摘要：本文介紹了變壓吸附制氧技術(shù)在工業(yè)環(huán)保領(lǐng)域應(yīng)用的成功案例，即為臭氧脫硫脫硝裝置提供簡(jiǎn)單易行、且高標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)氧氣源，并且介紹了變壓吸附制氧工藝用于臭氧氣源的優(yōu)勢(shì)和特性。

關(guān)鍵詞： 變壓吸附 VPSA 制氧 臭氧 脫硫脫硝 環(huán)保

唐鋼青龍爐料有限公司球團(tuán)煙氣氧化脫硝技術(shù)示范工程項(xiàng)目，是“十三五”國(guó)家重大研發(fā)課題，于今年5月份全線投產(chǎn)并取得了巨大的成功。經(jīng)檢測(cè)，處理后的煙氣中球團(tuán)煙氣顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別＜5mg/Nm3、20mg/Nm3、30mg/Nm3，均優(yōu)于國(guó)家最新公布的超低排放標(biāo)準(zhǔn)；而且運(yùn)行能耗顯著低于現(xiàn)行其它脫硝技術(shù)，運(yùn)行費(fèi)用約4元/噸球團(tuán)礦，比目前我國(guó)鋼鐵行業(yè)采用的主流脫硝工藝運(yùn)行成本低約50%，一次建造成本也比主流工藝建造成本更低。[1]

在本脫硫脫硝示范項(xiàng)目中，臭氧發(fā)生器是其核心設(shè)備。臭氧發(fā)生器的工作原理是一定流量、露點(diǎn)、壓力、溫度以及潔凈條件下的氧氣，通過(guò)特定的放電結(jié)構(gòu)時(shí)，在高頻高壓下產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的介質(zhì)阻擋放電，部分氧氣分子被分解為自由態(tài)的氧原子（O），這些自由態(tài)的氧原子與未分解的氧氣分子重新結(jié)合生成臭氧（O3），其化學(xué)反應(yīng)方程為：O＋O2＝O3。因此，要保證臭氧發(fā)生器的穩(wěn)定高效運(yùn)行，則必須對(duì)其氧氣源提出更為嚴(yán)苛的技術(shù)要求。本項(xiàng)目中，氧氣源的技術(shù)要求如下所示：

1) 額定氣量（Nm3/h/臺(tái)）：650 （正常運(yùn)行3臺(tái)，全負(fù)荷運(yùn)行4臺(tái)，不定期倒換備機(jī)，這對(duì)氣源的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力提出了更高的要求）

2) 常壓露點(diǎn)（℃）：≤-60

3) 氧純度（VOL）：90%（針對(duì)臭氧工藝并非氧純度越高越好，據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明90%純度下效果更佳[2]）

4) 殘油含量（Mg/ m3）：≤0.005

5) 固液顆粒（μm）：≤0.1

6) 碳?xì)湮锖浚╩L/ m3）：≤20

7) 進(jìn)氣額定運(yùn)行壓力(MPa)：0.3

8) 進(jìn)氣溫度（℃）：≤40

本項(xiàng)目的配套氧氣源采用變壓吸附制氧工藝。變壓吸附裝置在金屬冶煉、化工、工業(yè)窯爐等領(lǐng)域中已有廣泛應(yīng)用[3]。隨著臭氧脫硫脫硝在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，并且趨于大型化，變壓吸附制氧逐漸代替液氧貯槽，成為臭氧發(fā)生器配套的主要現(xiàn)場(chǎng)氧氣源。為配合唐鋼青龍項(xiàng)目的技術(shù)要求，北大先鋒采用國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的徑向床吸附器技術(shù)和第三代制氧分子篩，并開(kāi)創(chuàng)性的采用雙風(fēng)機(jī)泵變壓吸附系統(tǒng)的設(shè)計(jì)——大風(fēng)機(jī)泵組正常運(yùn)行時(shí)，小風(fēng)機(jī)泵組可以根據(jù)用戶需要在線切入或切出系統(tǒng)，以應(yīng)對(duì)臭氧裝置對(duì)負(fù)荷調(diào)節(jié)的要求。本套變壓吸附制氧裝置有三個(gè)特點(diǎn)：

1. 為臭氧脫硫脫硝裝置提供高標(biāo)準(zhǔn)氧氣源：

(1) 在線壓力露點(diǎn)≤-72℃；

(2) 氧氣純度穩(wěn)定，保持在90~91%范圍內(nèi)；

(3) 排氣溫度＜40℃（適宜的進(jìn)氣溫度更有利于臭氧發(fā)生器散熱）；

(4) 進(jìn)氣壓力在0.3±0.01MPa范圍內(nèi)（進(jìn)氣壓力穩(wěn)定更有利于臭氧發(fā)生器正常工作）；

(5) 在系統(tǒng)末段加入高效低阻氧氣過(guò)濾器，確保各項(xiàng)指標(biāo)全部?jī)?yōu)于技術(shù)要求；

2. 簡(jiǎn)單易行，體現(xiàn)在操作靈活、負(fù)荷調(diào)節(jié)方便，切換方便：

(1) 操作靈活：開(kāi)停機(jī)可靈活控制，氧氣源的供應(yīng)能夠隨時(shí)啟動(dòng)或停止——開(kāi)機(jī)時(shí)，全套系統(tǒng)從啟動(dòng)到純度達(dá)標(biāo)送出氧氣只需20分鐘；停機(jī)時(shí)，系統(tǒng)從全負(fù)荷運(yùn)行到全部停止也不超過(guò)20分鐘；

