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變壓吸附空分制氧應用進展

時間:2023-05-01 12:37:21 資料 我要投稿
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變壓吸附空分制氧應用進展

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變壓吸附空分制氧應用進展

卜令兵張劍鋒楊云

【四川天一科技股份有限公司變壓吸附分離工程研究所成都610225)

摘要:本文在綜述變壓吸附空分制氧在化工、冶金、環境及醫療保健領域應用的基礎上,對變壓吸附空分制氧發展中仍需解決的吸附劑、吸附器結構、以及工藝流程進行了分析。

關鍵詞:變壓吸附;氧氣;應用

一、引言

氧氣是工業的重要的原料,廣泛應用于化工、冶金、環境保護、軍事和醫療保健領域。傳統的制氧方法是深冷法,其主要優點是氧氣純度高,并可以副產氮氣、氬氣;其缺點是投資大、能耗高、開停車時間長等。目前新型的制氧方法是變壓吸附法和膜法,其中由于技術本身的原因,膜法制氧的純度較低,一般在40%以下,因此應用局限性較大;而變壓吸附空分制氧是一種高科技含量且比較成熟的制氧技術,該制氧工藝具有流程簡單、安全、投資少、能耗低、自動化程度高、啟動時間短,適應性強,制氧過程在常溫下完成,氧氣純度適中(50%一95%),負荷調節范圍較大(30%一110%)等優點。因此,在制氧規模適中,純度要求不高的場合,變壓吸附制氧具有較大的優勢。隨著我國工業的持續高速發展,節能降耗技術的大力推廣以及環境保護要求的不斷提高,變壓吸附制氧的市場將不斷拓展。

二、變壓吸附空分制氧的應用

1.化工領域

用富氧來代替空氣造氣,可以達到節能和增產的目的。用富氧空氣代替普通空氣用于煤氣發生爐,不但能夠產生明顯的節煤效益,提高氣化強度,降低灰中碳含量,而且還能使一些煤質差的煤得到利用。在化肥造氣中采用富氧連續加煤造氣,可以降低我國小氮肥的生產成本,目前該行業有近20億矗的氧氣需求量。

煤炭氣化被認為是優于直接燃燒且利于環保的工藝,它不但可以減少SOx和NOx等廢氣的排放,而且還可以低成本回收二氧化碳。該工藝對象中國這樣具有大量煤炭儲備的國家來說,被認為是一種經濟合理的選擇,如果市場可以認可煤氣化所生產的二氧化碳副產品能夠等同于提高了石油回收率,那么煤氣化工藝的經濟性前景進一步提高。目前我國可持續發展戰略已將煤氣化工藝列為重點項目加以推廣。

許多化學品都是通過催化氧化反應生產的,并且研究結果表明有十余種化工產品的生產都可以用富氧空氣代替空氣,以提高生產效率。另外煉油廠采用富氧再生工藝可增加催化裂化裝置和硫磺回收裝置的加工能力,同時還可提高渣油的摻煉,減少SOx和NOx的產生。

2.冶金領域

在高爐煉鐵領域,富氧鼓風助燃已成為提高高爐產量和提高煤比降低焦比最有效的手段。在保持風量不便和焦比不便的條件下,在風中含氧21—25%時,富氧1%,增產3.3%,焦比降低5—6%;鼓風中含氧25—30%時,富氧l%,增產3%。而我國高爐的富氧率多數在0—2%,很少19

中一工業氣體工業協會威立20一年慶祝大會論文纂

達3%,而國外一般高爐的富氧率在5%左右,甚至高達10%。

電爐用氧可以加速爐料的熔化及雜質的氧化,這意味著電爐吹氧既可以提高生產能力又能提高鋼的質量。對于中小型鋼廠,電弧爐煉鋼具有用氣量不大(一般在1000—4000Nm3/h),不需氮氣,且間斷用氣的特點,變壓吸附制氧非常合適,并被廣泛采用。

平爐吹氧可以強化冶煉過程,縮短冶煉時間,提高平爐的鋼產量。實踐證明,平爐吹氧能使平爐的產氧量提高1倍以上,燃料消耗降低33%一35%,據估算,噸鋼耗氧30.40矗。此外,鋼鐵企業中鋼材的加工清理、廢鋼切割等噸耗氧約11—154m3。

銅的精煉過程采用富氧工藝可以達到增產和節約重油的目的,氰化浸金中采用富氧工藝可以縮短浸出時間,提高生產效率。

2.3環境領域

在廢水處理中常用活性污泥法空氣供氧,一般的空氣曝氣法氧氣利用率僅有10%,而富氧曝氣法氧氣的利用率可以達到90%以上。臭氧是一種強氧化劑和廣譜殺菌劑,并且臭氧也廣泛應用于城市廢水排出物的深度處理,同時,國內臭氧的應用技術在快速發展。而臭氧的最佳氧源是富氧空氣。采用富氧進行垃圾焚燒可降低在空氣中燃燒時所產生NOx的數量,降低對人類的生殖性和免疫抑制作用,減少環境污染。

4.醫療保健領域

變壓吸附法制的氧氣可以到達醫用氧的標準,可以用于醫療領域。隨著我國醫療衛生事業的不斷發展,集中供氧系統成為醫院病房樓改造和醫院上等級必備的項目之一,而變壓吸附制氧機組結合匯流排組成的氧源系統具有安全可靠、控制方便、運行成本低等諸多優點,是醫院集中供氧系統的理想氧源。

