3000/90-VPSA径向吸附塔制氧的节能效果运行分析

马克猛，余仕良，廖德春

（云南云天化股份有限公司云峰分公司    云南宣威 655426）

摘 要:介绍了变压吸附空气分离制氧的原理、动力设备参数、设计性能参数等。通过对径向吸附塔制氧的运行参数对比分析，论述了VPSA径向吸附塔制氧装置具有明显的节电优势，是一项投资小、建设周期短、见效快的节能改造项目。

关键词：变压吸附；制氧；节能

中图分类号：TQ116.19            文献标识码：B

变压吸附制氧技术是20世纪70年代发展起来的一种空分制氧工艺，与传统的深冷空分制氧装置相比，变压吸附制氧装置具有投资少、能耗低、运行维护费用低、工艺条件温和（常温、低压）、工艺流程简单、自动化程度高、操作灵活性高,、建设工期短和安全性好等优点，因此，得到国内、外大型气体公司和研究机构的广泛关注，并纷纷投入巨大的人力物力研究开发。自20世纪90年代国外开发成功高效锂基制氧吸附剂后，变压吸附空分制氧技术开始迅猛发展并得到广泛应用。目前，在很多用氧场合下变压吸附空分制氧可替代深冷空分制氧，并且装置的经济性明显优于传统的深冷空分制氧装置。

1  变压吸附空气分离制氧原理

空气中的主要组分是氮和氧，可选择对氮和氧具有不同吸附选择性的吸附剂，设计适当的工艺过程，使氮和氧分离制得氧气。氮和氧都具有四极矩，但氮的四极矩比氧大得多，因此，氮气在分子筛上的吸附能力比氧气强。当空气在加压状态下通过装有吸附剂的吸附塔时，氮气被分子筛吸附，氧气因吸附较少，在气相中得到富集并流出吸附塔，使氧气和氮气分离获得氧气。当分子筛吸附氮气至接近饱和后，停止通空气并降低吸附塔的压力，分子筛吸附的氮气可解吸出来，分子筛得到再生并重复利用。2台及2台以上的吸附塔轮流切换工作，便可连续生产出氧气。

对于VPSA制氧工艺，每个周期都必须完成吸附、顺向放压、真空解吸、清洗、均压、升压等步骤。

对于空气分离制氧的变压吸附装置，由于其能耗指标为制氧装置的主要技术指标，为了尽可能减少单位产氧的能耗、降低装置的运行费用，在工艺流程上宜采用低压吸附、真空解吸的流程；在吸附剂的选型上，应选择对氮气吸附容量大、氧氮分离系数高的用制氧吸附剂。另外，为了尽可能降低装置的投资，应尽量选择简单可行的流程。变压吸附常压解吸制氧流程通常有四床、三床、两床等形式。四床吸附流程的特点是空气中氧气的收率比较高（达40%），缺点是吸附床较多、工艺流程复杂、技术要求高及可靠性较差。三床吸附流程的特点是氧气收率一般（达35%），工艺也比较复杂。二床吸附流程的缺点是空气中氧气收率比较低（只有30%），但该流程比较简单，工艺也不复杂，操作容易，可靠性高，从投资和运行费用上综合考虑，两塔流程的长期运行成本低，是目前制氧设备采用多的流程。

目前，北京北大先锋科技有限公司成功开发了高效锂基型分子筛制氧吸附剂PU-8，经多年持续研发改进和生产实践，该制氧吸附剂的性能指标达到国领水平，锂离子交换度达99.5%以上，产品质量稳定，是设计制造大型化VPSA制氧装置的可靠基础。在氧气纯度达90%（体积分数，下同）时，每吨吸附剂产氧量可达92～95 m3（标态，折纯氧）。锂基吸附剂适应性*，在有少量粉尘和硫化物的工况下无需预处理仍可正常工作，并且其静态吸附容量可达22 mL/g（25 ℃、101.325 kPa），压碎强度≥10 N，含水质量分数≤1%。随着“低压比”（吸附绝压与抽真空绝压的比值）VPSA制氧工艺的开发，结合高效制氧吸附剂的使用、科学的工艺流程和设备选型，可进一步降低了制氧能耗，目前该VPSA制氧综合技术水平达到先进。

