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关于变压吸附制氧设备现状与应用

添加时间:2014-08-13 00:14 浏览次数:

一、变压吸附制氧简介

变压吸附制氧以其启动快-能耗低、操作简单、负荷运转调整范围大及维修简单等特点,已经广泛应用于有色金属冶炼(炼铜、炼锌、炼铅、炼金、炼镍、钛 白粉等)、黑色金属冶炼(高炉富氧喷煤炼铁、电炉炼钢等)、富氧燃烧(工业锅炉、玻璃炉窑、电解铝)、化工造气(合成氨、甲醇、乙烯、乙二醇生产等)、医 疗领域和污水处理(富氧爆气)、纸浆漂白、双氧水生产、化学中各种氧化、水泥工业铁氧水泥、耐火砖制造、臭氧发生器、水产养殖、碳黑生产、医用保健等。

变压吸附制氧已经被广泛推广和应用。特别是在今天国家对产业经济下决心宏观调控的大气候下,企业要生存要发展,就要节约能耗、降低成本。而变压吸附制氧在节省总体投资、减少占地面积、节约能耗、降低成本上有他独特的优势。

八十年代以来,随着变压吸附制富氧技术的成熟,在无须高纯氧气的场合,变压吸附法已成为世界上获取低成本氧气的主要方法。国内变压吸附制氧的发展, 虽然起步晚,但发展速度却很快,短短的时间已经完成了装置从小型化到大型化的发展,并且技术成熟、稳定、先进。随着新型高效变压吸附制氧分子筛吸附剂的研 制成功和国外新型吸附剂的引进,使国产变压吸附制氧装置的能耗指标达到了≤0.35kwh/ m³,接近和达到了国外先进装置的水平。国内已经先后有上百套变压吸附VPSA制氧装置投产使用或在签约制造中,设计和制造能力也已达到 35000m³/h纯氧,纯度≥90%。已经成功运行的最大装置12000NM³/hO2,能耗是0.35KWh/ M³O2,运行平稳可靠,并可变工况调节运行,如产量(大中型装置)可做多工况调量运行、纯度可在65%∽93%之间调整,并且产量调量运行时能耗基本不 增加。 变压吸附制氧分高压吸附常压解吸(PSA)和常压吸附真空解吸(VSA)及低压吸附真空解吸(VPSA)三种工艺流程。其实三种工艺流程只是操作压力稍有 差异,本质都是一样的。而低压吸附真空解吸的VPSA流程能耗标准又是最低的,并且装置稳定、可靠、经济、工艺先进,代表着PSA发展的趋势,所以现在采 用的和通常所说的变压吸附制氧装置一般都是VPSA装置。本公司推荐和采用的也是这种VPSA装置。

本公司所掌握的制氧机技术,并经技术人员的进一步开发研究,兼纳并容,吸取其他制氧机企业的经验和教训,形成了自己的一套新技术、新工艺,技术先 进、工艺可靠。 VPSA制氧工艺的研究与开发已经成为公司发展的主要方向和重点。公司着力研发新型高效径向流吸附塔和脱氩工艺,以求VPSA工艺更上一层楼,进一步降低 能耗,提高装置的性价比,提高市场竞争力。

二、变压吸附制氧的应用

1.变压吸附制氧在黑色冶炼中的应用 变压吸附制氧在电炉炼钢方面已经有许多成功的经验和实例。 我们分析一下电炉炼钢的特点:电炉炼钢本身是在用废钢为主原料来炼钢,电炉炼钢主要是靠电弧来熔化废钢,氧气只是在电炉冶炼过程中助熔和停电吹氧脱碳过程 中产生化学热,来提高冶炼温度,因为主要是靠电弧熔化,氧气只是辅助,因此对氧气纯度要求就不高(实际上电炉炼钢不用氧气也能炼钢)。

转炉炼钢则不同,主要材料是高炉铁水,高炉铁水进入转炉后必须吹入高纯度的氧气充分燃烧除去铁水的中Si、S、P、Mn等杂质,才能还原成钢水。由 此可见在转炉炼钢中氧气的作用非常大,所以对氧气纯度要求相对较高。有资料显示,转炉炼钢要有99.2%纯度(合格品)的氧气(一般深冷制氧机把氧气纯度 都做到了优质品级99.6%)。但是没有任何资料显示电炉炼钢必须要有99.2%纯度的氧气。本公司常年从事制氧机方面的制造供应和安装调试工作,与全国 多家钢铁设计院都有密切的工作联系,对于这个问题,本公司咨询过有关专家,得到的答案是变压吸附可以进行电炉炼钢,同相关的理论资料一样,没有说必须用 99.2%纯度的氧气才能电炉炼钢。实际上多家在用变压吸附制氧炼钢的厂家,现场使用的氧气纯度都是91%~93%之间。

