变压吸附制氧技术的发展

姜 贺

(北京北大先锋科技有限公司, 北京 100080)

变压吸附制氧技术的发展

姜 贺

(北京北大先锋科技有限公司, 北京 100080)

概述了变压吸附制氧技术的发展，分别对变压吸附制氧设备的应用领域、工艺设计和选型进行论述，简要介绍了变压吸附制氧设备的特性。

变压吸附； 制氧； 工艺设计及选型

伴随着能源的日益紧缺、工业生产成本的不断提高以及环境保护要求的更加严格，节约能源、降低成本及减少环境污染已成为大多数工业企业需要重点解决的问题。氧气作为一种助燃性的气体，在金属冶炼、化工、工业窑炉等领域中有着广泛的应用，在很多情况下不仅是工艺需要，更是为了节能减排、增产增效。近十年来，工业用氧的需求越来越大，变压吸附制氧装置在这十几年中也取得了飞跃式发展，本文简要介绍变压吸附制氧技术的发展情况。

1 变压吸附制氧设备的应用领域

变压吸附制氧设备制取的氧气，纯度通常在90%左右，极限纯度可以达到95.5%，目前工业化最大制氧装置产量已达4万m3/h。变压吸附制氧具有操作灵活、负荷调节方便、能耗低及建设周期短等诸多优点，非常适用于对氧气纯度要求不高、不需要产氮气的场合。变压吸附制氧设备在工业领域的应用越来越普遍。

1.1 钢铁行业

钢铁行业对氧气的需求量最大，转炉炼钢、电弧炉炼钢及高炉炼铁都要用氧气，除转炉需要纯氧之外，变压吸附制氧设备制取的氧气在电弧炉炼钢及高炉炼铁中均可以应用。电弧炉炼钢一般需要纯度在93%左右的氧气，对于中小型钢厂的电弧炉，比较适合选择变压吸附制氧设备。高炉富氧喷煤可以提高煤比，降低焦比、提高产量。实际生产数据统计显示，富氧率增加1%，产量至少提高3%，增加喷煤20 kg/t铁。目前国内高炉的富氧率不高，如果富氧率能够达到5%以上，则会给企业带来更大的经济效益。

1.2 有色冶金行业

近些年来变压吸附制氧设备在铜、铅等有色金属冶炼中得到了广泛的应用。由于多数冶炼工艺对氧气的纯度要求不高，而变压吸附制氧设备操作灵活、能耗低的特性很好地满足了有色冶金领域的需要。有色金属冶炼工艺中用富氧代替空气熔炼，可以提高炉温，提高熔炼效率，减少氮气的鼓入量，降低能耗，同时降低烟气量。因此，富氧在有色冶金行业应用，可以带来巨大的经济效益且有利于环境保护。

1.3 化工行业

变压吸附制氧设备在化工行业的应用是近些年才发展起来的，主要用于中小氮肥厂的煤气化工艺。煤气化工艺已有很多年的历史，目前中小氮肥厂应用的主要是固定床间歇式造气炉，虽然技术不先进，但是投资低、建设周期短，然而由于技术较为落后、环境污染较大，已经被限制发展，因此部分氮肥厂开始采用富氧连续气化技术。富氧连续气化技术是在固定床间歇式造气技术基础上发展起来的，对氧气纯度的要求不高。采用富氧连续气化技术可以提高对煤种的适应性，避免吹风气放空带来的环境污染及提高生产能力等，因此该项技术在中小氮肥厂煤气化过程中的应用将会更加广泛。

1.4 玻璃窑炉

我国玻璃窑炉采用富氧燃烧技术较国外晚，由于采用富氧助燃能够减少氮气带走的热量，节省燃料以及减少污染物的排放等，近些年玻璃窑炉富氧助燃仍广泛采用。由于玻璃窑炉的特殊性，变压吸附制氧设备在应用中需要结合液氧储罐备用系统以满足玻璃窑炉生产的需要。

