李 健，單 毅

(北京北大先鋒科技有限公司，北京 100080)

0 引言

變壓吸附制氧技術(shù)主要分為常壓解吸變壓吸附(pressure swing adsorption，PSA)制氧、真空解吸變壓吸附(vacuum pressure swing adsorption，VPSA)制氧、真空解吸(vacuum swing adsorption，VSA)制氧三種。其中，尤以VPSA應(yīng)用較為廣泛[1-3]。近年來，隨著工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)氧氣的需求也與日俱增。經(jīng)過不斷改進(jìn)與發(fā)展，變壓吸附制氧技術(shù)憑借投資少、工期短、開停靈活、維護(hù)方便、單位能耗低等優(yōu)勢(shì)，迅速在冶金、化工、玻璃、造紙等行業(yè)推廣，尤其在中小規(guī)模制氧過程中具有較大優(yōu)勢(shì)[4]。

變壓吸附制氧一般采用羅茨風(fēng)機(jī)作為動(dòng)力設(shè)備。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，會(huì)影響羅茨風(fēng)機(jī)吸入氣體的量，從而導(dǎo)致吸附壓力出現(xiàn)較大波動(dòng)，影響產(chǎn)品純度、流量指標(biāo)。本文根據(jù)北大先鋒印度JSPL制氧項(xiàng)目中的設(shè)備配置以及操作方法，綜合分析工藝流程，提出了產(chǎn)品氣流量、純度自動(dòng)調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方法，降低了因溫度變化造成的純度、流量波動(dòng)。

1 工作原理與系統(tǒng)組成

1.1 VPSA制氧原理

空氣中的主要成分氧氣(21%)和氮?dú)?78%)均具有四極矩，而氮?dú)獾乃臉O矩(0.31?)要比氧氣的四極矩大得多。當(dāng)增壓空氣通過鋰基分子篩時(shí)，由于氮?dú)庠诜肿雍Y上的吸附能力比氧氣大得多，因此被優(yōu)先吸附。吸附能力較弱的氧氣則穿過分子篩，在氣相中獲得富集，從而得到富氧產(chǎn)品氣。當(dāng)分子篩達(dá)到飽和吸附容量時(shí)，降低吸附塔內(nèi)壓力，使分子篩內(nèi)被吸附的氮?dú)獾玫浇馕⑼ㄟ^真空泵排到大氣中，完成分子篩的再生并進(jìn)入下一個(gè)吸附循環(huán)中[5-6]。

由此可以看出，由于分子篩存在增壓吸附以及真空解吸這兩個(gè)步驟，單塔VPSA制氧系統(tǒng)的產(chǎn)氧過程是間斷的。為了得到連續(xù)、穩(wěn)定的產(chǎn)品氣，在實(shí)際應(yīng)用中一般采用多塔制氧工藝流程進(jìn)行生產(chǎn)。而在多塔工藝中，兩塔工藝憑借對(duì)分子篩利用率高、設(shè)備數(shù)量少以及操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，成為常用的制氧工藝流程。另外，在需要更大產(chǎn)量的應(yīng)用場(chǎng)合中，四塔工藝也得到了廣泛應(yīng)用、而早期的三塔及五塔工藝隨著近年來分子篩、吸附塔及工藝流程的不斷改進(jìn)，已經(jīng)逐步被市場(chǎng)淘汰[7-8]。

為了進(jìn)一步降低能耗、提高氧氣收率，除了增壓吸附和真空解吸步驟外，VPSA制氧流程還增加了均壓、清洗等步驟[9-11]。VPSA兩塔制氧步驟如圖1所示。

圖1 VPSA兩塔制氧步驟

當(dāng)其中一個(gè)吸附塔處于吸附產(chǎn)氧狀態(tài)時(shí)，另一個(gè)吸附塔完成真空解吸；兩塔工藝步驟相互配合，工作狀態(tài)輪流切換。通過編制好的程序控制閥門動(dòng)作，即可完成系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行，使兩塔周而復(fù)始交替工作。相比于單塔制氧工藝，該程序提高了系統(tǒng)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

1.2 VPSA系統(tǒng)組成

北京北大先鋒科技有限公司與印度京德勒鋼鐵(JSPL)陸續(xù)簽訂了4套產(chǎn)量6 000 Nm3/h，純度90%的變壓吸附制氧設(shè)備應(yīng)用于高爐機(jī)前富氧。兩塔VPSA制氧系統(tǒng)組成如圖2所示。系統(tǒng)主要由動(dòng)力系統(tǒng)、吸附系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)四部分組成。動(dòng)力系統(tǒng)主要包括電動(dòng)機(jī)、羅茨鼓風(fēng)機(jī)以及羅茨真空泵。吸附系統(tǒng)主要包括吸附塔、分子篩、緩沖罐。電氣系統(tǒng)主要包括高低壓供配電設(shè)備。儀表系統(tǒng)則主要由就地及遠(yuǎn)傳儀表、可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)、手動(dòng)及程控閥門等組成。

