浅析空分设备分子筛纯化系统节能措施

徐勇

（首钢长治钢铁有限公司动力厂，山西 长治 046031）

近年来随着国内生产制造技术的不断发展，对于生产设备的质量要求也不断提高，空分设备是制造业中的重要设备，分子筛纯化系统则是影响空分效果的关键。这种设备在运行中需要消耗大量的能源，加强对于空分设备分子筛纯化系统的节能措施研究是十分必要的。

1 空分设备分子筛纯化系统

1.1 空分设备分子筛纯化系统的原理特点

分子筛纯化系统的主要作用是对净化空气，保证进入冷箱内空气的纯净度，使用空气分子筛纯化系统能够有效清除空气内混杂的二氧化碳等杂质气体，从而避免空分设备在使用过程中出现堵塞爆炸等问题，保证设备的可靠运行以及设备安全。空分设备中使用的分子筛纯化系统一般是由两台分子筛吸附器配合运行，两台设备处于不同的状态，其中一台处于吸附状态，从周边空气中吸入气体，另外一台处于再生状态，达到一定的运行标准时，两台设备切换。在分子筛纯化系统中，除了分子吸附器之外，还需要使用加热装置、仪电控制装置以及管道阀门等辅助设备。

在分子筛纯化系统的运行使用过程中，存在多种不同类型的能量损耗，其一是分子吸附器在吸附空气时，空气需要经过管道、阀门等设备，克服阻力的过程中需要消耗能量，其二是再生能耗，再生过程中，需要对空气进行加热，对污氮气进行处理，也会产生能耗，这些过程中能耗的高低与诸多因素有关，也会影响到空分设备运行的成本和空分效果。

1.2 不同结构形式吸附器的阻力分析

目前在行业内使用的分子筛纯化系统吸附器按照不同的结构形式可以分为水平床和立式径向流两种不同的类型，结构形式不同，产生的阻力也存在一定的差异。其中立式或卧式水平床吸附器在运行中，从吸附器床层下方将周围的空气吸附到内部，再从上平面将分离处理后的空气排出。这种结构的吸附器普遍采用双层床层设计，上下两层分别为分子筛和活性氧化铝。立卧式水平床结构设计成熟，在行业内使用时间长，在结构设计上能够避免出现分子筛泄漏问题，而且床层分布均匀，设备运行稳定可靠。在制造方面，立卧式水平床的生产加工成本更低，能够相对方便的完成装卸作业。用户在使用时，可以比较方便的完成检查、维修作业，因此这种设备目前在国内空分行业中的应用更加广泛。但是水平床吸附器的床层体积占比不足设备总体积的1/2，空间利用率较低。

立式径向流吸附器的基本结构如图1所示，在运行使用过程中，吸附器从四周经过外周流道将空气径向吸入，空气先后通过位于吸附器筒体周边的活性氧化铝外层和分子筛内层后进入中心管并流出。在结构设计上，吸附器设备总体积的一半以上都是床层空间，这种类型的吸附器设备空间有效利用率更高，可以相应减小吸附器的规格。而且设备在使用过程中，采取立式安装，不需要占据较大的场地面积。这种类型的吸附器结构相对复杂，生长制造难度较大，立式径向流吸附器的内部包括多层同心床层而且需要满足同心要求，需要较高的制造技术要求，而且成本偏高。而且设备内部空间小，在使用过程中不容易进行装卸料和设备维修。除此之外，设备使用安装时需要满足较高的网格牢固度和使用寿命。

图1 立式径向流吸附器基本结构

2 吸附与再生过程阻力分析与控制措施

2.1 降低管道和阀门阻力

在对吸附器设备进行设计时，需要结合设备结构计算管道的空气阻力。同时根据设备要求的性能合理选择使用不同尺寸的管道，比如管道的直径、结构形式以及弯曲半径等，通过结构调整来降低吸附器使用中管道的阻力。近年来，国内大型空分设备中使用的分子筛纯化系统普遍使用三杆阀作为切换阀门，这种阀门的密封性能良好，而且在阀板和阀座密封面之间不存在摩擦，因此能够保证阀门使用的可靠性以及使用寿命。相对于三杆阀，结构蝶阀的优点是限制开启压差，避免出现分子筛吸附器被冲床情况的出现，但是在使用中这种阀门会产生较大的阻力，使用新型三杆阀能够有效降低阻力。

