0 引言

變壓吸附制氧技術(shù)主要分為常壓解吸變壓吸附(pressure swing adsorption，PSA)制氧、真空解吸變壓吸附(vacuum pressure swing adsorption，VPSA)制氧、真空解吸(vacuum swing adsorption，VSA)制氧三種。其中，尤以VPSA應(yīng)用較為廣泛。近年來，隨著工業(yè)的快速發(fā)展，對氧氣的需求也與日俱增。經(jīng)過不斷改進與發(fā)展，變壓吸附制氧技術(shù)憑借投資少、工期短、開停靈活、維護方便、單位能耗低等優(yōu)勢，迅速在冶金、化工、玻璃、造紙等行業(yè)推廣，尤其在中小規(guī)模制氧過程中具有較大優(yōu)勢。

變壓吸附制氧一般采用羅茨風(fēng)機作為動力設(shè)備。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時，會影響羅茨風(fēng)機吸入氣體的量，從而導(dǎo)致吸附壓力出現(xiàn)較大波動，影響產(chǎn)品純度、流量指標。本文根據(jù)北大先鋒某制氧項目中的設(shè)備配置以及操作方法，綜合分析工藝流程，提出了產(chǎn)品氣流量、純度自動調(diào)節(jié)的實現(xiàn)方法，降低了因溫度變化造成的純度、流量波動。

1 工作原理與系統(tǒng)組成

1.1 VPSA制氧原理

空氣中的主要成分氧氣(21%)和氮氣(78%)均具有四極矩，而氮氣的四極矩(0.31?)要比氧氣的四極矩大得多。當(dāng)增壓空氣通過鋰基分子篩時，由于氮氣在分子篩上的吸附能力比氧氣大得多，因此被優(yōu)先吸附。吸附能力較弱的氧氣則穿過分子篩，在氣相中獲得富集，從而得到富氧產(chǎn)品氣。當(dāng)分子篩達到飽和吸附容量時，降低吸附塔內(nèi)壓力，使分子篩內(nèi)被吸附的氮氣得到解吸并通過真空泵排到大氣中，完成分子篩的再生并進入下一個吸附循環(huán)中。

由此可以看出，由于分子篩存在增壓吸附以及真空解吸這兩個步驟，單塔VPSA制氧系統(tǒng)的產(chǎn)氧過程是間斷的。為了得到連續(xù)、穩(wěn)定的產(chǎn)品氣，在實際應(yīng)用中一般采用多塔制氧工藝流程進行生產(chǎn)。而在多塔工藝中，兩塔工藝憑借對分子篩利用率高、設(shè)備數(shù)量少以及操作簡單等優(yōu)勢，成為常用的制氧工藝流程。另外，在需要更大產(chǎn)量的應(yīng)用場合中，四塔工藝也得到了廣泛應(yīng)用、而早期的三塔及五塔工藝隨著近年來分子篩、吸附塔及工藝流程的不斷改進，已經(jīng)逐步被市場淘汰。

為了進一步降低能耗、提高氧氣收率，除了增壓吸附和真空解吸步驟外，VPSA制氧流程還增加了均壓、清洗等步驟。VPSA兩塔制氧步驟如圖1所示。

圖1 VPSA兩塔制氧步驟

當(dāng)其中一個吸附塔處于吸附產(chǎn)氧狀態(tài)時，另一個吸附塔完成真空解吸；兩塔工藝步驟相互配合，工作狀態(tài)輪流切換。通過編制好的程序控制閥門動作，即可完成系統(tǒng)的自動運行，使兩塔周而復(fù)始交替工作。相比于單塔制氧工藝，該程序提高了系統(tǒng)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

1.2 VPSA系統(tǒng)組成

北京北大先鋒科技有限公司與某企業(yè)陸續(xù)簽訂了4套產(chǎn)量6000Nm³/h，純度90%的變壓吸附制氧設(shè)備應(yīng)用于高爐機前富氧。兩塔VPSA制氧系統(tǒng)組成如圖2所示。系統(tǒng)主要由動力系統(tǒng)、吸附系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)四部分組成。動力系統(tǒng)主要包括電動機、羅茨鼓風(fēng)機以及羅茨真空泵。吸附系統(tǒng)主要包括吸附塔、分子篩、緩沖罐。電氣系統(tǒng)主要包括高低壓供配電設(shè)備。儀表系統(tǒng)則主要由就地及遠傳儀表、可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)、手動及程控閥門等組成。

