船舶氮氧氣體制備工藝

孫長江，李冠倫，朱春來，孟 偉

(1.中國人民解放軍駐426廠軍事代表室，遼寧 大連 116005;2.中國船舶重工集團公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

0 引言

隨著船舶技術(shù)的不斷發(fā)展，船用設(shè)備也不斷更新?lián)Q代。航空燃油系統(tǒng)、航空系統(tǒng)和后勤保障系統(tǒng)中的新興技術(shù)裝備在使用過程中需要高純氮、高純氧、普通氮氣及普通氧氣。主要用于以下幾個方面:

1)航空煤油在儲存、運輸、分配過程中的惰化保護;

2)設(shè)備在儲存和運輸過程中填充保護;

3)食品保鮮、船上儀器儀表氣源;

4)輪胎氮氣充填保護;

5)船員、醫(yī)療室病人和潛水員呼吸用氧。

長期以來，船舶上需要攜帶大量氣體鋼瓶，受場地限制，氣體存儲量小，制約了船舶的遠洋航行時間。使用過程中也存在搬運、灌裝等勞動強度大等相關(guān)問題。因此在船舶上安裝空分裝置，以艙室空氣為原料，現(xiàn)場制備是一個有效的解決方法。本文對氮和氧2種氣體的空分制備工藝的實用性及船舶適應(yīng)性進行綜合性討論。

1 制備工藝

現(xiàn)階段氮氧制備工藝都采用空氣分離的方法獲得，主要工藝有燃燒法、變壓吸附法、膜分離法與深冷法等4種。

1.1 燃燒法

燃燒法的原理是利用船上發(fā)動機燃燒尾氣或者專用燃燒裝置，將空氣中的氧氣消耗殆盡而得到惰性氣體(主要成分為 CO2和 N2)［1］。

以鍋爐煙氣為原料的燃燒法流程框圖如圖1所示。鍋爐煙氣經(jīng)風(fēng)機抽取進入洗滌塔內(nèi)冷卻、脫硫和除塵，出洗滌塔后的氣體進入除濕器除水，最后獲得合格的惰性氣體。

圖1 燃燒法流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of combustion process

1.2 變壓吸附法

變壓吸附法的原理是:在一定壓力下，空氣中氧分子和氮分子在分子篩表面的吸附速率不同，大部分氮分子(氧分子)吸附在分子篩上，氧分子(氮分子)在氣相中富集，從而實現(xiàn)氧、氮的分離;將壓力降到常壓后，分子篩上的氮分子脫附，使分子篩解吸再生，循環(huán)利用。變壓吸附工藝大多采用雙吸附塔，2塔交替循環(huán)吸附、解吸，從而連續(xù)得到氧氣/氮氣［2］。

變壓吸附的流程見圖2。空氣經(jīng)空壓機壓縮，通過凈化系統(tǒng)清除有害雜質(zhì)后，交替進入吸附塔;在吸附塔內(nèi)，分子篩吸附氧(氮)分子，從而使氮(氧)氣富集，分離出的氧(氮)產(chǎn)品進入儲罐。當其中1個吸附塔進行吸附工作時，另1個吸附塔進行降壓解吸，雙塔交替工作，可實現(xiàn)連續(xù)供氣。

圖2 變壓吸附流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of pressure swing adsorption

1.3 膜分離法

膜分離法空氣分離是利用溶解－擴散原理。依靠不同氣體在膜中溶解和擴散速度的差異來實現(xiàn)氣體的分離。當空氣通過膜時，在一定動力勢的作用下，滲透速率相對快的氣體透過膜后，在膜的滲透側(cè)富集，而滲透速率相對慢的氣體在膜的滯留側(cè)富集，從而達到空氣分離的目的。

膜分離法空氣分離的流程見圖3。首先將空氣增壓，經(jīng)過冷干機將空氣降溫冷卻除濕，再經(jīng)過濾器將壓縮空氣中的雜質(zhì)和剩余水分等去除，然后進入膜分離系統(tǒng)。在膜分離器中，壓縮空氣在膜兩側(cè)壓差的作用下，氧氣具有較快的滲透速率，滲透到膜的另外一側(cè);而滲透速率相對較慢的氮氣被濃縮富集，達到一定純度以后，離開膜組件，從而達到空氣分離的目的［3］。

