摘 要 二十世紀六十年代，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的問世，其逐漸在眾多領域得到廣泛的應用，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，為國內首套用于全氧窯爐生產泡花堿的VPSA制氧裝置，設備一次開車成功標志著變壓吸附制氧技術在又一新領域得到應用。變壓吸附制氧裝置具有運行穩(wěn)定可靠，啟動時間短，負荷調節(jié)靈活，運行能耗低，自動化控制程度高，可實現無人值守等優(yōu)點，取得了極高的社會效益與經濟效益。本文將簡要介紹其在泡花堿行業(yè)中的應用及發(fā)展前景。

關鍵詞 變壓吸附制氧 國內首套 全氧窯爐 泡花堿

1 變壓吸附制氧技術

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，從而實現對空氣中各種氣體進行分離的一種非低溫空氣分離技術。始創(chuàng)于上世紀 60 年代初，近十幾年來，變壓吸附制氧法在我國發(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合具有優(yōu)勢而被迅速普及。

空氣中的兩個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，使得氮氣與沸石分子篩表面的粒子作用力更強，因此其在分子篩表面的吸附能力強于氧氣。與此同時隨著壓力的升高，氮吸附能力的增量要高于氧。因此，將空氣經過加壓通過裝有分子篩吸附劑的固定床吸附器時，大量的氮氣與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。當分子篩吸附氮氣接近飽和時，停止通入空氣并降低吸附塔內的壓力，吸附的氮氣從分子篩中解吸出來排出吸附塔，從而實現氧氣與氮氣的分離，同時吸附劑也得到再生以備進入下次循環(huán)。兩臺或更多的吸附塔輪流切換進行上述工作，便可連續(xù)生產氧氣。

目前在生產規(guī)模相對較大的工業(yè)用氧場合中，真空變壓吸附法，即VPSA（Vacuum Pressure Swing Adsorption）法制氧得到了廣泛應用。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，主要設備包括羅茨鼓風機、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：

空氣經進氣過濾器除塵后，經由羅茨鼓風機，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氣、水分、二氧化碳及碳氫化合物等雜質，而讓氧氣和氬氣通過從而獲得產品氣體。當分子篩吸附一段時間后，其被所吸附的分子所飽和，此時通過切換程控蝶閥停止向吸附塔內進氣，同時將羅茨真空泵對吸附塔抽氣，降低吸附塔內壓力，從而實現分子篩的再生。而從吸附器出口產生的產品氣體貯存于氧氣緩沖罐中，然后經氧氣壓縮機將其壓縮至用戶所需要的產品壓力供至用戶。其工藝流程圖見圖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)的應用

目前我國生產泡花堿行業(yè)中，主要的生產方法有兩種：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釜中升溫加壓反應生成液體泡花堿。由于液相法不能生產高模數的泡花堿品種，因而目前固相法工藝處于主導地位。

目前我國固相法工藝生產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)的國內首套80m²全氧窯爐生產200t/d泡花堿的開車成功，標志著泡花堿生產開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空氣中的氧氣來進行，而空氣中氧氣含量僅為20.95%，其余部分主要為氮氣，氮氣無法助燃，如果只鼓入空氣，則在爐型設計時須考慮燃燒時氮氣膨脹所占用的空間；另外氮氣隨煙氣帶走大量加熱至高溫的能源，即增大了煙氣的處理量，同時產生了更多的NO_X污染物。此外，受世界性的能源緊缺、石化燃料價格不斷上漲、國家環(huán)境保護政策標準越來越嚴格等諸多方面的影響，促使泡花堿生產工藝需不斷改進，而以富氧代替空氣進行熔煉的技術極大限度地解決了上述困難。富氧熔煉有助于提高爐內溫度，增大設備處理能力，降低能耗，減少煙氣量。而從經濟性方面考量，采用富氧熔煉生產能力有所提高，相同規(guī)模窯爐增產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成本及運行維護成本即為富氧所帶來的經濟效益，從目前該企業(yè)實際運行情況來看，經濟效益十分可觀。因此，富氧熔煉相比于傳統(tǒng)向爐內鼓入空氣的工藝具有熔煉強度大、燃料消耗少、利于環(huán)保等優(yōu)勢，在泡花堿生產工業(yè)領域具有廣泛的應用前景。

變壓吸附制氧技術相比于傳統(tǒng)的深冷法空分制氧技術，其優(yōu)勢在于流程簡單，安全可靠，投資少，能耗低，運行成本低，自動化程度高等，劣勢在于產品單一（沒有氮氣與氬氣副產物），純度不高（氧氣濃度≤95%）。泡花堿生產行業(yè)中，基本無需氮氣與氬氣參與反應，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的應用范圍。仍以山東某企業(yè)為例，該廠采用全氧窯爐，年產約7.3萬噸泡花堿，于2020年建設了一套由北京北大先鋒科技股份有限公司設計的規(guī)模為2200Nm³/h、純度93%的VPSA制氧裝置，該裝置建設周期短、占地小、投資成本低，現裝置運行良好。

綜上所述，變壓吸附制氧技術的特點與全氧窯爐生產泡花堿工業(yè)中對于氧氣的需求十分吻合。應用變壓吸附制氧技術實現富氧助燃，替代傳統(tǒng)的鼓入空氣助燃，對于固相法生產泡花堿的企業(yè)而言，可大幅提升生產效率，創(chuàng)造顯著的經濟效益。

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

北京北大先鋒科技股份有限公司是北京大學直屬的高新技術企業(yè)，專業(yè)從事變壓吸附氣體分離技術開發(fā)和成套設備設計制造?，F有一個新技術研發(fā)中心、一個中試基地以及一個生產基地，具有完善的生產設施和產品質量檢驗保證體系。

公司以北京大學化學與分子工程學院、北京大學物理化學研究所、分子動態(tài)與穩(wěn)態(tài)結構國家重點實驗室的科研力量為基礎，依靠強大的研發(fā)能力和技術力量，為用戶提供了在性能和質量上可與進口產品相媲美、達到國際先進水平的優(yōu)質產品。

北大先鋒VPSA制氧設備特點及優(yōu)勢：

● 吸附劑是VPSA制氧裝置的核心，其性能指標決定著裝置可能達到的性能水平；本公司采用的是自主開發(fā)的擁有知識產權、生產達到國際最先進水平的新型高效空分制氧分子篩——PU-8，其氮氣靜態(tài)吸附容量高，是傳統(tǒng)制氧分子篩的2~3倍，壓碎強度≥10N，含水量≤1%，使用壽命長，可達15年。

● 國際先進的徑向流吸附塔設計，充分保證了大型VPSA制氧裝置吸附塔內氣流分布均勻，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關鍵技術難題。

● 氧氣收率高，鼓風機、真空泵負荷小：

相比常規(guī)VPSA制氧設備，產品氧收率更高，使得需處理的空氣量和需解吸的氮氣量減少，相應鼓風機和真空泵的負荷變小。

● 能耗及運行費用低：

裝置電耗處于國內領先水平，可大大節(jié)約運行費用。

4 結論

本文所述變壓吸附制氧技術在固相法泡花堿中的實際工業(yè)應用，是泡花堿生產企業(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值。變壓吸附制氧技術具有工藝流程簡單，運行穩(wěn)定可靠，啟動時間短，操作彈性大，土建占地少，能耗及維護費用低，自動化控制程度高，可實現無人值守等優(yōu)點，在泡花堿生產行業(yè)中相比其他制氧工藝具有更加顯著的技術優(yōu)勢，可有效降低生產成本，助力企業(yè)實現節(jié)能環(huán)保。