變壓吸附制氧在玻璃纖維行業(yè)純氧燃燒的經(jīng)濟性分析

劉 權(quán)

（北京北大先鋒科技股份有限公司，北京 100089）

0 前言

玻璃纖維是一種具備良好機械強度、耐熱性、抗腐蝕等性能的無機非金屬材料。隨著研究不斷深入和行業(yè)快速發(fā)展，玻璃纖維生產(chǎn)工藝逐漸提升，已成為非常好的金屬材料的替代品，在建筑、環(huán)境保護、醫(yī)學、電子、交通等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

玻璃纖維池窯拉絲法生產(chǎn)時熔化所需要的熱量通過燃料燃燒來提供。傳統(tǒng)燃燒利用空氣中21%的氧氣作為助燃氣，空氣中78%的氮氣不參與燃燒，但是會被加熱造成能源浪費，且高溫氮氣易與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生NOx氮氧化物，會對大氣造成污染。所以為了降低環(huán)境污染，提高燃燒效率，利用高純度氧氣（＞90%）作為助燃氣的純氧燃燒技術(shù)應(yīng)運而生，通過空氣分離獲得高純度氧氣的生產(chǎn)技術(shù)在玻纖行業(yè)得到了廣泛的利用和發(fā)展。變壓吸附制氧和深冷空分制氧是提供高純度工業(yè)氧氣的主要空氣分離制氧技術(shù)。下面本文將介紹純氧燃燒技術(shù)以及變壓吸附制氧相比深冷空分在玻纖行業(yè)應(yīng)用的優(yōu)勢，并分析變壓吸附制氧技術(shù)在窯爐燃燒中的經(jīng)濟性。

1 純氧燃燒技術(shù)

純氧燃燒技術(shù)是指采用純度大于90%的氧氣作為助燃氣，與燃料按照比例混合燃燒的技術(shù)。相較于空氣作為助燃氣，純氧燃燒的火焰溫度更高，池窯能達到的溫度也更高，氮氣量低使得熱傳導(dǎo)效率提高，NOx排放量顯著減少，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，建設(shè)成本也較低，純氧燃燒憑借其在節(jié)能環(huán)保和經(jīng)濟效益方面的優(yōu)勢正在逐漸普及［1］。目前西方國家玻纖生產(chǎn)已普遍使用純氧燃燒技術(shù)，我國純氧燃燒處于國家大力推廣階段，國內(nèi)如巨石集團、中建材、四川玻纖、泰山玻纖等行業(yè)知名企業(yè)都已建設(shè)純氧燃燒池窯。

圖1為國內(nèi)玻璃纖維產(chǎn)量，截至2020年底我國玻纖產(chǎn)量已達到541萬t，占世界的60%以上，且呈逐漸上升趨勢。如此高的產(chǎn)能和占比說明國內(nèi)玻纖行業(yè)發(fā)展十分迅猛，國家也相應(yīng)會提高環(huán)保要求。最新的工信部《玻璃纖維行業(yè)規(guī)范條件》中指出，玻璃纖維池窯法拉絲生產(chǎn)線鼓勵采用純氧燃燒等先進工藝，這對純氧燃燒技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展是十分利好的。

2 純氧燃燒用氧氣的主要來源

純氧燃燒技術(shù)所需助燃氣氧氣的來源為工業(yè)氧氣。目前制取高純度工業(yè)氧氣最常見的2種方法是深冷法和變壓吸附制氧法，都是利用空氣分離制氧的方式獲得高純度氧氣。變壓吸附制氧是將除塵空氣吸入鼓風機，經(jīng)過換熱器進入吸附塔，在一定吸附壓力下，大部分氮氣優(yōu)先被分子篩吸附，氣相中氧氣富集后進入緩沖罐，塔內(nèi)氮氣吸附接近飽和后進行解析，分子篩再生后重復(fù)利用。變壓吸附制氧一般通過多塔切換吸附、解析、均壓等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)連續(xù)供氧，變壓吸附制氧最高可獲得純度94%左右的氧氣。深冷法是根據(jù)空氣組分中氣體沸點不同，空氣經(jīng)過壓縮系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)完成氣體凈化后，再經(jīng)過透平系統(tǒng)、分餾以及換熱器實現(xiàn)氧氣、氮氣、氬氣的分離［2］，可以得到純度99%以上的氧氣。目前國內(nèi)市場2種技術(shù)發(fā)展都比較成熟，深冷技術(shù)氧氣純度高，副產(chǎn)品也多，規(guī)模較大，適合大量用氧的情況；變壓吸附制氧氧氣純度相對低一些，但是其具備能耗低、靈活性高、成本低、工藝簡單、安全性高等特點，在用氧規(guī)模不是特別大，純度不高于94%的生產(chǎn)情況下，變壓吸附制氧具有較大優(yōu)勢（表1）。

