常温空分制氧技术及应用

的有０．２Ｎｍ３／ｈ到５０００Ｎｍ３／ｈ， 纯度为９０％到９９．５％。 小 产 量 制 氧 装 置 通 常 用 作 医 院 临 床 用 氧 、保 健 用 氧、水产养殖、焊接切割等场合； 大规模的制氧装 置通常用作有色和黑色金属冶炼， 污水处理和纸 浆漂白等用途。采用ＰＳＡ／ＶＰＳＡ工艺制取的氧气浓 度通常为９０％到９５％， 而９９．５％纯度的氧气只可能 采用两级分离才可实现， 并且通常为小规模装 置。其分离工艺为： 先用ＰＳＡ工艺制取９５％以上纯 度的氧气（ 其余的组分几乎全部是氩） ， 然后进到 一组装有碳分子吸附剂的ＰＳＡ提纯系统， 工作压 力 通 常 不 低 于６ｂａｒ．Ａ。 其 吸 附 的 步 骤 时 间 一 般 较 短， 富氧空气进入ＣＭＳ吸附床后， 富氧空气中的氧 气组分被ＣＭＳ吸附剂吸附， 对部分从ＣＭＳ吸附器 顺放出的富氧气回收并进到前级的ＺＭＳ吸附器 。 完成吸附步骤后并经短暂停留， 最后通过真空解 吸得到９９％以上纯度的氧气产品， 该工艺过程是 最 简 单 的ＳＫＡＳＴＲＯＭ循 环 过 程 。 收 率 可 达６０％ 左 右。解吸出来的氧气产品通常需经增压后使用。 采用此方法制取的高纯氧气， 单位能耗一般高于 ２Ｋｗｈ／Ｎｍ３氧气。此外， 笔者还接触过一种膜分离 提纯氧气的装置， 利用空气中氩气和氧气在分离 膜中的渗透速率差异， 氩气首先透过膜纤维管 壁， 很少渗透的氧气作为浓缩后的产品气。该分 离方法对前级的氧气纯度敏感性不大， 前级９３％ 纯度氧气由ＰＳＡ制取， 但获得的氧气最高浓度在 ９７％￣９８％， 并 且氧气损失 较大， 不利于 工业化 应 用， 这还有待于进一步提高膜材料对于氧／氩选择
真空解吸变压吸附制氧工艺适于大规模的 氧气生产。通常的产量规模在２００￣５０００Ｎｍ３／ｈ， 但 也存在小型的ＶＳＡ制氧装置， 如ＡＰＣＩ公司专门应 用于水产养殖的制氧装置。常压解吸变压吸附制 氧装置一般用于产量在５００Ｎｍ３／ｈ以下的小规模氧 气产量的生产。
ＶＰＳＡ／ＶＳＡ真 空 变 压 吸 附 制 氧 装 置 的 应 用 ： 富氧燃烧工艺除了最初用于玻璃熔化工业外， 还 有电炉炼钢， 铝熔化， 铜冶炼， 纸浆漂白， 石油裂 解， 燃煤蒸汽锅炉， 化工脱硫回收， 硫酸盐纤维素 （ 牛皮纸纤维素） 的生产， 工业污水处理等等。
图二 富氧燃烧炉
提高热效率。因为离开燃烧炉的烟道气质量 减少从而使得烟道气所带走的热损失减少。存在 较少的氮气带走燃烧热。
降低废气排放。富氧燃烧炉能够降低氮、硫、
２０
２００６． Ｎｏ． ３
《气体分离》
图三 Ｎ Ｏ Ｘ 的生成量和温度、过氧量的对比
碳氧化物ＮＯＸ、ＳＯＸ、ＣＯ、以及碳氢化物的含量。 提高温度稳定性和传热效率。随着氧含量的
《气体分离》
!!"
!!"