1.5 其他

变压吸附制氧设备在其他领域的应用也很多，例如纸浆漂白、水泥回转窑、垃圾焚烧、污水处理、水产养殖等。

2 变压吸附制氧技术的发展

变压吸附制氧技术始于1958年，半个多世纪以来，变压吸附制氧技术日渐成熟并不断地改进和提高。

美国对变压吸附制氧技术的开发比较早。20世纪60年代变压吸附制氧技术在美国首次工业化应用，采用常压解吸工艺(PSA工艺)，使用的吸附剂是CaA分子筛。采用PSA工艺及CaA分子筛的制氧设备，氧气回收率低，能耗较高。1989年，美国联合碳化物公司(现转为UOP和Praxair公司)开发成功采用LiX分子筛的真空解吸变压吸附(VPSA)制氧设备，使得制氧设备投资降低，氧气回收率大幅提高，能耗大大降低，从此变压吸附制氧技术进入了新的发展时期。2000年前后，我国引进了几套美国Praxair公司的VPSA制氧设备，采用LiX分子筛，配置罗茨鼓风机、双级或单级罗茨真空泵。采用双级真空泵的制氧设备具有较高的压力比，氧气回收率高，但能耗相对于单级真空泵要高。近些年建成的制氧设备均采用单级真空泵并增加了空气冷却器，能耗进一步降低。

日本变压吸附制氧技术的应用始于1972年，引进了美国联合碳化物公司的PSA制氧技术用于污水处理。1983年，依据Bayer AG专利技术，开始采用在大气压下吸附- 抽真空进行解吸的工艺流程，即VSA制氧工艺，该工艺较PSA 制氧工艺能耗大幅降低。到1993年，日本已建设多套采用VSA工艺的制氧设备，应用较为广泛。近些年，日本一些公司大多采用离心式鼓风机，在微正压下吸附，双级罗茨真空泵解吸的制氧工艺。

我国对变压吸附制氧技术的研究起步于20世纪70年代，由于受到当时技术条件的限制一直没有突破性的发展，直到1990年前后才有第一套PSA和VPSA工业化制氧设备建成。在2000年以前，国内设计的变压吸附制氧装置规模较小、能耗较高、应用较少，由于国外的变压吸附制氧设备价格昂贵，因此引进的设备也不多。 2000年以前变压吸附制氧设备的应用在我国并不常见。1997年，北京大学研制出高效锂基制氧专用分子筛，并由北大先锋公司于2000年投入工业化生产，从此由我国自主生产并采用高效LiX制氧专用吸附剂的变压吸附制氧装置逐渐得到广泛应用。

虽然经过了多年的发展，但目前国内外仅有少数几家公司具备设计制造大型变压吸附制氧设备的能力，其根本原因在于尽管变压吸附制氧技术原理简单，但在工艺设计和设备选型中仍然有许多难点，主要体现在以下几个方面：

(1)高效锂基制氧专用吸附剂。国内很多单位从事高效制氧吸附剂研制多年，但很难取得成功，因为Li+交换的低硅铝比的分子筛(LiLSX)制作有诸多难点，大规模合成低硅铝比X型分子筛时容易出现杂晶，而且由于低硅铝比X型分子筛晶体结构不稳定，焙烧时容易被破坏，最困难的是Li+亲水性极强，离子交换十分困难且成本极高。国内某公司已攻克上述难题，生产出的吸附剂稳定高效，锂离子交换度接近100%，氮氧选择性、氮气吸附容量分别是常规CaA和CaX分子筛的2～3倍。

(2)吸附器及其气流分布器。用于变压吸附制氧设备的吸附器是制氧装置的核心设备。为了降低阻力，防止气体对吸附剂造成影响，需严格控制吸附器的空塔流速，因此吸附器通常具有较大的直径以降低流速。虽然吸附器直径加大能够保证较低的流速，但实现气流分布均匀就比较困难，然而变压吸附制氧设备的吸附器必须做到气流分布均匀才能充分利用吸附剂。气流分布不均匀，必然造成局部流速过大，对设备长期稳定操作产生影响，降低产品的纯度和产量。某公司开发的吸附器，采用强制分布对称结构气流分布器，在各种直径下均能保证吸附器内气流分布的均匀性，很好地解决了大直径、扁平化吸附器气流分布难以均匀的国际性难题，已经建成的吸附器最大直径达7 m，气体分布均匀、阻力小，能够保证吸附系统长期稳定工作并节能降耗。此外，该公司还成功开发出了阻力更小的径向床吸附器，并已经用于工业化装置。

