变压吸附制氧系统节能与环保的应用研究

周军

摘 要：变压吸附式空气分离制氧技术（简称：PSA制氧）是当今小产量氧气制取的主要方法。但是它却把携带有能量、冷量、并已净化的富氮气体作为废气排到大气中，既浪费了资源，又打破空气中成分平衡。针对这一种弊病我们研制出了组合式空分制氧-制氮系统。文章就这一系统的原理、效果及其社会效应进行分析与阐述。

关键词：PSA制氧氮；分子筛；节能；环保

Abstract： Pressure swing adsorption air separation Oxygen production technology （referred to as： PSA oxygen） is the main method of production of low-yield oxygen. It is to carry the energy， cooling， and purification of nitrogen-rich gas as exhaust to the atmosphere， both a waste of resources， but also break the balance of the composition of the air. In view of this kind of malpractice， we have developed a combined space-divided oxygen-nitrogen system. This paper analyzes and expounds the principle， effect and social effect of this system.

Keywords： Oxygen and nitrogen；Molecular sieves；Energy saving；Environmental protection

1 概述

氧气是医院正常运转的一个基本要素，在国民经济的发展中也发挥着重要作用，空分制氧是利用不同压力下分子筛对氧、氮分子吸附能力的差异，将氧气从空气中分离出来，属于物理式空分过程，也称 （pressure swing adsorption 缩写PSA）变压吸附制氧，是迄今为止世界上最先进而又简便的制氧方法，又因为是以取之不尽的空气为原料，所以在我国二甲以上的医院已普遍应用。

然而这种工艺只能分离出空气中7.6%的氧气，剩下约92%空气经过压缩、冷干、净化后的以氮、氧为主的混合气体则被作为“废气”又不间断地排回到了大气中，不仅导致了资源的浪费，而且这些废气中氮气的占比高达85.7%，导致了医院或气体分离厂周围空气组份的局部失衡、氮气的严重超标等环境问题。正常空气和废气成分的对比，见图1、图2。针对这些弊病，我们研制了变压吸附空气分离制氧——制氮组合系统（简称：组合式空分制氧-制氮系统），如图5所示。

2 传统的PSA制氧系统的弊病

2.1 能源与资源的浪费

传统的PSA制氧、制氮（简称：PSA制氮）系统见图3、图4，根据PSA制氧或制氮的原理，要想从空气中分离出高纯度洁净的氧气或氮气，必须通过图中所示的空压机到制氧分子筛或制氮分子筛之间所示的预处理设备，对空气进行压缩、冷干、粗、精、高三级过滤等预处理，方能进入制氧或制氮分子筛进行空气分离，所以表1中所示的系统元件是必不可少的。而且传统的空分制氧系统耗费这么大的运行成本，仅能分离出空气中的7.6%氧气，而其余92.4%的混合气体则作为废气又排入到了的大气中，既浪费了资源又消耗了能源。

2.2 对局部空气环境的污染

由图1和图2对比可知，经过变压吸附制氧之后排出的废气组份中，氮气占比升至了84.4%，含有CO2、CO、硫氧化物、氮氧化物等有害气体、稀有气体及水蒸气等其它组分也升至1.08%，而氧气的占比则下降至14.5%。由于医院的制氧系统都是24小时不间断运行的，所以组份比失衡的“废气”源源不断地排放空气中，不仅加速了空气中污染物的形成，同时由于上述氮、氧比例失衡，造成局部氮气超标而形成的富氮污染，会因局部缺氧而以导致人们呼吸不畅、胸闷、恶心，甚至窒息、休克等，这对于医院这个特殊的环境或者气体生产企业都是绝对禁止的。

3 PSA组合式医用制氧-制氮系统的性价比分析

本项目研究的重点是将在PSA制氧过程中所产生的废气富集、储存，仅仅增压后便可经PSA制氮系统分离出成品氮气，而制氮系统排出的废气经吸附处理后进行无害化排放，排放物成分见表3。对比图3、图4与图5及表1、表2可知，PSA组合式医用制氧-制氮系统省去了制氮装置前处理设备，而且还回收、利用了废气，既保护了环境，又节约了设备、资源的投入成本，实现了一机两用、一套动力源制出两种医用气体的创新，而氧气和氮气又是医院常用的两种医用气体，故PSA组合式医用制氧-制氮系统的研发试制成功，不仅解决了这一局部空气环污染的问题，又实现了资源和能源利用的最大化。对于必须常年24小时不间断运行的设备，运行成本的降低，至关重要，故项创新具有广泛的示范效应和推广借鉴意义。

对比表1、表2的相应数据可知，图5所示的PSA组合式制氧-制氮系统中只需新增一只废气储罐和一台增压机，即可减少一套表1中第1～5项的前处理设备，而且由于“废气”为富氮气体，故一台5.5KW的增压机，即可通过该组合式制氧-制氮系统，分离出高纯度的医用氮气，与传统的PSA制氧、制氮系统相比，节约前处理设备购置费40.66%，并降低运行能耗37.43%。

4 市场意义与推广价值

随着我国经济的持续中高速发展，作为国民经济基础的 “工业血液——医用和工业气体行业”也随之蓬勃崛起，为国民经济的高速运行提供了重要保证。医用和工业气体的应用已渗透到医疗、保健、冶金、石化、机械、国防、建材、电子、农业、食品等各个基础行业。据估计2016年的工业气体总产值1200亿，而且需求量以每年10%的速度在遞增，这其中约50%都是如图3、图4所示的空分制气。庞大的市场需求，为气体行业带来了新的发展空间，可如果能使如上所述的PSA组合式空分制氧-制氮系统在气体行业得到推广应用，按照如上所述每套组合式空分制氧-制氮系统的投入能比两套独立的制氧、制氮系统节约40.66%的设备投入和37.43%的运行成本的话，折回到1200亿产值的成本中，这是一个多么庞大的数字！在每年10%的速度递增中，设备的投入的节省和能耗的降低又将是一个多么可观的数字！故该项目具有广泛的市场意义和推广价值。

5 结束语

综上所述，PSA组合式空分制氧-制氮系统，实现了能源利用的最大化与环境污染的最小化。

由于一机（空压机、冷干机）两用，即：一套动力源制出两种气体，故单位体积的气体能耗下降至0.091KW/m3以上，远低于国家标准≤0.4KW.H/m3的规定，实现了资源和能源利用的最大化，对于常年24小时不间断运行的设备，节约的资源十分巨大。

将空分制氧过程中排出的废气，增压后制出纯度高达99.9%的氮气，而将残余废气净化处理后进行无害化排放，避免了制氧废气对环境的污染，实现了废气排放的最小化，最大限度的保护了环境。

节能与环保是我国乃至世界一个永恒的主题，而PSA组合式空分制氧-制氮系统同时实现了这两个目标，故该项目的推广应用，有着广泛的市场基础和重大的意义。

参考文献

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