变压吸附制氧技术的发展和应用

变压吸附制氧技术的发展和应用

马光俊

成都蔚来工程技术有限公司，四川 成都 610299

摘要：简述了变压吸附技术应用于空分制氧领域的技术优势；基于这些优势，吸附空分技术广泛应用于多个行业；随后综述了吸附制氧领域的关键技术发展并作出展望。

关键词：变压吸附；制氧技术；大型化；噪音控制

引言

近年来变压吸附制氧技术持续发展，已广泛应用于钢铁冶炼、化工、炉窑、玻璃等多个行业中，满足不同产业对于氧气的需求，推动了国内工业制氧设备的技术变革。

一、分析变压吸附制氧技术的优势

（一）运行成本低

在制氧工艺中，电源能耗量占据总运行成本的90%以上，伴随变压吸附制氧技术的优化创新，纯氧电耗从原来的0.45kW·h/m3变为现在的0.30kW·h/m3，电能消耗量得到了大幅度降低。相比于其他空分制氧技术，变压吸附制氧技术在成本方面具有明显的优势[1]。

（二）流程简洁、本质安全、易于操作

变压吸附制氧技术的工艺流程较为简洁，罗茨鼓风机和罗茨真空泵作为基础的动力设施，操作方式比较为简单，便于开展维护工作[2]。操作压力的范围在-0.5~0.5bar，不属于压力管道范畴；几乎常温操作，因此具有本质安全性。开停机方便，开机30min以内即可产出符合标准的氧气；可实现无人值守。

（三）投资低、工期短

变压吸附制氧设备主要由一体化罗茨设备、吸附设备、以及阀门切换体系等构成；设备种类、数量少，可以节约项目的一次性投资成本，且设备的占地面积比较低，还可以降低设备土建成本和建设用地的费用。同时吸附制氧设备的加工制造周期比较短暂，重要设备的加工周期不会超出4个月，一般状况下6个月内就可达成产氧目标，大大降低了设备的建设时间。

（四）维护简单

变压吸附制氧技术应用的设备比较少，包括鼓风机、真空泵和程控阀门等全，这些设备的备件便于更换，可以实现量化生产。可以大幅度降低生产成本，对后续的工期进行严格管控，同时设备维修方法较为简单，售后便捷。

（五）便于调节负荷

通过并联、变频、程序时序控制等技术手段，可以方便调节装置产量和纯度，把纯度调在70%~95%，通过对变压吸附制氧设备进行联合使用，可以对负荷进行有效调节。

二、变压吸附制氧技术的应用领域

如上分析，在用氧纯度≤93%的领域，变压吸附较其他制氧技术路线都有比较明显的经济技术优势；因此近年来已广泛应用于冶炼、炉窑节能等行业。

（一）钢铁行业

钢铁行业对氧气的需求量最大[3]，转炉炼钢、电弧炉炼钢及高炉炼铁都要用氧气，除转转炉需要纯氧以外，其余通常要求纯度为93%以下的氧。针对小型钢厂的电弧炉，最适宜选用副边吸附制氧装置。对高炉炼铁，近年来特别是近五年，国内各大钢厂对变压吸附机前富氧技术出现了爆发式增长。这种增长一方面来源于原设计的全厂氧气平衡配给高炉的氧气偏少，富氧率普遍偏低，对富氧的需求存在刚性需求（富氧量提高1%，则产能将至少增加3%，增加喷煤20kg/t）；另一方面各钢厂的既有深冷设备逐年老化、单位氧气成本较高等因素也是造成近年钢厂吸附制氧装置持续增长的推动力。

（二）有色冶金行业

有色冶炼是国内变压吸附制氧较早涉足的行业，几乎成为了该行业用氧的标准配置[4]。传统的来说，多数冶金过程对氧的纯度要求不太高（85%或90%）、压力也不太高（2~5bar）、装置规模也不太大（2000~10000Nm³/h）；变压吸附制氧装置配置灵活、占地小、运行费用低的优点较好地适应了有色冶金行业的要求。近年来对各类电池等有色金属回收装置逐渐增多，该类工厂对制氧的需求与传统的有色冶炼需求类似，因此变压吸附在该类行业有较好前景。必须注意到，近一两年，随着国内有色行业向全球扩展随之产生的超大规模用氧需求，一方面刺激了变压吸附制氧行业的增长同时也对变压吸附大型化提出了更高的要求。

