(安徽晉煤中能化工股份有限公司，安徽 臨泉 236400)

1 原理及工藝流程

1.1 變壓吸附制氧基本原理

變壓吸附制氧的基本原理是，原料空氣經(jīng)鼓風(fēng)機進口過濾器去除雜質(zhì)后進入鼓風(fēng)機，被鼓風(fēng)機增壓后，通過管道和氣動切換閥門進入吸附劑床層，原料空氣中的水分和二氧化碳被底部的13X吸附劑吸附，凈化后的空氣在吸附器內(nèi)繼續(xù)上升，經(jīng)過PU-8制氧吸附劑的過程中氮氣逐漸被吸附，從而在吸附器頂部富集到氧氣。產(chǎn)品氧氣從吸附器頂部流出后，進入氧氣緩沖罐，再經(jīng)增壓，供造氣崗位使用。

為了連續(xù)獲得氧氣，一般設(shè)兩個或兩個以上的吸附器，一個吸附器在較高壓力下吸附空氣中的氮氣，從吸附器出口端獲得產(chǎn)品氧氣；其他的吸附器在較低壓力下解吸或升壓，以便在下一個周期內(nèi)吸附原料空氣中的氮氣。幾個吸附器輪流切換，從而達到連續(xù)產(chǎn)氧的目的。

對于VPSA制氧工藝，每個周期都必須完成吸附、順向放壓、真空解吸、清洗、均壓、升壓等步驟。

吸附 空氣經(jīng)過吸附床層，氮氣被吸附，當(dāng)吸附器達到一定壓力后，產(chǎn)品氧氣流入氧氣緩沖罐。

順向放壓 吸附結(jié)束后，吸附器上部氣體含氧量相對較高，將這部分氣體順向放至低壓吸附器。

真空解吸 順向放壓結(jié)束后，吸附器壓力還是較高，需要通過抽真空的方法使吸附器壓力進一步降低，將解吸的氮氣抽出放空。

清洗 在吸附器抽真空達到最低解吸壓力之前，將氧氣從頂部通入吸附器，同時從底部繼續(xù)抽真空，使吸附的氮氣進一步解吸。

均壓 吸附器再生結(jié)束后，將完成吸附的吸附器從頂部通入氣體，同時對吸附器從底部繼續(xù)抽真空。

升壓 均壓后吸附器壓力仍較低，利用氧氣緩沖罐中的產(chǎn)品氣從頂部送入吸附器，同時從吸附器底部引入空氣，對吸附器進行升壓。

以上各步驟循環(huán)進行，即可實現(xiàn)空氣的氧氮分離，從而得到符合要求的產(chǎn)品氧氣。各工作步驟的切換，是靠氣動切換閥來實現(xiàn)的，氣動閥門根據(jù)控制系統(tǒng)程序的設(shè)定實現(xiàn)自動開啟和關(guān)閉。

1.2 VPSA制氧裝置系統(tǒng)組成

VPSA制氧裝置由鼓風(fēng)機系統(tǒng)、真空泵系統(tǒng)、吸附系統(tǒng)、儀表控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、儀表空氣系統(tǒng)、氧氣增壓系統(tǒng)共七部分組成。

鼓風(fēng)機系統(tǒng) 為制氧裝置提供原料空氣，將空氣加壓后送入吸附器。此系統(tǒng)主要由鼓風(fēng)機進氣過濾器、鼓風(fēng)機、鼓風(fēng)機出口冷卻器和相應(yīng)的管道及閥門組成。

真空泵系統(tǒng) 在吸附結(jié)束后對吸附器抽真空，將解吸的氮氣排出系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要由真空泵、真空泵出口消音室和相應(yīng)的管道及閥門組成。

吸附系統(tǒng) 空氣中氧氣和其他組分(氮氣、水分、二氧化碳等)分離的場所，其他組分被吸附劑吸附，而氧氣吸附較少，在吸附器頂部得到富集，從而將氧氣從空氣中分離出來。此系統(tǒng)主要由吸附器(內(nèi)裝有各種吸附劑及填料)、氧氣緩沖罐和相應(yīng)的管道及閥門組成。

