变压吸附制氧的节能设计

寸启龙，梁 可，张 春（.昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南　昆明　65005；.云南驰宏锌锗股份有限公司，云南　会泽　65400）



变压吸附制氧的节能设计

寸启龙1，梁 可1，张 春2
（1.昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南昆明650051；2.云南驰宏锌锗股份有限公司，云南会泽654200）

摘要：作为助燃剂和氧化剂的氧气，在工业生产中起到节能减排和加快氧化反应的作用，普遍被使用。而变压吸附制氧过程本身就是一个耗能的生产过程，能耗指标变化范围较大，节能空间比较大。如何稳定、节能、高效地制取氧气，从工艺路线选择、设备选型、制氧吸附剂选用、工艺参数的设计和控制等方面，探讨变压吸附制氧生产装置的节能设计，提高节能效果。

关键词：变压吸附制氧；工艺路线；设备选型；节能设计

0　引 言

现代工业逐渐向节能、环保、高效的方向发展，作为助燃剂和氧化剂的氧气，在工业中起到节能减排和加快氧化反应的作用，普遍被使用。氧气主要来自于空气中的氧，空气中含氧量约为21%，含氮约为78%。变压吸附制氧是利用吸附剂在加压条件下吸附空气中的氮气，而排出氧气，在减压或常压条件下解吸所吸附的氮气（和其它微量杂质气体），用双塔或多塔循环进行空气分离和吸附剂解吸再生，从而实现连续制取氧气的过程。根据制氧装置的不同，变压吸附制氧装置能耗为0.42～1.1 kW·h／Nm3，能耗指标变化范围较大，节能空间比较大。该文将从工艺路线、设备选型、吸附剂和生产工艺参数的控制等方面就如何稳定、节能、高效地制取氧气进行探讨。

1　工艺路线

变压吸附分为高压吸附常压解吸的变压吸附制氧（PSA）和低压吸附真空解吸的变压吸附制氧（VPSA）。PSA法单套装置规模一般在400 Nm3／h以下，装置能耗较高，一般在1.0 kW·h／Nm3以上，适用于小规模空分制氧，也可多套装置并联适用，但经济性较差。VPSA法在PSA法的基础上发展而来，单套装置产能可达80 000 Nm3／h，纯度可达95%，适用于大规模制氧，且规模越大制氧能耗越低，正常可控制在0.55 kW·h／Nm3以内。目前国内只有少数厂家能生产大产能变压吸附制氧机组，按照吸附塔的配置数量，VPSA工艺又分为单床VPSA工艺、两床VPSA工艺、三床VPSA工艺、五床VPSA工艺。具体选用哪种工艺，需根据企业对纯度要求、用气量、用气制度和现场条件等进行综合考虑择优选择。

对于PSA和VPSA法制氧，在工艺路线的选择上，当生产规模＜1 500 Nm3／h时，考虑到设备投资，可以选用多个PSA法制氧装置并联；当生产规模＞1 500 Nm3／h时，VPSA法制氧的综合节能效果开始显现。

2　设备选型

变压吸附制氧装置必须本着“可靠性和先进性相统一”的原则进行设备选型。可靠性是基础和前提，即要求装置故障率低，能长期安全、稳定运行。先进性是目标，即要求装置性能指标先进、经济性好、运行成本低。

变压吸附制氧工艺的选择往往受制于制氧设备。吸附塔是制氧工艺的核心设备，如何考虑吸附塔内的气流流向和分布，决定制氧效率和装置产能。一般有轴向流和径向流2种，轴向流的气流方向为吸附塔的轴向，轴向流吸附塔直径大，高度小，实现理想的布气难度大，单塔装置产能小，可用多塔流程实现大产能，占地相应较大。径向流的气流方向为吸附塔的径向，径向流吸附塔直径相对较小，高度大，容易实现大产能双塔流程，气流阻力小，节能效果好，能耗指标可控制在0.5 kW·h／Nm3以内。

变压吸附装置吸附周期一般为60 s，一个周期内要完成吸附、均压、解吸、冲洗、加压等步骤。关键程控阀门在每个周期内开关一次，开关频繁，开关速度要求＜1 s，开关运行机构的双向快速动作，加之高压高速气流的冲刷，对阀门的运行机构、阀板和密封要求较高，要求密封件使用寿命＞100万次，特别是当阀门＞DN250，阀门越大，要实行稳定正常的运行就显得更困难。运行一般采用气动和液动2种，气动阀门噪音较大，液动阀门易漏油。阀门的技术和大小也决定装置的大小，很多装置就是受制于阀门而不能做大。优质的程控阀门是制氧装置正常运行的可靠保证。

鼓风机、真空泵和氧气压缩机的选择主要从节能、环保和工艺需要进行选择。一般情况下制氧设备厂家会进行流程计算，给出相关的选型参数和选择意见，设计时根据制氧项目具体情况进行设备选型计算，采用低能耗设备，综合考虑。

3　吸附剂

当空气经过加压后通过装有吸附剂的吸附塔时，氮气被吸附剂吸附，氧气被分离出在气相中得到富集并流出吸附塔。当吸附剂吸附氮气饱和后，停止吸附塔空气的供给，并降低吸附塔的压力，把吸附剂吸附的氮气解吸出来，使吸附剂得到再生并重复利用。2个以上的吸附床轮流切换工作，便可连续生产出氧气。