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
常温空分制氧技术及应用
Biblioteka Baidu
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"
四川空分设备（集团）有限责任公司 潘广通
摘 要：本文主要就常温空分制氧的变压吸附技术和膜分离技术的原理、技术特点等方 面作了简要的介绍，同时对于采用变压吸附和膜分离方法制取氧气在工业和民 用领域的应用作了概略性描述。
通常， 吸附剂供应商提供的密度一般是一个 粗略值或者是一个正常值范围。大多数吸附剂厂 商仅提供附加的普通性能参数， 如果潜在的销售 量很大或长期客户， 吸附剂生产商甚或可能提供 生产数据。原则上讲， 吸附剂性能数据一般应以 吸附剂厂商提供的为准， 如果从一些书籍或吸附 专著中查阅并加以采纳是危险的。如果认为实在 必要， 作为选择， 可以自行安排操作测试或委托 专门机构对吸附剂性能参数进行评估。
富氧燃烧领域的应用 玻璃熔炼 当 燃 料 燃 烧 时， 空 气 中 氧 气 和 氢 气 、碳 发 生 反应生成水和二氧化碳并产生大量热。空气中含 有７８％的氮气， 空气中的惰性氮气会冲淡参与化 学反应的氧的浓度并会带走在燃烧过程中放出 的一些热量。增加燃烧空气中的氧气含量能够减 少热量损失并提高加热系统的效率。大多数工业 炉所使用氧气或富氧空气是通过使用液氧或真 空变压吸附制氧提供氧气。也有一些燃烧系统在 主燃烧头几乎使用１００％的氧气， 而其余采用混氧 空气。如图二。还有的系统结合标准燃烧炉使用 辅助的氧气燃料， 并在不同的燃烧阶段改变氧气 浓度。国外也已出现了膜分离制氧装置用于富氧 燃烧， 而国内的卷式膜／平板膜还难于满足大规模 富氧装置的需要。 采用富氧燃烧的优势：
１９
２００６． Ｎｏ． ３
《气体分离》
的模型） ， 而且它可应用于任何类型的等温线， 并 能够用于吸附和再生；
经验模型： 经验模型要求有很多的实验数据 和经验值， 因为它们的结果依赖所匹配的参数， 其结果在当条件或物料发生很大变化时， 则会做 出的错误的结果。
分析模型： 在吸附分离领域存在数个分析模 型， 它们通常十分严格， 能够考虑到广泛的传质 阻力变化。通常认为表面覆盖层扩散阻力起支配 作用。而在实际的设计过程中， 我们对于物料平 衡和能量平衡的粗略计算一般基于局部平衡模 型就可满足需要。 三、变压吸附制氧装置的应用
增加使得燃烧更稳定并且燃烧温度提高， 因而可 达到更好的传热效果。见图三。
提高生产率并降低燃料成本。当燃烧炉通入 富氧， 由于更高的火焰温度使得消耗相同的燃料 能够增加产量， 并减少烟道气。燃烧气在燃烧炉 膛内的停留时间大于３０秒， 而传统的空气火焰炉 的燃烧停留时间一般仅有１０秒甚至更短。对于氧 气燃烧火焰， 烟道气能获得更长的时间与周围环 境达到热平衡， 这是非常重要的， 因为相对于可
污水处理过程 工业污水和民用废水的生物处理用来降低 可溶性有机化合物的含量。主要有两种处理类 型： 需氧型处理 厌氧型处理 需氧型废水处理是天然的生物降解和纯化 过程， 在此过程中， 在富氧环境繁殖旺盛的细菌 持续分解和消化废水中的有机物。在需氧型处理 系统中， 氧气水平必须维持。这常常是通过鼓风 完成， 然而提供所需氧气要比传统的鼓风系统在 氧气传送流量和有机物的降解速度方面要高出 很多。也有报道提出有氧处理能够预防并降低臭 味， 水面泡沫， 悬浮物和易挥发有机物以及提高 淤泥沉淀和脱水能力。在天然水中溶解氧缺乏将
常温空分制氧的方法最常见的有： 变压吸附 和膜分离。
变压吸附氧气分离技术 变压吸附或真空变压吸附制氧采用沸石分 子筛作为吸附剂， 在加压条件下选择吸附空气中 的氮气， 很少被吸附的氧气被汇集成为产品氧 气。变压吸附制氧装置通常由两只或两只以上内 装制氧吸附剂的吸附器组成。当其中一只吸附器 接近吸附饱和时， 在程序控制器的作用下， 原料 空气转而进到另一只完成再生的吸附器继续吸 附。完成吸附步骤的吸附器通过释放器内压力到 环境大气或进一步抽真空实现吸附剂再生。每只 吸附器交替 轮流吸附、均 压 、泄 压 、清 洗 等 步 骤， 从而实现连续制取氧气。 变压吸附制氧装置的产品规模， 市场上可见
所有变压吸附气体分离的设计都是首先针
对 实 现 工 艺 目 标 选 择 适 宜 的 吸 附 剂 种 类 、吸 附 剂 用量以及吸附剂装填分层的先后顺序， 然后围绕 确定的吸附剂组织恰当的工艺流程， 最后按照流 程要求选择相应的外围配套设备。所以说， 所有 的吸附分离工艺的展开， 吸附剂选择是关键。
