關(guān)于變壓吸附制氧機(jī)的穩(wěn)定性分析

鄂州汴京空氣分離設(shè)備有限公司     賈冰

摘要     變壓吸附制氧在得到廣泛應(yīng)用的同時，它的穩(wěn)定性問題也被人們關(guān)注,

本文就影響變壓吸附制氧穩(wěn)定性的幾個方面原因，對比國產(chǎn)和進(jìn)口設(shè)備做了一些分析,提出了一些建議和看法。

關(guān)鍵詞    變壓吸附制氧  國產(chǎn)設(shè)備  進(jìn)口設(shè)備  穩(wěn)定性 

變壓吸附制氧以其啟動快-低能耗、操作簡單、負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)整范圍大等特點(diǎn)，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。在不需要高純氧的場合，如有色金屬冶煉（煉銅、煉鉛、煉鋅、煉金、煉鎳等）、黑色金屬冶煉（高爐富氧噴煤煉鐵、電爐煉鋼等）、富氧燃燒、化工造氣、醫(yī)療、污水處理（富氧爆氣）等領(lǐng)域使用越來越多。隨著變壓吸附制氧越來越多的使用，一些單位對變壓吸附制氧的穩(wěn)定性提出了一些質(zhì)疑，特別是一些長期使用深冷制氧機(jī)和從事深冷制氧機(jī)制造的單位認(rèn)為變壓吸附制氧穩(wěn)定性差，連續(xù)性差。本文就大家更多關(guān)心的裝置的穩(wěn)定性問題談一些看法

穩(wěn)定性問題不外乎兩方面：

1.產(chǎn)量和純度的穩(wěn)定性

一些單位反映說變壓吸附產(chǎn)量和純度使用會越來越低，我門認(rèn)為可能出現(xiàn)的這種情況，與使用分子篩的質(zhì)量、工藝裝備水平及用戶的操作都有一定的關(guān)系。

筆者曾參觀考察過一些在運(yùn)行的國內(nèi)和進(jìn)口的變壓吸附制氧設(shè)備, 發(fā)生這種現(xiàn)象的裝置中，使用分子篩的質(zhì)量占據(jù)主要地位。分子篩是變壓吸附的核心，分子篩性能優(yōu)略和使用壽命的長短對產(chǎn)量和純度的穩(wěn)定性影響是相當(dāng)直接的。幾家選用不同廠家分子篩的用戶，裝置產(chǎn)量的穩(wěn)定性就各不相同。

比如采用老5A分子篩的設(shè)備，問題就稍顯突出些。使用年限和壽命比現(xiàn)在普遍采用的LIX鋰基離子分子篩就差了許多。有的用戶本身上項(xiàng)目追求的就是短期效應(yīng)，只求低價，上馬快，設(shè)備早投產(chǎn)，就采用5A分子篩，不考慮運(yùn)行成本和后期產(chǎn)量的穩(wěn)定性問題，這種選型的設(shè)備穩(wěn)定性就差一些。

采用LIX鋰基離子分子篩的用戶是占了大多數(shù)的，特別是在大中型設(shè)備上，它的優(yōu)勢是明顯的，這也是主流。因?yàn)槌杀竞烷L期的經(jīng)濟(jì)效益是用戶的根本利益，多數(shù)用戶都不是在急功近利。采用LIX鋰基離子分子篩，可以提高氧氣提取率，有效降低能耗和減少分子篩的使用量，設(shè)備數(shù)量和占地面積也在減少，可靠性和經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)。因此采用5A分子篩的設(shè)備市場占有率在逐漸縮小, 采用LIX鋰基離子分子篩的設(shè)備在占據(jù)主導(dǎo)地位。

