中国动力Ｔ程学会丁业气体专业委员会２０００年技术论坛论文集
变压吸附空分制氧装置技术的运用与现状
吴芳
摘要：介绍在变压吸附制氧装置研究、设计、建设中的主要经验，通过对国内同类装置的设备配置对比，分析变压吸附空分制氧装置的丰要特点及发展趋势．
关键词。变压吸附制氧装置特点发展趋势
ｌ概述
成都华西工业气体有限公司丰要从事变压吸附法和化学吸收法分离与净化气体、烟气脱除回收Ｓ０２、干法湿法脱无机及有机硫、盐酸再生等工程技术的开发与工程承包，以及精细化工产品、ＰＳＡ专用程控阀门、机电一体化、工ｑｋ过程控制系统、脱硫剂、吸附剂、催化剂的研究与生产。
近二十年来，华西科技在研制、开发变监吸附空分制氧装置相关技术上取得了较明显的发展，特别是随着市场对氧气的需求量不断增加，给发展大型变压吸附空分制氧装置提供了较为广阔的空间，我公司在冶金、化工、有色金属等行业已成功的承建了四十余套大、中、小型变压吸附制氧装置，其规模从３０Ｎｍ’／ｈ至４００００Ｎｍ’／ｈ（折合纯氧），通过长时问的运行，华西科技在变压吸附制氧装置的开发设计、设备配置上取得了丰富的实践经验，本文结合国内部分同类装置的设备配置及运行状况阐述对发展大型变压吸附制富氧装置的部分观点。
随着市场竞争的加巨和能源的口趋紧张，急切要求田内众多企业不断挖掘节能降耗的生产潜能，因此，在许多牛产过程中，所需的氧气纯度要求并不高，比如冶金行业的电炉炼钢、高炉富氧喷煤：化工行业中的富氧造气；有色冶炼中的富氧底吹溶炼、玻纤行业的富氧熔炼等，这些行业所需氧气纯度均不高，一般在２５％＇－－－９３％左右不等，丽且需求量较大，一般在１０００Ｎｍ３／ｈ～４００００Ｎｍ３／ｈ（折合ｉ００％０２最）左右，这就为我们发展大犁变压吸附空分制氧装置提供了较为广阔的空间，同时也给我们在开发设计大型变压吸附制氧装置及设备配套上如何解决关键技术提出了新的课题。
２变压吸附空分制氧的主要特点
目前，工业氧气的主要生产途径有：深冷分馏法、变压吸附法（ＶＰＳＡ＞、膜分离法。在我闰，传统的制氧方法主要是深冷分馏法，其主要特点是氧气纯度高（之９９．６％０２），副产品多（可同时生产高纯氮气和氧气），其缺点是单位氧能耗高、建设投资大，氧气生产成本高；深冷分馏制氧法曾在困内外的制氧行、ｌｋ中占统治地位，此法是先将空气压缩、冷却，并使空气液化，利用氧、氮组分的沸点的不同（在大气压下氧沸点为９０Ｋ，氮沸点为７７Ｋ），在精馏塔板上使气、液接触，进行质、热交换，高沸点的氧组分不断从蒸气中冷凝成液体，低沸点的氮组分不断地转入蒸气之中，使上升的蒸气中含氮最不断地提高，而下流液体中氧量越来越高，从而使氧、氮分离，这就是空气精馏。此法无论是空气液化或是精馏，都是在１２０Ｋ以一Ｆ的温度条件下进行的，故称为低温法空气分离。
低温制氧法生产量大，氧气纯度高（大于９９．６％０２），副产品多（可同时生产高纯氮气和氩气），其缺点是单位氧能耗高、建设投资大，氧气生产成本高。
