變壓吸附制氮技術(shù)在釬焊領(lǐng)域的應(yīng)用

吳 雨* 周大鶴 張雪洪

（上海化工研究院有限公司）

隨著新技術(shù)不斷發(fā)展，新材料及新結(jié)構(gòu)形式對連接技術(shù)提出了更高的要求，因此釬焊技術(shù)應(yīng)用范圍越來越廣泛。

采用釬焊工藝焊接時(shí)，爐內(nèi)氣體的含氧量要求較高，氮?dú)饧兌纫话阈柽_(dá)到99.999 5%（體積分?jǐn)?shù)，下同）以上。如果氣體含氧量偏高，則工件焊接氧化現(xiàn)象嚴(yán)重，甚至?xí)?dǎo)致工件無法使用。因此，必須嚴(yán)格控制爐內(nèi)氣體的含氧量，釬焊工藝中，常規(guī)的方法是在爐內(nèi)充氮?dú)鈦肀Ｗo(hù)工件[1]。

1 制氮工藝的選擇

工業(yè)大規(guī)模制氮一般采用傳統(tǒng)深冷法，即先將空氣深冷液化，通過空氣中各組分沸點(diǎn)不同，對氧、氮等組分進(jìn)行精餾、分離、提取。深冷法的主要特點(diǎn)是制氮量大，氮?dú)饧兌雀?，但工藝流程?fù)雜，設(shè)備制造、安裝、調(diào)試、運(yùn)行及維護(hù)成本高，占地面積大，適用于大規(guī)模集中制氮的場合，一般不常用于釬焊爐氮?dú)庵迫　?/p>

變壓吸附（PSA）制氮技術(shù)，具有自動(dòng)化程度高，工藝流程簡單，占地面積小，啟動(dòng)快，操作、維護(hù)便捷，運(yùn)行成本低，投資少等特點(diǎn)[2]，當(dāng)?shù)獨(dú)猱a(chǎn)量小于4 000 m3/h 時(shí)，PSA 制氮技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益明顯優(yōu)于深冷法制氮。

由于液氮操作、維護(hù)便捷，目前在釬焊爐氮?dú)庵迫≈休^為常用，但需定期進(jìn)行添加，且液氮運(yùn)輸要求較高，長期運(yùn)行成本高。結(jié)合某公司釬焊爐工藝，變壓吸附制氮與液氮性能參數(shù)對比情況可見表1。綜合考慮PSA 制氮與液氮工藝的特點(diǎn)及使用成本，最終選擇了PSA 制氮工藝。

表1 PSA制氮與液氮性能參數(shù)表

2 PSA制氮工作原理及工藝流程

2.1 工作原理

PSA 制氮技術(shù)的基本原理如下：采用碳分子篩作為吸附劑，任何一種吸附劑在吸附同一氣體時(shí)，氣體壓力越高，吸附劑的吸量就越大。反之，壓力越低，則吸附量越小[3]，如圖1 所示。

如上所述，當(dāng)空氣壓力升高時(shí)，碳分子篩將大量吸附氧氣、二氧化碳等雜質(zhì)氣體。當(dāng)壓力降至常壓時(shí)，其對氧氣、二氧化碳等雜質(zhì)氣體的吸附量非常小[4]，由此對碳分子篩進(jìn)行解析。

當(dāng)?shù)獨(dú)饧兌纫鬄?9.999 5%時(shí)，常規(guī)的制氮機(jī)難以滿足要求，必須對制氮機(jī)產(chǎn)出的氮?dú)膺M(jìn)行進(jìn)一步純化處理。該制氮系統(tǒng)采用碳載純化的方式，其工作原理如下：以PSA制氮機(jī)制取的99.9%氮?dú)鉃樵蠚?，此時(shí)氮?dú)庵械闹饕s質(zhì)是水蒸氣與氧氣。原料氣進(jìn)入碳載純化器后，氧氣在脫氧催化劑的催化作用下與碳發(fā)生氧化還原反應(yīng)生產(chǎn)二氧化碳，經(jīng)冷卻干燥后，得到高純度的氮?dú)鈁5]。

圖1 變壓吸附制氮原理

2.2 工藝流程

2.2.1 PSA變壓吸附制氮工藝流程

經(jīng)空壓機(jī)壓縮，空氣壓力達(dá)到0.8 MPa 后，進(jìn)入SLAD-30NF 冷干機(jī)，除去空氣中的大量水分，再經(jīng)過精密過濾器進(jìn)一步除塵、除油，進(jìn)入KCG-3/10 空氣緩沖罐穩(wěn)壓，作為PSA 制氮機(jī)的原料氣。預(yù)處理后的空氣進(jìn)入裝有分子篩的吸附塔，依次完成吸附、均壓、解析、沖洗、充氣過程，然后連續(xù)產(chǎn)出氮?dú)狻SA 制氮工藝流程可見圖2。

