變壓吸附制氧系統(tǒng)節(jié)能與環(huán)保的應(yīng)用研究

周軍

摘 要：變壓吸附式空氣分離制氧技術(shù)（簡稱：PSA制氧）是當(dāng)今小產(chǎn)量氧氣制取的主要方法。但是它卻把攜帶有能量、冷量、并已凈化的富氮?dú)怏w作為廢氣排到大氣中，既浪費(fèi)了資源，又打破空氣中成分平衡。針對這一種弊病我們研制出了組合式空分制氧-制氮系統(tǒng)。文章就這一系統(tǒng)的原理、效果及其社會效應(yīng)進(jìn)行分析與闡述。

關(guān)鍵詞：PSA制氧氮；分子篩；節(jié)能；環(huán)保

Abstract： Pressure swing adsorption air separation Oxygen production technology （referred to as： PSA oxygen） is the main method of production of low-yield oxygen. It is to carry the energy， cooling， and purification of nitrogen-rich gas as exhaust to the atmosphere， both a waste of resources， but also break the balance of the composition of the air. In view of this kind of malpractice， we have developed a combined space-divided oxygen-nitrogen system. This paper analyzes and expounds the principle， effect and social effect of this system.

Keywords： Oxygen and nitrogen；Molecular sieves；Energy saving；Environmental protection

1 概述

氧氣是醫(yī)院正常運(yùn)轉(zhuǎn)的一個(gè)基本要素，在國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中也發(fā)揮著重要作用，空分制氧是利用不同壓力下分子篩對氧、氮分子吸附能力的差異，將氧氣從空氣中分離出來，屬于物理式空分過程，也稱 （pressure swing adsorption 縮寫PSA）變壓吸附制氧，是迄今為止世界上最先進(jìn)而又簡便的制氧方法，又因?yàn)槭且匀≈槐M的空氣為原料，所以在我國二甲以上的醫(yī)院已普遍應(yīng)用。

然而這種工藝只能分離出空氣中7.6%的氧氣，剩下約92%空氣經(jīng)過壓縮、冷干、凈化后的以氮、氧為主的混合氣體則被作為“廢氣”又不間斷地排回到了大氣中，不僅導(dǎo)致了資源的浪費(fèi)，而且這些廢氣中氮?dú)獾恼急雀哌_(dá)85.7%，導(dǎo)致了醫(yī)院或氣體分離廠周圍空氣組份的局部失衡、氮?dú)獾膰?yán)重超標(biāo)等環(huán)境問題。正常空氣和廢氣成分的對比，見圖1、圖2。針對這些弊病，我們研制了變壓吸附空氣分離制氧——制氮組合系統(tǒng)（簡稱：組合式空分制氧-制氮系統(tǒng)），如圖5所示。

2 傳統(tǒng)的PSA制氧系統(tǒng)的弊病

2.1 能源與資源的浪費(fèi)

傳統(tǒng)的PSA制氧、制氮（簡稱：PSA制氮）系統(tǒng)見圖3、圖4，根據(jù)PSA制氧或制氮的原理，要想從空氣中分離出高純度潔凈的氧氣或氮?dú)?，必須通過圖中所示的空壓機(jī)到制氧分子篩或制氮分子篩之間所示的預(yù)處理設(shè)備，對空氣進(jìn)行壓縮、冷干、粗、精、高三級過濾等預(yù)處理，方能進(jìn)入制氧或制氮分子篩進(jìn)行空氣分離，所以表1中所示的系統(tǒng)元件是必不可少的。而且傳統(tǒng)的空分制氧系統(tǒng)耗費(fèi)這么大的運(yùn)行成本，僅能分離出空氣中的7.6%氧氣，而其余92.4%的混合氣體則作為廢氣又排入到了的大氣中，既浪費(fèi)了資源又消耗了能源。

2.2 對局部空氣環(huán)境的污染

由圖1和圖2對比可知，經(jīng)過變壓吸附制氧之后排出的廢氣組份中，氮?dú)庹急壬亮?4.4%，含有CO2、CO、硫氧化物、氮氧化物等有害氣體、稀有氣體及水蒸氣等其它組分也升至1.08%，而氧氣的占比則下降至14.5%。由于醫(yī)院的制氧系統(tǒng)都是24小時(shí)不間斷運(yùn)行的，所以組份比失衡的“廢氣”源源不斷地排放空氣中，不僅加速了空氣中污染物的形成，同時(shí)由于上述氮、氧比例失衡，造成局部氮?dú)獬瑯?biāo)而形成的富氮污染，會因局部缺氧而以導(dǎo)致人們呼吸不暢、胸悶、惡心，甚至窒息、休克等，這對于醫(yī)院這個(gè)特殊的環(huán)境或者氣體生產(chǎn)企業(yè)都是絕對禁止的。