变握吸附法即ＶＰＳＡ法，基于分予筛对空气中的氧、氮组分选择性吸附而使空气分离获得氧气。当空气经过略微升压，通过分子筛吸附塔的吸附层时，氮分子优先被吸附，氧分子留在气相中而成为产品氧气。吸附剂中的氮组份吸附达到饱和时，利用减压或抽真空的方法将吸附剂表面吸附的氮分予解吸出来并送出界区，从而达到恢复吸附剂的吸附能力。由于要实现吸附剂的更好解吸再生，所以该工艺在吸附时的压力极低（Ｏ．０２５ＭＰａ（Ｇ）），基本接近常压。变压吸附法是一种新颖的制氧方法，我阳研究变压吸附法制氧始十６０年代末期，到９０年代初期才实现小犁装置的工业化，变压吸附法在近十几年来，其在灵活、多变的用氧场合中很有优势，具有极强的竞争力，被迅速普及使用。变压吸附法的氧气纯度町以在４０％～９５％范围内调节，该方法所生产的氧气纯度最高只能达到９５．５％０２（此时气相中有４．５％Ａｒ气），所以只适合对用氧气纯度要求不是很高的场合。
变压吸附（ＶＰＳＡ）法具有工艺流群简单，制氧过程在常温常压下实现，装置运行安全可靠。建设投资省、单位氧气能耗低、自动化程度高、操作人员少（２人／班）或町以实现无人化操作、开、停车时问短（一一般在２０ｍｉｎ内能满足生产使用要求）、适应性强，氧气纯度可以在４０％＇－－９５％之间任意调整，负荷可在３０％，－－－１００＂，，６范围内随意变化。其缺点是产品单
中国动力＿Ｔ程学会Ｔ业气体专业委员会２００９年技术论坛论文集
一，纯度不高（≤９５％０２）。
膜分离法是９０年代初才发展起来的高分子分离技术，其处理量较小，氧气纯度在２５％～４０％左右，ｆ１前所使用的膜件主要靠进口，价格较高，该技术还有待于进・步提高。
综合上述牛产方式，变雎吸附制氧法与传统深冷分馏法在一定范围内有着明显的特点：１）工艺流程短，投资省：对于含有多种杂质的气体，在大多数情况下变压吸附都可以一步将各种杂质脱除面获得产品，因而流程省。其总投资比同等规模的深冷分馏法要省１５％左右。
２）产品纯度容易调节：只需要调整运行参数，变压吸附法制氧装置即可以得到用户所需的各种不同纯度的产品氧气用于不同同的的生产。
３）操作简单、开停车速度快：变胍吸附装置的设备简单、运转设备少，且全部可以自动化操作，装置可以根据后续生产的需要在保持能耗基本不变的情况下灵活调整产最，并可以实现在线的检修和维护，装置开、停车…般只需２０，－－－３０分钟就可以满足后续使用要求。
４）单位氧能耗低、运行费用少：变压吸附装置一般在接近常握的状态下运行，产品氧气根据用Ｊ、的要求再另行增压，单位氧气电耗≤Ｏ．３６ＫＷｈ／Ｎｍ３；单位氧气运行成本费为０．３０歹亡～Ｏ．３５ｊｒ已。
３变压吸附空分制氧装置的现状
目前，我闲大型变压吸附制富氧装置单系列产氧量已达到２００００Ｎｍ’／ｈ（折合纯氧）的设计和生产能力，产品氧气纯度根据不同的使用工况可以在４０％－－－９５％０２之间任意确定，Ｉ｛Ｉ于变压吸附的一个显著特点是：产品氧气纯度越低，原料空气中的氧收率越高，一套ＶＰＳＡ装置产品氧纯度的确定，主要考虑专用制氧吸附剂的产氧性能、后续用氧单元所需富氧的使用条件等因素，根据综合投资性能比来合理选择装置的产氧纯度；一般工ｑｋ牛产中ＶＰＳＡ装置氧气纯度的确定有两种：９０％，－－９３％０２和７０％－－－８０％０２，在煤造气富氧只需５０％－－－－６０％０２：不ｌ一的产氧纯度，装置单位产品氧气的综合能耗也不一样，我闷目前己投运的ＶＰＳＡ制氧装置的单位制氧综合电耗在０．２５～０．３８Ｋｗｈ／Ｎｍ３左右，装置无故障生产周期大于两年，主要的工艺运行数据和设备安全联锁均集中在主控制事内ｉｔｌ壬！’算机统一自动管理调节，甚至可以实现无人化操作和远程控制，有效地降低了生产管理成本和操作人员的劳动强度。
