氮气发生器在绝缘串列线上的应用

肖 力

(耐克森凯讯(上海)电缆有限公司，上海200444)

0 引言

最初的连拉连退的拉丝设备，广泛使用蒸汽做为退火保护，防止铜丝在退火过程中氧化，但在使用中会发现有很多问题，如需要纯净水，需要经常补充循环水，同时还必须有防止烫伤的措施，长时间使用还会发现设备的许多零部件都会被高温蒸汽损坏，以致零件变形甚至腐蚀。

后来我们采用氮气来代替高温蒸汽进行保护，但每次都必须购买或租用钢瓶，成本不仅仅包括氮气本身，还包括钢瓶的租金、运输、处置及安全防护等费用，如果使用氮气发生器，就可以有效地解决上述问题。

1 氮气发生器的工作原理

氮气发生器采用氮气偏压吸附(PSA)系统，从压缩空气中生产出持续的氮气。制氮系统由两组突出的碳分子筛(CMS)构成，经过预处理的压缩空气进入CMS容器底部，然后流过CMS，氧气和其它微量气体被其吸收，只让氮气通过。如图1所示。

图1 氮气发生器工作原理图

CMS不同于普通的活性碳，它有很多很狭窄的气孔。这种气孔可以使小分子如氧分子通过，而将进入CMS的大的氮气分子隔离开来。大的氮分子从分子筛的旁路通过，再形成成品氮气。

为了保证制氮的连续性，整个系统实际上有两个CMS交替工作，我们形象地称正在工作的一个叫“在线床”，经过一段时间的工作后，“在线床”差不多已经吸附饱和，系统自动将“在线床”转换为再生模式，排掉其吸附的污染物。另一个CMS则转成为“在线床”，交替循环进行分离。两组CMS在分离和再生模式之间的轮转确保了能持续不断地产生氮气。

整个氮气发生装置主要由1套净化系统、1台氮气发生器组成，其系统流程图见图2。

图2 氮气发生系统工艺流程图

2 氮气发生器的优点

(1)采用目前国际最成熟可靠的PSA系统，结合其独特的工艺流程、优化的管路设计以及先进的填充技术，有效防止CMS的剥落失效，能杜绝吸附塔内隧道效应的产生。从而使CMS的性能大大提高。节省能耗的同时，可一步产出纯度为97% ～99.99%的氮气。如有特殊要求，可以使纯度达到99.999%(无需提纯)。

(2)配备了高精密度的过滤器，使氮气的微尘粒小于0.01 μm，含油量小于0.001 ppm。如额外配备吸附干燥机、无菌过滤器装置等，更可满足例如液晶显示器、石英振荡器、食品、医药等特殊行业的高要求。

(3)低廉的运行成本。氮气发生器以洁净的压缩空气为原料，无需消耗任何化学品，就能产出符合要求的各种纯度的氮气，总体成本约占购买液氮或气氮的10% ～35%，可节省大量的费用。

(4)先进的无人化操作。氮气纯度分析控制仪对氮气的纯度实时监控，对纯度不合要求的氮气不予排放，从而杜绝因气体不纯而影响产品质量。通过可靠的PLC控制，可实现24 h自动化无人操作。

3 与传统氮气偏压吸附(PSA)制氮设备相比具有的特点

(1)工艺。解决了CMS的粉化问题。传统的PSA制氮系统，其工艺管路中有8个阀门，分别位于吸附塔的上下方，每个切换周期中的不同时段，气流分别自下而上和自上而下双向流过吸附塔，这样造成分子筛受冲击而容易粉化;而氮气发生系统工艺管路上只有4个阀门且都在吸附塔下方，每个切换周期过程中气流只是自下而上单方向流动，分子筛受到的冲击较小，因而从根本上解决了PSA制氮机的分子筛粉化问题。

(2)设计。全自动控制。当用气量小于设备产气量，氮气压力上升到预设值时，设备即进入经济运行模式:机器暂停运转，也不消耗压缩空气;当随着用气量的增加而导致氮气压力下降到设定启动值时，设备即可自动启动并正常运行。

(3)选材。整机内的管路均选用不锈钢材质。

(4)结构。一体化的机箱设计，内部气路、电路布局合理，方便维护;整体美观、整洁。

4 氮气发生器在应用时应注意的问题

目前我公司在5条绝缘串列线上配备了氮气发生系统，从2006年就已开始使用，至今运行稳定，有力地保证了产品的质量。结合本公司的经验，总结出以下在使用中应该注意的几点:

(1)选型，也就是氮气发生系统的工作能力应与串列线的需求量相匹配。正常情况下，串列线拉丝机所需要的氮气量约为4 m3，换算成压力，只需要0.5 kg。氮气机所需的压缩空气的压力大约在5～6 kg。

(2)对于绝缘串列线来说，铜丝所需要的保护部位在退火部分，所以在设备的退火冷却部位需安装氮气出口，出口大小对于氮气的流量、压力非常关键。

(3)必须定期对氧的含量进行检测，以防止氧气进入退火冷却部位，正常情况下，每两年对碳分子筛进行更换，这样可以保证氮气的纯度。

(4)氮气的过滤系统需要定期排放杂质，一周一次即可。氮气发生系统内部的阀门、转换器、排污阀都需定期清洗。

(5)要定期检查氮气发生系统内部的电磁阀及其他阀门，因为氮气机频繁启动和关闭都会影响阀门的寿命，而一旦阀门损坏，就不能产出合格的氮气，对产品质量也会有损害。

(6)在使用氮气发生器的同时，可以配备使用压力报警器，当压力小于设定值时，系统会发出报警声音，报警装置是通过PLC来控制(见图3)。

图3 PLC控制压力报警装置

5 结束语

氮气发生系统的气源是非常普通的压缩空气，几乎每个制造企业都会有空压机组，当空压机工作时就可利用氮气发生系统生产不同纯度的氮气。

氮气在电线电缆行业中的使用已越来越普遍，我公司在生产物理发泡电缆、半柔同轴电缆(Quickform)时都已使用氮气，氮气不光可以起到防止铜丝氧化的作用，而且也是一种比较稳定可靠的加热媒体，氮气的加热温度可以达到500°C以上。

原来我公司使用瓶装氮气时，一年所需费用在15万元左右。自从使用氮气发生器后每年可节约5万元以上，而且还降低了人力成本。更重要的是，我们可得到质量稳定、获取便捷的氮气，没有必要再为更换氮气瓶而耗时耗力，大大提高了生产效率。

［1］吴彦敏.气体纯体［M］.北京:国防工业出版社，1983.