3000/90-VPSA徑向吸附塔制氧的節(jié)能效果運行分析

馬克猛，余仕良，廖德春

（云南云天化股份有限公司云峰分公司    云南宣威 655426）

摘 要:介紹了變壓吸附空氣分離制氧的原理、動力設(shè)備參數(shù)、設(shè)計性能參數(shù)等。通過對徑向吸附塔制氧的運行參數(shù)對比分析，論述了VPSA徑向吸附塔制氧裝置具有明顯的節(jié)電優(yōu)勢，是一項投資小、建設(shè)周期短、見效快的節(jié)能改造項目。

關(guān)鍵詞：變壓吸附；制氧；節(jié)能

中圖分類號：TQ116.19            文獻標(biāo)識碼：B

變壓吸附制氧技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種空分制氧工藝，與傳統(tǒng)的深冷空分制氧裝置相比，變壓吸附制氧裝置具有投資少、能耗低、運行維護費用低、工藝條件溫和（常溫、低壓）、工藝流程簡單、自動化程度高、操作靈活性高,、建設(shè)工期短和安全性好等優(yōu)點，因此，得到國內(nèi)、外大型氣體公司和研究機構(gòu)的廣泛關(guān)注，并紛紛投入巨大的人力物力研究開發(fā)。自20世紀(jì)90年代國外開發(fā)成功高效鋰基制氧吸附劑后，變壓吸附空分制氧技術(shù)開始迅猛發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用。目前，在很多用氧場合下變壓吸附空分制氧可替代深冷空分制氧，并且裝置的經(jīng)濟性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的深冷空分制氧裝置。

1  變壓吸附空氣分離制氧原理

空氣中的主要組分是氮和氧，可選擇對氮和氧具有不同吸附選擇性的吸附劑，設(shè)計適當(dāng)?shù)墓に囘^程，使氮和氧分離制得氧氣。氮和氧都具有四極矩，但氮的四極矩比氧大得多，因此，氮氣在分子篩上的吸附能力比氧氣強。當(dāng)空氣在加壓狀態(tài)下通過裝有吸附劑的吸附塔時，氮氣被分子篩吸附，氧氣因吸附較少，在氣相中得到富集并流出吸附塔，使氧氣和氮氣分離獲得氧氣。當(dāng)分子篩吸附氮氣至接近飽和后，停止通空氣并降低吸附塔的壓力，分子篩吸附的氮氣可解吸出來，分子篩得到再生并重復(fù)利用。2臺及2臺以上的吸附塔輪流切換工作，便可連續(xù)生產(chǎn)出氧氣。

對于VPSA制氧工藝，每個周期都必須完成吸附、順向放壓、真空解吸、清洗、均壓、升壓等步驟。

對于空氣分離制氧的變壓吸附裝置，由于其能耗指標(biāo)為制氧裝置的主要技術(shù)指標(biāo)，為了盡可能減少單位產(chǎn)氧的能耗、降低裝置的運行費用，在工藝流程上宜采用低壓吸附、真空解吸的流程；在吸附劑的選型上，應(yīng)選擇對氮氣吸附容量大、氧氮分離系數(shù)高的用制氧吸附劑。另外，為了盡可能降低裝置的投資，應(yīng)盡量選擇簡單可行的流程。變壓吸附常壓解吸制氧流程通常有四床、三床、兩床等形式。四床吸附流程的特點是空氣中氧氣的收率比較高（達40%），缺點是吸附床較多、工藝流程復(fù)雜、技術(shù)要求高及可靠性較差。三床吸附流程的特點是氧氣收率一般（達35%），工藝也比較復(fù)雜。二床吸附流程的缺點是空氣中氧氣收率比較低（只有30%），但該流程比較簡單，工藝也不復(fù)雜，操作容易，可靠性高，從投資和運行費用上綜合考慮，兩塔流程的長期運行成本低，是目前制氧設(shè)備采用多的流程。