即便采用的都是LIX鋰基離子分子篩，因?yàn)橹圃旃に嚭团浞降牟煌阅苤笜?biāo)也有所不同。這在國內(nèi)運(yùn)行的設(shè)備中已經(jīng)看到了使用效果上的差異，從用戶反饋回來的信息中也得到了印證。即便是國外的專用LIX鋰基離子分子篩也需要在性能質(zhì)量和使用壽命上下些功夫，在筆者看到的國外設(shè)備中也同樣存在分子篩壽命的問題。它昂貴的價格使得用戶在添加或更換它的時候顯得不十分情愿，用戶希望他們使用的分子篩壽命不只是十年，應(yīng)該更長。所以提高分子篩性能，提高使用經(jīng)濟(jì)性，這也是提高產(chǎn)量穩(wěn)定性的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

閥門頻繁切換，密封圈的使用壽命等對產(chǎn)量和純度的穩(wěn)定性也有影響。閥門長期使用，有時候也會產(chǎn)生執(zhí)行機(jī)構(gòu)開啟不靈活，閥板關(guān)不嚴(yán)，或者密封圈達(dá)不到使用壽命要求，提前產(chǎn)生磨損而導(dǎo)致密封不嚴(yán)等現(xiàn)象，這些原因會引起泄露，導(dǎo)致保壓保不住均壓均不了，引起工況不穩(wěn)，影響產(chǎn)量和純度的穩(wěn)定性。盡管大家在長期的運(yùn)行實(shí)踐中針對發(fā)生的問題做了不少的改進(jìn)工作，但是不管是國產(chǎn)閥門或者中外合資的閥門都還是存在一個穩(wěn)定性的問題,。即便是原裝進(jìn)口的閥門在這樣頻繁切換使用的環(huán)境里也有一個穩(wěn)定性的問題。

裝備設(shè)計水平，比如吸附塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計，也是影響分子篩的使用效果，影響產(chǎn)量和純度的穩(wěn)定性影響至關(guān)重要的一個因素。

吸附塔是變壓吸附制氧機(jī)的關(guān)鍵部件，在吸附塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，保證高效和長壽是兩大目標(biāo)。［1］

國內(nèi)的吸附塔結(jié)構(gòu)普遍采用的是軸流式吸附床結(jié)構(gòu)。這種吸附床的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，制造費(fèi)用低，缺點(diǎn)是軸流式的進(jìn)氣排氣對床層的沖擊比較大，容器死隙比較大，設(shè)備體積大，對氣流分布計算要求比較嚴(yán)。因?yàn)檫@種吸附塔直徑超大，分布器孔板計算有難度，設(shè)計偏薄剛性就顯得不夠，設(shè)計偏厚又存在不經(jīng)濟(jì)，頻繁的正壓進(jìn)氣和負(fù)壓抽氣造成大直徑孔板的震動，會引起絲網(wǎng)松動、破裂，導(dǎo)致分子篩粉化、流化。這種軸流式的進(jìn)排氣方式，分子篩老化和粉化過早出現(xiàn)的概率就相對也大一些。這種現(xiàn)象在國內(nèi)和進(jìn)口設(shè)備采用軸流式吸附床結(jié)構(gòu)的裝置中都曾經(jīng)發(fā)生過。這就是吸附塔長壽的問題。

因?yàn)榧夹g(shù)開發(fā)上的原因，也有設(shè)備造價的原因，國內(nèi)的吸附塔結(jié)構(gòu)恐怕還要有一段時間要沿用這種結(jié)構(gòu)。在沒有大的結(jié)構(gòu)設(shè)計突破的情況下，合理優(yōu)化，解決好氣流分布和孔板強(qiáng)度問題，即便是先天不足也要設(shè)計得相對合理，這樣長壽問題才會有保證。這一點(diǎn)內(nèi)功，我們國內(nèi)的同行是應(yīng)當(dāng)互相勉勵來共同加強(qiáng)的！承認(rèn)問題，正視存在不足，這樣才會想辦法去改進(jìn)、去完善自己的設(shè)計。