吸附剂的一些通常性能参数需要纳入吸附 器设计计算之中去。这些参数事实上从不加以预 测， 但必须真实有效。而作为变压吸附常温空分 装置的设计制造单位通常不可能对吸附剂的性 能参数进行测试评定， 只可能依靠吸附剂供应厂 商提供的吸附剂性能参数加以应用。而事实上， 虽然供应商提供的图表有时是有效的， 但也不是 常常可以保证用于吸附器设计的有效性。在这种 情况下， 只可能对吸附剂性能参数进行测定和验 证 （ 尤其是多组分气体分离， 如变压吸附制氢 等） 。所需要的特性参数包括： 密度， 空隙率， 等温 线（ 或别的平衡数据） ， 吸附动力学特性以及固定 床动力学特性。这些因素均密切地包含于吸附器 模型中。此外， 虽然不是一个严格参数的成本费 用也应当是设计时需要考虑的重要因素。
１８
２００６． Ｎｏ． ３
《气体分离》
性渗透速率差异。空分装置制氧规模和能耗示于 图一。
图一 氧气生产和能耗
二、变压吸附制氧装置设计要点： 常温空分装置的设计方法， 常常是半经验的
设计方法， 它只需要利用相对简单的模型和最少 的数据， 就可以在较短的时间内获得近似的设计 结果。通过恰当的设计， 很多假设可被视为有效 的。为了获得特定的结论， 巨大数量的分析可常 常帮助挑选出正确结果。例如， 最简单的模型假 设是等温条件， 另一方面， 如果应用中包含显著 的吸附热， 或者是操作温度明显不同于环境温度 而容器又没有充分的绝热措施， 那么就应当谨慎 考虑热影响。例如变压吸附空气干燥以及从空气 中 分 离 氧 气 出 现 约１５℃左 右 的 温 度 变 化 是 常 见 的情况。对于小规模装置来讲， 很大的温度变化 会显著影响空气干燥， 而不会影响ＰＳＡ分离氧气。 可是对于大规模装置温度变化的影响对常温空 分制氧装置就变得十分明显。因此， 温度是不能 足以评估其影响效果的； 当考虑到温度增效作用 的累积效应则需评估对装置性能的冲击影响。在 有些情况下， 温度变化的影响可能非常明显。温 度变化的影响可能最糟糕的情况或许是聚合酮 一类的物质在活性炭吸附剂上的吸附情形。吸附 放出的热量可能导致吸附床着火燃烧。
电炉炼钢 电炉炼钢通常消耗很大氧量。一个现代化的 钢厂可能使用的氧气量每天达数百吨， 使用氧气 燃烧工艺可提高生产效率， 氧气喷枪鼓入氧气到 金属熔化池可除去其中不纯杂质， 将炉料中的 磷、硫、硅等氧化生成炉渣。 金属铝熔炼 美国空气制品公司已开发出一种新颖的空 气—氧—天然气熔炼工艺。结合富氧燃烧可提高 传统的金属铝熔炼炉的生产效率， 尤其适合铝材 铸件的生产加工。富氧燃烧新工艺可提高熔炼炉 ３０％的生产效率， 降低４０％的天然气耗量。富氧空 气 的 氧 气 含 量 为３５％到５０％可 使 熔 炼 炉 达 到 最 佳 的热能效率， 而且现场结果显示新的富氧熔炼工 艺能 够 达 到０．３２３磅 二 氧 化 氮／吨 铝 的 排 放 标 准 ， 同时满足最小的一氧化碳排放量要求。富氧炉燃 烧工艺的氧气由真空变压吸附装置生产， 产品氧
图四 采用富氧燃烧后的节能图
再生系统烟道气的热量是不可再利用的， 此外， 这种较好的热量传递方式不仅减少能源消耗， 而 且也降低了氧气的耗量。离开玻璃熔炉的烟道气 温度高达１４００℃， 可用于玻璃生产厂区内的废热 锅炉进行热量回收利用。
应用富氧燃烧可提高的热效率取决于烟道 气排放温度和燃烧空气中的氧气百分比浓度。图 四通常可用于燃烧炉工艺热量在采用富氧助燃 后的节能计算。
需要明确的吸附剂性能参数及目的： 堆积密度： 与吸附器尺寸确定有关； 空隙率： 与吸附器床层动力学特性有关； 等温线： 与吸附剂用量有关； 动力学： 分为传质动力学和床层动力学。前 者与吸附周期长短有关； 后者与吸附床压降及避 免吸附剂粉化有关。 常见的吸附器模型有： 局部平衡模型： 该模型忽略所有的扩散形 式， 得出 的结 果 极 其 简 单（ 相 对 于 其 他 更 加 复 杂
关键词：氧气 变压吸附 膜分离 应用
采用低温精馏生产纯净氧气和氮气是近百 年来传统的气体分离方法， 此外在应用市场上还 存 在几种非低 温 空 气 分 离 工 艺 ， 如 变 压 吸 附（ 或 此类工艺的变形— ——真空变压吸附） ， 膜分离技 术等等。在一定的条件下， 这些分离工艺相对于 传统的低温精馏分离工艺或液体供应是具有经 济优势的。但对于选择何种分离工艺需要考虑多 个因素， 比如运行能耗价格、有无峰值用气需求、 产 品纯度要求 、操 作 维 护 费 用 、安 装 建 设 周 期 等 等。但对于需要液体氧气产品的用户当然离不开 深冷低温空分装置。 一、常温空分制氧方式
会导致严重的后果， 如果自然界的水遭到化学或 生物药剂污染， 氧气可能被吸收消耗很多， 水中 的溶解氧可能跌至零水平。在这种情形下会导致 更多的水生生物死亡， 则会发生臭味弥漫， 废水 排放可能超出允许水平。解决的办法之一是使用 混合喷射器装置直接引入氧气到水中， 用于氧气 发 生 源 的ＰＳＡ氧 气 发 生 器 和 通 氧 装 置 可 以 放 置 在 水边或驳船上。这类系统已在泰晤士河的污水整 治工程中得到了应用。