3000/90- VPSA徑向吸附塔制氧的節(jié)能效果分析

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)

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3000/90- VPSA徑向吸附塔制氧的節(jié)能效果分析

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。通過對徑向吸附塔與軸向吸附塔制氧的運行參數(shù)對比分析，表明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)能效果

Energy- Saving Effect Analysis of Oxygen Production with 3000/90- VPSA Radial Adsorption Tower

Ma Kemeng, Yu Siliang, Liao Dechun

(Yunfeng Branch of Yunnan Yuntianhua Co., Ltd.Yunnan Xuanwei655426)

AbstractAn introduction is given to the principle, parameters of power equipment, parameters of design performance, etc. of pressure swing adsorption air separation for oxygen production. By comparative analysis of oxygen production operating parameters of radial adsorption tower and axial adsorption tower, it is indicated that VPSA radial adsorption tower oxygen production unit has significant power- saving advantage, it is a small investment, short construction period and high efficiency energy- saving reformation project.

Keywordspressure swing adsorptionoxygen productionenergy- saving effect

變壓吸附(PSA)制氧技術(shù)是20世紀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，PSA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，得到了國內(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和物力進行研發(fā)。自20世紀90年代國外開發(fā)成功高效鋰基制氧吸附劑后，PSA空分制氧技術(shù)得到迅猛發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用。目前，在很多用氧場合下，PSA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。

1PSA空氣分離制氧原理

空氣中的主要組分是氮和氧，選擇對氮和氧具有不同吸附選擇性的吸附劑并設(shè)計適宜的工藝過程，可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，氧氣因吸附量較少，在氣相中得到富集并流出吸附塔，使氧氣和氮氣分離而獲得氧氣。當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，分子篩吸附的氮氣被解吸出來，分子篩得到再生。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。對于真空變壓吸附(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PSA裝置，能耗指標是其主要技術(shù)指標。為了盡可能降低單位產(chǎn)氧的能耗和裝置的運行費用，宜采用低壓吸附、真空解吸的流程，并選用對氮氣吸附容量大、氧氮分離系數(shù)高的專用制氧吸附劑。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。PSA常壓解吸制氧流程通常有四床、三床、兩床等形式，其中：四床吸附流程的優(yōu)點是氧氣收率較高(達40%)，缺點是吸附床較多、工藝流程復雜、技術(shù)要求高及可靠性較差；三床吸附流程的氧氣收率一般在35%，工藝流程較復雜；兩床吸附流程的氧氣收率較低(僅30%)，但流程較簡單，工藝也不復雜，操作容易，可靠性高。從投資和運行費用上綜合考慮，兩床流程長期運行成本最低，是目前PSA空氣分離制氧采用最多的流程。

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已達到國際領(lǐng)先水平，鋰離子交換度達99.5%以上，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，是設(shè)計建設(shè)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，噸吸附劑產(chǎn)氧量可達92～95 m3(標態(tài)，折純氧)。鋰基吸附劑適應(yīng)性極強，在有少量粉塵和硫化物的工況下，無需預處理仍可正常工作，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、科學的工藝流程和設(shè)備選型，可進一步降低制氧能耗，目前該VPSA制氧綜合技術(shù)達到國際先進水平。

23000/90- 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)如表1所示。

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%(可在70%～93%內(nèi)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(標態(tài))純氧電耗≤0.35 kW·h(按電源進線柜電度表有用功功率計量)，1 m3(標態(tài))純氧壓縮系統(tǒng)電耗≤0.03 kW·h，儀表空

表13000/90- VPSA制氧裝置動力設(shè)備參數(shù)

設(shè)備名稱設(shè)備參數(shù)進氣過濾器G4,1臺進氣消音器DN700mm,1臺羅茨鼓風機ZR7-700A,598m3/min,49kPa,1臺空氣冷卻器890m2,1臺放空消音器DN700mm,1臺羅茨真空泵800m3/min,-50kPa,1臺吸附塔Ф3600mm×6500mm,2臺氧氣緩沖罐Ф3200mm×13650mm,2臺組合式干燥器HK-C-40,1臺儀表氣緩沖罐Ф900mm,1臺氧氣增壓風機RRE-200NY,1臺氧氣冷卻器43.8m2,1臺低壓氧氣緩沖罐Ф4000mm×17064mm,200m3,1臺

氣耗量210 m3/h(標態(tài))，吸附劑使用壽命10年，切換蝶閥無故障運行時間16 000 h，易損件無故障開關(guān)次數(shù)>200萬次，吸附塔使用壽命15年。

3VPSA徑向吸附塔制氧的優(yōu)點

3.1徑向吸附塔結(jié)構(gòu)及性能特點

軸向和徑向吸附塔結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1　軸向和徑向吸附塔結(jié)構(gòu)示意

空氣從徑向吸附塔底部進入，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。為節(jié)約管道材料、便于安裝和檢修，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。

空氣進入吸附塔時流量很大，而通過吸附劑床層的過程中因N2被吸附，氣體體積流量減小，到獲得產(chǎn)品氧氣時，空氣與O2體積比約為10∶1。徑向吸附塔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)吸附劑床層時在氮氣吸附傳質(zhì)飽和區(qū)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；同時，降低了吸附塔內(nèi)氣體阻力降，軸向塔床層阻力為5～10 kPa，而徑向塔床層阻力僅1～2 kPa，故徑向塔的床層死空間所占比例較軸向塔低5%～10%，為裝置的節(jié)能降耗提供了有力保障。此外，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。因吸附劑床層的內(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制氧裝置向大型化發(fā)展的可靠基礎(chǔ)。