儀表控制系統(tǒng) 用來控制制氧裝置的啟動、停止，通過各氣動閥門的自動運行實現(xiàn)各步驟的切換。此系統(tǒng)主要由上位機、儀表控制柜、傳感器、變送器等現(xiàn)場儀表監(jiān)控系統(tǒng)，自動控制硬件、自動控制軟件、自動控制程序等辦公室操作系統(tǒng)，氣動切換閥門和氣動調(diào)節(jié)閥門等流量控制系統(tǒng)組成。

電氣控制系統(tǒng) 為制氧裝置內(nèi)的動力裝置等用電設(shè)備提供電源及控制動力設(shè)備的啟動、停止及保護。此系統(tǒng)主要由電氣控制柜、電氣操作開關(guān)、電氣自動化保護、動力電纜和控制電纜等部分組成。

儀表空氣系統(tǒng) 為氣動控制閥門提供高壓、清潔、連續(xù)、充足的氣源，保證氣動控制閥門可以順利開關(guān)。此系統(tǒng)主要由空氣壓縮機、干燥機、空氣過濾器和相應(yīng)的管道及控制閥門組成。

氧氣增壓系統(tǒng) 從吸附器流出的氧氣收集在氧氣緩沖罐內(nèi)，輸出壓力為20 kPa左右，經(jīng)氧氣增壓裝置加壓后達到要求的供氧壓力，供用戶使用。此系統(tǒng)主要由氧氣增壓風(fēng)機、氧氣增壓風(fēng)機后冷器、低壓氧氣緩沖罐和供氧管道組成。

1.3 裝置性能指標(biāo)

氧氣純度 80%

氧氣輸出壓力 45 kPa(表)

啟動時間 15～30 min

電耗 0.415±0.02 kW·h/m3(折純氧計，按電源進線柜電度表有功功率計量，包括鼓風(fēng)機、真空泵、氧氣增壓機、儀表用電等)

2 常見故障及排除方法

2.1 導(dǎo)致氧氣純度降低的原因

氧氣純度降低通常是由于其他氣體流進或流出吸附塔，或者是因為過度加大產(chǎn)品氧氣產(chǎn)量造成的。但是，氧氣純度降低也可能是其他未知原因造成的，因此需要檢查來確定氧氣純度降低的原因。

當(dāng)氧氣純度出現(xiàn)問題時，應(yīng)首先比較吸附塔的實際壓力曲線和平時正常壓力曲線是否一致，特別是解吸壓力是否達到正常的解吸壓力。造成壓力偏差的一個常見原因就是閥門開關(guān)故障或者在循環(huán)過程中開關(guān)位置不正常。確定是哪些閥門出現(xiàn)故障需要搞清在循環(huán)過程中壓力出現(xiàn)偏差時處于循環(huán)過程的哪個階段，將各個閥門正常的開關(guān)位置與實際開關(guān)情況進行比較，就可以判斷。

2.2 導(dǎo)致氧氣流量降低的原因

鼓風(fēng)機進氣過程有損失會造成吸附塔內(nèi)進氣量不足，從計算機上檢測到的吸附塔頂部壓力變化可以診斷以上問題。造成以上現(xiàn)象的原因可能是因為進氣時鼓風(fēng)機放空閥(氣動閥及手動閥)泄漏造成，也可能是鼓風(fēng)機進氣閥門和真空泵抽氣閥門泄漏，氣體異常流動造成。吸附塔頂部開關(guān)閥開關(guān)不正常，或者調(diào)節(jié)閥在循環(huán)過程中開度不準(zhǔn)確，也會造成流量不正常，此時需檢查開關(guān)閥動作情況或者重新校正調(diào)節(jié)閥的開度。