圖2 PSA制氮工藝流程圖

2.2.2 碳載純化器工藝流程

原料普氮(純度≥99.9%)先進(jìn)入預(yù)熱器(熱交換器)，初步提高氣體溫度，隨后進(jìn)入加熱器加熱到250～350 ℃，然后進(jìn)入脫氧器在脫氧催化劑的催化作用下，氮?dú)庵械臍堁跖c碳反應(yīng)生成二氧化碳后返回預(yù)熱器，與新進(jìn)料的原料氮?dú)膺M(jìn)行熱交換，充分利用余熱達(dá)到節(jié)能效果。

氮?dú)饨?jīng)高效水冷卻器冷卻到常溫后，通過精密過濾器和吸附式干燥器處理，除去其中的二氧化碳，再經(jīng)精密過濾器進(jìn)一步處理，得到純度≥99.999 5%的潔凈高純度氮?dú)狻?/p>

3 制氮系統(tǒng)配置

根據(jù)工藝計(jì)算，該裝置有效消耗壓縮空氣量為26.8 Nm3/min。設(shè)備在選型過程中充分考慮了節(jié)約成本、降低能耗及長期運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性等因素[6]，制氮系統(tǒng)布置情況可見圖3。

圖3 制氮系統(tǒng)布置圖

3.1 冷凍式干燥機(jī)

采用杭州山立凈化設(shè)備股份有限公司的SLAD-30NF 型冷干機(jī)，該冷干機(jī)為風(fēng)冷型，可處理的氣體量為33 Nm3/min，裝機(jī)功率為7.5 kW，壓縮空氣的帶壓露點(diǎn)為3 ℃。

冷干機(jī)的主要部件（如冷媒壓縮機(jī)等）為進(jìn)口原件，其性能可靠、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、能耗小、噪音低、安裝方便。采用微電腦程序控制，對冷干機(jī)的進(jìn)氣溫度、露點(diǎn)溫度、冷媒壓力等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、分析及處理，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測量和控制，確保進(jìn)入吸附塔的空氣含水量滿足要求。

3.2 高效過濾器

過濾器集螺旋分離、預(yù)過濾、精過濾三級(jí)過濾為一體，高效除水、除油及除塵，經(jīng)過處理后的壓縮空氣，過濾精度達(dá)到0.01μm，殘油質(zhì)量含量可小于0.01×10-6。

3.3 PSA變壓吸附制氮分離系統(tǒng)

PSA 制氮分離系統(tǒng)主要由2 臺(tái)填裝碳分子篩的吸附塔及1 臺(tái)氮?dú)饩彌_罐組成。碳分子篩選用日本巖谷公司產(chǎn)品，總裝填量超過2.85 t。巖谷分子篩具有較高的產(chǎn)氮率及回收率，同時(shí)具有機(jī)械強(qiáng)度較高、使用壽命長等特點(diǎn)。

PSA 制氮分離系統(tǒng)還包括了1 套氣動(dòng)截止閥，該閥具有啟動(dòng)速度快，切換壽命長等特點(diǎn)。其開啟時(shí)間僅需0.015 s，切換壽命可達(dá)300 萬次以上，特別適用于頻繁啟閉的變壓吸附工藝。

PSA 制氮分離系統(tǒng)由可編程的控制器（PLC）控制，并可以修改變壓吸附各工藝流程，最大程度滿足現(xiàn)場工藝要求。

3.4 碳載純化裝置

該氮?dú)饧兓b置是為用戶專門設(shè)計(jì)制造的，能夠直接制取高純度氮?dú)猓ā?9.999 5%），純氮的露點(diǎn)≤-70 ℃。該裝置具有國內(nèi)先進(jìn)水平，碳載純化裝置無須傳統(tǒng)的氫氣源，僅采用脫氧催化劑即可脫除氧氣。該裝置運(yùn)行平穩(wěn)、性能安全可靠、操作方便、耗能少，且其在碳載純化裝置上增設(shè)了2 個(gè)預(yù)熱器(熱交換器)，用脫氧器返回的余熱對原料普氮進(jìn)行預(yù)熱，可較大幅度地降低能源消耗。

4 運(yùn)行分析

PSA 制氮系統(tǒng)經(jīng)過試運(yùn)行結(jié)果可見表2。從表2可以看出，除產(chǎn)品壓力與設(shè)計(jì)參數(shù)存在一定偏差外，設(shè)備其他參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但壓力依舊能達(dá)到釬焊爐對氮?dú)獾氖褂靡?。氮?dú)鈮毫Φ偷闹饕蚴乾F(xiàn)場用氣點(diǎn)距離變壓吸附系統(tǒng)較遠(yuǎn)，氮?dú)庠诠艿垒斔椭袎航荡笥谠O(shè)計(jì)值。