目前，北京北大先鋒科技有限公司成功開發(fā)了高效鋰基型分子篩制氧吸附劑PU-8，經(jīng)多年持續(xù)研發(fā)改進和生產(chǎn)實踐，該制氧吸附劑的性能指標(biāo)達到國領(lǐng)水平，鋰離子交換度達99.5%以上，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，是設(shè)計制造大型化VPSA制氧裝置的可靠基礎(chǔ)。在氧氣純度達90%（體積分數(shù)，下同）時，每噸吸附劑產(chǎn)氧量可達92～95 m3（標(biāo)態(tài)，折純氧）。鋰基吸附劑適應(yīng)性*，在有少量粉塵和硫化物的工況下無需預(yù)處理仍可正常工作，并且其靜態(tài)吸附容量可達22 mL/g（25 ℃、101.325 kPa），壓碎強度≥10 N，含水質(zhì)量分數(shù)≤1%。隨著“低壓比”（吸附絕壓與抽真空絕壓的比值）VPSA制氧工藝的開發(fā)，結(jié)合高效制氧吸附劑的使用、科學(xué)的工藝流程和設(shè)備選型，可進一步降低了制氧能耗，目前該VPSA制氧綜合技術(shù)水平達到先進。

2  3000/90-VPSA制氧裝置動力設(shè)備及設(shè)計性能參數(shù)

3000/90-VPSA制氧裝置動力設(shè)備參數(shù)見表1。

表1  3000/90-VPSA制氧裝置動力設(shè)備參數(shù)

3000/90-VPSA制氧裝置設(shè)計性能參數(shù)：氧氣產(chǎn)量3 000 m3/h（0 ℃，101.325 kPa），氧氣純度≥90％，氧氣可在70%～93%間任意調(diào)節(jié)，產(chǎn)品氧氣出制氧系統(tǒng)壓力10～15 kPa（表壓），增壓后產(chǎn)品氧氣輸出壓力35~55 kPa（表壓），啟動時間15～30 min，1 m3（標(biāo)態(tài)）純氧單位電耗≤0.35 kW·h（按電源進線柜電度表有用功功率計量，按純氧計），1 m3（標(biāo)態(tài)）純氧裝置氧氣壓縮系統(tǒng)電耗≤0.03 kW·h，儀表空氣消耗210 m3/h（標(biāo)態(tài)），吸附劑使用壽命10 年，切換蝶閥*運行時間16 000 h，易損件*開關(guān)次數(shù)＞200萬次，吸附器使用壽命15 年。

3  VPSA徑向吸附塔制氧的優(yōu)點分析

3.1 徑向吸附塔結(jié)構(gòu)及性能特點

徑向吸附塔結(jié)構(gòu)示意如圖1所示?？諝鈴奈剿撞窟M入，分散到內(nèi)筒四周進入，然后從四周按徑向方向通過吸附劑床層，實現(xiàn)脫水、脫CO/CO2、吸附N2。在項目實施中，為節(jié)約管道材料、方便安裝以及檢修方便，氧氣出口設(shè)置在吸附塔底部，空氣和氧氣采用底進底出的方式，即在吸附塔與內(nèi)筒的環(huán)隙中得到產(chǎn)品氧氣，并通過氧氣管道從吸附塔底部引出。

圖1 軸向、徑向吸附塔結(jié)構(gòu)示意

因空氣進入吸附塔時流量很大，而通過吸附床層的過程中因N2被吸附，氣體體積流量減少，到實現(xiàn)產(chǎn)品氧時空氣與O2體積比約為10∶1，徑向吸附塔正好充分利用了外筒分布面積大、內(nèi)筒分布面積小的優(yōu)勢，實現(xiàn)了空氣流經(jīng)吸附床層時氮氣吸附傳質(zhì)飽和區(qū)可做活塞流式傳動，有利于控制產(chǎn)品氧氣純度。

因外床層接觸面積大，在吸附床層中空塔流速可實現(xiàn)≤0.2 m/s，因空氣流速低、空氣與吸附劑的接觸時間長，吸附和解吸狀態(tài)接近理論設(shè)計，有利于雜質(zhì)組分的充分吸附，吸附效果更好；同時，降低了吸附塔內(nèi)氣體阻力降，一般軸向塔的床層阻力為5～10 kPa，徑向塔的床層阻力1～2 kPa。因此，氣流通過吸附床層時阻力低(≤2 kPa)，徑向塔的床層死空間比例較軸向塔的床層死空間比例低5%～10%，可實現(xiàn)更低的能耗，對裝置的節(jié)能降耗提供了有力保證。