進(jìn)口設(shè)備在大中型裝置中多采用徑軸流（也稱徑向流）吸附床結(jié)構(gòu)。這種軸向進(jìn)氣徑向排氣（也有徑向進(jìn)氣軸向排氣）的方式對分子篩造成的沖擊較小，氣流分布也更為均勻、平穩(wěn)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是吸附塔容積小，容器死隙小，壓降也小，吸附和解吸期間氣流分布良好，即便是頻繁的進(jìn)氣和抽氣，床層的穩(wěn)定性比較好，絲網(wǎng)松動、破裂、分子篩粉化、流化的機(jī)會也相對少的多。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計保證了分子篩與進(jìn)塔空氣的充分接觸，分子篩床層薄，吸附充分，吸附效率高，分子篩用量也少，產(chǎn)量和純度也比較穩(wěn)定。這種吸附床在進(jìn)口設(shè)備中可以經(jīng)常看到，國內(nèi)供貨商暫時還沒有開發(fā)出這種昂貴的設(shè)備。這就是高效問題。這也是國內(nèi)設(shè)備與進(jìn)口設(shè)備存在差距的一個重要所在。

2.裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性

裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性對供貨商來說是靠程控系統(tǒng)和裝備質(zhì)量來保證的，對用戶來說則是靠正確的操作和維護(hù)保養(yǎng)來決定的。

程控系統(tǒng)大家都采用PLC控制，國內(nèi)這方面程控軟硬件做的已經(jīng)很成功，應(yīng)用也非常普及廣泛，這方面已經(jīng)沒有太多的問題。

裝備質(zhì)量的問題就比較復(fù)雜。

先談進(jìn)口設(shè)備。

進(jìn)口設(shè)備多采用“一拖二”的機(jī)組配備，即一臺電機(jī)同時帶動鼓風(fēng)機(jī)和真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)備少但配置合理，主機(jī)的穩(wěn)定性也好。鼓風(fēng)機(jī)和真空泵體積也小，占地少，精度好，效率高，振動也小。而國內(nèi)設(shè)備的配置卻做不到這麼緊湊，不但實(shí)現(xiàn)不了“一拖二”，鼓風(fēng)機(jī)和真空泵也做不到體積小和效率高，設(shè)備體積大，振動也大，故障率相對也高。這就是配置可靠性的問題。雖然變壓吸附制氧因?yàn)樵O(shè)備少，故障相對較少，處理起來也比較容易，但與進(jìn)口設(shè)備這種簡捷高效的配置相比，設(shè)備增多故障點(diǎn)也隨之增多，還是存在穩(wěn)定性的差異。

 “消噪”處理的好壞對穩(wěn)定性也有影響。有效的“消噪”處理，可以減輕設(shè)備和管道的振動，有助于提高裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性。

大家知道，噪音是由振動產(chǎn)生的，特別是蘿茨真空泵出口消音器“消噪”處理對變壓吸附來說是一個不容忽視的難題，因?yàn)樽儔何降脑胍艉艽笠徊糠殖鲎杂谒Ｌ}茨真空泵抽真空時產(chǎn)生的氣流流速達(dá)到30m/s，又是低頻脈沖式的，對消音器筒壁的沖刷斷續(xù)又劇烈，產(chǎn)生的振動噪音比較大，“消噪”的難度也比較大，這成了蘿茨真空泵的一個“硬傷”。

難度大并不意味著沒辦法處理。筆者看到一家進(jìn)口設(shè)備的濕式消音器“消噪”處理就比較好，振動比國產(chǎn)設(shè)備小的多，國產(chǎn)設(shè)備雖然也在不斷嘗試改進(jìn)，但效果總談不上理想。鄂州汴京空氣分離設(shè)備有限公司剛剛在大冶市興成礦業(yè)有限公司投產(chǎn)的變壓吸附制氧機(jī)就在“消噪”處理上下了一些功夫，做了些新的嘗試，不但廠房內(nèi)做“消噪”處理，連真空泵濕式消音器也整體做“消噪”處理，并且在消音器出口又增加了消音器，實(shí)測廠房外噪聲只有68～70dB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)。“硬傷”在這里得到了有效的解決。