以前我Ｈ的ＶＰＳＡ制富氧装置所采用的吸附剂丰要依赖于进Ｕ，不仅价格高、而且所能选用的吸附性能也不是国际上最好的产品，造成氧收率低，装置配套装机容帚大，制氧能耗明显偏高，吸附剂用量较大、投资成本高等弊病；另一方面，气动程控蝶阀的Ｕ径也是制约装置规模扩大的主要因素，由于ＶＰＳＡ制氧装置必须要求程控蝶阀不仅要有高密封性能，同时要求开关速度很快（小于２秒），一般小Ｕ径的气动蝶阀容易满足此要求，但是若Ｕ径较大（大于ＤＮ６００）的程控蝶阀，一般的气动阀门很难满足ＶＰＳＡ制氧工艺要求，往往造成装置在程控阀门上的故障率成倍增加，而且大ｕ径的双偏心蝶阀，其软密封性能也很难在高频率的开关过程中长期得到保证，这．两种关键技术产品曾一度制约着我闲大型变挫吸附制氧装置的开发建设进度，该问题也是同前国外大型ＶＰＳＡ制氧装置发展所而临的主要技术难题。
随着成都华函工业气体有限公司对变压吸附制富氧装置的不断研究和开发，在吸附剂和大口径程控蝶阀的丌发生产取得突破性的发展，成功地研制并生产了在低握力条件下Ｎ２／０２分离系数更高、吸附容最更大、强度更高、使用寿命更强的新犟专用制氧吸附剂ＨＤ．０１分予筛，其Ｎ２／０２分离系数比传统的硅铝酸盐制氧吸附剂提高近两倍，对Ｎ２的吸附容量提高了近７０％左右，该吸附剂的使用，比传统同类装置减少吸附剂装填量近５０％，对空气中的０２收率明显提高，减少了鼓风量及抽真空量，节能效果相当明显，该技术已达到了世界先进水平，为大霉！！制氧装置的发展提供了有力的基础保证。
Ｉ司时，华西科技对大Ｕ径液压驱动三偏心全金属无摩擦扭矩程控蝶阀的研制、牛产和在ＰＳＡ工业装置上的成功投运，不仅解决了程控蝶阀的长周期密封性能，而且高压力的机械油驱动，为程控阀门的快速刀：关提供了有力的保证，目前已经在闷内提供了Ｕ径为ＤＮｌ８００的快速开关程控蝶阀（开关速度＜２秒＝，这为我国实现大犁变压吸附制氧装置解决了关键设备技术，同时也大大降低了装置的投资成本，２００４年９月１５口，华西科技在通化钢铁股份有限公司投资建设的一套ＨＸ．１００００犁ＶＰＳＡ－－０２装置的成功投运，已证实了我国在实现大型化ＶＰＳＡ．０２装置上迈上了一个新的台阶。目前，成都华西工业气体自．限公司已完全具备承建产氧最达４００００Ｎｍ３／Ｉｌ（折合纯氧）的ＶＰＳＡ－０２装置的设计及生产能力，且全套产品
±墅生三里兰垒三些墨整芏些耋丝宣！塑！！：塑Ｅ笙堡堡塞堡
的配置牟船章现丁国产化．
目Ｉ＾ｉＶＰｓＡ－０２姨ｔ
４、结柬语
在发展大型变压吸附的研究与琵计中．台理昀工艺选择和装置的联镇也是保证装置长期安全运行的必要条件。
另外，吸附塔的结构设计也是变压吸附制氧装置的芙键，日前该蹬备的结构设计有很多种，也有不少成功的经验供我们去借鉴、探讨。
总之，艇展我国的ＶＰＳＡ制氧技术，需要我们不断的研究、实践，特别是进步提高变Ｈ三吸附制氧装置产品气的纯度，特别是Ｏ／Ａｒ组分的进一步分离方式，是我们面ｌ临的叉一新的诨题。
华西科拄在不断总结实践经验和深入研究的基础上．成功设计和建设了三十余套大、中型ＶＰＳＡ制氧装置．标忐着我国ＶＰＳＡ制富氧装置进八了个新的里程碑，其投资和经济运行效益得到明显体现。