2.变压吸附制氧在有色冶炼中的应用 随着国家产业结构的调整,有色冶炼在近几年发展很快。在采用氧气底吹炼铅、炼铜、炼锌、炼锑的工艺流程中和氧气浸出炼金、炼镍工艺的冶炼厂中不少厂家已经 开始使用变压吸附制氧机。 钛白粉生产线也可以采用富氧在高温高压下与TICL4反应生产钛白粉PIO2(使用氧气纯度≥90%)。

下面着重谈谈变压吸附制氧机在富氧底吹炼铅工艺上的应用 设计院在四年前的富氧底吹炼铅工艺中关于制氧机提出的要求是95%纯度的氧气,95%纯度的氮气。这个95%纯度的氧气正是现阶段变压吸附制氧机的极限。 这个门坎的设定限制了变压吸附制氧机的使用范围。通过多年来的实践,现在设计院提的参数是85%纯度的氧气,90%纯度的氮气。这个纯度试验已经在一些冶 炼厂的实际操作中得到佐证。说明设计院对变压吸附制氧机的态度已经是务实和认可。笔者四年前在某家炼铅公司看到设计院关于制氧机的推荐:“深冷机运转可 靠;变压吸附需定期补充分子筛。采用变压吸附制氧机需要两套装置。”设计院的推荐中没有出现“变压吸附制氧不能采用”的字眼。设计院认为变压吸附产品单 一,能制氧不能同时制氮,炼铅炉氧枪喷射同时要用氮气保护,要制氮需要再上一套装置。

设计院的观点是基于对原来变压吸附制氧机概念上的观点,实际上变压吸附制氧的技术发展是很快的,可靠性问题主流是肯定的。制氮也不一定需要上第二套 装置,变压吸附制氧可以利用真空泵解吸出的氮气再做少量回收处理,回收氮气的产量和纯度也能达到保护气的要求,并且回收氮气增加的能耗加上制氧的能耗也低 于同等产量深冷机的能耗指标。尤其体现在中小型变压吸附制氧设备上,这样做氮气回收处理更有可操作性。

我们常常可以看到这种现象,新上项目试车阶段和项目完成以后种种原因不能满负荷生产,频繁开停制氧机,这对深冷机来说不仅造成水电浪费,而且还有损 设备寿命。实际上大家都知道有色冶炼需要混氧鼓风,不需要纯度太高的氧气,采用变压吸附制氧机应该是很合适的,既方便操作,又减少了电费,既经济又实用。 深冷机和变压吸附制氧机只是适用场合不一样,用户应该从自身经济和实用角度考虑选择机型。

3.变压吸附制氧在富氧燃烧领域中的应用 空气中氧气含量为≤21%。工业锅炉及工业窑炉燃料的燃烧也是在这样空气含量下进行的工作。实践表明:当锅炉燃烧的气体氧气量达到25%以上时,节能高达 20%;锅炉启动升温时间缩短1/2-2/3。而富氧是应用物理方法将空气中的氧气进行收集,使收集后气体中的富氧含量为25%-30%。将这部份的富氧 气体以二次风的方式送入锅炉或窑炉,可增加炉内整体或局部氧气含量,减少炉内整体空气过剩系数,有效降低由于空气过剩系数大时过剩的空气系数将热量带走, 降低排烟温度。由于富氧的增加,可以提高着火的条件,燃烧完全,在节能的同时也保证了环保的效果,符合国家节能减排的要求 3.1富氧助燃技术的优点:

3.1.1增加热能利用率,提高火焰温度,从而达到节能降耗的目的。例如:玻璃窑炉可节能5-15%,提高产量5-10%。工业锅炉可节能5-15%。

3.1.2降低空气过剩系数,减少排烟量,降低排烟黑度,减少环境污染。

3.1.3设备整体性好,安装方便,效果好,投资回收快。 3.1.4安装周期短,见效快。 3.2富氧燃烧应用的范围 3.2.1工业燃烧锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉

