变压吸附制氧在间歇式固定层造气炉增氧制气中的应用

作者：李  忠

（安徽晋煤中能化工股份有限公司  安徽临泉  236400）

摘  要：介绍了北大先锋变压吸附制氧技术的原理及其在间歇式固定层造气炉增氧制气中的应用情况，并结合生产实际情况，概述了采用增氧制气后对相关工艺参数的调整情况。采用增氧制气后，提高了单炉发气量，降低了灰渣中的残碳含量，减少了二氧化碳排放量，经济效益和社会效益显著。

关键词：变压吸附  造气  节能

安徽晋煤中能化工股份有限公司（以下简称中能公司）2套合成氨装置共有33台造气炉，其中Φ 2 800 mm锥形炉3台、Φ 2 800 mm直筒炉30台，采用间歇式固定层制气工艺。2011年9月，2#合成氨装置的11台造气炉于利用航天炉深冷空分装置多余的氧气（体积分数为99.9%，压力5.1 MPa，流量2 000 m3/h）进行增氧制气改造，节能效果明显（吨氨块煤消耗下降25 kg，造气系统停运1台440 kW造气风机及1台Φ 2 800 mm直筒炉）。为此，2012年1#合成氨装置3#造气系统的7台造气炉也进行了增氧制气改造，同样利用航天炉深冷空分装置多余的氧气（流量约1 100 m3/h），亦取得了较好的节能效果。2013年4月，中能公司决定新增1套变压吸附制氧装置，1#合成氨装置的22台造气炉全部改用增氧制气，同时将原航天炉深冷空分装置多余的氧气全部供2#合成氨装置的11台造气炉使用。

1  制氧技术的选择

目前，主要的制氧技术有深冷空分、变压吸附和膜分离3种。中能公司通过多方考察，对3种制氧技术进行了综合对比（表1）。

表1  3种制氧技术综合对比

中能公司根据综合对比结果及造气系统对氧气含量的要求，选择了操作简单、开停车方便、占地面积小、维修费用低、自动化程度高且操作弹性较大、运行稳定性较高的变压吸附制氧（简称VPSA制氧）工艺。经多家厂商竞标，最终与北京北大先锋科技有限公司（以下简称北大先锋公司）牵手合作，采用该公司的制氧技术。北大先锋公司是国内最早的VPSA制氧装置供应商之一，也是目前国内唯一能大规模、稳定生产高效锂基分子筛制氧吸附剂的厂商，其低成本VPSA制氧新技术已得到广泛应用，装置的稳定性和制氧单位电耗都达到了先进水平。

2  VPSA制氧工艺

2.1 VPSA制氧的基本原理

原料空气经过滤器去除杂质后进入罗茨鼓风机增压，然后通过管道和气动切换阀门进入吸附剂床层，原料空气中的水分和二氧化碳被底部的13X吸附剂吸附；净化后的空气在吸附塔内继续上升，经PU-8型高效锂基制氧吸附剂（北大先锋公司提供）的过程中氮气逐渐被吸附，从而在吸附塔顶部富集得到氧气；产品氧气从吸附塔顶部引出并进入氧气缓冲罐，再经增压后供造气系统使用。为了连续获得氧气，一般配置2台或2台以上的吸附塔，1台吸附塔在较高压力下吸附空气中的氮气，在吸附塔出口端获得产品氧气；其他的吸附塔在较低压力下解吸或升压，以便在下个周期内吸附原料空气中的氮气；几台吸附塔轮流切换，从而达到连续产氧的目的。对于VPSA制氧工艺，每个周期都必须完成吸附、顺向放压、真空解吸、真空清洗、均压、升压等步骤［1］。

