一、 前言

近20年來，隨著國內(nèi)經(jīng)濟處于穩(wěn)定快速發(fā)展階段，我國鋼鐵、有色冶金、化工、爐窯節(jié)能、環(huán)保、玻璃和造紙等行業(yè)的生產(chǎn)工藝不斷進行升級與革新，工藝的優(yōu)化和產(chǎn)能擴大促使各行業(yè)對于氧氣的需求也日益增大。巨大的用氧需求帶動了國內(nèi)工業(yè)制氧設(shè)備的技術(shù)進步，傳統(tǒng)的深冷空分工藝、變壓吸附制氧工藝及膜分離工藝等制氧技術(shù)取得了一定的發(fā)展。膜分離工藝由于其產(chǎn)品純度太低的因素，限制了該工藝的適應(yīng)性，國內(nèi)深冷工藝和變壓吸附工藝取得了長足進步，尤其是變壓吸附制氧技術(shù)，在新型鋰基吸附劑國產(chǎn)化以及徑向吸附塔開發(fā)取得突破性進展后，變壓吸附制氧工藝在國內(nèi)得到了廣泛的使用和用戶的極大認可。

二、 國內(nèi)外變壓吸附制氧技術(shù)進展

變壓吸附制氧技術(shù)開發(fā)始于20世紀60年代，20世紀80年代初美國和日本相繼實現(xiàn)工業(yè)化。美國普萊克斯公司在20世紀90年代初開發(fā)出鋰分子篩制氧吸附劑，并依據(jù)鋰分子篩的特性開發(fā)了 VPSA制氧工藝，變壓吸附制氧雙塔最大規(guī)模突破3000Nm3/h以上，制氧電耗降到0.35 kW·h/m3，使變壓吸附制氧技術(shù)得到快速發(fā)展，為其廣泛使用奠定了堅實基礎(chǔ)。

近幾年，隨著永磁電動機的開發(fā)及制氧工藝的優(yōu)化，國外變壓吸附制氧電耗最低已降到0.3kW·h/m3以下，雙塔制氧最大規(guī)模突破6000Nm3/h以上，變壓吸附制氧成本得到進一步降低，制氧規(guī)模逐年增大，進一步促進該工藝使用領(lǐng)域的拓展。

我國從20世紀80年代末期開始研究變壓吸附制氧技術(shù)，直到20世紀90年代初才有了小型工業(yè)化裝置。最初的制氧裝置采用的吸附劑為CaA分子篩吸附劑，工藝為PSA工藝，從最初的20m3/h、50m3/h和100m3/h開始到20世紀90年代末期我國變壓吸附制氧最大規(guī)模也只有1000m3/h，純氧電耗達到0.5 kW·h/m3以上。國產(chǎn)變壓吸附制氧裝置發(fā)展初期的部分產(chǎn)品存在羅茨鼓風機噪音大、故障率高、切換閥門故障特別高以及分子篩易粉末化等一系列問題。不少企業(yè)特別是鋼鐵行業(yè)的企業(yè)基于短平快的特點開始使用變壓吸附PSA制氧設(shè)備，但因設(shè)備維護工作量大、維護成本高而棄用并重新使用深冷分離設(shè)備，給大家留下了設(shè)備無法長期運行、維護量太大、不能大型化的負面影響，與同期國際先進水平差距明顯。

2000年初，以北大先鋒科技有限公司為代表的高效鋰基吸附劑生產(chǎn)及采用鋰基吸附劑的變壓吸附制氧工藝的工業(yè)化，國內(nèi)變壓吸附制氧技術(shù)有了快速的進步及廣泛的推廣，目前北大先鋒建設(shè)的變壓吸附裝置兩塔裝置規(guī)模已達到6000m3/h，純氧電耗也接近0.3kW·h/m3。