表1 變壓吸附制氧和深冷空分制氧參數(shù)對比

玻璃纖維純氧燃燒技術(shù)所需氧氣純度大于90%即可，而且氧氣消耗量屬于中等規(guī)模，一般單條生產(chǎn)線用氣量不會超過3 500 Nm3/h，即使在有多條生產(chǎn)線且位置不集中的情況下，變壓吸附制氧也都可以滿足要求［3］。考慮以上條件以及經(jīng)濟成本、環(huán)保等因素，變壓吸附制氧十分適合為玻纖池窯純氧燃燒提供氧氣。

3 變壓吸附制氧技術(shù)

二十世紀以來，隨著國內(nèi)經(jīng)濟高速穩(wěn)定發(fā)展，生產(chǎn)制造業(yè)不斷擴大規(guī)模、發(fā)展革新，工藝的改進和產(chǎn)能提升促使其對于工業(yè)氧氣的需求日益增大。巨大的用氧需求帶動了國內(nèi)工業(yè)制氧技術(shù)的進步，變壓吸附制氧技術(shù)在新型鋰基吸附劑國產(chǎn)化以及吸附塔技術(shù)改進后取得突破性進展，使得其在國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和認可。

3.1 變壓吸附制氧技術(shù)進展

上世紀六十年代變壓吸附制氧技術(shù)開始出現(xiàn)，到八十年代初美國和日本相繼開始工業(yè)化。上世紀九十年代初美國普萊克斯公司研發(fā)出鋰型分子篩制氧吸附劑，變壓吸附制氧工藝得到突飛猛進的發(fā)展。我國變壓吸附制氧技術(shù)開始于二十世紀八十年代末期，直到九十年代初才有了小型工業(yè)化裝置［4］，早期的制氧裝置采用的吸附劑為5A分子篩吸附劑，最大規(guī)模也只有1 000 Nm3/h，純氧電耗在0.5 kW·h/ Nm3以上，與同期國際先進國家和企業(yè)差距很大。2000年初，隨著北大先鋒科技有限公司高效鋰基吸附劑的正式生產(chǎn)以及VPSA制氧裝置大規(guī)模的工業(yè)化，國內(nèi)變壓吸附制氧技術(shù)得到快速發(fā)展和推廣。近些年，變壓吸附制氧技術(shù)一些關(guān)鍵性問題得以解決，變壓吸附制氧的產(chǎn)氧能力逐漸增大、電耗逐漸降低、裝置的穩(wěn)定性逐漸提升。單套兩塔制氧裝置折合純氧規(guī)模可以提升到6 000 Nm3/h， 多塔并聯(lián)工藝后產(chǎn)氧量可以達到35 000 Nm3/h以上，單位制氧所需電耗降低到0.32 kW·h/Nm3以下，滿足98%以上的年開工率［5］。

隨著技術(shù)的逐漸改進和發(fā)展，變壓吸附制氧技術(shù)由于其具有的啟停靈活、負荷調(diào)節(jié)簡單、單位電耗低、建設(shè)周期短、安全性高以及運維成本較低等優(yōu)點，在鋼鐵、玻璃纖維、有色金屬、化工生產(chǎn)、爐窯節(jié)能、環(huán)保、造紙等行業(yè)得到了廣泛推廣。

3.2 變壓吸附制氧技術(shù)的特點

3.2.1 工藝簡單、操作靈活、啟停方便

變壓吸附制氧工藝比較簡單，主要動力設(shè)備為羅茨鼓風機和羅茨真空泵。制氧設(shè)備初始開車只需要不到30 min就可產(chǎn)出合格工業(yè)氧氣，臨時停車后也能20 min內(nèi)產(chǎn)氧；常規(guī)停車也很簡單，僅需要把制氧動力設(shè)備和程序關(guān)停即可，最后關(guān)閉公用工程設(shè)備。