中国动力Ｔ程学会丁业气体专业委员会２０００年技术论坛论文集
变压吸附空分制氧装置技术的运用与现状
吴芳
摘要：介绍在变压吸附制氧装置研究、设计、建设中的主要经验，通过对国内同类装置的设备配置对比，分析变压吸附空分制氧装置的丰要特点及发展趋势．
关键词。变压吸附制氧装置特点发展趋势
ｌ概述
成都华西工业气体有限公司丰要从事变压吸附法和化学吸收法分离与净化气体、烟气脱除回收Ｓ０２、干法湿法脱无机及有机硫、盐酸再生等工程技术的开发与工程承包，以及精细化工产品、ＰＳＡ专用程控阀门、机电一体化、工ｑｋ过程控制系统、脱硫剂、吸附剂、催化剂的研究与生产。
近二十年来，华西科技在研制、开发变监吸附空分制氧装置相关技术上取得了较明显的发展，特别是随着市场对氧气的需求量不断增加，给发展大型变压吸附空分制氧装置提供了较为广阔的空间，我公司在冶金、化工、有色金属等行业已成功的承建了四十余套大、中、小型变压吸附制氧装置，其规模从３０Ｎｍ’／ｈ至４００００Ｎｍ’／ｈ（折合纯氧），通过长时问的运行，华西科技在变压吸附制氧装置的开发设计、设备配置上取得了丰富的实践经验，本文结合国内部分同类装置的设备配置及运行状况阐述对发展大型变压吸附制富氧装置的部分观点。
随着市场竞争的加巨和能源的口趋紧张，急切要求田内众多企业不断挖掘节能降耗的生产潜能，因此，在许多牛产过程中，所需的氧气纯度要求并不高，比如冶金行业的电炉炼钢、高炉富氧喷煤：化工行业中的富氧造气；有色冶炼中的富氧底吹溶炼、玻纤行业的富氧熔炼等，这些行业所需氧气纯度均不高，一般在２５％＇－－－９３％左右不等，丽且需求量较大，一般在１０００Ｎｍ３／ｈ～４００００Ｎｍ３／ｈ（折合ｉ００％０２最）左右，这就为我们发展大犁变压吸附空分制氧装置提供了较为广阔的空间，同时也给我们在开发设计大型变压吸附制氧装置及设备配套上如何解决关键技术提出了新的课题。
２变压吸附空分制氧的主要特点
目前，工业氧气的主要生产途径有：深冷分馏法、变压吸附法（ＶＰＳＡ＞、膜分离法。在我闰，传统的制氧方法主要是深冷分馏法，其主要特点是氧气纯度高（之９９．６％０２），副产品多（可同时生产高纯氮气和氧气），其缺点是单位氧能耗高、建设投资大，氧气生产成本高；深冷分馏制氧法曾在困内外的制氧行、ｌｋ中占统治地位，此法是先将空气压缩、冷却，并使空气液化，利用氧、氮组分的沸点的不同（在大气压下氧沸点为９０Ｋ，氮沸点为７７Ｋ），在精馏塔板上使气、液接触，进行质、热交换，高沸点的氧组分不断从蒸气中冷凝成液体，低沸点的氮组分不断地转入蒸气之中，使上升的蒸气中含氮最不断地提高，而下流液体中氧量越来越高，从而使氧、氮分离，这就是空气精馏。此法无论是空气液化或是精馏，都是在１２０Ｋ以一Ｆ的温度条件下进行的，故称为低温法空气分离。
低温制氧法生产量大，氧气纯度高（大于９９．６％０２），副产品多（可同时生产高纯氮气和氩气），其缺点是单位氧能耗高、建设投资大，氧气生产成本高。