低氣流流速可防止氣流對吸附劑的沖刷磨損，也避免了氣流出現(xiàn)偏離、溝流現(xiàn)象。因吸附床層的內(nèi)外筒為結(jié)構(gòu)件固定，在氣流流動方向杜絕了分子篩的相對移動，所以不會造成吸附劑跳動磨損。徑向吸附塔結(jié)構(gòu)設(shè)計可實現(xiàn)更大的流通面積，是VPSA制氧裝置發(fā)展大型化的可靠基礎(chǔ)，該結(jié)構(gòu)在國外同行已經(jīng)普遍使用。

3.2 徑向吸附塔較軸向吸附塔的優(yōu)點

（1）節(jié)能*

立式徑向吸附器為圓柱體格柵結(jié)構(gòu)，與軸向吸附器相比，床層薄、阻力小、空氣流動壓降小，在同等空氣量需求下，降低了動力設(shè)備的排氣壓力。由計算和實踐得出，使用徑向吸附器可使VPSA制氧裝置能耗降低10%～15%，1 m3（標(biāo)態(tài)）純氧單位電耗≤0.35 kW·h（軸向吸附塔一般≥0.40 kW·h）。

（2）結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢

VPSA制氧裝置采用徑向吸附器，徑向吸附塔吸附劑與氣流接觸充分，便于氧氣與氮氣傳質(zhì)分離；氣流方向有利于吸附和解析，吸附劑的吸附和解析與氣流速度有直接關(guān)系，氣流速度越慢越有利與吸附和解析。在吸附階段，隨著氣流從外向里流動，氮氣逐步被吸附，氣量逐漸減少，徑向吸附器的流動截面也正是從外向里逐步減少的，此種結(jié)構(gòu)增加了分子篩的利用率，同時提高了床層的穩(wěn)定性，并且氣流的方向是與重力方向垂直的，有效避免了分子篩的流化，增加了分子篩的壽命；但徑向吸附塔造價較軸向吸附塔要高。

（3）占地面積小

立式徑向吸附器由于采用了圓柱體床層結(jié)構(gòu)，充分利用空間位置，因而占地面積小，在同等規(guī)模下節(jié)約了近40%的廠房用地和可觀的土建費用。

（4）規(guī)模適應(yīng)性寬

立式徑向吸附器不受空氣量的限制，隨著制氧規(guī)模的不斷增加，進氣量也大幅增加；當(dāng)設(shè)備直徑受到運輸或者制造限制時，可通過增加吸附器高度來解決。

（5）制造成本低

在同等制氧規(guī)模下，徑向吸附器比軸向吸附器設(shè)備的質(zhì)量要輕、加工難度要低，徑向吸附塔直徑?。ě?nbsp;3 600 mm），可在工廠加工，便于控制好質(zhì)量，也便于運輸；而軸向吸附塔直徑較大（Ф 5 800 mm），只能在建設(shè)現(xiàn)場加工，質(zhì)量控制難度大。

4  制氧裝置性能考核測試情況

3000/90-VPSA制氧裝置72 h性能考核檢驗測量結(jié)果見表2。

表2  3000/90-VPSA制氧裝置72 h性能考核檢驗測量結(jié)果

3 000 m3/h（標(biāo)態(tài)）制氧裝置性能考核主要是羅茨鼓風(fēng)機和羅茨真空泵（高壓設(shè)備）電耗、氧氣的產(chǎn)量和純度。制氧裝置72 h運行生產(chǎn)氧氣量為221 630 m3（標(biāo)態(tài)），按純度90.6%折為純氧氣量200 796 m3（標(biāo)態(tài)）?？己似陂g，羅茨鼓風(fēng)機及羅茨真空泵耗電70 200 kW·h，1 m3（標(biāo)態(tài)）純氧電耗實際值為0.35 kW.h，與設(shè)計值相比降低了0.03 kW·h，主要是由于制氧設(shè)備吸附塔為徑向塔，其氧氣收率高、床層阻力低，因此電耗較低。