3.2.2垃圾焚烧炉

3.3.3窑炉:如玻璃窑炉、水泥炉、陶瓷炉

4.变压吸附制氧在化工造气中的应用 我国合成氨、尿素产业也已经采用变压吸附制氧产生富氧造气。目前为止,型煤技术以及富氧连续气化还未能在全国同行业全面推广,但是富氧连续气化的优势是存 在的,对合成氨工业的发展也是具有意义的,尤其中小氮肥厂采用型煤+变压吸附制氧+富氧连续气化组合模式对间歇制气合成氨工艺进行改造的发展前景是乐观 的。合成氨富氧连续气化需要的氧气纯度大约50%左右。

变压吸附制氧在煤制甲醇(德士古水煤浆加压气化)中已经得到广泛的应用,不少煤化工企业已经不单单纯粹从环保的角度而使用变压吸附制氧,而是让它真正产生经济效益,既环保又节煤而且增加甲醇产量,而这个环节使用的富氧纯度只要50~60%就够了。

还有乙二醇、药物中间体等化工项目也在使用变压吸附制氧设备。 石脑油分解、碳黑生产也可以使用变压吸附制氧设备。 5.变压吸附制氧在造纸中的应用 造纸工业氧气蒸解、漂白、黑液氧化等也需要变压吸附制氧机。

随着国家对造纸工艺环保要求的升级,对纸浆(包括木浆、苇浆、竹浆)白的要求也越来高,原来采用有氯漂白的纸浆生产线要逐步改造成无氯漂白纸浆生产 线;新上纸浆生产线要求采用无氯漂白工艺,纸浆漂白也不需要高纯度的氧气,采用变压吸附制氧机生产的氧气符合要求,既经济有环保,所以造纸业采用变压吸附 制氧也有着广阔的前景。90%以上的造纸业都是由我公司供货。

三、变压吸附制氧机与低温深冷制氧机对比

用6000NM³/hO2和3600 NM³/hO2两档常用的制氧装置对变压吸附制氧机与低温深冷制氧机做一个使用和经济性对比

1. 经济性对比

1.1.6000NM³/hO2空分制氧装置对比 6000NM³/hO2空分制氧装置,低温深冷法制氧电耗为0.52 KWh/ M³O2,启动时间36h;变压吸附制氧电耗为0.35 KWh/ M³O2,启动时间0.5h;年开工率按8500h计算,我们可以直接计算出用变压吸附每年比低温深冷法节电: (0.52-0.35)X6000X8500=8670000(KWh),电价按0.56 元/ KWH计算,每年节约8670000X0.56=4855200元,即约四百八十六万元。这是每年运行节约的电费,如果加上水耗、装置启动和停车费用、氧 气放散损耗、维修费用、备品备件、人工工资及贷款利率等方面的费用,每年变压吸附制氧运行成本要比低温深冷法运行成本节约资金五百八十万元以上。

请注意,我们电耗的计算是同等规格装置折合成100%纯度氧的电耗,如果低温深冷法99.6%的纯度折合成100%纯度氧的话,能耗又要在0.52 KWh/ M³O2基础上增加4%。由此可见两种制氧方法能耗差异。

1.2.3200NM³/hO2空分制氧装置对比 3200NM³/hO2一挡的空分装置比照以上的计算方法,低温深冷法的电耗为0.55KWh/M³O2,变压吸附每年比低温深冷法节电: (0.55-0.35)X3200X8500=5440000(KWh),折合人民币约节约三百一十万元,加上以上计算的各种费用节约,每年变压吸附制氧 运行成本要比低温深冷法运行成本节约资金四百二十万元以上。 2.检修对比 变压吸附在设备开停机和机组检修方面也比低温法制氧机有优势。

以上我们只是做了两档空分装置运行成本上的比较,实际上变压吸附开机只需要0.5h,检修也能在很短的时间完成,一般情况也不需要花费整天的时间。 而低温制氧机开机和停机(加温吹除)都要36h;机器故障和分馏塔故障检修也要花费很长的时间,特别是大扒砂和装砂更要花费大量的人力物力。

3.投资对比

装置上马后总体上的投资变压吸附法也比低温深冷法节省一些。因为采用变压吸附法占地面积、土建施工和设备数量都有节省,在这上面低温深冷法是不具备 优势的。 有投资方提出专用分子筛价格偏高,1t就要十几万,虽然10年一更换,但更换费用也很大。我们简单比较一下:6000 NM³/hO2空分制氧装置,变压吸附运行一年节省580万,运行十年就节省5800万,更换一次专用分子筛花费1000多万,还节省下4000多万;低 温制氧机按现在普遍采用的4小时切换流程平均4年更换一次分子筛,运行10年更换分子筛费用约380万,更换费用是少,但是低温机运行10年要多花费 5800万运行费用,这个经济账已经很明白了。

