變壓吸附空分制氧應(yīng)用進(jìn)展
行業(yè)發(fā)■篡
變壓吸附空分制氧應(yīng)用進(jìn)展
卜令兵張劍鋒楊云
【四川天一科技股份有限公司變壓吸附分離工程研究所成都６１０２２５）
摘要：本文在綜述變壓吸附空分制氧在化工、冶金、環(huán)境及醫(yī)療保健領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對變壓吸附空分制氧發(fā)展中仍需解決的吸附劑、吸附器結(jié)構(gòu)、以及工藝流程進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：變壓吸附；氧氣；應(yīng)用
一、引言
氧氣是工業(yè)的重要的原料，廣泛應(yīng)用于化工、冶金、環(huán)境保護(hù)、軍事和醫(yī)療保健領(lǐng)域。傳統(tǒng)的制氧方法是深冷法，其主要優(yōu)點是氧氣純度高，并可以副產(chǎn)氮氣、氬氣；其缺點是投資大、能耗高、開停車時間長等。目前新型的制氧方法是變壓吸附法和膜法，其中由于技術(shù)本身的原因，膜法制氧的純度較低，一般在４０％以下，因此應(yīng)用局限性較大；而變壓吸附空分制氧是一種高科技含量且比較成熟的制氧技術(shù)，該制氧工藝具有流程簡單、安全、投資少、能耗低、自動化程度高、啟動時間短，適應(yīng)性強(qiáng)，制氧過程在常溫下完成，氧氣純度適中（５０％一９５％），負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍較大（３０％一１１０％）等優(yōu)點。因此，在制氧規(guī)模適中，純度要求不高的場合，變壓吸附制氧具有較大的優(yōu)勢。隨著我國工業(yè)的持續(xù)高速發(fā)展，節(jié)能降耗技術(shù)的大力推廣以及環(huán)境保護(hù)要求的不斷提高，變壓吸附制氧的市場將不斷拓展。
二、變壓吸附空分制氧的應(yīng)用
１．化工領(lǐng)域
用富氧來代替空氣造氣，可以達(dá)到節(jié)能和增產(chǎn)的目的。用富氧空氣代替普通空氣用于煤氣發(fā)生爐，不但能夠產(chǎn)生明顯的節(jié)煤效益，提高氣化強(qiáng)度，降低灰中碳含量，而且還能使一些煤質(zhì)差的煤得到利用。在化肥造氣中采用富氧連續(xù)加煤造氣，可以降低我國小氮肥的生產(chǎn)成本，目前該行業(yè)有近２０億矗的氧氣需求量。
煤炭氣化被認(rèn)為是優(yōu)于直接燃燒且利于環(huán)保的工藝，它不但可以減少ＳＯｘ和ＮＯｘ等廢氣的排放，而且還可以低成本回收二氧化碳。該工藝對象中國這樣具有大量煤炭儲備的國家來說，被認(rèn)為是一種經(jīng)濟(jì)合理的選擇，如果市場可以認(rèn)可煤氣化所生產(chǎn)的二氧化碳副產(chǎn)品能夠等同于提高了石油回收率，那么煤氣化工藝的經(jīng)濟(jì)性前景進(jìn)一步提高。目前我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略已將煤氣化工藝列為重點項目加以推廣。
許多化學(xué)品都是通過催化氧化反應(yīng)生產(chǎn)的，并且研究結(jié)果表明有十余種化工產(chǎn)品的生產(chǎn)都可以用富氧空氣代替空氣，以提高生產(chǎn)效率。另外煉油廠采用富氧再生工藝可增加催化裂化裝置和硫磺回收裝置的加工能力，同時還可提高渣油的摻煉，減少ＳＯｘ和ＮＯｘ的產(chǎn)生。
２．冶金領(lǐng)域
在高爐煉鐵領(lǐng)域，富氧鼓風(fēng)助燃已成為提高高爐產(chǎn)量和提高煤比降低焦比最有效的手段。在保持風(fēng)量不便和焦比不便的條件下，在風(fēng)中含氧２１—２５％時，富氧１％，增產(chǎn)３．３％，焦比降低５—６％；鼓風(fēng)中含氧２５—３０％時，富氧ｌ％，增產(chǎn)３％。而我國高爐的富氧率多數(shù)在０—２％，很少１９