進(jìn)口設(shè)備的整體“消噪”處理也做的精細(xì)，不但該做的處理一點(diǎn)都不省，連廠房橫梁都做了消音處理，這一點(diǎn)值得我們國內(nèi)供貨商學(xué)習(xí)。

進(jìn)口設(shè)備也有不完善的地方。我們談的這家進(jìn)口設(shè)備的鼓風(fēng)機(jī)出口消音器，振動就比我們國產(chǎn)設(shè)備大得多。國產(chǎn)設(shè)備原來振動也大，但經(jīng)過結(jié)構(gòu)改動，振動大大減少。

再談國內(nèi)設(shè)備。

裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性還有一條重要的因素，就是吸附塔制造質(zhì)量。吸附塔制造質(zhì)量的好壞對裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性產(chǎn)生直接的影響。

因?yàn)閲鴥?nèi)的軸流式吸附塔超大的直徑造成制造和運(yùn)輸?shù)牟槐悖覀兊墓┴浬坛鲇谥圃斐杀旧系目紤]，多數(shù)采取就近尋找有資質(zhì)的單位就近加工就近供貨的方式，這樣做的好處是節(jié)約了制造成本，但對制造質(zhì)量的把關(guān)卻造成了難度，對制造過程做不到有效監(jiān)控。這種制造質(zhì)量上存在的不確定性因素甚至給設(shè)備的穩(wěn)定性帶來致命的隱患！這一點(diǎn)相信我們的供貨商應(yīng)該深有感觸，本來設(shè)計很好的一套裝置因?yàn)橥獍剿闹圃熨|(zhì)量把關(guān)不嚴(yán)造成分子篩粉化、流化，給設(shè)備運(yùn)行造成嚴(yán)重的后果！這種嚴(yán)重的后果在早期進(jìn)口設(shè)備中采用軸流式的吸附塔中也曾經(jīng)發(fā)生過，造成的損失也很大。

因此我們的供貨商要在控制好產(chǎn)品質(zhì)量上下功夫，該把好關(guān)的一定要把好關(guān)，加強(qiáng)和提高裝備制造水平，避免這種嚴(yán)重的后果的發(fā)生。

實(shí)際上產(chǎn)量和純度的穩(wěn)定性和裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性都是在談一個問題，兩者是結(jié)合在一起分不開的。國產(chǎn)設(shè)備雖然因?yàn)樯厦嬲劦降囊恍┰颍诜€(wěn)定性和結(jié)構(gòu)設(shè)計上等等還需要做出努力，但是國產(chǎn)設(shè)備也有自身的優(yōu)點(diǎn)：造價低廉；設(shè)計富裕量大。造價低廉可以惠顧用戶，與進(jìn)口設(shè)備競爭具備價格優(yōu)勢，但富裕量大卻值得探討。筆者認(rèn)為這個大富裕量既是優(yōu)點(diǎn)也是缺點(diǎn)，嚴(yán)格來說應(yīng)該不是經(jīng)濟(jì)性的表現(xiàn)。

進(jìn)口設(shè)備從設(shè)備選型到分子篩用量都是采用模塊設(shè)計，產(chǎn)量優(yōu)化設(shè)計到位，工藝計算準(zhǔn)確，幾乎沒有富裕量。量化準(zhǔn)確，實(shí)際上也是一種嚴(yán)謹(jǐn)、成熟和負(fù)責(zé)態(tài)度的表現(xiàn)。這一點(diǎn)值得我們國產(chǎn)設(shè)備借鑒。