圖2 兩塔VPSA制氧系統(tǒng)組成

羅茨鼓風(fēng)機與真空泵通過工藝管道及程控閥門與吸附塔連接，分別用于完成對吸附塔的增壓送氣以及真空解吸。吸附塔內(nèi)裝填有鋰基分子篩，以完成氮氣及氧氣的分離。分離后的產(chǎn)品氧氣通過緩沖罐輸送至用氣點。羅茨鼓風(fēng)機和真空泵通過電動機帶動，由電氣系統(tǒng)進行供電。設(shè)備運行過程中，PLC控制程控閥門完成吸附塔工藝步驟的轉(zhuǎn)換，同時通過儀表監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)，對系統(tǒng)參數(shù)進行采集與保護。

2 溫度變化對系統(tǒng)的影響

以兩葉式羅茨機為例，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。羅茨機主要由殼體、葉輪以及進/排氣口等部分組成。

圖3 羅茨機結(jié)構(gòu)圖

羅茨鼓風(fēng)機及羅茨真空泵憑借其運行能耗低、占地小、流量穩(wěn)定、維護方便等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用在VPSA制氧系統(tǒng)中。根據(jù)形狀不同，葉輪又可分為兩葉式和三葉式兩種。葉輪為兩個呈“8”字形相互垂直的轉(zhuǎn)子，通過墻板支撐在機殼內(nèi)。當(dāng)電機帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，兩個垂直布置的葉輪在轉(zhuǎn)動過程中與墻板及機殼形成密封腔，不斷將氣體由進氣口吸入，通過葉輪的擠壓將氣體加壓從排氣口排出。

由上述結(jié)構(gòu)及工作原理可知，羅茨風(fēng)機為容積式風(fēng)機，每轉(zhuǎn)動一周所輸送的氣體體積由其機械結(jié)構(gòu)大小決定，如式(1)、式(2)所示。根據(jù)混合理想氣體狀態(tài)方程可知，當(dāng)環(huán)境溫度及壓力不發(fā)生變化時，其每轉(zhuǎn)動一周輸送的氣體物質(zhì)的量也為定值。而當(dāng)氣體溫度發(fā)生變化時，假設(shè)相同環(huán)境下大氣壓強不變，由于羅茨風(fēng)機吸入氣體的體積為固定值，則混合氣體的摩爾數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)溫度降低時，相同體積下氣體物質(zhì)的量升高；當(dāng)溫度升高時，相同體積下氣體物質(zhì)的量降低。

式中:p_i為第i種氣體壓強；V為混合氣體體積；T為氣體溫度；v_i為第i種氣體體積；P₀為標準大氣壓1.013×105 Pa；T₀為開氏溫度273.16 K；V_m,0為標態(tài)體積22.4×10^-3m³/mol。

在同一系統(tǒng)中，羅茨風(fēng)機每周期內(nèi)吸入的氣體量隨溫度的變化而變化。由于吸附塔內(nèi)分子篩數(shù)量及飽和吸附容量為定值，該變化會導(dǎo)致吸附壓力及產(chǎn)品流量發(fā)生變化。同時，若氣體數(shù)量超過分子篩的飽和吸附容量，則氮氣會穿過床層進入氧氣富集區(qū)，造成產(chǎn)品氣的純度下降。在該制氧項目調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，由于環(huán)境晝夜溫差的影響，在沒有人工干預(yù)的情況下，吸附壓力以及產(chǎn)品氣純度、流量存在較大波動。初始純度流量波動曲線如圖4所示。產(chǎn)品氣流量波動達到338 Nm³/h，純度波動達到2.2%。在實際運行中，純度及流量波動對高爐風(fēng)機機前富氧的控制造成了一定影響。

圖4 初始純度流量波動曲線

3 壓力及純度自動調(diào)節(jié)

3.1 原理分析

為了解決上述問題，對設(shè)備純度、產(chǎn)量人工調(diào)節(jié)的操作方法進行了分析。

如圖2所示，A、B塔通過產(chǎn)氧開關(guān)閥后匯總至緩沖罐，緩沖罐出口以調(diào)節(jié)閥控制流量最終送至用氣點。當(dāng)需要對純度進行調(diào)節(jié)時，通過改變送氣調(diào)節(jié)閥的開度，控制吸附塔A、B的吸附壓力。提高吸附壓力，使分子篩對氮氣的吸附性增強，可以提高產(chǎn)品氧氣純度；反之，增大開度，則可降低產(chǎn)品氧氣濃度。