3.2.2 設(shè)備運維成本低

主要設(shè)備羅茨鼓風機、真空泵、調(diào)節(jié)閥、控制柜等全部為國產(chǎn)設(shè)備，成本和工期容易掌控，而且設(shè)備維護簡單、售后及時，用戶不需要投入大量運維資金和人力成本。

3.2.3 單位制氧能耗較低

如今變壓吸附制氧的電耗已經(jīng)降至0.32 kW·h/Nm3以下，相比而言較大規(guī)模的深冷空分裝置的純氧電耗最低在0.42 kW·h/Nm3左右。如果企業(yè)氮氣需求低，變壓吸附制氧技術(shù)成本優(yōu)勢明顯。

3.2.4 建設(shè)周期短、占地面積小、投資回報快

變壓吸附建設(shè)周期一般可控制在6個月甚至更短的范圍內(nèi)。因設(shè)備簡單且數(shù)量相對較少，所以占地面積相比深冷也要小很多。用戶在少投資、低成本的條件下，較短時間就可使用變壓吸附生產(chǎn)的工業(yè)氧氣。

3.2.5 負荷調(diào)節(jié)方便［6］

變壓吸附制氧在純氧電耗變化不大的情況下，可以實現(xiàn)產(chǎn)量及純度的快速調(diào)節(jié)。一般產(chǎn)量可在30%～100%之間調(diào)節(jié)，純度可在70%～94%之間調(diào)節(jié)。當多套制氧裝置并聯(lián)工作時，負荷調(diào)節(jié)會更加方便。

3.2.6 操作安全性較高

由于變壓吸附制氧裝置屬于常溫低壓操作，也不會出現(xiàn)深冷裝置的低溫、乙炔富集等現(xiàn)象，相對于深冷法制氧操作安全性更高。

4 玻纖行業(yè)純氧燃燒使用變壓吸附制氧技術(shù)實例

變壓吸附制氧的特性完全滿足玻纖池窯純氧燃燒的要求，近些年隨著國內(nèi)玻纖企業(yè)開始建設(shè)或改造純氧燃燒池窯工藝線，變壓吸附制氧技術(shù)在我國大量玻纖企業(yè)都得到了應(yīng)用。下面簡要介紹一個變壓吸附制氧在國內(nèi)應(yīng)用實例。

四川某玻纖廠項目池窯配套約1 500 Nm3、純度93%的變壓吸附裝置，由北大先鋒設(shè)計建設(shè)，目前該套裝置已穩(wěn)定使用7年。因玻纖企業(yè)池窯用氧規(guī)模相對較小，不適合采用投資大、電耗高的深冷 設(shè)備，也不適合長期購買液氧作為氣源。該套生產(chǎn)線月用氧量在750 000 Nm3左右，如果全部使用液氧供給，按照目前液氧900元/t計算，每噸液氧可氣化得到700 Nm3純氧，一個月液氧消耗就達到96萬元左右。如果使用變壓吸附制氧，所用設(shè)備包括制氧機組、氧壓機、廠房、配電室等用高低壓電總和折算，用電370 000 kW·h，電費按照0.64元/k·Wh，制氧月費用不到24萬元，是液氧的25%，考慮到變壓吸附人工和單獨液氧差不多，結(jié)合水費、人工費、設(shè)備折舊費、維護費等，月總消耗也不超過42%。由此可見，變壓吸附制氧十分適合玻纖池窯純氧燃燒技術(shù)。

5 結(jié)語

隨著純氧燃燒技術(shù)的普及與發(fā)展，變壓吸附制氧在國內(nèi)外玻纖等領(lǐng)域的使用率會越來越高。變壓吸附制氧憑借其自身優(yōu)勢，且符合國家節(jié)能、環(huán)保要求，符合用戶節(jié)約成本、穩(wěn)定用氧的訴求，同時制氧技術(shù)也在不斷改進完善，因此未來必將具備巨大的潛力和廣闊的應(yīng)用前景。