VPSA变压吸附制氧技术在制浆过程中的应用

胡光勇

(云南云景林纸股份有限公司，云南普洱，666400)

VPSA变压吸附制氧技术在制浆过程中的应用

胡光勇

(云南云景林纸股份有限公司，云南普洱，666400)

氧漂白是清洁制浆的必需工艺。VPSA变压吸附制氧控制系统操作方便，维护简单，投资少，运行费用低，在国内越来越多的纸浆企业得以广泛应用。

氧漂白;变压吸附制氧控制系统;清洁制浆

氧漂白已成为发展清洁制浆的必需工艺。由于氧无毒，本身对环境没有污染，氧脱木素废液可合并到黑液提取段，进入碱回收系统，经氧脱木素后，后段的漂白剂用量和漂白废水污染物可降低50%左右。氧脱木素作为新建漂白纸浆厂控制污染物的一种措施，可大大减少漂白废水中的BOD、COD、色度和总有机氯的含量，对减少制浆漂白废水的污染起着重要作用。

云南云景林纸股份有限公司 (简称云景林纸)是一家林浆纸一体化的现代企业，公司主要设备从芬兰、美国、加拿大等国引进，整体技术装备处于国际先进水平，制浆采用540 m3ITC等温连续蒸煮器，采用低固形物蒸煮、封闭筛选、逆流洗涤、氧脱木素和无元素氯四段漂白工艺技术和装备。年产能10万t，2009年10月扩建后，年产能达到20万t。公司采用芬兰AHLSTROM三段压力筛、氧脱木素、D/C-E/OD1-D2四段漂白工艺，配套国产VPSA-350-2B型变压吸附制氧系统。纸浆经氧脱木素后，后段用ClO2的漂白剂消耗量及漂白产生废水量降低许多。本文介绍了VPSA变压吸附制氧控制系统及其在云景林纸的应用。

1 VPSA变压吸附制氧系统的工作原理及流程

最初用于国内纸浆漂白的变压吸附制氧机均为加压吸附 (PSA)型小设备，产量在100 m3/h以下，能耗大约1．0～1．3 kWh/m3，而且工艺并不成熟，大多为实验型设备。产量和纯度不能长期稳定，分子筛性能和装填工艺不合格，在产品气中常有粉末，设备性能不稳定，影响了氧漂在国内造纸行业的推广。

我国变压吸附法制氧始于20世纪70年代初，到20世纪90年代初才实现了小型装置的工业化。变压吸附制氧的基本原理是利用空气中的氮气和氧气在沸石分子筛 (ZMS)上因压力不同而吸附性能的差异来进行氧氮分离。目前国内制浆企业用氧规模大，纸浆氧漂白压力一般为0．8 MPa。VPSA变压吸附制氧设备，低压吸附制氧，抽真空解吸，产品氧气根据用户需要配置增压氧压机，再送用户使用，能耗低，制浆企业配置更为经济。

VPSA变压吸附制氧系统的工作原理是利用固体吸附剂对各组分气体的吸附能力不同而进行分离的。因固体吸附剂是多孔性的，当气体与之接触时，在其表面或内部将发生容纳气体的现象，称为固体对气体的吸附;已被固体吸附的原子或分子返回到气体中去，称为解吸或脱附。采用吸附剂随着压力的变化吸附量发生变化，对气体进行吸附或脱附的方法称为变压吸附法。VPSA变压吸附制氧系统流程如图1所示。

图1 VPSA变压吸附制氧系统流程图

从图1可见，VPSA变压吸附制氧系统主要由鼓风机、真空泵、切换阀、吸附塔、氧气缓冲罐、氧压机和储气罐组成。空气经过过滤器进入鼓风机，在鼓风机的输送下进入吸附塔中。吸附塔下部填充满活性氧化铝，活性氧化铝的作用是去除空气中的水分子和二氧化碳分子，以免沸石分子筛“中毒”。吸附塔的上部是沸石分子筛，当空气流经填满沸石的分子筛固定床时，空气中的氮气分子在吸附作用力下扩散到分子筛固体中去，氧气分子和氩气原子则通过床层到缓冲罐中。缓冲罐与氧压机相连，将产品压缩到用户所需的压力，送到储气罐中，供生产使用。经过一段时间的吸附，分子筛颗粒中充满氮气分子，达到吸附平衡阶段，此时，关闭空气进口阀和产气阀，利用塔内的富氧空气对刚抽真空的塔进行冲洗，等压力降到某一设定值时关闭均压阀，同时打开真空泵进口阀门对塔体抽真空，到一定真空度后利用塔内的富氧气及缓冲罐中部分产品气对沸石分子筛冲洗，从而使吸附剂彻底解吸。吸附剂解吸过程完成后，用产品气对真空度较高的吸附塔进行充压，充压至某一低真空度值后关闭缓冲罐，打开鼓风机出口阀门对吸附塔进行充压，为下一次吸附做准备。

