摘 要 二十世紀(jì)六十年代，隨著相比于傳統(tǒng)深冷法空分制氧更加節(jié)能的變壓吸附制氧技術(shù)的問(wèn)世，其逐漸在眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，尤其在近三十年，在鋼鐵、有色金屬冶煉、化工、環(huán)保、水泥、玻璃纖維等行業(yè)上得到迅速普及。2020年由北京北大先鋒科技股份有限公司為山東某企業(yè)承建的ZO-2200/93變壓吸附制氧裝置，為國(guó)內(nèi)首套用于全氧窯爐生產(chǎn)泡花堿的VPSA制氧裝置，設(shè)備一次開(kāi)車(chē)成功標(biāo)志著變壓吸附制氧技術(shù)在又一新領(lǐng)域得到應(yīng)用。變壓吸附制氧裝置具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠，啟動(dòng)時(shí)間短，負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活，運(yùn)行能耗低，自動(dòng)化控制程度高，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守等優(yōu)點(diǎn)，取得了極高的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。本文將簡(jiǎn)要介紹其在泡花堿行業(yè)中的應(yīng)用及發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞 變壓吸附制氧 國(guó)內(nèi)首套 全氧窯爐 泡花堿

1 變壓吸附制氧技術(shù)

變壓吸附制氧是利用空氣中各組分在不同的壓力下在吸附劑上的吸附能力不同，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中各種氣體進(jìn)行分離的一種非低溫空氣分離技術(shù)。始創(chuàng)于上世紀(jì) 60 年代初，近十幾年來(lái)，變壓吸附制氧法在我國(guó)發(fā)展迅速，因其與傳統(tǒng)的深冷法相比，在中、小規(guī)模并且氧氣純度要求不高的場(chǎng)合具有優(yōu)勢(shì)而被迅速普及。

空氣中的兩個(gè)主要成分氮與氧均具有四極矩，但是氮為0.31?，相比于氧的0.10?要大許多，使得氮?dú)馀c沸石分子篩表面的粒子作用力更強(qiáng)，因此其在分子篩表面的吸附能力強(qiáng)于氧氣。與此同時(shí)隨著壓力的升高，氮吸附能力的增量要高于氧。因此，將空氣經(jīng)過(guò)加壓通過(guò)裝有分子篩吸附劑的固定床吸附器時(shí)，大量的氮?dú)馀c少量氧氣被分子篩吸附，剩下的氧氣在氣象中富集后流出吸附塔。當(dāng)分子篩吸附氮?dú)饨咏柡蜁r(shí)，停止通入空氣并降低吸附塔內(nèi)的壓力，吸附的氮?dú)鈴姆肿雍Y中解吸出來(lái)排出吸附塔，從而實(shí)現(xiàn)氧氣與氮?dú)獾姆蛛x，同時(shí)吸附劑也得到再生以備進(jìn)入下次循環(huán)。兩臺(tái)或更多的吸附塔輪流切換進(jìn)行上述工作，便可連續(xù)生產(chǎn)氧氣。

目前在生產(chǎn)規(guī)模相對(duì)較大的工業(yè)用氧場(chǎng)合中，真空變壓吸附法，即VPSA（Vacuum Pressure Swing Adsorption）法制氧得到了廣泛應(yīng)用。VPSA 循環(huán)一般由吸附、順向放壓、抽空解吸、沖洗置換、均壓升壓等步驟組成，主要設(shè)備包括羅茨鼓風(fēng)機(jī)、羅茨真空泵、吸附器、切換閥、儀控系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、儀表空氣系統(tǒng)等，其基本流程如下：