2.3 導(dǎo)致純度及產(chǎn)量降低的其他因素

真空泵密封水進水量不足會造成真空泵抽氣不足，導(dǎo)致真空度不夠，吸附劑解吸不徹底，影響產(chǎn)量及純度。

環(huán)境溫度變化會導(dǎo)致空氣進氣量變化，在不同的季節(jié)流量不一樣。

換熱器的冷卻效果降低會導(dǎo)致進入吸附器的氣體溫度升高，影響吸附性能，應(yīng)定期檢查換熱器后氣體的溫度及吸附塔頂部的溫度，換熱器后的氣體溫度不宜超過40 ℃。

2.4 氧氣產(chǎn)量和純度異常的排除方法(表1)

3 吸附劑相關(guān)注意事項

確保吸附劑與會造成其性能嚴(yán)重下降的環(huán)境相隔絕?？赡艿囊蛩刂饕缦隆?/p>

(1)水 除了正常進氣所帶水蒸氣外，不應(yīng)該有其他液態(tài)水或水蒸氣進入吸附塔。

(2)化學(xué)污染 禁止超過可覺察數(shù)量的氯氣或者氯的化合物，硫或者硫的化合物或者碳?xì)浠衔镞M入吸附塔。

(3)二氧化碳 吸附劑再生后不應(yīng)該有二氧化碳聚集存留在吸附塔內(nèi)。

如果出現(xiàn)以上情況，會對吸附劑造成不可挽救的損壞。因此，必須熟悉、理解并實施以下的措施來預(yù)防這些情況的發(fā)生。

3.1 預(yù)防水污染

一定數(shù)量的水蒸氣會隨著原料氣進入吸附塔并被吸附塔底部的吸附劑所吸附。吸水受潮后的吸附劑會失去吸附氮氣的能力，也會使整個分離過程失去作用。正常的狀況在工藝流程設(shè)計中已說明。

正常吸附過程中，空氣中所含水分將被吸附器底部分子篩吸附并通過真空泵解吸。但如果所進氣量中水分超過分子篩的吸附能力，則會造成上部PU-8分子篩失效，從而影響整個裝置的正常生產(chǎn)。除鼓風(fēng)機進氣所含水外其他水的進入及不正常的操作工況都會造成多余水進入。

因為解吸過程中吸附塔在一段時間內(nèi)存在負(fù)壓，此時潮濕的空氣可能通過吸附器上部進入吸附塔內(nèi)部，因此必須嚴(yán)格檢查吸附塔上部法蘭及閥門連接處、氣動閥門閥軸密封處等可能存在隱患的地方，以盡可能減少漏氣的可能。

如果長時間存在以上所說的泄漏，分子篩將會因吸附潮濕空氣并且不能解吸而失效，出現(xiàn)這種情況將會影響吸附劑的吸附效果，從而影響整個裝置的性能。

因為分子篩在潮濕的空氣中極易吸水，所以吸附器非必要情況下不能打開。如有疑問可以聯(lián)系北大先鋒工程技術(shù)部咨詢。

盡管液態(tài)水進入吸附塔的幾率非常小，但以下情況需注意。

(1)正常情況下鼓風(fēng)機排氣管道不應(yīng)該有液態(tài)水存在，如果出現(xiàn)液態(tài)水，則有可能是鼓風(fēng)機后換熱器漏水，應(yīng)經(jīng)常檢查換熱器封頭處閥門是否有水。

(2)隨著真空泵的運行，密封水被吸入到真空泵內(nèi)。正常運行時，通過真空泵后氣水分離器及消音器放空。應(yīng)注意采取預(yù)防措施，防止密封水進入吸附塔。

3.2 預(yù)防化學(xué)污染

本套裝置正常運轉(zhuǎn)時鼓風(fēng)機吸入氣體應(yīng)該為空氣。如果含有過多的硫、硫化物及氯、氯化物或碳?xì)浠衔铮赡軙斐煞肿雍Y失效。所以如果可能存在以上現(xiàn)象，則應(yīng)立即停運裝置。