圖3 膜分離流程示意圖Fig.3 Schematic diagram of membrane separation

1.4 深冷法

深冷法是一種常見的相變空氣分離方法，是將空氣凈化、純化后，在深度冷卻的條件下使空氣液化，再利用氮(氮氣沸點是－196℃)和氧(氧氣沸點是－183℃)的沸點差，在精餾塔內(nèi)連續(xù)進行多次蒸發(fā)和冷凝，從而獲得高純度的氮氣和氧氣。

深冷法流程見圖4?？諝饨?jīng)空壓機壓縮后在空氣預(yù)處理設(shè)備中除去水分、二氧化碳、乙炔、碳氫化合物等雜質(zhì)，凈化后的空氣進入換熱器，被膨脹機制冷產(chǎn)生的冷流體冷卻到－175℃以下，部分液化后進入精餾塔。在精餾塔通過精餾得到相應(yīng)的氮(氧)產(chǎn)品［4］。

圖4 深冷法流程示意圖Fig.4 Schematic diagram of cryogenic process

2 制備工藝的特點及船舶適用性比較

燃燒法屬于無相變的氣體制備工藝，最后產(chǎn)生的產(chǎn)品實際上是以氮氣與二氧化碳為主的混合氣。由于運行成本低，目前主要用于貨油船壓載艙和污油艙等的惰性保護，起到隔絕氧氣以防止油品揮發(fā)造成危險以及某些化學(xué)品船的惰性保護作用［5］。但燃燒法工藝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，占地面積大，中間環(huán)節(jié)多，可靠性差，操作復(fù)雜，對環(huán)境污染嚴重，同時產(chǎn)品因含有二氧化硫具有一定的腐蝕性，設(shè)備與管道易損，維修量大，且工藝中包含的洗滌塔和水封裝置等設(shè)備在船體搖擺和傾斜時對產(chǎn)品品質(zhì)有影響。

變壓吸附法和膜分離法也屬于無相變的氣體制備工藝，常溫運行，流程簡單，占地面積小，適于船上狹小艙室安裝操作;操作簡單，啟動速度快，一般開車后30 min就可以達到最佳工況，產(chǎn)出合格產(chǎn)品;能耗相對較低。這2種工藝除壓縮機外沒有其他運動部件，因而不受船體運動與擺動影響。但這2種都是單目標的制備工藝，只能生產(chǎn)1種氣體(氮氣或氧氣，膜分離技術(shù)只能生產(chǎn)氮氣)，不能生產(chǎn)液體產(chǎn)品，氮氣純度不超過99.9%，氧氣純度不超過95%。要想制備高純的氮氣和氧氣，還必須在變壓吸附或膜分離裝置之后再安裝純化裝置。

變壓吸附工藝決定了閥門切換非常頻繁(大概1～2 min所有閥門需要切換一遍)，易造成損壞(損壞1個就影響整套裝置運行、造成維修量大)。產(chǎn)量調(diào)節(jié)困難，另外分子篩的質(zhì)量和填充技術(shù)也影響產(chǎn)品氣質(zhì)量。產(chǎn)品氮、氧氣體回收率低，生產(chǎn)單位氣體需要原料氣量大，空壓機排氣量及用電量上升引起運行成本增加［6］。

膜分離法制氮氣回收率高，節(jié)能效果顯著，整體結(jié)構(gòu)緊湊，易于實現(xiàn)自動化，除壓縮機外沒有運動部件因而故障率低，因此維修量很小。通過增減膜組件，可以得到不同產(chǎn)量的氮氣，而氮氣的純度由氧量控制儀等儀表聯(lián)合控制，氮氣的純度可在一定的范圍內(nèi)任意設(shè)定。還可配合氮氣純化裝置制備高純氮氣。所以膜分離法在壓力變化大、產(chǎn)量和純度要求范圍大的要求下有優(yōu)勢。