2.2 降低再生阻力

使用串联方式连接蒸汽加热器和电加热器共同完成对于吸附器设备的加热操作中，需要适当量降低串联流程阻力，尽量使用自身阻力更小的蒸汽加热器，避免导致污氮气排出压力的增加。因此针对这种情况，可以使用节能型蒸汽加热器，这种加热器采用低翅片无折流板设计，当吸附器内部的蒸汽压力处于0.6MPa左右的压力状态时，可以采用蒸汽加热器和电加热器串联的方式进行加热。为了更好的降低再生阻力，可以在串联时将备用电加热器在内的所有通道同时开启，将电加热器调节到小功率状态，这样能够更好的减小阻力。

3 调整吸附器吸附时间

吸附器在使用中，吸附运行时间会关系到系统的能耗，通过调整吸附器的吸附时间可以降低能耗。

3.1 调整已投用吸附器的吸附时间

在分子筛吸附器使用中，设备大小、吸附剂类型用量都会影响到吸附器的吸附时间。其中吸附剂用量主要参照环境条件设计确定。但是周边空气中二氧化碳含量不是固定不变的，吸附器设备的运行也会受到季节和风向等不同周边因素的影响，因此吸附器的分子筛量普遍存在余量。一般情况下可以根据出口空气中二氧化碳含量判定分子筛是否存在余量，如果变化不明显说明存在有一定余量，针对这种情况可以适当延长吸附器的吸附时间。相应的，如果周边环境中季节风向变化，也可以根据环境变化适当缩短吸附时间。对于大型空分设备用户，在实际使用中可以监测大气中二氧化碳含量，对比实际数据和吸附器的设计值，适当调整吸附时间。

3.2 使用更强吸附能力的分子筛

近年来随着分子筛技术的不断发展，市场上也出现了更多更高性能的吸附分子筛。新型分子筛能够实现更长时间的吸附，使用中的能耗更低。因此在用户使用过程中，可以更换使用性价比更高、性能更好的分子筛，能够实现理想的节能收益。在更换分子筛的同时，可以适当调整活性氧化铝床层，有利于延长吸附床层的吸附时间，降低能耗。

4 选择合适的加热源

在分子筛纯化系统的运行中，可以使用加热器对污氮气进行加热后再间接加热吸附剂。而蒸汽热源的加热成本更低，如果系统中能够产生稳定的蒸汽来源，可以选择使用蒸汽作为再生热源。如果蒸汽来源不稳定或者蒸汽压力不达标，也可以在蒸汽加热器的基础上附加电加热器，两种设备串联加热方式，实现对于吸附剂再生的加热。相关实践证明，如果在40000m3/h空分设备中采用蒸汽与电加热器串联的方式对吸附器再生进行加热，每年运行成本可以降低约188.5万元，对于20000m3/h的空分设备每年可以节约近80万元。在1～2年内可以收回蒸汽加热器的投资成本。

5 吸附器操作上的节能措施

除了吸附器设计使用方面的节能之外，在操作方面可能达到技能效果。首先可以控制空气进口温度，通过降低分子筛纯化系统空气进口位置的温度能够达到一定的节能效果，但是在实际操作中也要合理控制进口温度，避免出现进口温度太低导致的结冰、失控等问题，一般情况下吸附器设备空气进口温度需要保持在13℃左右。其次是调控再生总热量，在运行使用过程中可以通过控制吸附器的加热温度、加热时间和再生气量等简介调控再生总热量。可以根据加热时的吸附器出口的最低温度以及出口位置的吹冷峰值等数据来综合判定热量是否达到再生要求。一般情况下，当吹冷峰值超过80℃时，即达到吸附器再生要求。另外，可以根据分子筛纯化系统的使用情况改善保温效果，使用高性能保温材料包裹分子筛纯化系统中使用的高温设备、管道阀门等，一般情况下可以使用超细玻璃棉对这些设备进行保温。同时要做好保温材料的防水处理，避免由于加热管道的滴水造成管道设备的热损耗，因此需要做好外防水的包扎处理。

6 结语

通过本文分析可知，空分设备分子筛纯化系统的能耗与周边环境、设备结构、操作使用等诸多因素有关，需要从多方面入手才能实现更好的节能效果。未来随着空分设备使用的不断增加，对于空分设备的运行质量以及分子筛纯化系统的能耗要求也会更加严格，这就需要相关人员不断加强对于空分设备分子筛纯化系统节能的研究，制定更加合理的节能方案，降低系统运行的能耗，更好的发挥系统的作用。