空氣經(jīng)進(jìn)氣過(guò)濾器除塵后，經(jīng)由羅茨鼓風(fēng)機(jī)，送入交替使用的分子篩吸附器，用以從空氣中分離氧氣。分子篩選擇性的吸附氮?dú)狻⑺?、二氧化碳及碳?xì)浠衔锏入s質(zhì)，而讓氧氣和氬氣通過(guò)從而獲得產(chǎn)品氣體。當(dāng)分子篩吸附一段時(shí)間后，其被所吸附的分子所飽和，此時(shí)通過(guò)切換程控蝶閥停止向吸附塔內(nèi)進(jìn)氣，同時(shí)將羅茨真空泵對(duì)吸附塔抽氣，降低吸附塔內(nèi)壓力，從而實(shí)現(xiàn)分子篩的再生。而從吸附器出口產(chǎn)生的產(chǎn)品氣體貯存于氧氣緩沖罐中，然后經(jīng)氧氣壓縮機(jī)將其壓縮至用戶(hù)所需要的產(chǎn)品壓力供至用戶(hù)。其工藝流程圖見(jiàn)圖1所示。

                                                 圖1 VPSA制氧工藝流程圖

2 變壓吸附制氧在泡花堿行業(yè)的應(yīng)用

目前我國(guó)生產(chǎn)泡花堿行業(yè)中，主要的生產(chǎn)方法有兩種：一種是固相法，即以純堿作原料與石英砂在爐窯中高溫熔融生成固體泡花堿；另一種是液相法，以液體燒堿為原料與石英砂在反應(yīng)釜中升溫加壓反應(yīng)生成液體泡花堿。由于液相法不能生產(chǎn)高模數(shù)的泡花堿品種，因而目前固相法工藝處于主導(dǎo)地位。

目前我國(guó)固相法工藝生產(chǎn)泡花堿以使用蓄熱式全煤氣馬蹄焰池爐為主，隨著2020年山東某企業(yè)的國(guó)內(nèi)首套80m²全氧窯爐生產(chǎn)200t/d泡花堿的開(kāi)車(chē)成功，標(biāo)志著泡花堿生產(chǎn)開(kāi)啟了以天然氣為燃料、以富氧助燃的新模式。

傳統(tǒng)的馬蹄焰池爐主要以煤氣或天然氣為燃料，燃料燃燒是由鼓入爐內(nèi)空氣中的氧氣來(lái)進(jìn)行，而空氣中氧氣含量?jī)H為20.95%，其余部分主要為氮?dú)?，氮?dú)鉄o(wú)法助燃，如果只鼓入空氣，則在爐型設(shè)計(jì)時(shí)須考慮燃燒時(shí)氮?dú)馀蛎浰加玫目臻g；另外氮?dú)怆S煙氣帶走大量加熱至高溫的能源，即增大了煙氣的處理量，同時(shí)產(chǎn)生了更多的NO_X污染物。此外，受世界性的能源緊缺、石化燃料價(jià)格不斷上漲、國(guó)家環(huán)境保護(hù)政策標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格等諸多方面的影響，促使泡花堿生產(chǎn)工藝需不斷改進(jìn)，而以富氧代替空氣進(jìn)行熔煉的技術(shù)極大限度地解決了上述困難。富氧熔煉有助于提高爐內(nèi)溫度，增大設(shè)備處理能力，降低能耗，減少煙氣量。而從經(jīng)濟(jì)性方面考量，采用富氧熔煉生產(chǎn)能力有所提高，相同規(guī)模窯爐增產(chǎn)30%；熔煉能耗下降，泡花堿噸耗天然氣下降約30%；排煙量電耗下降，上述收益之和減去制氧站建設(shè)成本及運(yùn)行維護(hù)成本即為富氧所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，從目前該企業(yè)實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。因此，富氧熔煉相比于傳統(tǒng)向爐內(nèi)鼓入空氣的工藝具有熔煉強(qiáng)度大、燃料消耗少、利于環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，在泡花堿生產(chǎn)工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

變壓吸附制氧技術(shù)相比于傳統(tǒng)的深冷法空分制氧技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)在于流程簡(jiǎn)單，安全可靠，投資少，能耗低，運(yùn)行成本低，自動(dòng)化程度高等，劣勢(shì)在于產(chǎn)品單一（沒(méi)有氮?dú)馀c氬氣副產(chǎn)物），純度不高（氧氣濃度≤95%）。泡花堿生產(chǎn)行業(yè)中，基本無(wú)需氮?dú)馀c氬氣參與反應(yīng)，并且通常需要24%~90%的富氧，這樣的用氧需求非常符合變壓吸附制氧技術(shù)的應(yīng)用范圍。仍以山東某企業(yè)為例，該廠采用全氧窯爐，年產(chǎn)約7.3萬(wàn)噸泡花堿，于2020年建設(shè)了一套由北京北大先鋒科技股份有限公司設(shè)計(jì)的規(guī)模為2200Nm³/h、純度93%的VPSA制氧裝置，該裝置建設(shè)周期短、占地小、投資成本低，現(xiàn)裝置運(yùn)行良好。