（三）化工行业

变压吸附在化工行业有悠久的应用历史，比如各类驰放气提氢装置、变换气脱碳装置。但目前吸附制氧在化工行业的应用并不多。国内目前仅有较少的应用案例。目前的煤造气主要采用的是深冷制氧工艺，主要原因是煤造气特别是煤造工艺气，要求氧气纯度尽量高（惰性气少）以减少后续工段的装置规模。一个需要注意的趋势是，目前越来越多的煤造气特别是煤造燃料气工艺，由于变压吸附制氧技术的上述优势，倾向选择变压吸附制氧工艺。

（四）玻璃窑炉

国内玻璃窑炉生产主要采取富氧燃烧技术，因为富氧燃烧技术可以降低氧气吸取的热量，节约燃料、减少带其中的污染物排放量等优势，因为玻璃窑炉的特殊性质，可以将变压吸附制氧设备应用于玻璃窑炉，综合液氧储罐备用体系，可以满足玻璃窑炉的生产需求。

三、变压吸附制氧技术的具体发展

变压吸附制氧技术出现于20世纪60年代，在20世纪80年代初，美国和欧洲也先后进行了产业化。20世纪90年代初期，业内研制出了锂分子筛制氧吸附性材料，并根据锂分子筛的特点发展了VPSA制氧工艺，变压吸附制氧双塔最大幅度突破了3000Nm3/h以上，制氧电量成本也低于了0.35kW·h/m

3，使变压吸附制氧技术得以迅速发展，并为其的普遍应用提供了坚实基础。

近几年，随着新工艺、新设备的开发及制氧工艺的优化，变压吸附制氧电耗最低已降到0.3kW·h/m3以下，配套罗茨设备的双塔制氧能力最大规模达到了6000Nm3/h以上，如果配套离心设备，已有的双塔规模已达到10000Nm3/h。变压吸附制氧成本逐步下降、规模逐年增大、可靠性进一步提升，进而推动了该技术应用范围的进一步扩大。

国产变压吸附制氧设备发展初期，部分产品出现了风机噪声大、故障率高、切换阀故障量特别高以及分子筛催化剂易粉化等各种问题。目前在该领域，工艺设计和设备选型中依然存在很多难点，主要体现在以下几个方面：

（一）高效吸附剂

吸附剂是吸附装置的核心材料，所有工艺包的开发、工艺路线的配置均应围绕吸附剂的性能来展开[5]。2000年前主要采用的是5A分子筛，配套这类吸附剂通常采用高压PSA流程。由于这类分子筛操作压力较高、分离系数较低从而收率较低，因此其能耗也较高。目前已较少采用该类吸附剂和PSA流程。2000年左右国内研发生产出锂基分子筛，这类分子筛由低硅铝比X型分子筛交换锂离子得到；该型分子筛具有操作压力低、氮气吸附量大、稳定性较高、吸附速度快、氮氧分离系数高等优点。与该分子筛配合的VPSA流程具有常温常压操作、能耗大幅降低等显著优势，一经推出便迅速占领了吸附制氧领域的市场；目前主流的变压吸附工艺还是继续沿用其核心工艺包。由于近两年碳酸锂等分子筛原材料大幅涨价，钙基分子筛作为一个备用的替代方案越来越得到行业的重视。同时，其他改性或不同机理（如MOF材料）的新材料也值得行业持续投入研发。

（二）吸附塔

VPSA工艺由于低压操作，因此吸附塔气体体积流量很大，这对吸附塔的几何结构设计提出了严峻的挑战。目前吸附塔的结构型式主要有轴向塔和向心径向流吸附塔两类。由于流化速度的限制，轴向吸附塔通常直径都会很大，例如500Nm³/h的制氧装置，轴向塔的直径达到φ2200mm；同时由于压力降和吸附剂装填总量的限制，其直筒段又会较小（如1.3米左右）；按工艺要求的吸附塔呈现出高径比极低的扁平状。由于整个吸附塔的阻力降主要在分子筛层，因此这种结构的流场分布并不会受到较大的影响，对吸附性能有较大影响的是其上下封头死空间的不利影响。因此改进结构降低死空间是此类吸附塔的研究重点。另一方面，随着制氧规模的扩大，轴向塔直径急剧增大，给生产制作都带来困难；径向塔应运而生[6]。根据径向塔流动规律，低压气体流动适宜采用向心π型径向流吸附塔。目前国内2000Nm³/h的制氧装置基本上全部采用该型吸附塔。该型吸附塔具有大型化、阻力低等优点；随着技术要求的提高，目前径向吸附塔的研究热点在进一步提高高径比、异形几何结构的设计优化、吸附剂压紧、进一步减小死空间等方向。