隨著變壓吸附制氧技術(shù)一些關(guān)鍵性問題如高效鋰基吸附劑穩(wěn)定生產(chǎn)、徑向床吸附器的研發(fā)、可靠的高頻率以及大口徑蝶閥開發(fā)等得以解決，國內(nèi)變壓吸附制氧技術(shù)的產(chǎn)氧規(guī)模逐年增大，氧氣電耗逐漸降低，裝置的可靠性穩(wěn)步提升。裝置規(guī)格也從單套兩塔制氧裝置的規(guī)模從最初的不足1000m3/h發(fā)展到了如今的6000m3/h，多塔并聯(lián)后規(guī)模達到30000m3/h以上，單位制氧電耗降低到0.32 kW·h/m3以下[4]，制氧裝置的年開工率達到98%以上。鼓風機的噪聲已達到85dB以下的要求（通過消聲處理、廠房外1m噪聲可以達到70dB以下），大口徑蝶閥無故障率普遍達到8000h以上，分子篩壽命更是提高到了5年以上，迅速地舊貌換新顏，讓用戶對國產(chǎn)變壓吸附制氧設(shè)備有了嶄新的認識，擴大了變壓吸附制氧設(shè)備的應(yīng)用。僅2018一年，國內(nèi)規(guī)模超過1000Nm3/h以上變壓吸附制氧裝置建設(shè)套數(shù)就超過70套。

國內(nèi)如北大先鋒科技有限公司、天一科技等企業(yè)通過不斷努力改變了變壓吸附制氧分子篩依賴進口的局面，同時在鋰分子篩等產(chǎn)品領(lǐng)域取得了突破，并獲得新型分子篩產(chǎn)品的工業(yè)化應(yīng)用。

隨著變壓吸附制氧技術(shù)的發(fā)展與完善，相比深冷制氧技術(shù)，變壓吸附制氧技術(shù)逐漸形成許多獨特優(yōu)勢，進一步推動變壓吸附制氧技術(shù)在國內(nèi)眾多行業(yè)的廣泛應(yīng)用。

三、 變壓吸附制氧技術(shù)的特點

1. 制氧能耗低和運行成本低

制氧工藝中，電耗大概占運行成本的90%以上，隨著變壓吸附制氧技術(shù)的不斷優(yōu)化，其純氧電耗已經(jīng)從20世紀90年代的0.45kW·h/m3，下降到了如今的0.32kW·h/m3以下，即使較大規(guī)模深冷制氧的純氧電耗最低也在0.42kW·h/m3左右。與深冷制氧技術(shù)相比，在企業(yè)沒有氮氣需求，用氧工序?qū)ρ鯕饧兌燃皦毫σ蟛桓叩墓r下，變壓吸附制氧技術(shù)具有明顯的成本優(yōu)勢。

2. 工藝簡單、操作靈活和開停車方便

變壓吸附制氧與深冷制氧技術(shù)相比，工藝比較簡單，操作壓力在-0.05~0.05MPa，主要動力設(shè)備為羅茨鼓風機和羅茨真空泵，操作相對簡單、容易維護。由于變壓吸附制氧設(shè)備開停車不存在降溫和升溫過程，原始開車只需要30min則可產(chǎn)出合格氧氣，短時間停車則幾分鐘便可產(chǎn)氧，而裝置停車則更加簡單，只需要把動力設(shè)備和控制程序關(guān)停，相比深冷制氧，變壓吸附制氧技術(shù)開停車更加方便，大幅度降低了裝置開停車產(chǎn)生的操作費用。

3. 投資省和建設(shè)工期短

變壓吸附制氧裝置工藝流程簡單，主要由動力系統(tǒng)、吸附系統(tǒng)和閥門切換系統(tǒng)等組成，設(shè)備數(shù)量較少，可以節(jié)省設(shè)備的一次性投資成本；同時裝置占地面積小，還可以減少裝置土建成本和建設(shè)用地的成本。并且設(shè)備加工制造周期較短，主要設(shè)備加工周期一般不超過4個月，正常情況下6個月內(nèi)即可實現(xiàn)產(chǎn)氧要求，相比深冷制氧接近1年的建設(shè)周期，大幅度地降低了裝置的建設(shè)時間。

4. 設(shè)備簡單和維修方便

變壓吸附制氧技術(shù)采用的設(shè)備如鼓風機、真空泵和程控閥門等全部可實現(xiàn)國產(chǎn)化，備品、備件更換易，可降低成本和工期容易控制，而且設(shè)備維修簡單、售后方便，相比深冷制氧所用的大型離心壓縮機的維護，變壓吸附制氧用戶不需要投入大量維護資金和聘用專業(yè)維護工人。

5. 負荷調(diào)節(jié)方便

相比深冷液氧技術(shù)，變壓吸附制氧在純氧電耗變化不大的情況下，可以實現(xiàn)產(chǎn)量和純度的快速調(diào)節(jié)。一般產(chǎn)量可在30%~100%調(diào)節(jié)，純度可在70%~95%調(diào)節(jié)，尤其當幾套變壓吸附制氧裝置并聯(lián)使用時，負荷調(diào)節(jié)更加容易。

