1-D2四段漂白工藝，配套國產VPSAO-350-2B型變壓吸附制氧系統(tǒng)，紙漿經氧脫木素后，后段用ClO2的漂白劑消耗量和漂白產生廢水量降低許多。公司制漿生產廢水經廢水處理后排放值達到：BOD5＜10 mg/L、CODCr＜80 mg/L、SS＜30 mg/L、色度 ＜20倍。VPSA變壓吸附制氧控制系統(tǒng)操作方便，維護簡單，投資少，運行費用低，應用效果好。

(責任編輯：常 青)

Application of VPSA Oxygen Generation in the Fiber Lines

HU Guang-yong
(Yunnan Yunjing Forest＆ Paper Co．，Ltd．，Puer，Yunnan Province，666400)
(E-mail：huguangyong38@sina．com)

The oxygen generated by VPSA process has been widely used in oxygen delignification in domestic fiber lines thanks to its low investment，low operation cost，easy maintenance and convenient control，the application of VPSA oxygen generation in a fiber line was introduced．

oxygen delignification;control of VPSA system;environment protection

TS734

B

0254-508X(2011)03-0049-03

胡光勇先生，工程師;主要從事紙漿中段廢水處理及生產自動控制技術工作。

2010-11-19(修改稿)