变握吸附法即ＶＰＳＡ法，基于分予筛对空气中的氧、氮组分选择性吸附而使空气分离获得氧气。当空气经过略微升压，通过分子筛吸附塔的吸附层时，氮分子优先被吸附，氧分子留在气相中而成为产品氧气。吸附剂中的氮组份吸附达到饱和时，利用减压或抽真空的方法将吸附剂表面吸附的氮分予解吸出来并送出界区，从而达到恢复吸附剂的吸附能力。由于要实现吸附剂的更好解吸再生，所以该工艺在吸附时的压力极低（Ｏ．０２５ＭＰａ（Ｇ）），基本接近常压。变压吸附法是一种新颖的制氧方法，我阳研究变压吸附法制氧始十６０年代末期，到９０年代初期才实现小犁装置的工业化，变压吸附法在近十几年来，其在灵活、多变的用氧场合中很有优势，具有极强的竞争力，被迅速普及使用。变压吸附法的氧气纯度町以在４０％～９５％范围内调节，该方法所生产的氧气纯度最高只能达到９５．５％０２（此时气相中有４．５％Ａｒ气），所以只适合对用氧气纯度要求不是很高的场合。
变压吸附（ＶＰＳＡ）法具有工艺流群简单，制氧过程在常温常压下实现，装置运行安全可靠。建设投资省、单位氧气能耗低、自动化程度高、操作人员少（２人／班）或町以实现无人化操作、开、停车时问短（一一般在２０ｍｉｎ内能满足生产使用要求）、适应性强，氧气纯度可以在４０％＇－－９５％之间任意调整，负荷可在３０％，－－－１００＂，，６范围内随意变化。其缺点是产品单
中国动力＿Ｔ程学会Ｔ业气体专业委员会２００９年技术论坛论文集
一，纯度不高（≤９５％０２）。
膜分离法是９０年代初才发展起来的高分子分离技术，其处理量较小，氧气纯度在２５％～４０％左右，ｆ１前所使用的膜件主要靠进口，价格较高，该技术还有待于进・步提高。
综合上述牛产方式，变雎吸附制氧法与传统深冷分馏法在一定范围内有着明显的特点：１）工艺流程短，投资省：对于含有多种杂质的气体，在大多数情况下变压吸附都可以一步将各种杂质脱除面获得产品，因而流程省。其总投资比同等规模的深冷分馏法要省１５％左右。
２）产品纯度容易调节：只需要调整运行参数，变压吸附法制氧装置即可以得到用户所需的各种不同纯度的产品氧气用于不同同的的生产。
３）操作简单、开停车速度快：变胍吸附装置的设备简单、运转设备少，且全部可以自动化操作，装置可以根据后续生产的需要在保持能耗基本不变的情况下灵活调整产最，并可以实现在线的检修和维护，装置开、停车…般只需２０，－－－３０分钟就可以满足后续使用要求。
４）单位氧能耗低、运行费用少：变压吸附装置一般在接近常握的状态下运行，产品氧气根据用Ｊ、的要求再另行增压，单位氧气电耗≤Ｏ．３６ＫＷｈ／Ｎｍ３；单位氧气运行成本费为０．３０歹亡～Ｏ．３５ｊｒ已。
３变压吸附空分制氧装置的现状
目前，我闲大型变压吸附制富氧装置单系列产氧量已达到２００００Ｎｍ’／ｈ（折合纯氧）的设计和生产能力，产品氧气纯度根据不同的使用工况可以在４０％－－－９５％０２之间任意确定，Ｉ｛Ｉ于变压吸附的一个显著特点是：产品氧气纯度越低，原料空气中的氧收率越高，一套ＶＰＳＡ装置产品氧纯度的确定，主要考虑专用制氧吸附剂的产氧性能、后续用氧单元所需富氧的使用条件等因素，根据综合投资性能比来合理选择装置的产氧纯度；一般工ｑｋ牛产中ＶＰＳＡ装置氧气纯度的确定有两种：９０％，－－９３％０２和７０％－－－８０％０２，在煤造气富氧只需５０％－－－－６０％０２：不ｌ一的产氧纯度，装置单位产品氧气的综合能耗也不一样，我闷目前己投运的ＶＰＳＡ制氧装置的单位制氧综合电耗在０．２５～０．３８Ｋｗｈ／Ｎｍ３左右，装置无故障生产周期大于两年，主要的工艺运行数据和设备安全联锁均集中在主控制事内ｉｔｌ壬！’算机统一自动管理调节，甚至可以实现无人化操作和远程控制，有效地降低了生产管理成本和操作人员的劳动强度。
