变压吸附空分制氧应用进展
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变压吸附空分制氧应用进展
卜令兵张剑锋杨云
【四川天一科技股份有限公司变压吸附分离工程研究所成都６１０２２５）
摘要：本文在综述变压吸附空分制氧在化工、冶金、环境及医疗保健领域应用的基础上，对变压吸附空分制氧发展中仍需解决的吸附剂、吸附器结构、以及工艺流程进行了分析。
关键词：变压吸附；氧气；应用
一、引言
氧气是工业的重要的原料，广泛应用于化工、冶金、环境保护、军事和医疗保健领域。传统的制氧方法是深冷法，其主要优点是氧气纯度高，并可以副产氮气、氩气；其缺点是投资大、能耗高、开停车时间长等。目前新型的制氧方法是变压吸附法和膜法，其中由于技术本身的原因，膜法制氧的纯度较低，一般在４０％以下，因此应用局限性较大；而变压吸附空分制氧是一种高科技含量且比较成熟的制氧技术，该制氧工艺具有流程简单、安全、投资少、能耗低、自动化程度高、启动时间短，适应性强，制氧过程在常温下完成，氧气纯度适中（５０％一９５％），负荷调节范围较大（３０％一１１０％）等优点。因此，在制氧规模适中，纯度要求不高的场合，变压吸附制氧具有较大的优势。随着我国工业的持续高速发展，节能降耗技术的大力推广以及环境保护要求的不断提高，变压吸附制氧的市场将不断拓展。
二、变压吸附空分制氧的应用
１．化工领域
用富氧来代替空气造气，可以达到节能和增产的目的。用富氧空气代替普通空气用于煤气发生炉，不但能够产生明显的节煤效益，提高气化强度，降低灰中碳含量，而且还能使一些煤质差的煤得到利用。在化肥造气中采用富氧连续加煤造气，可以降低我国小氮肥的生产成本，目前该行业有近２０亿矗的氧气需求量。
煤炭气化被认为是优于直接燃烧且利于环保的工艺，它不但可以减少ＳＯｘ和ＮＯｘ等废气的排放，而且还可以低成本回收二氧化碳。该工艺对象中国这样具有大量煤炭储备的国家来说，被认为是一种经济合理的选择，如果市场可以认可煤气化所生产的二氧化碳副产品能够等同于提高了石油回收率，那么煤气化工艺的经济性前景进一步提高。目前我国可持续发展战略已将煤气化工艺列为重点项目加以推广。
许多化学品都是通过催化氧化反应生产的，并且研究结果表明有十余种化工产品的生产都可以用富氧空气代替空气，以提高生产效率。另外炼油厂采用富氧再生工艺可增加催化裂化装置和硫磺回收装置的加工能力，同时还可提高渣油的掺炼，减少ＳＯｘ和ＮＯｘ的产生。
２．冶金领域
在高炉炼铁领域，富氧鼓风助燃已成为提高高炉产量和提高煤比降低焦比最有效的手段。在保持风量不便和焦比不便的条件下，在风中含氧２１—２５％时，富氧１％，增产３．３％，焦比降低５—６％；鼓风中含氧２５—３０％时，富氧ｌ％，增产３％。而我国高炉的富氧率多数在０—２％，很少１９
中一工业气体工业协会威立２０一年庆祝大会论文纂
达３％，而国外一般高炉的富氧率在５％左右，甚至高达１０％。
电炉用氧可以加速炉料的熔化及杂质的氧化，这意味着电炉吹氧既可以提高生产能力又能提高钢的质量。对于中小型钢厂，电弧炉炼钢具有用气量不大（一般在１０００—４０００Ｎｍ３／ｈ），不需氮气，且间断用气的特点，变压吸附制氧非常合适，并被广泛采用。
平炉吹氧可以强化冶炼过程，缩短冶炼时间，提高平炉的钢产量。实践证明，平炉吹氧能使平炉的产氧量提高１倍以上，燃料消耗降低３３％一３５％，据估算，吨钢耗氧３０．４０矗。此外，钢铁企业中钢材的加工清理、废钢切割等吨耗氧约１１—１５４ｍ３。
铜的精炼过程采用富氧工艺可以达到增产和节约重油的目的，氰化浸金中采用富氧工艺可以缩短浸出时间，提高生产效率。
２．３环境领域
在废水处理中常用活性污泥法空气供氧，一般的空气曝气法氧气利用率仅有１０％，而富氧曝气法氧气的利用率可以达到９０％以上。臭氧是一种强氧化剂和广谱杀菌剂，并且臭氧也广泛应用于城市废水排出物的深度处理，同时，国内臭氧的应用技术在快速发展。而臭氧的最佳氧源是富氧空气。采用富氧进行垃圾焚烧可降低在空气中燃烧时所产生ＮＯｘ的数量，降低对人类的生殖性和免疫抑制作用，减少环境污染。
４．医疗保健领域
变压吸附法制的氧气可以到达医用氧的标准，可以用于医疗领域。随着我国医疗卫生事业的不断发展，集中供氧系统成为医院病房楼改造和医院上等级必备的项目之一，而变压吸附制氧机组结合汇流排组成的氧源系统具有安全可靠、控制方便、运行成本低等诸多优点，是医院集中供氧系统的理想氧源。
由于氧气的补给可以改善人体的生理、生化内环境、促进代谢过程的良性循环，从而达到治疗疾病、缓解症状、促进康复和预防病变、增进健康的目的。因此在慢性肺部疾病的康复中，慢性呼吸道疾病致低氧血症，目前主张长期低流量氧疗。家庭氧疗在美国、日本等国发展很快，同时，随着我国经济的快速发展，人们生活水平的不断提高，以及在家用制氧机生产制造技术的不断提高，家庭氧疗和氧保健在国内的市场也快速发展。目前，用于家庭氧疗和氧保健的制氧机主要是变压吸附制氧机。