2  3000/90-VPSA制氧装置动力设备及设计性能参数

3000/90-VPSA制氧装置动力设备参数见表1。

表1  3000/90-VPSA制氧装置动力设备参数

3000/90-VPSA制氧装置设计性能参数：氧气产量3 000 m3/h（0 ℃，101.325 kPa），氧气纯度≥90％，氧气可在70%～93%间任意调节，产品氧气出制氧系统压力10～15 kPa（表压），增压后产品氧气输出压力35~55 kPa（表压），启动时间15～30 min，1 m3（标态）纯氧单位电耗≤0.35 kW·h（按电源进线柜电度表有用功功率计量，按纯氧计），1 m3（标态）纯氧装置氧气压缩系统电耗≤0.03 kW·h，仪表空气消耗210 m3/h（标态），吸附剂使用寿命10 年，切换蝶阀*运行时间16 000 h，易损件*开关次数＞200万次，吸附器使用寿命15 年。

3  VPSA径向吸附塔制氧的优点分析

3.1 径向吸附塔结构及性能特点

径向吸附塔结构示意如图1所示。空气从吸附塔底部进入，分散到内筒四周进入，然后从四周按径向方向通过吸附剂床层，实现脱水、脱CO/CO2、吸附N2。在项目实施中，为节约管道材料、方便安装以及检修方便，氧气出口设置在吸附塔底部，空气和氧气采用底进底出的方式，即在吸附塔与内筒的环隙中得到产品氧气，并通过氧气管道从吸附塔底部引出。

图1 轴向、径向吸附塔结构示意

因空气进入吸附塔时流量很大，而通过吸附床层的过程中因N2被吸附，气体体积流量减少，到实现产品氧时空气与O2体积比约为10∶1，径向吸附塔正好充分利用了外筒分布面积大、内筒分布面积小的优势，实现了空气流经吸附床层时氮气吸附传质饱和区可做活塞流式传动，有利于控制产品氧气纯度。

因外床层接触面积大，在吸附床层中空塔流速可实现≤0.2 m/s，因空气流速低、空气与吸附剂的接触时间长，吸附和解吸状态接近理论设计，有利于杂质组分的充分吸附，吸附效果更好；同时，降低了吸附塔内气体阻力降，一般轴向塔的床层阻力为5～10 kPa，径向塔的床层阻力1～2 kPa。因此，气流通过吸附床层时阻力低(≤2 kPa)，径向塔的床层死空间比例较轴向塔的床层死空间比例低5%～10%，可实现更低的能耗，对装置的节能降耗提供了有力保证。

低气流流速可防止气流对吸附剂的冲刷磨损，也避免了气流出现偏离、沟流现象。因吸附床层的内外筒为结构件固定，在气流流动方向杜绝了分子筛的相对移动，所以不会造成吸附剂跳动磨损。径向吸附塔结构设计可实现更大的流通面积，是VPSA制氧装置发展大型化的可靠基础，该结构在国外同行已经普遍使用。

3.2 径向吸附塔较轴向吸附塔的优点

（1）节能*

立式径向吸附器为圆柱体格栅结构，与轴向吸附器相比，床层薄、阻力小、空气流动压降小，在同等空气量需求下，降低了动力设备的排气压力。由计算和实践得出，使用径向吸附器可使VPSA制氧装置能耗降低10%～15%，1 m3（标态）纯氧单位电耗≤0.35 kW·h（轴向吸附塔一般≥0.40 kW·h）。

（2）结构上的优势

VPSA制氧装置采用径向吸附器，径向吸附塔吸附剂与气流接触充分，便于氧气与氮气传质分离；气流方向有利于吸附和解析，吸附剂的吸附和解析与气流速度有直接关系，气流速度越慢越有利与吸附和解析。在吸附阶段，随着气流从外向里流动，氮气逐步被吸附，气量逐渐减少，径向吸附器的流动截面也正是从外向里逐步减少的，此种结构增加了分子筛的利用率，同时提高了床层的稳定性，并且气流的方向是与重力方向垂直的，有效避免了分子筛的流化，增加了分子筛的寿命；但径向吸附塔造价较轴向吸附塔要高。

（3）占地面积小

立式径向吸附器由于采用了圆柱体床层结构，充分利用空间位置，因而占地面积小，在同等规模下节约了近40%的厂房用地和可观的土建费用。

（4）规模适应性宽

立式径向吸附器不受空气量的限制，随着制氧规模的不断增加，进气量也大幅增加；当设备直径受到运输或者制造限制时，可通过增加吸附器高度来解决。

（5）制造成本低

在同等制氧规模下，径向吸附器比轴向吸附器设备的质量要轻、加工难度要低，径向吸附塔直径小（Ф 3 600 mm），可在工厂加工，便于控制好质量，也便于运输；而轴向吸附塔直径较大（Ф 5 800 mm），只能在建设现场加工，质量控制难度大。