（三）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，这一特点需要相应的鼓风机和真空泵必须具备以下一些特性：一是鼓风设备的排气或真空设备的抽量不会随着设备出口（或进口）压力的改变急剧发生变化，否则气体流量的急剧改变，势必干扰吸附床的正常运行；二是从节能的角度出发，由于其配套设备的功率，要随着排出压力或吸气压力的改变而同比例改变，因而在气压不断改变的环境中，设备并不能一直保持在高能耗的水平；三是从系统稳定性的方面考虑，系统必须在极短时间内大幅度改变的状态下安全运作，而且故障率较小。目前，可以同时实现上述几个功能的鼓风机和真空泵，只有罗茨式的鼓风机和真空泵，目前的主流工艺也是采用一体化罗茨设备作为装置的主动力设备。必须看到，随着大型化制氧需求日益增长，罗茨设备的局限性日趋突出。如何采用离心设备同时又能避免上述不利特性越来越受到人们的重视，是目前该领域研究的热点。

（四）程控阀门

除动设备外，程控阀是变压吸附制氧装置的主要运转设备。由于其运行工况十分严峻（如启闭时间要求＜1秒，年开关次数100万次），往往成为装置的主要故障点。目前该行业的阀门主要采用两偏心蝶阀，也有部分厂家选用三偏心蝶阀；随着阀门技术的成熟，蝶阀的故障率逐渐降低，主要故障点集中在阀门执行机构上。对于大型蝶阀（如DN800及以上），由于气动执行机构内部采用拨叉式结构，故障率较大，由于气体的可压缩性，执行机构的响应时间也较慢。因此配套变压吸附制氧的阀门采用液压执行机构可有效较低故障率，提升整套系统的可靠性。

（五）噪音治理

变压吸附制氧设备具有一定的优势，其得到了广泛应用，但噪音问题日益严重。该装置的噪音主要表现在动设备噪音和气动噪音两方面；气动噪音多为高频噪音，治理方案成熟。在采用罗茨设备作为动力设备，特别是多套设备并联运行时，装置存在明显的噪音较大的弊端。因为罗茨鼓风机所产生的最大噪声是低频噪音，所以解决起来就困难了很多。通过几年的科研发展与施工经验，目前建立了一个完善的噪声治管理方法，其中罗茨鼓风机排放噪声及空气振动处理方案、罗茨真空泵排放噪声及其水分分流处理方案、厂房内综合消声与通风处理方法。通过采用这一整套的治理方式，其噪声水平明显降低且投资成本可控。另一个角度来说，这些会促使行业研发离心式或其他低噪音设备替代罗茨设备。

结束语

综上所述，变压吸附制氧技术在国内各行业生产中得到了广泛应用，发挥了重要的作用。伴随制氧工艺的优化改进，可以进一步提高制氧的生产效率、推动产业的节能减耗。

参考文献：

[1]马小轩.真空变压吸附制氧与液氧汽化供氧的经济分析[J].深冷技术,2017(04):57-61.

[2]黄健,张涛俊.真空变压吸附制氧与深冷法的比较[J].石化技术,2015,22(07):6-7.

[3]赵刘强.变压吸附制氧与机前富氧在高炉富氧上的应用[J].冶金能源,2018,37(05):8-10.

[4]李鹏.大型变压吸附氧气分离法在冶金生产中的应用[J].世界有色金属,2019(02):12-13.

[5]李勇,王世锋,吴琪,赵董叶,李鑫,周倩玉.变压吸附制氧分子筛材料研究发展现状[J].现代化工,2021,41(08):68-71.

[6]史怡坤,李瑞江,朱学栋,方海灿,朱子彬.真空变压吸附制氧径向流吸附器的流动特性模拟[J].过程工程学报,2021,21(01):18-26.