以前我Ｈ的ＶＰＳＡ制富氧装置所采用的吸附剂丰要依赖于进Ｕ，不仅价格高、而且所能选用的吸附性能也不是国际上最好的产品，造成氧收率低，装置配套装机容帚大，制氧能耗明显偏高，吸附剂用量较大、投资成本高等弊病；另一方面，气动程控蝶阀的Ｕ径也是制约装置规模扩大的主要因素，由于ＶＰＳＡ制氧装置必须要求程控蝶阀不仅要有高密封性能，同时要求开关速度很快（小于２秒），一般小Ｕ径的气动蝶阀容易满足此要求，但是若Ｕ径较大（大于ＤＮ６００）的程控蝶阀，一般的气动阀门很难满足ＶＰＳＡ制氧工艺要求，往往造成装置在程控阀门上的故障率成倍增加，而且大ｕ径的双偏心蝶阀，其软密封性能也很难在高频率的开关过程中长期得到保证，这．两种关键技术产品曾一度制约着我闲大型变挫吸附制氧装置的开发建设进度，该问题也是同前国外大型ＶＰＳＡ制氧装置发展所而临的主要技术难题。
随着成都华函工业气体有限公司对变压吸附制富氧装置的不断研究和开发，在吸附剂和大口径程控蝶阀的丌发生产取得突破性的发展，成功地研制并生产了在低握力条件下Ｎ２／０２分离系数更高、吸附容最更大、强度更高、使用寿命更强的新犟专用制氧吸附剂ＨＤ．０１分予筛，其Ｎ２／０２分离系数比传统的硅铝酸盐制氧吸附剂提高近两倍，对Ｎ２的吸附容量提高了近７０％左右，该吸附剂的使用，比传统同类装置减少吸附剂装填量近５０％，对空气中的０２收率明显提高，减少了鼓风量及抽真空量，节能效果相当明显，该技术已达到了世界先进水平，为大霉！！制氧装置的发展提供了有力的基础保证。
Ｉ司时，华西科技对大Ｕ径液压驱动三偏心全金属无摩擦扭矩程控蝶阀的研制、牛产和在ＰＳＡ工业装置上的成功投运，不仅解决了程控蝶阀的长周期密封性能，而且高压力的机械油驱动，为程控阀门的快速刀：关提供了有力的保证，目前已经在闷内提供了Ｕ径为ＤＮｌ８００的快速开关程控蝶阀（开关速度＜２秒＝，这为我国实现大犁变压吸附制氧装置解决了关键设备技术，同时也大大降低了装置的投资成本，２００４年９月１５口，华西科技在通化钢铁股份有限公司投资建设的一套ＨＸ．１００００犁ＶＰＳＡ－－０２装置的成功投运，已证实了我国在实现大型化ＶＰＳＡ．０２装置上迈上了一个新的台阶。目前，成都华西工业气体自．限公司已完全具备承建产氧最达４００００Ｎｍ３／Ｉｌ（折合纯氧）的ＶＰＳＡ－０２装置的设计及生产能力，且全套产品
±墅生三里兰垒三些墨整芏些耋丝宣！塑！！：塑Ｅ笙堡堡塞堡
的配置牟船章现丁国产化．
目Ｉ＾ｉＶＰｓＡ－０２姨ｔ
４、结柬语
在发展大型变压吸附的研究与琵计中．台理昀工艺选择和装置的联镇也是保证装置长期安全运行的必要条件。
另外，吸附塔的结构设计也是变压吸附制氧装置的芙键，日前该蹬备的结构设计有很多种，也有不少成功的经验供我们去借鉴、探讨。
总之，艇展我国的ＶＰＳＡ制氧技术，需要我们不断的研究、实践，特别是进步提高变Ｈ三吸附制氧装置产品气的纯度，特别是Ｏ／Ａｒ组分的进一步分离方式，是我们面ｌ临的叉一新的诨题。
华西科拄在不断总结实践经验和深入研究的基础上．成功设计和建设了三十余套大、中型ＶＰＳＡ制氧装置．标忐着我国ＶＰＳＡ制富氧装置进八了个新的里程碑，其投资和经济运行效益得到明显体现。