PSA制氮技术与氮气纯化技术

PSA制氮技术及氮气纯化技术(制氮机及氮气纯化设备专题)

作者: 兆军

制氮机

一、PSA ( PRESSURE SWING ADSORPTION ) 变压吸附制氮机简介

市场上目前的供氮方式主要有液氮、瓶装氮、现场制氮。综合三种供氮方式，现场制氮是目前最经济、高效、节能的的一种供氮方式。现场制氮适合于用气量在1000Nm3/h以下的用户。现场制氮的一种主要方式即是PSA变压吸附制氮机。

该制氮机具有经济、高效、运行成本低、适应性强、易于操作、安全方便等特点。

二、PSA变压吸附制氮机原理

主要是基于碳分子筛对氧和氮的吸附速率不同，碳分子筛优先吸附氧，而氮大部分富集于不吸附相中。碳分子筛本身具有加压时对氧的吸附容量增加，减压时对氧的吸附量减少的特性。利用这种变压吸附的特性，实现氧气和氮气的分离，得到我们所需要的气体组分。由于吸附剂有一定的吸附容量，当吸附饱和时就需要再生，所以单吸附床的吸附是间歇式的，为保证连续供气，采用双吸附塔并联交替进行吸附，一塔工作一塔再生，连续产氮。

三、变压吸附制氮机主要使用领域

1、冶金、金属加工行业

通过变压吸附制氮机制取到纯度大于99.5%的氮气，通过和氮气纯化设备的联合使用纯度大于99.9995%、露点低于-65℃的高品质氮气。用于退火保护气氛、烧结保护气氛、氮化处理、洗炉及吹扫用气等。广泛应用于金属热处理、粉末冶金、磁性材料、铜加工、金属丝网、镀锌线、半导体、粉末还原等领域。

2、化工、新材料行业

通过变压吸附制氮机制取纯度大于98%或所需要纯度的氮气。主要用于化工原料气、管道吹扫、气氛置换、保护气氛、产品输送等。主要应用于化工、氨纶、橡胶、塑料、轮胎、聚氨脂、生物科技、中间体等行业。

3、食品、医药行业

通过变压吸附制氮机制取纯度大于98%或纯度为99.9%的氮气。通过除菌、除尘、除水等处理，得到高品质的氮气，满足该行业的特殊要求。主要应用于食品包装、食品保鲜、医药包装、医药置换气、医药输送气氛。

4、电子行业

通过变压吸附制氮机制取纯度大于99.9%或99.99%以上的氮气，或经过氮气纯化设备得到纯度大于99.9995%、露点低于-65℃的高品质氮气。用于电子产品的封装、烧结、退火、还原、储存等。主要应用于波峰焊、回流焊、水晶、压电、电子瓷、电子铜带、电池、电子合金材料等行业。

5、其他使用领域

制氮机除了使用在以上行业以外，在煤炭、石油、油品运输等众多领域也得到广泛使用。随着科技的进步和社会的发展，氮气的使用领域也越来越广泛，现场制气（制氮机）以其投资省、使用成本低、使用方便等优点已经逐渐取代液氮蒸发、瓶装氮气等传统供氮方式。

PSA制氮设备在高性能MnZn铁氧体生产中的应用

1 引言

众所周知，气氛烧结是现代高性能MnZn铁氧体生产中的关键工序，而品质良好、价格便宜的氮气又是实施气氛烧结的基本条件之一。

我国是世界上铁氧体生产大国，软磁铁氧体的产量已跃居世界第二位，生产企业很多，因生产规模及设备不同，故采用的供气方式也各异。以真空气氛烧结炉作为主要烧结设备者，因规模相对较小，其氮气总量需求不多，一般均使用外购的瓶装高纯氮气。瓶装氮气规格通常是6Nm3／瓶，价格在30～40元／瓶，故氮气单价在5～7元／m3。生产规模较大(年产量一般在300吨以上)的工厂则是以氮气隧道窑作为磁芯的主要烧结设备，它们的供气方式有两种。一是购买液氮(液氮贮罐及气化器)来提供生产所需的氮气。1m3液氮可气化为标准状态下的气氮643m3，氮气的综合单价在2～2.5元／m3。另一种方式是工厂购置制氮设备现场制氮，因制氮设备的种类、规格不同，其氮气成本在0.4～0.6元／m3。近年来也有尝试租赁制氮设备供气的，其氮气成本在1.5元／m3左右。由上可知，采用不同的供气方式其生产成本差别是较大的。表1以年产量1200吨MnZn铁氧体磁芯生产线(每小时需供气100m3，年供气量864000m3）为例将不同供气方式的单价及年用气成本作一粗略比较，就可见一斑。