6. 操作安全性高

由于變壓吸附制氧為常溫下的低壓操作，而且不會出現(xiàn)液氧、乙炔富集等現(xiàn)象，相對于深冷制氧低溫高壓操作，安全性更高。

四、 變壓吸附制氧技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

隨著變壓吸附制氧規(guī)模逐年增大、可靠性逐年提高及制氧電耗的逐漸降低，同時變壓吸附制氧技術(shù)具有操作靈活、負荷調(diào)節(jié)簡單、電耗低、裝置建設(shè)周期短以及安全性高等優(yōu)點，對于需要靈活使用富氧的行業(yè)，變壓吸附制氧技術(shù)無疑可成為深冷制氧的替代工藝，其應(yīng)用范圍也在逐年擴大。近幾年，變壓吸附制氧工藝在鋼鐵、有色冶金、化工、爐窯節(jié)能、水泥回轉(zhuǎn)爐、環(huán)保、玻璃和造紙等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。

1. 高爐富氧工藝

隨著高爐富氧技術(shù)的發(fā)展，高爐已經(jīng)成為鋼鐵廠的主要用氧源之一。在高爐富氧技術(shù)最初應(yīng)用時，高爐可以作為全廠供氧的調(diào)節(jié)器，產(chǎn)氧量多時，高爐富氧率則高，產(chǎn)氧量不足時，高爐富氧率則低。隨著企業(yè)對高爐富氧技術(shù)在煉鐵工藝的重要性認識逐漸清晰，高爐富氧率的穩(wěn)定成為低成本、高效煉鐵的重要操作參數(shù)。由于鋼廠用氧的工序較多，用氧負荷每周甚至每天都會發(fā)生波動，而深冷制氧技術(shù)負荷調(diào)節(jié)性較差，開停車時間長，當用氧量少時，多余氧氣需液化儲存供以后使用或作為產(chǎn)品賣出，有時甚至會出現(xiàn)氧氣放空現(xiàn)象。鑒于高爐富氧用氧壓力低、氧氣純度要求不高等特點，許多鋼鐵企業(yè)可在高爐附近建設(shè)變壓吸附制氧裝置，直接給高爐配套，同時作為全廠氧氣供應(yīng)的調(diào)節(jié)器，如全廠深冷空分產(chǎn)氧氣有余量或不足時，變壓吸附制氧裝置可隨時啟停來控制增減產(chǎn)量為高爐提供氧氣。目前許多鋼鐵企業(yè)高爐采用變壓吸附制氧技術(shù)供氧后，大幅度地降低了企業(yè)氧氣的使用成本。高爐采用變壓吸附制氧作為富氧氧源已在大部分鋼鐵企業(yè)形成了共識。

2. 電爐煉鋼工藝

以前國內(nèi)大部分鋼鐵企業(yè)認為電爐煉鋼需要用深冷空分制純氧，而在日本約有60%~70%的電爐煉鋼企業(yè)則采用變壓吸附制93%純度的氧氣法煉鋼。理論上電爐煉鋼主要靠電弧熔化來煉鋼，氧氣只起輔助作用，變壓吸附生產(chǎn)的93%的氧氣完全可以應(yīng)用于電爐煉鋼。目前國內(nèi)如池州貴航金屬制品有限公司、遵義長嶺特殊鋼有限公司和瀘州益鑫鋼鐵有限公司等企業(yè)已經(jīng)開始使用變壓吸附制氧裝置為電爐煉鋼供氧，根據(jù)電爐煉鋼企業(yè)實際反饋，采用變壓吸附制氧裝置為電爐供氧，對鋼材質(zhì)量沒有影響，而且采用變壓吸附制氧技術(shù)后，氧氣成本可控制在0.3元以下，可明顯降低電爐煉鋼的生產(chǎn)成本。

3. 有色冶金行業(yè)