目前，這2種方法均應(yīng)用于民船和軍船的燃料惰性防護等。變壓吸附法也用于制備船上人員呼吸用氧。

深冷法空氣分離屬于有相變(氣、液兩相轉(zhuǎn)換)的氣體制備工藝，深冷設(shè)備在工作時，需將空氣由常溫逐漸冷卻到－170℃以下，相對于變壓吸附和膜分離，啟動時間較長、工藝流程相對復(fù)雜。不過與變壓吸附和膜分離技術(shù)相比，深冷技術(shù)具有以下優(yōu)點:

1)產(chǎn)品氮氣純度可達99.999 7%，氧氣純度可達99.9%。

2)可以生產(chǎn)液氮和液氧，滿足某些場合對液氮和液氧的需求。另外，氮氧以液體形式儲存比氣體鋼瓶儲存在優(yōu)勢，儲存設(shè)備重量減少80%、容積減少50%。

3)生產(chǎn)彈性大，可根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)節(jié)氮氧產(chǎn)量，其調(diào)節(jié)范圍為60%～120%。

4)能耗較低，大型深冷空分裝置能耗一般為0.3～0.4 kWh/m3。小型深冷空分裝置能耗相對較高，在采用了全低壓流程和氣體軸承膨脹機等技術(shù)后，能耗已降低到0.6～0.8 kWh/m3。變壓吸附和膜分離裝置制備普通氮氣和普通氧氣的能耗較低，但要制備高純氮和高純氧，必須增加純化設(shè)備，因此能耗超過0.9 kWh/m3，略高于深冷空分裝置。具體數(shù)值見表1。

表1 小型深冷空分裝置、變壓吸附裝置和膜分離裝置的能耗Tab.1 The energy consumption of small cryogenic air separation unit，PSA unit and membrane separation unit

5)可靠性高，深冷空分裝置可連續(xù)運行半年以上。

6)裝置由空壓機、純化器與冷箱等組成，設(shè)備簡單，占地面積少。

由此可看出，深冷法空分裝置具有產(chǎn)品純度高、種類多、產(chǎn)量可調(diào)等技術(shù)優(yōu)勢，既符合普通船只燃料、油料惰性保護的需求，也能滿足艦船用武器設(shè)備在儲存和運輸過程中對高純氮的需要。但在船上應(yīng)用深冷法制備高純氮、氧還存在2個關(guān)鍵技術(shù)難點:一是高度問題，從深冷的原理來看產(chǎn)品純度與深冷空分裝置中的精餾塔高度有關(guān)，在相同條件下產(chǎn)品純度需求越高精餾塔越高。目前工業(yè)用深冷空分裝置中的冷箱實際高度遠遠超過10 m，而船舶艙室高度一般為2.4 m。高度限制影響精餾塔高度必然導(dǎo)致產(chǎn)品純度下降，從而限制深冷空分裝置在艦船上的應(yīng)用;二是船舶搖擺適應(yīng)性的問題，船體在行進中不可避免的產(chǎn)生搖擺與傾斜，而目前工業(yè)用深冷空分裝置的冷箱對箱體的垂直度要求很高，傾斜1°就會對產(chǎn)品純度產(chǎn)生很大影響。這也制約其在船舶上的應(yīng)用。美國、英國和前蘇聯(lián)已經(jīng)解決了這些關(guān)鍵技術(shù)，在船舶上能生產(chǎn)99.5%的氮氣和氧氣。

3 結(jié)語

燃燒法、變壓吸附、膜分離和深冷空分裝置都在船舶上得到不同程度的應(yīng)用，能滿足船舶對氣體的需求。不同類型、不同噸位的船舶對氣體的需求不一樣，在船舶設(shè)計過程中，應(yīng)該根據(jù)船舶具體任務(wù)而選擇相應(yīng)的氣體制備裝置。深冷空分裝置則具有結(jié)構(gòu)簡單、能耗低、同時生產(chǎn)高純氮/高純氧等優(yōu)點，成為船舶氮氧氣體制備的發(fā)展方向，美國、前蘇聯(lián)和英國等國家的艦船大都安裝了深冷空分裝置。國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究較少，僅中國船舶重工集團公司第七一八研究所等少數(shù)單位正在開展相關(guān)研究。如果國內(nèi)能解決限制深冷空分裝置在船舶上應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)難題，將對我國船舶氣體制備工業(yè)產(chǎn)生極大的推進作用。

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