根据国内在用的制氧机评价材料证明,5000NM³/hO2以下制氧机,低温法制氧机除了有可生产副产品液体的优势外相对变压吸附优势已经不明显。 而根据现国内陆续投产的几套大型变压吸附制氧装置使用资料显示,10000NM³/hO2以下制氧机组,低温制氧机与变压吸附也是优势互存。但在装置大型 化上低温制氧机的优势还是明显的,国内已经能做到83000NM³/h,国外也已经能做到100000NM³/h。变压吸附因为受主机制造质量和容量的影 响,也受大口径切换蝶阀制造难度和新型高效吸附塔开发研究滞后等原因影响,目前还做不到这样大的装置。特别是新型高效吸附塔的研究,有待进一步突破。高效 吸附塔一旦有突破的话对装置大型化会有革命性的帮助,并且还会对国外制造商的变压吸附制氧机产生不小的冲击。在这方面国外制造商已经走到了前面,国内同行 也已经在尝试了,但工业化的报道还没有见到。另外专用分子筛吸附剂也需要进一步开发研究,降低成本,提高性能,降低能耗,提高性价比。还有大家都面临的一 个重要课题,就是尽快研究出脱氩新技术和新方法,能早一天进入可操作阶段,就会使氧气纯度得到显著提高,变压吸附装置就会上一个新台阶。

如果在脱氩技术上能实现突破,变压吸附就会对低温深冷机产生严峻的挑战,它的使用市场也就会更加广阔。 四、关于变压吸附制氧机的稳定性 随着变压吸附制氧越来越多的使用,一些单位对变压吸附制氧的稳定性提出了一些质疑,特别是一些长期使用深冷制氧机和从事深冷制氧机制造的单位认为变压吸附 制氧稳定性差,连续性差。我们针对这些疑问做些分析。

稳定性问题不外乎两方面:

1.产量和纯度的稳定性

1.1分子筛性能影响

变压吸附产量和纯度使用会越来越低,我们认为可能出现的这种情况,与使用分子筛的质量、工艺装备水平及用户的操作都有一定的关系。 一些在运行的国内和进口的变压吸附制氧设备, 发生这种现象的装置中,使用分子筛的质量占据主要地位。分子筛是变压吸附的核心,分子筛性能优略和使用寿命的长短对产量和纯度的稳定性影响是直接的。 比如采用老5A分子筛的设备,问题就稍显突出些。使用年限和寿命比现在普遍采用的LIX分子筛就差了许多。有的用户本身上项目追求的就是短期效应,只求低 价,上马快,设备早投产早见效益,就采用5A分子筛,不考虑运行成本和后期产量的稳定性问题,这种选型的设备稳定性就差一些。

采用LIX分子筛的用户是占了大多数的,特别是在大中型设备上,它的优势比较明显。采用LIX子分子筛,可以提高氧气提取率,有效降低能耗和减少分 子筛的使用量,设备数量和占地面积也在减少,可靠性和经济性都比较强。因此采用5A分子筛的设备市场占有率在逐渐缩小, 采用LIX分子筛的设备在占据主导地位。

即便采用的都是LIX分子筛,因为制造工艺和配方的不同,性能指标也有所不同。这在国内运行的设备中已经看到了使用效果上的差异,从用户反馈回来的 信息中也得到了印证。即便是国外的专用LIX分子筛也需要在性能质量和使用寿命上下些功夫,在笔者看到的国外设备中也同样存在分子筛寿命的问题。它昂贵的 价格使得用户在添加或更换它的时候显得犹豫,用户希望分子筛寿命不只是十年,应该更长。所以提高分子筛性能也有助于提高产量和纯度的稳定性。

1.2阀门可靠性 阀门频繁切换,密封圈的使用寿命等对产量和纯度的稳定性也有影响。阀门长期使用,有时候也会产生执行机构开启不灵活,阀板关不严,或者密封圈达不到使用寿 命要求,提前产生磨损而导致密封不严等现象,这些原因会引起泄露,导致保压保不住均压均不了,引起工况不稳,影响产量和纯度的稳定性。考虑到阀门的重要 性,我公司阀门全由日本进口、瑞典执行机构。