５．其他
玻璃制造业利用富氧燃烧可以降低生产成本，降低大气排放中的氮氧化物的含量。富氧技术还广泛应用于造纸业、发酵业、水产养殖业、水泥制造等工业。
富氧空气作为生命保障氧源，用于航空战斗机、野外军事训练等国防领域。
三、变压吸附空分制氧需要解决的问题
１．吸附剂
吸附剂是变压吸附制氧的核心，吸附剂的吸附分离性能直接决定着制氧装置的能耗、体积以及使用寿命等，因此研究高效的制氧吸附剂始终是变压吸附制氧研究的核心方向。
变压吸附制氧常用的吸附剂主要是ＣａＡ型分子筛，但是，该分子筛的吸附容量小，分离系数低，单位氧气的能耗较高。因此，ＣａＡ型分子筛限制了变压吸附制氧装置的生产规模。目前，吸附分离性能较好的是锂分子筛，其大吸附量、高选择性、低吸附压力的特性可以提高装置的氧收率和分子筛的产率，从而降低装置的能耗、体积和吸附剂用量。Ｂａｌｋｈ等研究发现，ＬｉＸ沸石的氮气吸附容量比ＮａＸ提高约５０％，分离系数从１３Ｘ的`３倍提高到７倍。工业应用中ＰＳＡ流程的能量消耗的决定性因素是操作压力比，用５Ａ沸石或１３Ｘ沸石作吸附剂，工业上一般采用４及２０
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以上的压力比，低于此值时，氧气的回收率急剧下降，同时产品气纯度很难保持在９５％。而采用ＬｉＸ分子筛压力比可以降至２左右。较低的操作压力比意味着解吸压力的提高，从而降低了真空装置的投资和操作费用，这一点对工业应用尤为有利。
ⅡⅨ（低硅铝比锂ｘ沸石）对Ｎ２有很高的吸附量，并且对Ｎ２、ｑ的选择性比蜮（Ｓｉ／ｍ＝１２—１３）高。Ｒｅｇｅ认为１００％Ｌｉ交换的Ⅸ（Ｈ１００％嗽）吸附Ｎ２的量是ＬｉＸ的１５倍。是目前用于空分制氧最好的吸附剂。目前美国研制的新型沸石分子筛吸附剂具有高的吸附选择性和吸附容量，使用真空解吸法就可以得到纯度为９９．９５％的氮及９９．５％的氧，而投资仅为目前变压吸附法的１／３—１／２，能耗降低２５％一３０％。据称用此吸附剂可以加速吸附氮气，可分别制氮和制氧，也可以同时制氧、氮。
２．吸附器的结构
吸附器的结构是吸附剂效率发挥和吸附工艺得以实现的保障。变压吸附空分制氧的吸附器空塔流速较高，高径比较小，直径较大，因此，吸附器结构中最重要的就是气体分布问题。吸附变压吸附空分制氧应用进展器内的理想流动状态是平推流动，但是，普通的气体分布器很难达到同一截面的速度和压力的均匀，并且径向均匀度较差，这就使得吸附床的死体积大，产氧率低。因此，开发具有良好的均流速和均压力的气体分布器可以最大限度的发挥吸附剂的效率，并可以降低吸附器的高径比。
以往对变压吸附的研究主要依靠试验手段，然而，对于流速相对较低，内部又装有吸附剂的吸附器内的流场，采用试验的手段无法研究，因此，笔者通过采用数值分析的方法对吸附器内的三维流场进行了研究，找到影响气流分布的原因，并在比基础上对吸附器的结构进行了改进，使得气体分布器有了较好的布气效果，为开发大型变压吸附制氧装置提供了保障。
然而，随着工业用氧规模的逐步增加，普通的轴向流吸附器受到吸附器直径的限制，很难满足制氧装置大型化的需要，而解决这一问题的方法是采用径向流的吸附器结构，在径向流的情况下，吸附阶段的流向是从外到里，而在解吸时的流向是从里到外。这种吸附器结构的主要优点是：低的容器容积、低的死容积、低的压力降、吸附和解吸时有利的流动方向、固定的吸附剂充填。有利的流动方向是在吸附和解吸时使气体流量改变的结果：在吸附阶段，气体流量在从外向里流动时减少，而在解吸阶段，气体流量在从里向外流动时增加，这是吸附和解吸氮的结果。而径向流吸附器的流动截面积正是从外到里逐步减少的。采用径向流吸附器是变压吸附制氧装置大型化的必然选择。
３．工艺流程
不同的吸附剂具有不同的吸附性能，运行时需要不同的工艺条件，因此，根据吸附剂的特性，研究适合该吸附剂吸附分离的工艺条件，可以充分的挖掘吸附剂的吸附潜力，发挥装置的最大效率，以最低的生产成本获得最大的产品氧气。另外，良好的变压吸附工艺可以降低吸附剂的失效速度，保证吸附装置的使用寿命。
参考文献
［１］张阳，王湛，纪树兰．富氧技术及其应用．化学工业出版社．２００５
［２］Ｄｒ．Ｍ．Ｇｒａｍ，Ｄｒ．Ｐ．Ｌｅｉｔｇｅｂ．变压吸附生产氧气．深冷技术．２００ｌ（５）
［３］宋伟杰等．变压吸附空分吸附剂进展．低温与特气．２００１（２）２１
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