隨著使用年限的增加，因?yàn)榱鞒探M織和采用分子篩性能不同，用戶操作使用和維修保養(yǎng)效果也不一樣，個別機(jī)組存在這種產(chǎn)量和純度降低的現(xiàn)象。但大多數(shù)裝置運(yùn)行狀況都是良好的，這是主流！即使有產(chǎn)量和純度降低的裝置，降低的比例也是很小的，有限的降低對整套裝置的使用不會造成太大的影響，也不會影響到用戶的正常生產(chǎn)，用戶不必為此擔(dān)心。相對國產(chǎn)機(jī)有充足富裕量的優(yōu)點(diǎn)來講，又是對產(chǎn)量和純度降低的一種補(bǔ)充。況且分子篩供貨商對分子篩的質(zhì)量和使用壽命也有承諾：正常使用，十年之內(nèi)（也有供貨商保證十五年的）因?yàn)榉肿雍Y質(zhì)量原因引起產(chǎn)量和純度降低，供貨商免費(fèi)更換或添加或活化再生分子篩。這樣的服務(wù)承諾用戶可以放心地使用變壓吸附制氧機(jī)了。

隨著原材料的不斷上漲，鋼材和有色金屬材料價格也在不斷上漲，設(shè)備制造成本也在不斷的增加，深冷制氧機(jī)因?yàn)橛斜姸嗟闹圃煸O(shè)備而引起成套設(shè)備價格的攀升，相對變壓吸附較少設(shè)備價格的攀升來說壓力和負(fù)擔(dān)就重了些。但在裝置大型化上和純度上深冷制氧機(jī)的優(yōu)勢還是明顯的，國內(nèi)已經(jīng)開始承做了83000 NM³/h的制氧機(jī)（開封空分集團(tuán)已經(jīng)與天津榮城鋼鐵有限公司簽約），純度99.6%。變壓吸附因?yàn)槭茏陨砉に嚄l件的限制，目前還做不到這樣大的裝置，純度也做不到這樣高。從前雖有日本能夠用變壓吸附法生產(chǎn)99.5%的報道，但實(shí)際的工業(yè)化裝置，筆者還未確知。西梅卡亞洲氣體系統(tǒng)成都有限公司，僅在裝置容量很小(<15NMa3／H)的情況下，采用意大利Ttalfilo技術(shù)生產(chǎn)99％氧純度的分子篩制氧裝置［2］。這也是迄今為止變壓吸附制氧最高的純度報道。

開發(fā)新工藝，設(shè)計新型吸附塔，研發(fā)更加高效的分子篩吸附劑，應(yīng)該是變壓吸附大型化發(fā)展的方向。

國內(nèi)在運(yùn)行的變壓吸附制氧裝置，流程設(shè)計上有采用傳統(tǒng)的蘿茨鼓風(fēng)機(jī)和蘿茨真空泵的，有采用離心鼓風(fēng)機(jī)和水環(huán)真空泵的，基本上都是這兩種。吸附劑也都采用目前專用的LIX鋰基離子分子篩。專用切換蝶閥有采用中外合資產(chǎn)品的也有采用國產(chǎn)液壓傳動閥門的。采用蘿茨風(fēng)機(jī)流程的優(yōu)點(diǎn)是能耗低了一些，缺點(diǎn)是噪音稍高，消噪的任務(wù)比較大；采用離心風(fēng)機(jī)和水環(huán)真空泵流程的優(yōu)點(diǎn)是噪音稍低些，缺點(diǎn)是能耗稍高些，密封水量用得多了一些，密封水的回收工作要多做一些。吸附塔的數(shù)量有采用兩塔、三塔、四塔或五塔的（有開發(fā)單塔的報道，但沒見到使用）。采用吸附塔的數(shù)量的多少實(shí)際上也是一個工藝裝備水平衡量的標(biāo)志，這方面我們國內(nèi)的同行可是任重而道遠(yuǎn)！雖然供貨商從各自工藝流程設(shè)計角度和裝置運(yùn)行穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性角度考慮采用吸附塔數(shù)量的多少，但是進(jìn)口的四千、五千變壓吸附制氧裝置，兩塔流程就可以實(shí)現(xiàn)，甚至敢說七千也可以采用兩塔流程！兩塔流程工藝簡單，操作方便，設(shè)備數(shù)量少，投資低，長期運(yùn)行成本也低，當(dāng)然是一種優(yōu)化的流程方案，但要在大型裝置上實(shí)現(xiàn)，理論上可行實(shí)際上難度很大。一是鼓風(fēng)機(jī)和真空泵要實(shí)現(xiàn)大容量和高效率，二是吸附劑要性能優(yōu)異，三是要有高性能的吸附塔。進(jìn)口設(shè)備占據(jù)了后兩條，如果實(shí)現(xiàn)了第一條，完全有可能能做得到！而我們國內(nèi)同樣的裝置，在吸附劑性能差距不大的情況下，就是說第二條具備，但第一條和第三條現(xiàn)在還不具備，采用兩塔流程就比較困難。進(jìn)口裝置實(shí)現(xiàn)大型化顯得比較輕松。所以在裝備水平和工藝水平上我們國產(chǎn)設(shè)備與進(jìn)口設(shè)備的差距是明顯的。提高裝備水平，縮短工藝差距，任務(wù)比較艱巨！