表1 不同供气方式下的氮气成本

2 三种制氮方法及其特点

现代工业用氮的制取方法都是以空气为原料，将其中的氧和氮分离而获得。目前主要有三种，即深冷空分法、分子筛空分法(PSA)和膜空分法。

1) 深冷空分制氮

深冷空分制氮是一种传统的制氮方法，已有近九十年的历史。它是以空气为原料，经过压缩、净化，再利用热交换使空气液化成为液空。液空主要是液氧和液氮的混合物，利用液氧和液氮的沸点不同(在1大气压下，前者的沸点为-183℃，后者的为-196℃)，通过液空的精馏，使它们分离来获得氮气。深冷空分制氮设备复杂、占地面积大，基建费用较高，设备一次性投资较多，运行成本较高，产气慢(12～24h），安装要求高、周期较长。综合设备、安装及基建诸因素，3500Nm3／h以下的设备，相同规格的PSA装置的投资规模要比深冷空分装置低20％～50％。深冷空分制氮装置宜于大规模工业制氮，而中、小规模制氮就显得不经济。

2) 分子筛空分制氮

分子筛空分制氮是以空气为原料，以碳分子筛作为吸附剂，运用变压吸附原理，利用碳分子筛对氧和氮的选择性吸附而使氮和氧分离的方法，通称PSA(Pressure Swing Adsorption）制氮。此法是七十年代迅速发展起来的一种新的制氮技术。与传统制氮法相比，它具有工艺流程简单、自动化程度高、产气快(15～30分钟)、能耗低，产品纯度可在较大围根据用户需要进行

调节，操作维护方便、运行成本较低、装置适应性较强等特点，故在1000Nm3／h以下制氮设备中颇具竞争力，越来越得到中、小型氮气用户的欢迎，PSA制氮已成为中、小型氮气用户的首选方法。

3) 膜空分制氮

膜空分制氮是八十年代国外迅速发展的又一种新型制氮技术，在国推广应用是最近三四年的事。膜空分制氮的基本原理是以空气为原料，在一定压力条件下，利用氧和氮等不同性质的气体在膜中具有不同的渗透速率来使氧和氮分离。和其它制氮设备相比它具有结构更为简单、体积更小、无切换阀门、维护量更少、产气更快(≤3分钟)、增容方便等优点，它特别适宜于氮气纯度≤98％的中、小型氮气用户，有最佳功能价格比。而氮气纯度在98%以上时，它与相同规格的PSA制氮机相比价格要高出15%以上。由上可知，MnZn铁氧体生产企业，采用什么供气方式和何种供气技术，必须根据企业情况进行技术经济论证，选择最佳供气方案。

3 PSA制氮法的应用

众所周知，氮窑烧结时有三条重要曲线即温度、压力和气氛曲线，这三条曲线对产品的质量影响极大，生产中一旦调整到位最好保持稳定。而所提供的氮气压力、流量和纯度的变化将影响窑气氛的稳定。因此高性能锰锌铁氧体磁芯使用氮气保护烧结时对所供氮气有如下特定的要求。

(1)氮气纯度

①氧含量必须控制在一定量以下，否则不能满足高性能磁芯的烧结气氛要求。

②残氢量应尽可能少，否则磁芯在烧结时会开裂、变形，磁芯性能会恶化。

③氮气尽可能干燥，通常是以露点来表示其含水量。

(2)氮气的流量

氮气流量是气氛烧结的基本要素之一，不同规格的氮窑和烧结制度，其单位台时的耗氮量是不同的。如28米单推板氮窑年生产磁芯的能力约为300吨，非致密化烧结时耗氮量约为20m3／h，而采用致密化烧结时耗氮量在30m3／h左右，平均耗氮量约为25m3／h。36米双推板氮窑年生产磁芯的能力约为800吨，非致密化烧结时耗氮量约为40m3／h，而采用致密化烧结时耗氮量约为60m3／h，平均耗氮量约为50m3／h。目前国新制氮窑大多是这两种规格。按此测算年产1000吨磁芯耗氮量为80～120m3／h。

(3)氮气压力适宜，因为氮气输送需要一定的压力。

(4)氮气压力、流量、纯度要稳定。因为氮窑的烧结特点是连续进行，一年365天每天24小时要不间断供气，为保证已调好的烧结气氛稳定，要求氮气的压力、流量和纯度保持稳定。

瑞气空分设备自1979年开始，研制了PSA制氮设备，至今为止，已为国各大型磁材生产商提供了适应于各种工艺的现场制氮设备，其中包括东磁集团、恒磁、升华强磁、通力、永久、金鸡、江门粉末等国知名企业。瑞气空分设备愿以多年的现场制氮经验，与磁材生产商共同为中国从磁材生产大国向磁材生产强国转变而努力。