(2) 負(fù)荷調(diào)節(jié)方便：一鍵切換入或切出小風(fēng)機(jī)，1分鐘內(nèi)即可自動(dòng)切換完成，另有調(diào)產(chǎn)模式可以控制產(chǎn)能從25%~100%自由切換；

(3) 操作方便：由于采用了先進(jìn)的控制系統(tǒng)及方案，可以實(shí)現(xiàn)全遠(yuǎn)程啟動(dòng)停止、報(bào)警聯(lián)鎖、自動(dòng)在線控制、一鍵啟動(dòng)和無(wú)人職守。由于操作相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)操作工的專業(yè)要求也可適當(dāng)放寬或由其它崗位操作員兼職以節(jié)約成本。

3. 本套制氧裝置還具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)和特性：

(1) 能耗低、運(yùn)行成本低：本套裝置采用北大先鋒最先進(jìn)的徑向床吸附器技術(shù)、第三代制氧分子篩和雙風(fēng)機(jī)泵技術(shù)，不論是通常情況下投運(yùn)3臺(tái)臭氧發(fā)生器，還是全負(fù)荷投運(yùn)4臺(tái)時(shí)，在產(chǎn)品氧純度達(dá)90%時(shí)，折合純氧電耗均≤0.33kwh/Nm3；

(2) 運(yùn)行穩(wěn)定、維修方便，維護(hù)成本低：制氧系統(tǒng)組成小——只有大小2套風(fēng)機(jī)泵、2臺(tái)吸附器和1套閥門儀表和控制系統(tǒng)。相較2套獨(dú)立系統(tǒng)，本裝置減少了大量閥門和儀表、控制元件。又因?yàn)楸贝笙蠕h先進(jìn)的控制方案，本套裝置的穩(wěn)定性、易用性和易維護(hù)程度相比同行業(yè)也有了質(zhì)的飛躍，再配合北大先鋒制定的預(yù)防式維護(hù)計(jì)劃，維護(hù)成本較國(guó)內(nèi)同行業(yè)低約15~30%；

(3) 常溫操作、安全性高：由于VPSA為常溫下的低壓操作，不存在液氧、乙炔富集等危險(xiǎn)因素，系統(tǒng)安全性很高，再加上敏銳的報(bào)警系統(tǒng)、聯(lián)鎖控制系統(tǒng)可有效排除安全隱患，進(jìn)一步保障設(shè)備安全。

(4) 建設(shè)周期短、投資小、占地面積小：設(shè)備安裝工作從接收設(shè)備基礎(chǔ)到產(chǎn)氧送氣總用時(shí)不超過(guò)45天，設(shè)備占地面積僅需要約600平方米。此外，采用大小風(fēng)機(jī)泵組合的單套變壓吸附系統(tǒng)綜合造價(jià)更低，比完全獨(dú)立的2套變壓吸附系統(tǒng)投資成本低約15~30%，而比深冷空分設(shè)備的投資收益率則更加優(yōu)異；

(5) 噪聲?。罕卷?xiàng)目采用了一體化隔音廠房——完成設(shè)備基礎(chǔ)、立起鋼結(jié)構(gòu)框架就交給設(shè)備安裝，待安裝完成后再安裝隔音模塊及屋頂，與設(shè)備安裝基本無(wú)交叉作業(yè)，不僅加快建廠房的速度，而且隔噪效果較普通廠房更好，驗(yàn)收噪聲值≤80dB。

隨著我國(guó)變壓吸附制氧技術(shù)的日趨成熟，設(shè)備大型化發(fā)展趨勢(shì)明顯。相比于鋼鐵、有色冶煉等行業(yè)，用于脫硫脫硝領(lǐng)域的制氧設(shè)備普遍屬于中小型制氧，用戶企業(yè)則對(duì)設(shè)備操作的靈活性、易用性、整體性價(jià)比提出了更加精準(zhǔn)和細(xì)致的要求。北大先鋒憑借對(duì)變壓吸附制氧技術(shù)多年的研發(fā)及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于中小型制氧設(shè)備的各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)進(jìn)行了不斷升級(jí)優(yōu)化，以滿足復(fù)雜的工況需求。

綜上，北大先鋒的變壓吸附制氧裝置為唐鋼青龍爐料有限公司臭氧脫硫脫硝工藝提供了簡(jiǎn)單易行且高標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)氧氣源，以滿足臭氧生成，保障后續(xù)脫硫脫硝工藝環(huán)節(jié)的用氣需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 魏清源. 中國(guó)冶金報(bào) 世界首臺(tái)（套）氧化工藝球團(tuán)煙氣超低排放示范工程在河鋼投用 2020年08月11日頭版頭條

[2] 韓慧，白敏冬. 大連海事大學(xué)學(xué)報(bào) 變壓吸附技術(shù)及其對(duì)臭氧濃度影響的研究. 2001：27（1）

[3] 姜賀 中國(guó)有色冶金 變壓吸附制氧技術(shù)的發(fā)展 2014年第2期64-66