中一工業(yè)氣體工業(yè)協(xié)會威立２０一年慶祝大會論文纂
達(dá)３％，而國外一般高爐的富氧率在５％左右，甚至高達(dá)１０％。
電爐用氧可以加速爐料的熔化及雜質(zhì)的氧化，這意味著電爐吹氧既可以提高生產(chǎn)能力又能提高鋼的質(zhì)量。對于中小型鋼廠，電弧爐煉鋼具有用氣量不大（一般在１０００—４０００Ｎｍ３／ｈ），不需氮氣，且間斷用氣的特點，變壓吸附制氧非常合適，并被廣泛采用。
平爐吹氧可以強(qiáng)化冶煉過程，縮短冶煉時間，提高平爐的鋼產(chǎn)量。實踐證明，平爐吹氧能使平爐的產(chǎn)氧量提高１倍以上，燃料消耗降低３３％一３５％，據(jù)估算，噸鋼耗氧３０．４０矗。此外，鋼鐵企業(yè)中鋼材的加工清理、廢鋼切割等噸耗氧約１１—１５４ｍ３。
銅的精煉過程采用富氧工藝可以達(dá)到增產(chǎn)和節(jié)約重油的目的，氰化浸金中采用富氧工藝可以縮短浸出時間，提高生產(chǎn)效率。
２．３環(huán)境領(lǐng)域
在廢水處理中常用活性污泥法空氣供氧，一般的空氣曝氣法氧氣利用率僅有１０％，而富氧曝氣法氧氣的利用率可以達(dá)到９０％以上。臭氧是一種強(qiáng)氧化劑和廣譜殺菌劑，并且臭氧也廣泛應(yīng)用于城市廢水排出物的深度處理，同時，國內(nèi)臭氧的應(yīng)用技術(shù)在快速發(fā)展。而臭氧的最佳氧源是富氧空氣。采用富氧進(jìn)行垃圾焚燒可降低在空氣中燃燒時所產(chǎn)生ＮＯｘ的數(shù)量，降低對人類的生殖性和免疫抑制作用，減少環(huán)境污染。
４．醫(yī)療保健領(lǐng)域
變壓吸附法制的氧氣可以到達(dá)醫(yī)用氧的標(biāo)準(zhǔn)，可以用于醫(yī)療領(lǐng)域。隨著我國醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的不斷發(fā)展，集中供氧系統(tǒng)成為醫(yī)院病房樓改造和醫(yī)院上等級必備的項目之一，而變壓吸附制氧機(jī)組結(jié)合匯流排組成的氧源系統(tǒng)具有安全可靠、控制方便、運行成本低等諸多優(yōu)點，是醫(yī)院集中供氧系統(tǒng)的理想氧源。
由于氧氣的補(bǔ)給可以改善人體的生理、生化內(nèi)環(huán)境、促進(jìn)代謝過程的良性循環(huán)，從而達(dá)到治療疾病、緩解癥狀、促進(jìn)康復(fù)和預(yù)防病變、增進(jìn)健康的目的。因此在慢性肺部疾病的康復(fù)中，慢性呼吸道疾病致低氧血癥，目前主張長期低流量氧療。家庭氧療在美國、日本等國發(fā)展很快，同時，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，以及在家用制氧機(jī)生產(chǎn)制造技術(shù)的不斷提高，家庭氧療和氧保健在國內(nèi)的市場也快速發(fā)展。目前，用于家庭氧療和氧保健的制氧機(jī)主要是變壓吸附制氧機(jī)。
５．其他
玻璃制造業(yè)利用富氧燃燒可以降低生產(chǎn)成本，降低大氣排放中的氮氧化物的含量。富氧技術(shù)還廣泛應(yīng)用于造紙業(yè)、發(fā)酵業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、水泥制造等工業(yè)。
富氧空氣作為生命保障氧源，用于航空戰(zhàn)斗機(jī)、野外軍事訓(xùn)練等國防領(lǐng)域。
三、變壓吸附空分制氧需要解決的問題
１．吸附劑
吸附劑是變壓吸附制氧的核心，吸附劑的吸附分離性能直接決定著制氧裝置的能耗、體積以及使用壽命等，因此研究高效的制氧吸附劑始終是變壓吸附制氧研究的核心方向。