表2 變壓吸附制氮系統(tǒng)調(diào)試參數(shù)與設(shè)計(jì)值對比

4.1 氮?dú)鈮毫?、流量與純度的關(guān)系

從現(xiàn)場試運(yùn)行情況來看，粗氮（制氮機(jī)產(chǎn)出氮?dú)猓毫?、純度隨氣體流量變化而變化，氣體流量變化主要是由現(xiàn)場需求波動(dòng)引起的。當(dāng)壓力和流量同時(shí)變化時(shí)，氮?dú)饧兌茸兓瘯?huì)滯后流量變化1～3 min，總體表現(xiàn)為：當(dāng)?shù)獨(dú)饬髁可邥r(shí)，其純度下降；當(dāng)?shù)獨(dú)饬髁肯陆禃r(shí)，其純度升高[7]。

（1）吸附壓力（即空氣進(jìn)入吸附塔時(shí)的壓力）高時(shí)，有利于碳分子篩吸附氧氣，壓力是影響吸附效果的重要因素。制氮機(jī)吸附壓力＞0.7 MPa，氮?dú)饬髁繛?00 Nm3/h，純度為99.999 5%時(shí)，氮?dú)饧兌瓤稍谶\(yùn)行1.5 h 之后達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且氮?dú)鈮毫M足現(xiàn)場需求。

（2）氮?dú)饧兌扰c產(chǎn)量可根據(jù)現(xiàn)場需求來調(diào)節(jié)。粗氮（即PSA 制氮機(jī)產(chǎn)出氮?dú)猓┊a(chǎn)量小時(shí)，氮?dú)饧兌葘⑸撸粗畡t會(huì)下降。當(dāng)?shù)獨(dú)饧兌冗_(dá)到99.9%以上時(shí)，氮?dú)獾幕厥章氏陆碉@著，單位能耗大。因此，對氮?dú)饧兌纫筝^高時(shí)，可以通過提高吸附壓力和降低產(chǎn)量來實(shí)現(xiàn)。

（3）產(chǎn)品氮?dú)饧兌鹊闹饕绊懸蛩匕艘韵聨讉€(gè)方面。

a）原料空氣質(zhì)量

碳分子篩為親油性，其吸附油后一般條件下是不能再生的，油在分子篩內(nèi)積累將導(dǎo)致其微孔堵塞，使碳分子篩喪失氧氮分離能力。采用優(yōu)良的過濾設(shè)備且保證良好的空氣環(huán)境更有利于吸附。

b）吸附塔再生反吹氣量

若再生氣量小，碳分子篩無法徹底再生，會(huì)導(dǎo)致吸附效率降低，氮?dú)饧兌认陆?。若再生氣量過大，則會(huì)影響產(chǎn)品氮?dú)饬髁?。因此，再生氣量必須根?jù)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

c）吸附塔吸附周期

碳分子篩吸附氧可在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡，適當(dāng)延長吸附周期，可以降低PSA 制氮機(jī)閥門的切換頻率，提高裝置的穩(wěn)定性。但吸附周期不宜過長，否則易造成壓縮空氣穿透吸附床層，使氮?dú)饧兌认陆?。該套裝置的單個(gè)吸附塔吸附周期為45 s。

d）均壓時(shí)間

當(dāng)1 個(gè)吸附塔吸附結(jié)束后，另1 個(gè)塔剛好完成解吸過程，此時(shí)1 個(gè)塔對另1 個(gè)塔進(jìn)行氣流輸送，這一過程稱為均壓。合理選擇均壓時(shí)間可以達(dá)到能量回收的目的，均壓時(shí)間過長會(huì)增加運(yùn)行成本，時(shí)間過短則容易造成分子篩粉化。該套裝置的均壓時(shí)間為2 s。

e）碳分子篩的選擇

選擇性能良好的碳分子篩不僅可以提高氮的回收率，還能提高設(shè)備運(yùn)行可靠性。該套設(shè)備采用日本巖谷分子篩，其較好地滿足了生產(chǎn)要求。

4.2 雜質(zhì)氣體對釬焊效果的影響

從制氮機(jī)的試運(yùn)行情況來看，雖然氧含量、氮?dú)饴饵c(diǎn)及壓力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但產(chǎn)品氮?dú)獠⒉荒軡M足釬焊爐對氮?dú)獾氖褂靡?。產(chǎn)品焊件表面發(fā)黑，不僅影響美觀，而且對工件的換熱效果影響很大，甚至導(dǎo)致工件不能使用，而液氮焊接得到的產(chǎn)品不會(huì)出現(xiàn)表面發(fā)黑的情況，經(jīng)制氮機(jī)和液氮焊接得到的工件對比情況如圖4 所示。