变压吸附制氧用的吸附剂大的分为碳分子筛和沸石分子筛，早期较多采用碳分子筛，但其吸附效果不好，氧气的纯度和回收率低，使用寿命短。沸石分子筛属平衡选择性吸附剂，包括A型沸石（CaA）和 X型沸石（CaX、NaX、LiX），其中 LiX分子筛处理空气量和氧气回收率高，使用寿命长，节能效果明显，大装置制氧设备连续生产成为可能。

4　工艺参数的控制

工艺参数的控制分为设计参数控制和生产参数控制2个阶段。生产参数可以在生产过程中进行调节和修改，但很多设计参数一旦确定，无法更改。

设计时要求考虑各环节和设备的气体流量、压力、温度等因数，设备的工作负荷（流量和压力）为70%～80%时，设备的运行较为平稳且节能。在留有一定的富余量的情况下，各环节的能力要互相匹配，越往后要考虑设备的能力余量，不能出现瓶颈现象，否则也不便于节能和产能调节。

为了便于说明生产工艺参数控制，以常规双塔流程为例，先对工艺步序进行说明。

1）第一步（T1）：吸附塔A的空气进气阀、产品气出口阀、吸附塔B真空解吸气出口阀门打开。吸附塔B处于抽真空解吸状态；

2）第二步（T2）：时序T1结束后，吸附塔A空气进气阀、产品气出口阀延时打开，吸附塔B产品气升压阀延时打开、真空解吸气出口阀处于打开状态。吸附塔A处于进料吸附产氧的状态，吸附塔B处于抽真空解吸状态并开始进行产品气升压；

3）第三步（T3）：时序T2结束，吸附塔B产品气升压阀、真空解吸气出口阀打开，吸附塔A空气进气阀、产品气出口阀处于打开状态。吸附塔A处于进料吸附产氧的状态，吸附塔B处于抽真空解吸和继续产品气升压状态；

4）第四步（T4）：时序T3结束，吸附塔A空气进气阀、产品气出口阀、吸附塔B真空解吸气出口阀、产品气升压阀关闭，吸附塔A上均压阀、真空解吸气出口阀、吸附塔B上均压阀打开、下充压阀打开。吸附塔A吸附过程结束，均压降压延时后开始抽真空。吸附塔B抽真空再生过程完成，接收鼓风机鼓入的原料空气进行充压，为后续吸附过程作准备。

5）第五步（T5）：时序T4结束，吸附塔A上均压阀、吸附塔B上均压阀关闭，吸附塔A均压降压、吸附塔B均压升压过程完成，吸附塔A进行抽真空，吸附塔B进行原料空气充压。

6）第六步（T6）：时序T5结束，吸附塔B下充压阀关闭、空气进气阀打开、产品气出口阀延时打开。吸附塔B进入吸附产氧过程，吸附塔A继续抽真空。

第六步T6结束后，便完成了一个完整的“A塔吸附－B塔解吸”循环，转入“B塔吸附－A塔解吸”循环。2个吸附塔按程序交替工作，保证产品氧气的连续生产。

PLC控制的各时序的时间设定，对氧气纯度、产量和能耗指标都有很大的不同。下面以某铅锌冶炼厂设计产能为7 500 Nm3／h，纯度为93%制氧站为例，根据经验设定可行的11种时序，统计对应的相关仪表数据，求得最佳时序设计，见表1，表2。

表1 时序设计值表Tab.1 Value of timing sequence

PLC控制时序T1　T2　T3　T4　T5　T6 7　456373 8　455383 9　635383 10　645373 11　655363

表2 生产仪表数据统计表Tab.2 Instrument data statistics

将表2中氧气产量折算为纯氧，电耗合并，动力设备电耗按1.732×电压（10 kV）×电流×功率因素（取0.9），得出纯氧产量和单位纯氧电耗与时序的对应图，见图1和图2。

图1 PLC时序与氧气产量关系图Fig.1 Relationship between PLC timing sequence and oxygen output

图2 PLC时序与氧气单位电耗关系图Fig.2 Relationship between PLC timing sequence and unit electricity consumption

从图1可见，在时序3的控制模式下，氧气产量最高；从图2可见，在时序1的控制模式下，单位纯氧电耗最高。现实生产中根据氧气需求量，可以灵活设定时序，做到既满足生产，又实现节能的目的。

5　结 语

变压吸附制氧装置本身属于能耗设备，节能空间比较大，根据生产需要，选择合适的生产工艺、恰当的设备选型、合适的吸附剂，以及合理的工艺参数的设计，将是装置节能生产的关键。

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中图分类号：TQ116.1

文献标识码：B

文章编号：1004－2660（2015）03－0021－04

收稿日期：2015－07－28.

作者简介：寸启龙（1974－），男，云南人，工程师.主要研究方向：冶金化工.

Energy Conservation Design on Pressure Swing Adsorption Oxygen Process

CUN Qi－long1，LIANG Ke1，ZHANG Chun2
（1.Kunming Engineering＆Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.，Ltd.，Kunming 650051，China；2.Yunnan Chihong Zinc and Germanium Co.，Ltd.，Huize 654200，China）

Abstract：As a combustion improver and oxidizing agent，oxygen is widely used in energy conservation and accelerating the speed of oxidation reaction in industry.However，the pressure swing adsorption oxygen process consumes a lot of energy and the energy consumption index changes greatly.And therefore there is a great potential in energy conservation of this process.The energy conservation design on pressure swing adsorption oxygen device was investigated by discussing the stable，energy－saving and efficient production of oxygen，the selection of process，equipment，oxygen adsorbent，and the design and control of process parameters.

Key words：PSA Oxygen；technical process；selection of equipment；energy conservation design