在兩塔工藝中，A、B塔按照狀態(tài)不同在一個循環(huán)中被分為若干步，每步對應(yīng)一持續(xù)時間T。該時間T直接影響各功能的作用程度。通過增加吸附產(chǎn)氧步驟的時間，可提高吸附時長在周期中的比例及原料氣輸送量，增加產(chǎn)品氣流量；而降低持續(xù)時間則可降低產(chǎn)量。另外，在調(diào)整產(chǎn)量的同時，時間T變化也會造成吸附壓力的變化。因此，為了保證產(chǎn)品氣純度的穩(wěn)定，應(yīng)同時對產(chǎn)氧控制閥的開度進行調(diào)整。

當(dāng)然，整套設(shè)備的產(chǎn)氧能力歸根結(jié)底是由羅茨風(fēng)機的進氣量、分子篩的吸附能力及裝填量所決定的。無論任何調(diào)整方法，都不能突破設(shè)備本身的產(chǎn)氧能力。在實際應(yīng)用中，當(dāng)用氧點所需的純度、流量確定后，一般只需要對由于溫度變化造成的波動進行修正即可。

3.2 實現(xiàn)方法

通過上述分析可知，為了解決由于環(huán)境溫度變化造成的產(chǎn)品氣純度、流量波動問題，主要應(yīng)對吸附塔內(nèi)吸附壓力及吸附產(chǎn)氧步驟時間T進行控制。而控制吸附壓力則主要通過對產(chǎn)氧控制閥的開度控制來實現(xiàn)。為了完成上述操作，需要通過PLC控制程序分別完成吸附壓力、氧氣純度，定時提取，并通過對執(zhí)行條件的判斷最終完成對步驟時間以及調(diào)節(jié)閥開度的調(diào)整。

在PLC控制程序中，對A、B吸附塔內(nèi)最大工作壓力、產(chǎn)品氣純度進行定時提取記錄。若塔內(nèi)實際吸附壓力超過設(shè)定范圍，則對吸附產(chǎn)氧時間T進行加減操作，以保證塔內(nèi)吸附壓力在系統(tǒng)工作最佳范圍內(nèi)，穩(wěn)定產(chǎn)品氣流量；若產(chǎn)品氣純度超出設(shè)定值，則對產(chǎn)氧調(diào)節(jié)閥開度進行加減操作，以保證產(chǎn)品氣純度的穩(wěn)定。

3.3 應(yīng)用效果

將純度、流量自動調(diào)節(jié)功能投入運行后，對設(shè)備運行數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析如圖5所示。

圖5 自動調(diào)節(jié)純度流量波動曲線

相同時段內(nèi)，環(huán)境溫度波動范圍基本一致，與未投入自動調(diào)節(jié)功能相比，純度、流量波動均有較大改善。自動調(diào)節(jié)投入前后數(shù)據(jù)對比如表1所示。純度波動范圍0.8%，降低約61%；流量波動范圍162 Nm³/h，降低約52%；吸附壓力波動范圍2.5 kPa，降低約37%。另外，由于設(shè)備一直運行在優(yōu)化參數(shù)下，產(chǎn)量得到提升，純氧電耗也具有一定下降，表明該自動控制方案基本實現(xiàn)了設(shè)計目標。

表1 自動調(diào)節(jié)投入前后數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)論

本文以北大先鋒建設(shè)的制氧項目為例，介紹了VPSA制氧系統(tǒng)的組成及工作原理；結(jié)合理論，對在項目調(diào)試過程出現(xiàn)的環(huán)境溫度對系統(tǒng)的影響進行了分析；通過對項目現(xiàn)有工藝流程及操作方法的分析，提出了產(chǎn)品氣純度、流量自動調(diào)節(jié)方案，通過控制程序?qū)⑵鋵崿F(xiàn)并投入到實際應(yīng)用當(dāng)中；對自動調(diào)節(jié)方案投入前后的運行參數(shù)及產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行了總結(jié)。結(jié)果表明，本方案可以明顯降低溫度波動對產(chǎn)品氣流量、純度指標的影響，同時降低了純氧單位電耗，為今后同類工程解決類似問題提供了思路及參考依據(jù)。