VPSA的每个吸附器都交替执行以下步骤：——吸附——解吸——冲压。上述三个基本工艺步骤由PLC和切换阀系统来实现自动控制。

2 工艺过程参数检测及自动控制调节系统

2.1 检测信号

VPSA变压吸附制氧系统主要的工艺参数有压力、温度 (补偿)、成分、流量等。

(1)压力信号：吸附塔A塔压力;吸附塔B塔压力;缓冲罐压力;储氧罐压力;真空管道压力;鼓风机管道压力;氧压机润滑油压力;氧压机一级排气压力;氧压机二级排气压力;蝶阀空气源压力;氧压机冷却水压力。以上前9个压力信号在控制柜的人机界面上显示，后2个压力信号为现场显示，各压力信号均有自动连锁报警停车控制。

(2)温度信号：流量计温度补偿

(3)成分信号：氧压机出口氧气纯度，在控制柜上显示。

(4)流量信号：储气罐出口流量信号，在控制柜上显示。

2.2 自动控制报警及说明

为了保证设备长期安全可靠地运行，本装置设置了自动控制及报警系统。

2.2.1 VPSA程序切换自动控制系统

根据VPSA的工艺流程，本装置共设置13个程序切换阀门执行每个塔的时序步骤，而且切换频率很高，所以必须有一套程序切换自动控制系统来控制这些阀门的动作，本系统的核心是可编程控制器 (PLC)。

2.2.2 吸附塔压力监控报警系统

吸附塔A和吸附塔B压力由压力变送器采集的电流4～20 mA标准信号送至PLC的AI模块，经PLC转换成数字量后在人机界面上显示压力值，同时PLC监控压力值是否超过设定的报警值，超过设定的报警值则报警停车。

2.2.3 缓冲罐压力监控报警系统

缓冲罐压力由压力变送器采集的电流4～20 mA的标准信号送至PLC的AI模块，经PLC转换成数字量后在人机界面上显示压力值，同时PLC监控压力值是否超过设定的报警值，超过设定的报警值则报警停车。

2.2.4 储气罐压力高自动监控报警系统

储气罐压力由压力变送器采集的电流4～20 mA标准信号送至PLC的AI模块，经PLC转换成数字量后在人机界面上显示压力值，同时PLC监控压力值是否超过设定的报警值，超过设定的报警值则报警停车，从而达到控制系统自动停机的功能。

2.2.5 真空管道压力低自动监控报警停车系统

真空管道压力由压力变送器采集的电流4～20 mA的标准信号送至PLC的AI模块，经PLC转换成数字量后在人机界面上显示压力值，同时PLC监控压力值是否低于设定的报警值，低于设定的报警值则报警停车。

2.2.6 鼓风机管道压力自动监控报警停车系统

鼓风机管道压力由压力变送器采集的电流4～20 mA的标准信号送至PLC的AI模块，经PLC转换成数字量后在人机界面上显示压力值，同时PLC监控压力值是否低于设定的报警值，低于设定的报警值则报警停车。

2.2.7 仪表气源压力低自动监控报警系统

此系统由电接点压力表的处点信号送至PLC，当检测压力低于设定的报警值时，由PLC报警自动停车。

2.2.8 冷却水压力低自动监控报警系统

此系统由电接点压力表的处点信号送至PLC，当检测压力低于设定的报警值时，由PLC报警自动停车，保护真空泵。

2.2.9 电动机过载监控报警系统

此系统由各个电机启动柜内的热继电器和PLC组成，由热继电器检测电动机是否过载，并输出一个开关量信号给PLC，由PLC控制相应模块发出声光报警并停车，保护电动机。

2.2.10 氧压机润滑油压力低监控报警系统

氧压机润滑油压力由压力变送器采集的电流4～20 mA的标准信号送至PLC的AI模块，经PLC转换成数字量后在人机界面上显示压力值，同时PLC监控压力值是否低于设定的报警值，低于设定的报警值则报警停车，保护氧压机。