3.2徑向吸附塔較軸向吸附塔的優(yōu)點

(1)節(jié)能效果顯著

立式徑向吸附塔為圓柱體格柵結(jié)構(gòu)，與軸向吸附塔相比，床層薄、阻力小、空氣流動壓降小，在處理同等空氣量條件下，降低了動力設(shè)備的排氣壓力。由計算和實踐得出，采用徑向吸附塔可使VPSA制氧裝置能耗降低10%～15%，1 m3(標態(tài))純氧電耗≤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

徑向吸附塔中的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。在吸附階段，隨著氣流從外向內(nèi)流動，氮氣逐步被吸附，氣量逐漸減少，徑向吸附塔的流動截面也正是從外向內(nèi)逐步減少的，此種結(jié)構(gòu)提高了分子篩的利用率和吸附劑床層的穩(wěn)定性；氣流方向與重力方向垂直，有效避免了分子篩的流化，延長了分子篩的使用壽命。但是，徑向吸附塔造價高于軸向吸附塔。

(3)占地面積小

立式徑向吸附塔采用圓柱體床層結(jié)構(gòu)，充分利用空間位置，故占地面積小，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

立式徑向吸附塔不受空氣量的限制，隨著制氧規(guī)模的不斷增大，進氣量也大幅增加；當設(shè)備直徑受到運輸或制造技術(shù)限制時，可通過增加吸附塔高度來解決。

(5)制造難度低

在同等制氧規(guī)模下，徑向吸附塔的質(zhì)量比軸向吸附塔輕、加工難度低。徑向吸附塔直徑較小(Ф 3 600 mm)，可在設(shè)備制造企業(yè)加工，便于質(zhì)量控制和運輸；軸向吸附塔直徑大(Ф 5 800 mm)，只能在用戶現(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性能考核檢測結(jié)果見表2。

表23000/90- VPSA制氧裝置72 h性能考核檢測結(jié)果

項 目考核值實際值產(chǎn)品氧氣產(chǎn)量/(m3·h-1,標態(tài))≥30003078產(chǎn)品氧氣純度/%≥9090.61m3純氧電耗/(kW·h)≤0.380.35噪音/dB≤85

該制氧裝置性能考核主要內(nèi)容是羅茨鼓風機和羅茨真空泵(高壓設(shè)備)的電耗、氧氣的產(chǎn)量和純度?？己似陂g，共生產(chǎn)氧氣221 630 m3(標態(tài))，按純度90.6%折純氧氣量為200 796 m3(標態(tài))；羅茨鼓風機及羅茨真空泵耗電70 200 kW·h，1 m3(標態(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，主要是由于采用了徑向吸附塔，其氧氣收率高、床層阻力低，故電耗較低。考核結(jié)果表明，該制氧裝置的設(shè)備、工藝選擇和工程建設(shè)能滿足生產(chǎn)要求，產(chǎn)品質(zhì)量、原材料及公用工程消耗、環(huán)保指標達到設(shè)計要求。

5制氧裝置投運效果

5.1煤氣發(fā)生爐增氧制氣運行效果

煤氣發(fā)生爐增氧制氣改造建成投運后，吹風時間縮短8～10 s，上吹時間由38 s延長至50 s，上加氮時間由27 s增加至42 s，吹風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。

煤氣發(fā)生爐采用增氧制氣后，單爐產(chǎn)氣量由9 300 m3/h(標態(tài))提高至11 000 m3/h(標態(tài))，單爐生產(chǎn)強度由1 315 m3/h(標態(tài))提高至1 541 m3/h(標態(tài))，由原來的6臺爐供六機調(diào)整為5臺爐供六機，并停開1臺造氣系統(tǒng)風機。

5.2煤氣發(fā)生爐增氧前、后主要評價指標比較

煤氣發(fā)生爐增氧前、后主要評價指標比較如表3所示。

表3煤氣發(fā)生爐增氧前、后主要評價指標比較

項 目增氧前增氧后蒸汽分解率/%49.0252.50吹風效率/%71.575.3吹風氣帶走碳/%28.7723.40碳利用率/%67.6473.80氣化效率/%75.680.6冷煤氣效率(低位)/%81.087.7

由表3可知：煤氣發(fā)生爐增氧后，在原料未變的條件下，煤氣發(fā)生爐內(nèi)蒸汽分解率提高了3.48%，其主要原因是氣化層平均溫度升高，進而提高了蒸汽分解率；吹風效率提高了3.8%，吹風氣帶走碳下降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%。

6VPSA制氧裝置投運后對系統(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相近，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%)。煤氣發(fā)生爐采用增氧制氣后，會增加半水煤氣中的CO2含量，如果增氧方式選擇不當，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，采用增氧制氣后，需對氫氮比指標重新核實，使合成系統(tǒng)處于最佳反應(yīng)狀態(tài)。另外，采用吹風增氧制氣后，若選擇上吹增氧，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；煤氣發(fā)生爐采用增氧制氣后，產(chǎn)氣量明顯增加，開爐數(shù)和風機運行數(shù)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的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。

(收稿日期2015- 05- 21)

中圖分類號:TQ116.19

文獻標識碼:B

文章編號：1006- 7779(2016)02- 0042- 04

本文作者的聯(lián)系方式：yushiliang999@sina.com。