1.3吸附塔结构性能 吸附塔的结构设计,也是影响分子筛的使用效果,影响产量和纯度的稳定性影响至关重要的一个因素。 国内的吸附塔结构普遍采用的是轴流式吸附床结构,这是目前的主流。这种吸附床的优点是结构简单,制造费用低,缺点是进气和排气对床层的冲击比较大,容器死 隙比较大,设备体积也大,对气流分布计算要求比较严。因为这种吸附塔直径超大,频繁的正压进气和负压抽气造成大直径孔板的震动,会引起丝网松动、破裂,导 致分子筛粉化、流化。这种进排气方式,分子筛老化和粉化过早出现的概率就相对大一些。这种老化和粉化过早出现的现象在国内和进口设备采用轴流式吸附床结构 的装置中都曾经发生过。

但是国内的供货商已经在致力研究和开发高效吸附塔了,尤其在径向流吸附塔的研究和开发上已经倾注了很大的精力,已经在尝试了,相信这种高效的径向流吸附塔在不久的将来就会打破外国人的垄断而被国人所掌握。

有技术开发上的原因,也有设备造价的原因,国内的吸附塔结构恐怕还要有一段时间要沿用这种结构。在没有大的结构设计突破的情况下,合理优化,解决好 气流分布和孔板强度问题,把好制造关,这样稳定性问题也会有长期的保证。 随着使用年限的增加,因为流程组织和采用分子筛性能不同,用户操作使用和维修保养效果也不一样,个别机组存在这种产量和纯度降低的现象。即使有产量和纯度 降低的装置,有限的降低对整套装置的使用不会造成太大的影响。对于国产机有充足富裕量的优点来讲,又是对产量和纯度降低的一种补充。况且分子筛供货商对分 子筛的质量和使用寿命也有承诺:正常使用,十年之内因为分子筛质量原因引起产量和纯度降低,供货商免费更换或添加。

2.装置运行的稳定性 装置运行的稳定性对供货商来说是靠程控系统和装备质量来保证的,对用户来说则是靠正确的操作和维护保养来决定的。

2.1程控系统 程控系统采用的是PLC控制系统,国内这方面做得已经很成功,应用也非常普及广泛,这方面已经没有太多的问题。

2.2装备质量 装备质量的问题就比较复杂。

五、关于投资变压吸附制氧机的建议

1.关于投资变压吸附制氧机的建议 从2002年开始,国家开始对五个行业进行宏观调控,对企业投资的限制更加严格,规定了种种底线,特别是对高能耗、低附加值的中小型企业国家发改委的态度 很明确。多年的宏观调控现在已经大大的见效,中小型企业大面积地停产缩水,即便是国家保护的一些大型企业也受到大气侯的影响,在保本和亏损之间徘徊。在这 样的大气候下企业要生存,除了在产品品种和质量上下功夫外,还要靠挖内功向管理向成本要效益。采用变压吸附制氧符合国家发改委节能减排和企业降低成本的要 求,符合国家和企业长期发展的根本利益。习惯了低温深冷制氧的企业,认为它有技术含量,并且操作了多年非常熟悉,有感情;认为变压吸附是个“傻瓜”机型, 技术含量不高。本人走访过不少炼钢企业,很多搞制氧的都有这样的感觉。生产线上的同志也是习惯了使用高纯度的氧气,认为纯度高速度才快。实际上这是一个误 区。纯度高低与制氧成本是有关系的,与生产线成本更有关系,这在前面我们已经做了阐述。

我公司从2002年开始对变压吸附制氧设备进行设计制造。变压吸附制氧技术近几年发展得很快,一部分投资者还停留在四、五年前对变压吸附的认识上。 这个认识在当时反映了的变压吸附客观状况,但在今天已经落后于现实了。当时因为受关键技术的制约,工艺落后、装置小、能耗高,最大也只能做到 1000NM³/hO2,能耗≥0.5KWh/M³O,大多还是实验产品,稳定性差,问题较多。而现在随着制造技术瓶颈的突破,国内专用分子筛的研制成功 和国外专用锂分子筛的引进,使得能耗大幅度降了下来,由原来的0.5 KWh/ M³O2降到了0.35KWh/M³O2;专用切换蝶阀的研制成功和国外切换蝶阀的引进,使机组运转的平稳性得以大大改善,机组运转安全、平稳、可靠,工 艺水平也大大的提高了,今天的变压吸附,已经具有了国际水平的能耗指标和工艺水平。 现在很多投资人已经改变了对变压吸附的传统观念,已经认识到了变压吸附的优越性。所以,国内的变压吸附制氧技术是可以信赖的,装置是可以放心使用的。