綜上所述，變壓吸附制氧技術(shù)的特點(diǎn)與全氧窯爐生產(chǎn)泡花堿工業(yè)中對(duì)于氧氣的需求十分吻合。應(yīng)用變壓吸附制氧技術(shù)實(shí)現(xiàn)富氧助燃，替代傳統(tǒng)的鼓入空氣助燃，對(duì)于固相法生產(chǎn)泡花堿的企業(yè)而言，可大幅提升生產(chǎn)效率，創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

3 北京北大先鋒科技股份有限公司變壓吸附空分制氧設(shè)備的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)：

北京北大先鋒科技股份有限公司是北京大學(xué)直屬的高新技術(shù)企業(yè)，專(zhuān)業(yè)從事變壓吸附氣體分離技術(shù)開(kāi)發(fā)和成套設(shè)備設(shè)計(jì)制造。現(xiàn)有一個(gè)新技術(shù)研發(fā)中心、一個(gè)中試基地以及一個(gè)生產(chǎn)基地，具有完善的生產(chǎn)設(shè)施和產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)保證體系。

公司以北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院、北京大學(xué)物理化學(xué)研究所、分子動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研力量為基礎(chǔ)，依靠強(qiáng)大的研發(fā)能力和技術(shù)力量，為用戶(hù)提供了在性能和質(zhì)量上可與進(jìn)口產(chǎn)品相媲美、達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

北大先鋒VPSA制氧設(shè)備特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)：

● 吸附劑是VPSA制氧裝置的核心，其性能指標(biāo)決定著裝置可能達(dá)到的性能水平；本公司采用的是自主開(kāi)發(fā)的擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)、生產(chǎn)達(dá)到國(guó)際最先進(jìn)水平的新型高效空分制氧分子篩——PU-8，其氮?dú)忪o態(tài)吸附容量高，是傳統(tǒng)制氧分子篩的2~3倍，壓碎強(qiáng)度≥10N，含水量≤1%，使用壽命長(zhǎng)，可達(dá)15年。

● 國(guó)際先進(jìn)的徑向流吸附塔設(shè)計(jì)，充分保證了大型VPSA制氧裝置吸附塔內(nèi)氣流分布均勻，線速穩(wěn)定，分子篩利用率高等，為VPSA制氧裝置大型化解決了一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題。

● 氧氣收率高，鼓風(fēng)機(jī)、真空泵負(fù)荷?。?

相比常規(guī)VPSA制氧設(shè)備，產(chǎn)品氧收率更高，使得需處理的空氣量和需解吸的氮?dú)饬繙p少，相應(yīng)鼓風(fēng)機(jī)和真空泵的負(fù)荷變小。

● 能耗及運(yùn)行費(fèi)用低：

裝置電耗處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，可大大節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。

4 結(jié)論

本文所述變壓吸附制氧技術(shù)在固相法泡花堿中的實(shí)際工業(yè)應(yīng)用，是泡花堿生產(chǎn)企業(yè)在蓄熱式全煤氣馬蹄焰池爐全氧助燃的工藝優(yōu)化成功案例，具有典型的示范意義和推廣價(jià)值。變壓吸附制氧技術(shù)具有工藝流程簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，啟動(dòng)時(shí)間短，操作彈性大，土建占地少，能耗及維護(hù)費(fèi)用低，自動(dòng)化控制程度高，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守等優(yōu)點(diǎn)，在泡花堿生產(chǎn)行業(yè)中相比其他制氧工藝具有更加顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可有效降低生產(chǎn)成本，助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。