圖2 兩塔VPSA制氧系統(tǒng)組成

羅茨鼓風(fēng)機(jī)與真空泵通過工藝管道及程控閥門與吸附塔連接，分別用于完成對(duì)吸附塔的增壓送氣以及真空解吸。吸附塔內(nèi)裝填有鋰基分子篩，以完成氮?dú)饧把鯕獾姆蛛x。分離后的產(chǎn)品氧氣通過緩沖罐輸送至用氣點(diǎn)。羅茨鼓風(fēng)機(jī)和真空泵通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，由電氣系統(tǒng)進(jìn)行供電。設(shè)備運(yùn)行過程中，PLC控制程控閥門完成吸附塔工藝步驟的轉(zhuǎn)換，同時(shí)通過儀表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行采集與保護(hù)。

2 溫度變化對(duì)系統(tǒng)的影響

以兩葉式羅茨機(jī)為例，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。羅茨機(jī)主要由殼體、葉輪以及進(jìn)/排氣口等部分組成。

圖3 羅茨機(jī)結(jié)構(gòu)圖

羅茨鼓風(fēng)機(jī)及羅茨真空泵憑借其運(yùn)行能耗低、占地小、流量穩(wěn)定、維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用在VPSA制氧系統(tǒng)中[12]。根據(jù)形狀不同，葉輪又可分為兩葉式和三葉式兩種[13-14]。葉輪為兩個(gè)呈“8”字形相互垂直的轉(zhuǎn)子，通過墻板支撐在機(jī)殼內(nèi)。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)垂直布置的葉輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中與墻板及機(jī)殼形成密封腔，不斷將氣體由進(jìn)氣口吸入，通過葉輪的擠壓將氣體加壓從排氣口排出。

由上述結(jié)構(gòu)及工作原理可知，羅茨風(fēng)機(jī)為容積式風(fēng)機(jī)，每轉(zhuǎn)動(dòng)一周所輸送的氣體體積由其機(jī)械結(jié)構(gòu)大小決定，如式(1)、式(2)所示。根據(jù)混合理想氣體狀態(tài)方程可知，當(dāng)環(huán)境溫度及壓力不發(fā)生變化時(shí)，其每轉(zhuǎn)動(dòng)一周輸送的氣體物質(zhì)的量也為定值。而當(dāng)氣體溫度發(fā)生變化時(shí)，假設(shè)相同環(huán)境下大氣壓強(qiáng)不變，由于羅茨風(fēng)機(jī)吸入氣體的體積為固定值，則混合氣體的摩爾數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)溫度降低時(shí)，相同體積下氣體物質(zhì)的量升高；當(dāng)溫度升高時(shí)，相同體積下氣體物質(zhì)的量降低。

(1)

(2)

式中:pi為第i種氣體壓強(qiáng)；V為混合氣體體積；T為氣體溫度；vi為第i種氣體體積；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1.013×105 Pa；T0為開氏溫度273.16 K；Vm,0為標(biāo)態(tài)體積22.4×10-3m3/mol。

在同一系統(tǒng)中，羅茨風(fēng)機(jī)每周期內(nèi)吸入的氣體量隨溫度的變化而變化。由于吸附塔內(nèi)分子篩數(shù)量及飽和吸附容量為定值，該變化會(huì)導(dǎo)致吸附壓力及產(chǎn)品流量發(fā)生變化。同時(shí)，若氣體數(shù)量超過分子篩的飽和吸附容量，則氮?dú)鈺?huì)穿過床層進(jìn)入氧氣富集區(qū)，造成產(chǎn)品氣的純度下降。在印度JSPL制氧項(xiàng)目調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，由于環(huán)境晝夜溫差的影響，在沒有人工干預(yù)的情況下，吸附壓力以及產(chǎn)品氣純度、流量存在較大波動(dòng)。初始純度流量波動(dòng)曲線如圖4所示。產(chǎn)品氣流量波動(dòng)達(dá)到338 Nm3/h，純度波動(dòng)達(dá)到2.2%。在實(shí)際運(yùn)行中，純度及流量波動(dòng)對(duì)高爐風(fēng)機(jī)機(jī)前富氧的控制造成了一定影響。

圖4 初始純度流量波動(dòng)曲線

3 壓力及純度自動(dòng)調(diào)節(jié)

3.1 原理分析

為了解決上述問題，對(duì)設(shè)備純度、產(chǎn)量人工調(diào)節(jié)的操作方法進(jìn)行了分析。

如圖2所示，A、B塔通過產(chǎn)氧開關(guān)閥后匯總至緩沖罐，緩沖罐出口以調(diào)節(jié)閥控制流量最終送至用氣點(diǎn)。當(dāng)需要對(duì)純度進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，通過改變送氣調(diào)節(jié)閥的開度，控制吸附塔A、B的吸附壓力。提高吸附壓力，使分子篩對(duì)氮?dú)獾奈叫栽鰪?qiáng)，可以提高產(chǎn)品氧氣純度；反之,增大開度，則可降低產(chǎn)品氧氣濃度。