變壓吸附制氧常用的吸附劑主要是ＣａＡ型分子篩，但是，該分子篩的吸附容量小，分離系數(shù)低，單位氧氣的能耗較高。因此，ＣａＡ型分子篩限制了變壓吸附制氧裝置的生產(chǎn)規(guī)模。目前，吸附分離性能較好的是鋰分子篩，其大吸附量、高選擇性、低吸附壓力的特性可以提高裝置的氧收率和分子篩的產(chǎn)率，從而降低裝置的能耗、體積和吸附劑用量。Ｂａｌｋｈ等研究發(fā)現(xiàn)，ＬｉＸ沸石的氮氣吸附容量比ＮａＸ提高約５０％，分離系數(shù)從１３Ｘ的`３倍提高到７倍。工業(yè)應(yīng)用中ＰＳＡ流程的能量消耗的決定性因素是操作壓力比，用５Ａ沸石或１３Ｘ沸石作吸附劑，工業(yè)上一般采用４及２０
行業(yè)發(fā)■篇
以上的壓力比，低于此值時，氧氣的回收率急劇下降，同時產(chǎn)品氣純度很難保持在９５％。而采用ＬｉＸ分子篩壓力比可以降至２左右。較低的操作壓力比意味著解吸壓力的提高，從而降低了真空裝置的投資和操作費用，這一點對工業(yè)應(yīng)用尤為有利。
ⅡⅨ（低硅鋁比鋰ｘ沸石）對Ｎ２有很高的吸附量，并且對Ｎ２、ｑ的選擇性比蜮（Ｓｉ／ｍ＝１２—１３）高。Ｒｅｇｅ認(rèn)為１００％Ｌｉ交換的Ⅸ（Ｈ１００％嗽）吸附Ｎ２的量是ＬｉＸ的１５倍。是目前用于空分制氧最好的吸附劑。目前美國研制的新型沸石分子篩吸附劑具有高的吸附選擇性和吸附容量，使用真空解吸法就可以得到純度為９９．９５％的氮及９９．５％的氧，而投資僅為目前變壓吸附法的１／３—１／２，能耗降低２５％一３０％。據(jù)稱用此吸附劑可以加速吸附氮氣，可分別制氮和制氧，也可以同時制氧、氮。
２．吸附器的結(jié)構(gòu)
吸附器的結(jié)構(gòu)是吸附劑效率發(fā)揮和吸附工藝得以實現(xiàn)的保障。變壓吸附空分制氧的吸附器空塔流速較高，高徑比較小，直徑較大，因此，吸附器結(jié)構(gòu)中最重要的就是氣體分布問題。吸附變壓吸附空分制氧應(yīng)用進(jìn)展器內(nèi)的理想流動狀態(tài)是平推流動，但是，普通的氣體分布器很難達(dá)到同一截面的速度和壓力的均勻，并且徑向均勻度較差，這就使得吸附床的死體積大，產(chǎn)氧率低。因此，開發(fā)具有良好的均流速和均壓力的氣體分布器可以最大限度的發(fā)揮吸附劑的效率，并可以降低吸附器的高徑比。
以往對變壓吸附的研究主要依靠試驗手段，然而，對于流速相對較低，內(nèi)部又裝有吸附劑的吸附器內(nèi)的流場，采用試驗的手段無法研究，因此，筆者通過采用數(shù)值分析的方法對吸附器內(nèi)的三維流場進(jìn)行了研究，找到影響氣流分布的原因，并在比基礎(chǔ)上對吸附器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，使得氣體分布器有了較好的布?xì)庑Ч瑸殚_發(fā)大型變壓吸附制氧裝置提供了保障。
然而，隨著工業(yè)用氧規(guī)模的逐步增加，普通的軸向流吸附器受到吸附器直徑的限制，很難滿足制氧裝置大型化的需要，而解決這一問題的方法是采用徑向流的吸附器結(jié)構(gòu)，在徑向流的情況下，吸附階段的流向是從外到里，而在解吸時的流向是從里到外。這種吸附器結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是：低的容器容積、低的死容積、低的壓力降、吸附和解吸時有利的流動方向、固定的吸附劑充填。有利的流動方向是在吸附和解吸時使氣體流量改變的結(jié)果：在吸附階段，氣體流量在從外向里流動時減少，而在解吸階段，氣體流量在從里向外流動時增加，這是吸附和解吸氮的結(jié)果。而徑向流吸附器的流動截面積正是從外到里逐步減少的。采用徑向流吸附器是變壓吸附制氧裝置大型化的必然選擇。
３．工藝流程
不同的吸附劑具有不同的吸附性能，運行時需要不同的工藝條件，因此，根據(jù)吸附劑的特性，研究適合該吸附劑吸附分離的工藝條件，可以充分的挖掘吸附劑的吸附潛力，發(fā)揮裝置的最大效率，以最低的生產(chǎn)成本獲得最大的產(chǎn)品氧氣。另外，良好的變壓吸附工藝可以降低吸附劑的失效速度，保證吸附裝置的使用壽命。
參考文獻(xiàn)
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