我們常常可以看到這種現(xiàn)象，新上項(xiàng)目試車階段和項(xiàng)目完成以后種種原因致使不能滿負(fù)荷生產(chǎn)，頻繁開停制氧機(jī)，造成無謂的水電浪費(fèi)。筆者在內(nèi)蒙一家剛剛投產(chǎn)的銅冶煉廠就看到這種現(xiàn)象，這家銅冶煉廠在招標(biāo)制氧機(jī)（中型空分）時采用了傳統(tǒng)的深冷機(jī)，當(dāng)時對變壓吸附制氧機(jī)也有推薦，但這家單位認(rèn)為變壓吸附制氧機(jī)不穩(wěn)定，又沒有技術(shù)含量，就沒有采用。現(xiàn)在的生產(chǎn)狀況是半月一開或者是一月一開，每次一停一開制氧機(jī)就要三天三夜（停機(jī)后加溫吹除一天，開機(jī)后開車出氧兩天），電費(fèi)就是十萬元，浪費(fèi)實(shí)在驚人！實(shí)際上大家都知道銅的冶煉需要混氧鼓風(fēng)，不需要純度太高的氧氣，采用變壓吸附機(jī)是非常合適的，既方便操作，又減少了電費(fèi)損失，既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用。筆者認(rèn)為，深冷機(jī)和變壓吸附無所謂孰優(yōu)孰略，只是適用場合不一樣，用戶應(yīng)該從自身經(jīng)濟(jì)和實(shí)用角度考慮選擇采用哪種制氧機(jī)。

筆者認(rèn)為，在純度要求不高的制氧機(jī)項(xiàng)目上，中小型制氧機(jī)（六千以下）采用變壓吸附應(yīng)該比較經(jīng)濟(jì)劃算，在大型制氧機(jī)項(xiàng)目上（六千以上）采用深冷機(jī)可靠性比較強(qiáng)。

產(chǎn)生疑問與宣傳資料少和變壓吸附空分制氧技術(shù)成熟時間相對較短及國家對于此推廣力度不夠有關(guān)。通過這幾年我們供貨商不斷的努力，也通過宣傳力度的加強(qiáng)和越來越多的裝置的投產(chǎn)，用戶看到了變壓吸附的存在，也逐漸接受了這種制氧機(jī)。人們對變壓吸附的認(rèn)識也越來越清晰、客觀，定位也越來越準(zhǔn)確，這種客觀的認(rèn)識和定位就是一種可喜的進(jìn)步！

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參考文獻(xiàn)

［1］劉應(yīng)書  ，卜令兵 。 變壓吸附空分制氧微型化技術(shù)研究。變壓吸附分離技術(shù)交流會論文集

［2］潘廣通  ， 來源（西梅卡公司）   。 變壓吸附制氧裝置部分概述