3 PSA組合式醫(yī)用制氧-制氮系統(tǒng)的性價(jià)比分析

本項(xiàng)目研究的重點(diǎn)是將在PSA制氧過程中所產(chǎn)生的廢氣富集、儲存，僅僅增壓后便可經(jīng)PSA制氮系統(tǒng)分離出成品氮?dú)?，而制氮系統(tǒng)排出的廢氣經(jīng)吸附處理后進(jìn)行無害化排放，排放物成分見表3。對比圖3、圖4與圖5及表1、表2可知，PSA組合式醫(yī)用制氧-制氮系統(tǒng)省去了制氮裝置前處理設(shè)備，而且還回收、利用了廢氣，既保護(hù)了環(huán)境，又節(jié)約了設(shè)備、資源的投入成本，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)兩用、一套動力源制出兩種醫(yī)用氣體的創(chuàng)新，而氧氣和氮?dú)庥质轻t(yī)院常用的兩種醫(yī)用氣體，故PSA組合式醫(yī)用制氧-制氮系統(tǒng)的研發(fā)試制成功，不僅解決了這一局部空氣環(huán)污染的問題，又實(shí)現(xiàn)了資源和能源利用的最大化。對于必須常年24小時(shí)不間斷運(yùn)行的設(shè)備，運(yùn)行成本的降低，至關(guān)重要，故項(xiàng)創(chuàng)新具有廣泛的示范效應(yīng)和推廣借鑒意義。

對比表1、表2的相應(yīng)數(shù)據(jù)可知，圖5所示的PSA組合式制氧-制氮系統(tǒng)中只需新增一只廢氣儲罐和一臺增壓機(jī)，即可減少一套表1中第1～5項(xiàng)的前處理設(shè)備，而且由于“廢氣”為富氮?dú)怏w，故一臺5.5KW的增壓機(jī)，即可通過該組合式制氧-制氮系統(tǒng)，分離出高純度的醫(yī)用氮?dú)?，與傳統(tǒng)的PSA制氧、制氮系統(tǒng)相比，節(jié)約前處理設(shè)備購置費(fèi)40.66%，并降低運(yùn)行能耗37.43%。

4 市場意義與推廣價(jià)值

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)中高速發(fā)展，作為國民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的 “工業(yè)血液——醫(yī)用和工業(yè)氣體行業(yè)”也隨之蓬勃崛起，為國民經(jīng)濟(jì)的高速運(yùn)行提供了重要保證。醫(yī)用和工業(yè)氣體的應(yīng)用已滲透到醫(yī)療、保健、冶金、石化、機(jī)械、國防、建材、電子、農(nóng)業(yè)、食品等各個(gè)基礎(chǔ)行業(yè)。據(jù)估計(jì)2016年的工業(yè)氣體總產(chǎn)值1200億，而且需求量以每年10%的速度在遞增，這其中約50%都是如圖3、圖4所示的空分制氣。龐大的市場需求，為氣體行業(yè)帶來了新的發(fā)展空間，可如果能使如上所述的PSA組合式空分制氧-制氮系統(tǒng)在氣體行業(yè)得到推廣應(yīng)用，按照如上所述每套組合式空分制氧-制氮系統(tǒng)的投入能比兩套獨(dú)立的制氧、制氮系統(tǒng)節(jié)約40.66%的設(shè)備投入和37.43%的運(yùn)行成本的話，折回到1200億產(chǎn)值的成本中，這是一個(gè)多么龐大的數(shù)字！在每年10%的速度遞增中，設(shè)備的投入的節(jié)省和能耗的降低又將是一個(gè)多么可觀的數(shù)字！故該項(xiàng)目具有廣泛的市場意義和推廣價(jià)值。

5 結(jié)束語

綜上所述，PSA組合式空分制氧-制氮系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了能源利用的最大化與環(huán)境污染的最小化。

由于一機(jī)（空壓機(jī)、冷干機(jī)）兩用，即：一套動力源制出兩種氣體，故單位體積的氣體能耗下降至0.091KW/m3以上，遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)≤0.4KW.H/m3的規(guī)定，實(shí)現(xiàn)了資源和能源利用的最大化，對于常年24小時(shí)不間斷運(yùn)行的設(shè)備，節(jié)約的資源十分巨大。

將空分制氧過程中排出的廢氣，增壓后制出純度高達(dá)99.9%的氮?dú)?，而將殘余廢氣凈化處理后進(jìn)行無害化排放，避免了制氧廢氣對環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)了廢氣排放的最小化，最大限度的保護(hù)了環(huán)境。

節(jié)能與環(huán)保是我國乃至世界一個(gè)永恒的主題，而PSA組合式空分制氧-制氮系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了這兩個(gè)目標(biāo)，故該項(xiàng)目的推廣應(yīng)用，有著廣泛的市場基礎(chǔ)和重大的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]畢光迎.醫(yī)用分子篩制氧機(jī)應(yīng)用研究[J].醫(yī)療裝備，2009，22（9）：21-23.

[2]管樟霞.空分工業(yè)氣體行業(yè)發(fā)展分析[J].通用機(jī)械，2006，11：33-34.

[3]劉劍，李洪濤，姜道華，等.變壓吸附制氮技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[J].化工縱橫，2006，20（12）：47-49.

[4]趙飛.各種空氣分離方法的比較[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2011（14）： 129-131.

[5]陸山.淺談空氣分離技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)[J].甘肅冶金，2011，33（3）：89-90.