近10年變壓吸附制氧技術(shù)在銅、鉛、鋅等冶煉領(lǐng)域，取得了企業(yè)很高的認可度。多數(shù)有色金屬冶煉工藝對氧的純度要求一般在24%~90%之間，用氧負荷變動也比較大，而且有色冶煉企業(yè)幾乎不需要氮氣。由于變壓吸附制氧技術(shù)具備操作簡單、電耗低等特點，十分適合有色金屬冶煉。目前銅陵有色、紫金礦業(yè)和云南銅業(yè)等國內(nèi)大部分有色冶煉企業(yè)均選擇變壓吸附制氧裝置作為富氧來源，例如包頭華鼎銅業(yè)有限公司隨著銅產(chǎn)量的增加以及煉銅工藝的改進，已相繼建設(shè)了4套變壓吸附制氧裝置，總用氧規(guī)模達到25000m3/h以上。云南楚雄銅冶煉廠隨著產(chǎn)銅規(guī)模增加，相繼建設(shè)了3套變壓吸附制氧裝置，總用氧規(guī)模達到30000m3/h。

4. 化工行業(yè)

目前國內(nèi)部分中小型氮肥廠采用富氧連續(xù)造氣工藝對原有間歇制氣工藝進行改進，而富氧的來源多為變壓吸附制氧技術(shù)。富氧連續(xù)氣化技術(shù)對煤的適用性高，提高了制氣裝置的生產(chǎn)能力，具有很廣的應(yīng)用前景。

5. 造紙行業(yè)

在造紙行業(yè)中，氧氣主要應(yīng)用在用于制漿的氧脫、脫木素段以及增白等氧漂白工段。由于造紙工藝對氧氣濃度要求不高，而且不需要氮氣，因此目前國內(nèi)外大部分造紙企業(yè)選擇變壓吸附技術(shù)來生產(chǎn)氧氣。

6. 其他領(lǐng)域

目前變壓吸附制氧技術(shù)在其他領(lǐng)域也有較為廣泛的應(yīng)用，例如玻璃纖維行業(yè)，浮法玻璃和水泥窯爐的富氧燃燒工藝、垃圾焚燒的富氧助燃工藝、污水處理富氧曝氣工藝以及臭氧等領(lǐng)域。

五、 變壓吸附制氧技術(shù)的發(fā)展展望

變壓吸附制氧技術(shù)作為近20年快速發(fā)展的制氧新技術(shù)，隨著其技術(shù)不斷的進步和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，逐漸得到眾多用氧企業(yè)的認可。以降低制氧能耗為目的，開發(fā)新型吸附材料以及嘗試與膜分離或深冷工藝進行耦合，通過優(yōu)勢互補，拓展更大的應(yīng)用領(lǐng)域是未來變壓吸附制氧技術(shù)的重要研發(fā)方向。例如變壓吸附制氧技術(shù)與膜分離技術(shù)耦合可以獲得純度大于99%的氧氣，在偏遠地區(qū)或一些需要移動式裝備的工況下可以替代低溫空分制氧。國內(nèi)變壓吸附制氧生產(chǎn)企業(yè)如北大先鋒等一些行業(yè)佼佼者和開拓者都十分注重研發(fā)工作，希望通過不斷加大投入爭取在未來的發(fā)展中搶占先機。隨著變壓吸附制氧技術(shù)日趨完善，變壓吸附制氧技術(shù)必將具備多種優(yōu)勢和巨大的潛力，未來將擁有更廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻

[1] 張輝，劉應(yīng)書，劉文海，張德鑫，翟暉。變壓吸附制氧機吸附器結(jié)構(gòu)研究進展，化工進展，2007（11）：1602-1608。

[2] 發(fā)明專利CN10433488813，A.C羅辛斯基，P.W.貝朗格，M.S.曼寧，VPSA設(shè)備中的壓縮機的抗喘振速度控制。

[3] 吳迪，李天文，孫裂剛，變壓吸附制氧吸附劑的發(fā)展狀況，現(xiàn)代化工，2014（1）：23-25。

[4] 姜賀，變壓吸附制氧技術(shù)的發(fā)展，中國有色冶金，2014（2）：64-66。

[5] 卜令兵，張劍峰，楊云，變壓吸附空分制氧應(yīng)用進展，氣體分離2007 （3）：12-14。

[6] 趙劉強，變壓吸附制氧及機前富氧在高爐富氧上的應(yīng)用，冶金能源，2018（5）：8-10。

[7] 李龍彬，變壓吸附制氧在玻纖行業(yè)中的應(yīng)用和推廣，工業(yè)，2016（9）：8-12

[8] 余留芳，PSA變壓吸附制氧機在紙漿氧漂中的應(yīng)用，中國造紙，2000（4）：6。