在兩塔工藝中，A、B塔按照狀態(tài)不同在一個(gè)循環(huán)中被分為若干步，每步對(duì)應(yīng)一持續(xù)時(shí)間T。該時(shí)間T直接影響各功能的作用程度。通過增加吸附產(chǎn)氧步驟的時(shí)間，可提高吸附時(shí)長在周期中的比例及原料氣輸送量，增加產(chǎn)品氣流量；而降低持續(xù)時(shí)間則可降低產(chǎn)量。另外，在調(diào)整產(chǎn)量的同時(shí)，時(shí)間T變化也會(huì)造成吸附壓力的變化。因此，為了保證產(chǎn)品氣純度的穩(wěn)定，應(yīng)同時(shí)對(duì)產(chǎn)氧控制閥的開度進(jìn)行調(diào)整。

當(dāng)然，整套設(shè)備的產(chǎn)氧能力歸根結(jié)底是由羅茨風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣量、分子篩的吸附能力及裝填量所決定的。無論任何調(diào)整方法，都不能突破設(shè)備本身的產(chǎn)氧能力。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)用氧點(diǎn)所需的純度、流量確定后，一般只需要對(duì)由于溫度變化造成的波動(dòng)進(jìn)行修正即可。

3.2 實(shí)現(xiàn)方法

通過上述分析可知，為了解決由于環(huán)境溫度變化造成的產(chǎn)品氣純度、流量波動(dòng)問題，主要應(yīng)對(duì)吸附塔內(nèi)吸附壓力及吸附產(chǎn)氧步驟時(shí)間T進(jìn)行控制。而控制吸附壓力則主要通過對(duì)產(chǎn)氧控制閥的開度控制來實(shí)現(xiàn)。為了完成上述操作，需要通過PLC控制程序分別完成吸附壓力、氧氣純度,定時(shí)提取，并通過對(duì)執(zhí)行條件的判斷最終完成對(duì)步驟時(shí)間以及調(diào)節(jié)閥開度的調(diào)整。

在PLC控制程序中，對(duì)A、B吸附塔內(nèi)最大工作壓力、產(chǎn)品氣純度進(jìn)行定時(shí)提取記錄。若塔內(nèi)實(shí)際吸附壓力超過設(shè)定范圍，則對(duì)吸附產(chǎn)氧時(shí)間T進(jìn)行加減操作，以保證塔內(nèi)吸附壓力在系統(tǒng)工作最佳范圍內(nèi)，穩(wěn)定產(chǎn)品氣流量；若產(chǎn)品氣純度超出設(shè)定值，則對(duì)產(chǎn)氧調(diào)節(jié)閥開度進(jìn)行加減操作，以保證產(chǎn)品氣純度的穩(wěn)定。

3.3 應(yīng)用效果

將純度、流量自動(dòng)調(diào)節(jié)功能投入運(yùn)行后，對(duì)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析如圖5所示。

圖5 自動(dòng)調(diào)節(jié)純度流量波動(dòng)曲線

相同時(shí)段內(nèi)，環(huán)境溫度波動(dòng)范圍基本一致，與未投入自動(dòng)調(diào)節(jié)功能相比，純度、流量波動(dòng)均有較大改善。自動(dòng)調(diào)節(jié)投入前后數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。純度波動(dòng)范圍0.8%，降低約61%；流量波動(dòng)范圍162 Nm3/h，降低約52%；吸附壓力波動(dòng)范圍2.5 kPa，降低約37%。另外，由于設(shè)備一直運(yùn)行在優(yōu)化參數(shù)下，產(chǎn)量得到提升，純氧電耗也具有一定下降，表明該自動(dòng)控制方案基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表1 自動(dòng)調(diào)節(jié)投入前后數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)論

本文以北京北大先鋒科技有限公司印度JSPL制氧項(xiàng)目為例，介紹了VPSA制氧系統(tǒng)的組成及工作原理；結(jié)合理論，對(duì)在項(xiàng)目調(diào)試過程出現(xiàn)的環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)的影響進(jìn)行了分析；通過對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)有工藝流程及操作方法的分析，提出了產(chǎn)品氣純度、流量自動(dòng)調(diào)節(jié)方案，通過控制程序?qū)⑵鋵?shí)現(xiàn)并投入到實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中；對(duì)自動(dòng)調(diào)節(jié)方案投入前后的運(yùn)行參數(shù)及產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行了總結(jié)。結(jié)果表明，本方案可以明顯降低溫度波動(dòng)對(duì)產(chǎn)品氣流量、純度指標(biāo)的影響，同時(shí)降低了純氧單位電耗，為今后同類工程解決類似問題提供了思路及參考依據(jù)。