72 h性能考核期間，設(shè)備運行穩(wěn)定，按照72 h的開車時間計算平均氧氣產(chǎn)量為3 078 m3/h（標(biāo)態(tài)），平均產(chǎn)品氧氣純度為90.6%，1 m3純氧電耗0.35 kW.h。通過考核，對3 000 m3/h（標(biāo)態(tài)）制氧設(shè)備配套得出如下結(jié)論：3 000 m3/h（標(biāo)態(tài)）制氧設(shè)備、工藝選擇和工程建設(shè)能滿足生產(chǎn)能力，產(chǎn)品質(zhì)量、原材料及公用工程消耗、環(huán)保指標(biāo)達到設(shè)計要求。

5  制氧裝置投運效果

5.1 發(fā)生爐增氧制氣運行效果

3000/90-VPSA制氧裝置是為配合合成氨發(fā)生爐系統(tǒng)進行增氧制氣而建設(shè)，發(fā)生爐增氧制氣投運后，吹風(fēng)時間減少8~10 s，上吹時間由38 s增加至50 s，上加氮時間從27 s增加至42 s。吹風(fēng)氣中碳和熱量損失減少，進入半水煤氣中的碳量增加，進而提高了碳利用率。

發(fā)生爐增氧后，煤氣爐生產(chǎn)負荷增加，供氣富裕，由原6臺爐供六機減為6臺爐供六機，單爐產(chǎn)氣量由9 300 m3/h（標(biāo)態(tài)）增加至11 000 m3/h（標(biāo)態(tài)），單爐生產(chǎn)強度由1 315 m3/（h·臺，標(biāo)態(tài)）提高至1 541 m3/（h·臺，標(biāo)態(tài)），并可停開1臺造氣系統(tǒng)風(fēng)機。

5.2 煤氣爐增氧前、后主要評價指標(biāo)比較

煤氣爐增氧前、后主要評價指標(biāo)比較見表3。

表3  煤氣爐增氧前、后主要評價指標(biāo)比較

由表3可知：增氧后，相同的原料下，發(fā)生爐蒸汽分解率由49.02%上升至52.5%，提高了3.48%，其主要原因是氣化層平均溫度升高，進而蒸汽分解率提高；吹風(fēng)效率提高了3.8%，吹風(fēng)氣帶走碳下降5.37%，碳利用率提高了6.16%，氣化效率提高了5.0%，冷煤氣效率提高了6.7%。

6  VPSA制氧投運后對系統(tǒng)的影響及需采取的措施

VPSA制氧是利用升壓吸附空氣中的N2，降壓（或真空）解析被吸附的N2，而空氣中的氬氣和氧氣的沸點接近，兩者很難分離，一起在氣相得到富集。因此，變壓吸附制氧裝置通常只能獲得體積分數(shù)為90%~95%的氧氣（氧的極限體積分數(shù)為95.6%，其余為氮氣和氬氣，氬氣體積分數(shù)為4.5%~6.0%）。發(fā)生爐采用增氧制氣后，會增加半水煤氣中的CO2含量；如果發(fā)生爐增氧方式選擇不當(dāng)，還會增加半水煤氣中的氬氣含量，進而影響合成系統(tǒng)的壓縮功耗及氫氮比，因此，增氧制氣后需對氫氮比指標(biāo)重新核實，使合成系統(tǒng)處于佳反應(yīng)狀態(tài)。其次，發(fā)生爐采用吹風(fēng)增氧制氣后，若采用上吹增氧，煤氣中的CO2及氬氣含量都會升高。一般，入爐空氣中氧體積分數(shù)每增加1%，半水煤氣中氬氣體積分數(shù)將增加0.04%，而惰性氣含量升高不利于合成系統(tǒng)的生產(chǎn)。因此，增氧方式的選擇需考慮后系統(tǒng)的生產(chǎn)。

7  結(jié)語

VPSA徑向吸附塔制氧裝置具有阻力低、制氧電耗低等優(yōu)點，發(fā)生爐投運增氧制氣后，發(fā)生爐產(chǎn)氣量明顯增加，開爐數(shù)和風(fēng)機運行數(shù)量減少，用氧系統(tǒng)電耗和原料煤耗下降，因此，北京北大先鋒科技有限公司VPSA徑向吸附塔制氧裝置具有明顯的節(jié)電優(yōu)勢，是一項投資小、建設(shè)周期短、見效快的節(jié)能改造項目。