4  制氧装置性能考核测试情况

3000/90-VPSA制氧装置72 h性能考核检验测量结果见表2。

表2  3000/90-VPSA制氧装置72 h性能考核检验测量结果

3 000 m3/h（标态）制氧装置性能考核主要是罗茨鼓风机和罗茨真空泵（高压设备）电耗、氧气的产量和纯度。制氧装置72 h运行生产氧气量为221 630 m3（标态），按纯度90.6%折为纯氧气量200 796 m3（标态）。考核期间，罗茨鼓风机及罗茨真空泵耗电70 200 kW·h，1 m3（标态）纯氧电耗实际值为0.35 kW.h，与设计值相比降低了0.03 kW·h，主要是由于制氧设备吸附塔为径向塔，其氧气收率高、床层阻力低，因此电耗较低。

72 h性能考核期间，设备运行稳定，按照72 h的开车时间计算平均氧气产量为3 078 m3/h（标态），平均产品氧气纯度为90.6%，1 m3纯氧电耗0.35 kW.h。通过考核，对3 000 m3/h（标态）制氧设备配套得出如下结论：3 000 m3/h（标态）制氧设备、工艺选择和工程建设能满足生产能力，产品质量、原材料及公用工程消耗、环保指标达到设计要求。

5  制氧装置投运效果

5.1 发生炉增氧制气运行效果

3000/90-VPSA制氧装置是为配合合成氨发生炉系统进行增氧制气而建设，发生炉增氧制气投运后，吹风时间减少8~10 s，上吹时间由38 s增加至50 s，上加氮时间从27 s增加至42 s。吹风气中碳和热量损失减少，进入半水煤气中的碳量增加，进而提高了碳利用率。

发生炉增氧后，煤气炉生产负荷增加，供气富裕，由原6台炉供六机减为6台炉供六机，单炉产气量由9 300 m3/h（标态）增加至11 000 m3/h（标态），单炉生产强度由1 315 m3/（h·台，标态）提高至1 541 m3/（h·台，标态），并可停开1台造气系统风机。

5.2 煤气炉增氧前、后主要评价指标比较

煤气炉增氧前、后主要评价指标比较见表3。

表3  煤气炉增氧前、后主要评价指标比较

由表3可知：增氧后，相同的原料下，发生炉蒸汽分解率由49.02%上升至52.5%，提高了3.48%，其主要原因是气化层平均温度升高，进而蒸汽分解率提高；吹风效率提高了3.8%，吹风气带走碳下降5.37%，碳利用率提高了6.16%，气化效率提高了5.0%，冷煤气效率提高了6.7%。

6  VPSA制氧投运后对系统的影响及需采取的措施

VPSA制氧是利用升压吸附空气中的N2，降压（或真空）解析被吸附的N2，而空气中的氩气和氧气的沸点接近，两者很难分离，一起在气相得到富集。因此，变压吸附制氧装置通常只能获得体积分数为90%~95%的氧气（氧的极限体积分数为95.6%，其余为氮气和氩气，氩气体积分数为4.5%~6.0%）。发生炉采用增氧制气后，会增加半水煤气中的CO2含量；如果发生炉增氧方式选择不当，还会增加半水煤气中的氩气含量，进而影响合成系统的压缩功耗及氢氮比，因此，增氧制气后需对氢氮比指标重新核实，使合成系统处于佳反应状态。其次，发生炉采用吹风增氧制气后，若采用上吹增氧，煤气中的CO2及氩气含量都会升高。一般，入炉空气中氧体积分数每增加1%，半水煤气中氩气体积分数将增加0.04%，而惰性气含量升高不利于合成系统的生产。因此，增氧方式的选择需考虑后系统的生产。

7  结语

VPSA径向吸附塔制氧装置具有阻力低、制氧电耗低等优点，发生炉投运增氧制气后，发生炉产气量明显增加，开炉数和风机运行数量减少，用氧系统电耗和原料煤耗下降，因此，北京北大先锋科技有限公司VPSA径向吸附塔制氧装置具有明显的节电优势，是一项投资小、建设周期短、见效快的节能改造项目。