2.2.11 氧压机一级、二级压力高监控报警系统

氧压机一级、二级压力由压力变送器采集的电流4～20 mA的标准信号送至PLC的AI模块，经PLC转换成数字量后在人机界面上显示压力值，同时PLC监控压力值是否低于设定的报警值，低于设定的报警值则报警停车。

2.2.12 真空泵、鼓风机电流监控报警系统

真空泵、鼓风机电流由电流变送器采集的电流4～20 mA的标准信号送至PLC的AI模块，经PLC转换成数字量后在人机界面上显示压力值，同时PLC监控压力值是否超出设定的报警值，低于设定的报警值则报警停车。

3 VPSA变压吸附制氧系统的特点

VPSA变压吸附制氧系统流程简单，设备数量少，基建费用少，对厂房要求也不高，基建费用仅占设备总投资的5%～10%。

VPSA变压吸附制氧系统能全自动无负荷地运转，且停车后，吸附塔内气氛稳定，重新开车后几分钟就能出产品。简单的启动及停车能避开用电高峰运行，降低生产成本。

VPSA变压吸附制氧系统简单，运转机器的数量少，运转设备为罗茨鼓风机、罗茨真空泵和氧气压缩机，运行最大功率为330 kW，因其工作原理都为容积式、无油，常温常压下操作，维修保养工作量少，费用低。年设备开车率97%左右，设备正常维修保养停车累计约每年10天，主要用于风机、真空泵注油及轴承更换润滑质、运转设备的定期维修保养和空气过滤器无纺布的定期更换。

VPSA变压吸附制氧系统分子筛性能可靠，氧气产品质量稳定。

VPSA变压吸附制氧系统是廉价适用的氧气源，制氧工艺成熟，能耗低，一般能耗在0．75 kWh/m3氧气，氧气纯度大于93%以上，系统采用PLC仪表自动控制，操作方便，维护简单，投资相对少，运行费用低。氧气单位成本0．3元左右，是制浆企业配置经济的选择。

VPSA流程是国外普遍采用的较为先进的变压吸附制氧流程。国内正式工业化应用是在20世纪90年代后期，并很快应用于纸浆漂白领域。其氧气纯度93%，能完全满足纸浆漂白工艺要求，能耗0．4～0．5 kWh/m3，与全低压大型深冷空分能耗相当，开车时间只要几分钟，能随时开停车，无论在设备投资，还是在操作成本方面都具有很强的竞争力。

4 VPSA变压吸附制氧系统在云景林纸的应用效果

云景林纸股份有限公司是采用ECF四段无元素氯漂白工艺的制浆生产企业，所生产的纸浆具有白度高、洁净度高、绿色环保等优点。公司采用芬兰AHLSTROM三段压力筛、氧脱木素、D/C-E/O-D1-D2四段漂白工艺，配套国产VPSAO-350-2B型变压吸附制氧系统，纸浆经氧脱木素后，后段用ClO2的漂白剂消耗量和漂白产生废水量降低许多。公司制浆生产废水经废水处理后排放值达到：BOD5＜10 mg/L、CODCr＜80 mg/L、SS＜30 mg/L、色度 ＜20倍。VPSA变压吸附制氧控制系统操作方便，维护简单，投资少，运行费用低，应用效果好。

(责任编辑：常 青)

Application of VPSA Oxygen Generation in the Fiber Lines

HU Guang-yong
(Yunnan Yunjing Forest＆ Paper Co．，Ltd．，Puer，Yunnan Province，666400)
(E-mail：huguangyong38@sina．com)

The oxygen generated by VPSA process has been widely used in oxygen delignification in domestic fiber lines thanks to its low investment，low operation cost，easy maintenance and convenient control，the application of VPSA oxygen generation in a fiber line was introduced．

oxygen delignification;control of VPSA system;environment protection

TS734

B

0254-508X(2011)03-0049-03

胡光勇先生，工程师;主要从事纸浆中段废水处理及生产自动控制技术工作。

2010-11-19(修改稿)