吸附时间变更对变压吸附制氮机在生产中的节能影响

丁杰

摘 要：制氮机对于整个生产系统运行来说，起着至关重要的作用，制氮机的运行需要空气压缩机提供压缩空气，而空气压缩机属于高耗能设备，怎么样能使制氮机充分利用压缩气体从而减少空气压缩机的做功，减少其能耗。在实际生产中通过增加制氮机的单塔吸附时间来增加单个吸附周期的时长，减少两塔切换次数，从而减少大量气体未被利用就被放空的情况，提高制氮机对压缩空气的利用率，从而可以达到降低能耗的目的。

关键词：变压吸附 制氮机 吸附时间 节能 压缩空气

中图分类号：TQ116 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）02（b）-0096-01

氮气作为保护气和密封气在工业生产中被广泛应用，变压吸附制氮机作为生产氮气的重要设备以其具有能耗低，操作方便等特点已经得到迅速的发展以及广泛应用。在实际生产中我们往往只注视制氮机本身的低能耗，而忽视了给制氮机提供压缩气体的空压机的能耗。通过提高制氮机对压缩空气的利用率，减少对压缩气体的需求，达到降低空压机能耗的目的，方法简单易行，节能效果明显。

1 变压吸附制氮工作原理、工艺流程

1.1 变压吸附制氮机工作原理

变压吸附制氮机是以碳分子筛为吸附剂，利用加压吸附，降压解吸的原理从空气中吸附和释放氧气，从而分离出氮气的自动化设备。碳分子筛是一种以煤为主要原料，经过研磨、氧化、成型、碳化并经过特殊的孔型处理工艺加工而成的，表面和内部布满微孔的柱形颗粒状吸附剂，呈黑色。

碳分子筛的孔径分布特性使其能够实现O2、N2的动力学分离。这样的孔径分布可使不同的气体以不同的速率扩散至分子筛的微孔之中，而不会排斥混合气（空气）中的任何一种气体。碳分子筛对O2、N2的分离作用是基于这两种气体的动力学直径的微小差别，O2分子的动力学直径较小，因而在碳分子筛的微孔中有较快的扩散速率，N2分子的动力学直径较大，因而扩散速率较慢。变压吸附制氮正是利用碳分子筛的选择吸附特性，采用加压吸附，减压解吸的循环周期，使压缩空气交替进入吸附塔来实现空气分离，从而连续产出高纯度的产品氮气。

1.2 变压吸附制氮机基本工艺流程

空气经空压机压缩后，经过除尘、除油、干燥后，进入空气储罐，经过空气进气阀、左吸进气阀进入左吸附塔，塔压力升高，压缩空气中的氧分子被碳分子筛吸附，未吸附的氮气穿过吸附床，经过左吸出气阀、氮气产气阀进入氮气储罐，这个过程称之为左吸，持续时间为几十秒。左吸过程结束后，左吸附塔与右吸附塔通过上、下均压阀连通，使两塔压力达到均衡，这个过程称之为均压，持续时间为2～3s。均压结束后，压缩空气经过空气进气阀、右吸进气阀进入右吸附塔，压缩空气中的氧分子被碳分子筛吸附，富集的氮气经过右吸出气阀、氮气产气阀进入氮气储罐，这个过程称之为右吸，持续时间为几十秒。同时左吸附塔中碳分子筛吸附的氧气通过左排气阀降压释放回大气当中，此过程称之为解吸。反之左塔吸附时右塔同时也在解吸。为使分子筛中降压释放出的氧气完全排放到大气中，氮气通过一个常开的反吹阀吹扫正在解吸的吸附塔，把塔内的氧气吹出吸附塔。这个过程称之为反吹，它与解吸是同时进行的。右吸结束后，进入均压过程，再切换到左吸过程，一直循环进行下去。

2 吸附时间更改的实际生产运用

2.1 制氮机基本情况

制氮机设计流量为800Nm3/h，供气压力≥0.6MPa，供应氮气纯度≥99%，单个周期吸附时间设定为47s，；实际正常生产中氮气需求量平均200Nm3/h，这意味着制氮机并没有达到满负荷运行，导致在设定时间内吸附罐内碳分子筛空间未饱和，未能将设备最优化利用，又切换至另外一个吸附塔工作，转入下一个吸附周期；切换次数较多，导致均压反吹次数多，放空气体量较大，导致浪费。

2.2 吸附时间更改

利用制氮机的工作原理，在保证氮气纯度要求，供气量保持稳定的情况下，将吸附时间逐步增加，最终吸附时间增加到140s左右。通过增加吸附时间，减少两塔切换次数，使罐内碳分子筛空间被充分利用，这样可以减少在两塔切换过程中均压、反吹、解吸的次数，大大减少了放空。在遇到氮气需求量增大的特殊情况下，及时降低吸附时间以达到纯度要求。

3 更改前后对比

3.1 切换次数

改造前每小时切换次数=3600s/（吸附时间+均压时间）=3600s/（47s+3s）=72

改造后每小时切换次数=3600s/（吸附时间+均压时间）=3600s/（140s+3s）≈25改造后减少切换数=改造前周期次数-改造后周期次数=72个-25个=47个

3.2 氮气压力

由于切换次数的减少，放空气体大量减少，气体被充分利用，且单个塔吸附周期时长增加，有利于制氮机增加产气的连续性，造成系统氮气压力上升0.03～0.05MPa，更有利于避免因氮气系统压力低而造成影响生产的问题。

3.3 氮气纯度

氮气纯度由99.8%降低至99.2%左右，满足生产所需求的≥99%的要求。

3.4 节能效果

给制氮机供应压缩气体的空压机额定功率为441KW，额定电压为10kV，额定电流为30A，额定供气压力0.8MPa。在供气状况基本不变的情况下，吸附时间增加后，根据实际运行数据显示空压机电流下降I降=1.3A左右。这样根据电量计算可知空压机每月节约电量为：

空压机每月可节约电量=30天*24h/天*P*I降/Ie=30天*24h/天*441kW*1.3A/30A=13759.2kWh。

通过生产数据统计对比，吸附时间的增加，对空气压缩机的节能效果非常明显，对氮气的系统压力稳定也能起到一定的作用，虽然氮气纯度有少许下降，但是可以满足生产需求。所以说在氮气需求量较大时为了保证氮气纯度，适当的降低吸附时间，在氮气需求量小的时候，为了使制氮机充分利用压缩气体来减少空压机的能耗，适当的增加吸附时间；这样对吸附时间灵活的运用，操作简便，既可以满足生产需求，又可以达到非常好的节能效果。

参考文献

[1] 崔浩，张名扬.对变压吸附法制氮技术的探讨[J].天津科技，2013，40（5）：1-2.

[2] 温杰贵.PSA变压吸附制氮工艺[J].油气储运，2012，31（z1）：1-3.

[3] 孙烈刚，吴迪.变压吸附制氮性能主要影响参数的研究[J].现代化工，2014，34（9）：1-3.