由于氧氣的補給可以改善人體的生理、生化內環境、促進代謝過程的良性循環,從而達到治療疾病、緩解癥狀、促進康復和預防病變、增進健康的目的。因此在慢性肺部疾病的康復中,慢性呼吸道疾病致低氧血癥,目前主張長期低流量氧療。家庭氧療在美國、日本等國發展很快,同時,隨著我國經濟的快速發展,人們生活水平的不斷提高,以及在家用制氧機生產制造技術的不斷提高,家庭氧療和氧保健在國內的市場也快速發展。目前,用于家庭氧療和氧保健的制氧機主要是變壓吸附制氧機。

5.其他

玻璃制造業利用富氧燃燒可以降低生產成本,降低大氣排放中的氮氧化物的含量。富氧技術還廣泛應用于造紙業、發酵業、水產養殖業、水泥制造等工業。

富氧空氣作為生命保障氧源,用于航空戰斗機、野外軍事訓練等國防領域。

三、變壓吸附空分制氧需要解決的問題

1.吸附劑

吸附劑是變壓吸附制氧的核心,吸附劑的吸附分離性能直接決定著制氧裝置的能耗、體積以及使用壽命等,因此研究高效的制氧吸附劑始終是變壓吸附制氧研究的核心方向。

變壓吸附制氧常用的吸附劑主要是CaA型分子篩,但是,該分子篩的吸附容量小,分離系數低,單位氧氣的能耗較高。因此,CaA型分子篩限制了變壓吸附制氧裝置的生產規模。目前,吸附分離性能較好的是鋰分子篩,其大吸附量、高選擇性、低吸附壓力的特性可以提高裝置的氧收率和分子篩的產率,從而降低裝置的能耗、體積和吸附劑用量。Balkh等研究發現,LiX沸石的氮氣吸附容量比NaX提高約50%,分離系數從13X的3倍提高到7倍。工業應用中PSA流程的能量消耗的決定性因素是操作壓力比,用5A沸石或13X沸石作吸附劑,工業上一般采用4及20

行業發■篇

以上的壓力比,低于此值時,氧氣的回收率急劇下降,同時產品氣純度很難保持在95%。而采用LiX分子篩壓力比可以降至2左右。較低的操作壓力比意味著解吸壓力的提高,從而降低了真空裝置的投資和操作費用,這一點對工業應用尤為有利。

ⅡⅨ(低硅鋁比鋰x沸石)對N2有很高的吸附量,并且對N2、q的選擇性比蜮(Si/m=12—13)高。Rege認為100%Li交換的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劑。目前美國研制的新型沸石分子篩吸附劑具有高的吸附選擇性和吸附容量,使用真空解吸法就可以得到純度為99.95%的氮及99.5%的氧,而投資僅為目前變壓吸附法的1/3—1/2,能耗降低25%一30%。據稱用此吸附劑可以加速吸附氮氣,可分別制氮和制氧,也可以同時制氧、氮。

2.吸附器的結構

吸附器的結構是吸附劑效率發揮和吸附工藝得以實現的保障。變壓吸附空分制氧的吸附器空塔流速較高,高徑比較小,直徑較大,因此,吸附器結構中最重要的就是氣體分布問題。吸附變壓吸附空分制氧應用進展器內的理想流動狀態是平推流動,但是,普通的氣體分布器很難達到同一截面的速度和壓力的均勻,并且徑向均勻度較差,這就使得吸附床的死體積大,產氧率低。因此,開發具有良好的均流速和均壓力的氣體分布器可以最大限度的發揮吸附劑的效率,并可以降低吸附器的高徑比。

以往對變壓吸附的研究主要依靠試驗手段,然而,對于流速相對較低,內部又裝有吸附劑的吸附器內的流場,采用試驗的手段無法研究,因此,筆者通過采用數值分析的方法對吸附器內的三維流場進行了研究,找到影響氣流分布的原因,并在比基礎上對吸附器的結構進行了改進,使得氣體分布器有了較好的布氣效果,為開發大型變壓吸附制氧裝置提供了保障。

然而,隨著工業用氧規模的逐步增加,普通的軸向流吸附器受到吸附器直徑的限制,很難滿足制氧裝置大型化的需要,而解決這一問題的方法是采用徑向流的吸附器結構,在徑向流的情況下,吸附階段的流向是從外到里,而在解吸時的流向是從里到外。這種吸附器結構的主要優點是:低的容器容積、低的死容積、低的壓力降、吸附和解吸時有利的流動方向、固定的吸附劑充填。有利的流動方向是在吸附和解吸時使氣體流量改變的結果:在吸附階段,氣體流量在從外向里流動時減少,而在解吸階段,氣體流量在從里向外流動時增加,這是吸附和解吸氮的結果。而徑向流吸附器的流動截面積正是從外到里逐步減少的。采用徑向流吸附器是變壓吸附制氧裝置大型化的必然選擇。

3.工藝流程

不同的吸附劑具有不同的吸附性能,運行時需要不同的工藝條件,因此,根據吸附劑的特性,研究適合該吸附劑吸附分離的工藝條件,可以充分的挖掘吸附劑的吸附潛力,發揮裝置的最大效率,以最低的生產成本獲得最大的產品氧氣。另外,良好的變壓吸附工藝可以降低吸附劑的失效速度,保證吸附裝置的使用壽命。

參考文獻

[1]張陽,王湛,紀樹蘭.富氧技術及其應用.化學工業出版社.2005

[2]Dr.M.Gram,Dr.P.Leitgeb.變壓吸附生產氧氣.深冷技術.200l(5)

[3]宋偉杰等.變壓吸附空分吸附劑進展.低溫與特氣.2001(2)21

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