(3)鼓风机及真空泵选型。VPSA制氧设备的特性是在短时间内操作压力会大幅变化，也就是说鼓风机和真空泵的排气压力和吸气压力在短时间内大幅变化，这一特性要求配套的鼓风机和真空泵需要具有如下几个特点：一从保护吸附床的角度考虑，鼓风机的气量不能随排气压力的变化大幅变化，否则气体流速的大幅变化必然影响吸附床的正常工作；二从节能的角度考虑，设备配套电机的输出功率应随排气压力或吸气压力的变化而同比例变化，即在压力不断变化的过程中设备不能一直处于高能耗的状态；三从可靠性的角度考虑，设备需要在短时间大幅度变化的工况下稳定可靠工作，故障率低。能够同时满足以上几点特性的鼓风机和真空泵只有罗茨式的鼓风机和真空泵，这也是国内外先进变压吸附气体公司的共识。

(4)噪音治理。变压吸附制氧设备有诸多优点，近些年得到了广泛应用，但选择罗茨式风机存在噪音偏大的缺点，由于罗茨式风机产生的噪音是低频噪音，处理起来难度较大。某公司经过多年的研究开发和工程实践，目前形成了一套完整的噪音治理方案，包括罗茨鼓风机排气噪音及振动处理方案、罗茨真空泵排气噪音及气水分离处理方案、厂房综合消音及通风处理方案。通过这一系列的处理方法，噪音明显降低，完全能够达到环保要求，且综合投资也不高，只占设备总投资很小一部分。

3 变压吸附制氧设备的特性及选择

21世纪初期，国内单套变压吸附制氧设备最大能做到1 000 m3/h，国外最大能做到5 000 m3/h，当时很多人认为超过该规模的制氧设备应选择深冷空分。目前国内单套变压吸附制氧设备最大可超过10 000 m3/h，国外还没有近似规模的大型变压吸附制氧设备出现。

变压吸附制氧设备具有如下特点：

(1)操作灵活、开停机方便，开机15 min即可达到使用要求；

(2)负荷调节方便，产量可在30%～100%间调节，纯度在70%～95%间可以调节；

(3)建设周期短、投资小、占地面积小；

(4)能耗低，运行成本低，纯氧电耗小于0.35 kWh/m3；

(5)设备简单，维修方便；

(6)常温操作，安全性高。

综合以上变压吸附制氧设备的特点，如果只需要氧气，不需要其他产品气或者只需要少量的氮气，氧气纯度不大于93%时，非常适合选择变压吸附制氧设备。少量的氮气可以通过变压吸附制氮装置解决，用量如果超过单套变压吸附制氧设备的上限可采用几套设备并联的方式解决。

4 结语

变压吸附空分制氧技术在我国工业领域应用越来越普遍，在冶金、化工、玻璃玻纤、造纸、污水处理等领域发挥了重要作用。随着工艺的优化与不断改进，变压吸附制氧技术将进一步推动企业节能降耗，提高生产效率。该技术有着巨大的发展潜力。

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[3]顾福民.国内变压吸附技术的发展及动态[J].冶金动力，2002，(6)：17-22.

Developmentofpressure-swing-adsorptionoxygengeneratingtechnology

JIANG He

The development of pressure-swing-adsorption oxygen generating technology was introduced. The application field, process design and type selection of pressure-swing-adsorption oxygen generating devices were presented, and the characteristics of the devices were simply introduced.

pressure-swing-adsorption; oxygen generating; process design and type selection

姜 贺(1978—)，男，辽宁阜新人，技术工程师，2001年毕业于大连理工大学，从事变压吸附制氧技术研究工作。

TQ116.19

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