圖4 焊接工件對比

由圖4 可以看出，相比于制氮機(jī)焊接得到的工件，液氮焊接得到的工件表面光澤度更好。釬焊爐對氮?dú)獾某煞忠笕绫? 所示。

表3 釬焊爐中氮?dú)獬煞忠螅w積分?jǐn)?shù)）

通過對氮?dú)獬煞诌M(jìn)行逐一排查后可知，在超過500 ℃的環(huán)境下，母材會(huì)與氮?dú)庵形⒘康亩趸及l(fā)生反應(yīng)：因此必須降低氮?dú)獬煞种卸趸嫉暮浚趸贾饕翘驾d純化器中的碳與氮?dú)庵械难鯕夥磻?yīng)生成。降低二氧化碳的含量可以通過以下2 個(gè)途徑來實(shí)現(xiàn)：（1）提高普氮的純度，從而降低普氮中的氧氣含量；（2）提高碳載純化器干燥塔的吸附能力。

在實(shí)際工程中，較大幅度提高普氮純度主要通過提高吸附壓力或增加碳分子篩來實(shí)現(xiàn)，綜合考慮現(xiàn)場實(shí)際情況，選擇從提高純化器干燥塔吸附能力著手。

增強(qiáng)干燥塔吸附能力主要通過以下兩種方法實(shí)現(xiàn)：（1）縮短干燥塔的運(yùn)行切換周期，在保證氮?dú)饧兌鹊那疤嵯?，增加單位時(shí)間干燥塔吸附二氧化碳的量；（2）更換更強(qiáng)的吸附能力的分子篩。

通過對純化裝置干燥塔進(jìn)行改選，焊接得到的工件產(chǎn)品在外觀上基本與液氮產(chǎn)品相似，表面光澤度較高，對工件進(jìn)行氦檢檢漏及換熱效果試驗(yàn)，該工件質(zhì)量完全合格。工件產(chǎn)品及與液氮產(chǎn)品對比情況如圖5所示。

圖5 焊接工件對比

4.3 注意事項(xiàng)

開車前應(yīng)檢查吸附塔各氣動(dòng)閥門，閥門動(dòng)作應(yīng)與PLC控制系統(tǒng)指令一致。在向制氮機(jī)輸送原料氣之前，必須先開冷干機(jī)，保障原料空氣質(zhì)量，并避免設(shè)備長期在低流量下運(yùn)行導(dǎo)致冷干機(jī)停車。在調(diào)節(jié)流量時(shí)應(yīng)注意觀察氮?dú)饧兌鹊淖兓闆r，調(diào)節(jié)應(yīng)具有一定的預(yù)見性。長期停車后再開，應(yīng)先排出儲(chǔ)罐及管道內(nèi)的積水。碳載純化裝置運(yùn)行時(shí)必須保證前端PSA 制氮機(jī)工況穩(wěn)定，包括氮?dú)饬髁考暗獨(dú)饧兌龋駝t容易引起純化裝置產(chǎn)生波動(dòng)。

4.4 制氮機(jī)運(yùn)行費(fèi)用分析

NGN-450D+SGM-300 型制氮機(jī)主要為釬焊爐提供氮?dú)獗Ｗo(hù)，防止焊件氧化，該設(shè)備投用至今，運(yùn)行穩(wěn)定，且能夠滿足釬焊爐對氮?dú)獾囊?。與傳統(tǒng)液氮相比，變壓吸附制氮技術(shù)具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，PSA制氮裝置的氮?dú)馍a(chǎn)成本僅為0.6 元/m3左右，而液氮工藝的生產(chǎn)成本不低于1.5 元/m3，每年可節(jié)約300余萬元操作成本，投資成本回收期僅需半年，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié)論

PSA 制氮機(jī)是投資少、見效快、設(shè)備簡單、性能可靠的新一代制氮裝置，目前國內(nèi)已有數(shù)千套變壓吸附制氮設(shè)備投入運(yùn)行。在中小規(guī)模裝置中，變壓吸附制氮技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，在氮?dú)饧兌纫蟛桓?、氮?dú)庥昧坎▌?dòng)較大的場合中，其優(yōu)勢更為突出。若能將變壓吸附制氮與液氮裝置并聯(lián)運(yùn)行，將其優(yōu)勢互補(bǔ)，并采用一套自動(dòng)切換控制系統(tǒng)，可大大節(jié)省操作成本，對企業(yè)長周期安全運(yùn)行意義重大。