吸附：空气经吸附塔床层，氮气被吸附；当吸附塔达到一定压力后，产品氧气流入氧气缓冲罐。

顺向放压：吸附结束后，吸附塔上部气体中含氧量相对较高，将其顺向放气至低压吸附塔。

真空解吸：顺向放压结束后，吸附塔压力仍较高，需通过抽真空的方法使吸附塔压力进一步降低，使解吸的氮气抽出放空。

真空清洗：在吸附塔抽真空达到最低解吸压力前，将氧气从顶部通入吸附塔，同时对吸附塔底部继续抽真空，使吸附的氮气进一步解吸。

均压：吸附塔再生结束后，将完成吸附的吸附塔内气体从顶部通入吸附塔，同时对吸附塔底部继续抽真空。

升压：均压后，吸附塔压力仍较低，利用氧气缓冲罐中的产品气从顶部进入吸附塔，同时从吸附塔底部引入空气，对吸附塔进行升压。

以上各步骤循环进行，即可实现空气中的氧氮分离，从而得到符合要求的产品氧气。各工作步骤的切换靠气动阀门实现，气动阀门根据控制系统设定的程序实现自动开启和关闭。

2.2 VPSA制氧装置主要设备参数及经济指标

VPSA制氧装置主要设备参数及经济指标分别见表2和表3。

表2  VPSA制氧装置主要设备参数

表3  VPSA制氧装置主要经济指标

从表2可知，各项指标完全达到设计要求。VPSA制氧装置自开车以来，运行一直比较平稳。

3  造气增氧制气流程

1#合成氨装置共有22台造气炉，分为3套造气系统，其中1#～3#造气系统分别有8台、7台和7台造气炉，每套造气系统中3～4台造气炉分为1个小系统。各套系统利用蝶阀控制及DCS控制系统吹风排队功能，可实现相互串联，实现3～5台造气炉为一个单独运行系统。造气增氧流程：来自VPSA制氧装置的氧气通过总管分别分配至1#～3#富氧缓冲罐，然后由富氧缓冲罐出口管分成2根支管，其中一根为上加氮加氧总管，然后单炉设置1只DN250 mm液压阀，与上加氮空气混合入炉；另一根为空气加氧总管，分2条支路，经1只DN250 mm液压阀分别对2套系统空气总管进行加氧。

造气增氧设备的设置：①每套造气系统设置1台氧气缓冲罐；②每套运行系统风机出口处设置1只加氧液压阀及1只截止阀，同时要求加氧液压阀与DCS控制进行联锁；③每套造气系统设置1根上加氮加氧总管，单炉上加氧阀与此管相联，且上加氮加氧阀门前、后均应设置截止阀，液压阀由DCS控制。设置以上阀门结合DCS控制系统，可实现每台造气炉单独选择上加氮加氧、空气加氧，避免单炉炉况波动及氧含量升高。

4  增氧制气工艺的选择及调整

4.1 增氧制气工艺的选择

目前，国内固定层增氧气化工艺主要有富氧连续气化工艺、加氮增氧间歇气化工艺及吹风增氧间歇气化工艺。

4.1.1 固定层富氧连续气化工艺

采用富氧连续气化工艺的炉上温度450～550 ℃，比间歇气化吹风及上行温度高200～280 ℃，煤气显热损失较大；同时，生成的煤气中φ（CO2）高达16%～18%，比采用间歇气化工艺的半水煤气中φ（CO2）增加8%～10%。由于半水煤气中的CO2含量增加，降低了压缩机出力率，加重了脱碳系统的负荷，造成合成氨装置综合电耗上升。由于富氧连续气化技术综合节能效果不明显，未能得到普遍应用。

4.1.2 固定层加氮增氧间歇气化工艺

间歇气化工艺操作的其他工艺条件不变，仅在上吹阶段加入空气与富氧混合后的富氧空气进入气化炉，φ（O2）一般为35%～40%，能稳定并减缓上吹阶段气化层温度的下降速率，以提高入炉蒸汽分解率、缩短吹风时间及减少吹风气生成量，从而降低炉渣中的残碳含量，以达到降低块煤消耗的目的。中能公司2#合成氨装置富氧制气即采用此工艺，节能效果较明显。

4.1.3 固定层吹风增氧间歇气化工艺

间歇气化工艺操作的其他工艺条件不变，仅将吹风阶段空气气化剂改为富氧气化剂，即将φ（O2）为25%～28%的富氧空气代替空气进入气化炉，可缩短吹风时间、减少吹风气生成量、减少吹风气带出的潜热和显热损失、降低炉渣中的残碳含量，以达到降低块煤消耗的目的。

中能公司根据近几年的生产经验论证：富氧连续气化工艺经实际运行，经济效益并不明显，且目前在固定层气化工艺中使用的较少，大多已停用；加氮增氧工艺与吹风增氧工艺都可缩短吹风时间、减少吹风气生成量、减少吹风气带出的潜热和显热损失，其不同之处在于加氮增氧工艺在上吹阶段较稳定并减缓了气化层温度下降速率，进而提高了入炉蒸汽分解率，但从安全角度考虑，混合后氧含量受限制，从而制约加入的富氧气体总量，减少吹风气生成总量受限；在吹风增氧工艺中，随着氧含量的提高，灰渣层中未完全气化的碳的活性提高，气化更加完全，可大幅降低炉渣中的残碳含量。为此，中能公司决定将比较成熟的上加加氧与空气加氧工艺相接合，待工艺稳定后，再作优化调整。

4.2 循环时间及时间分配

4.2.1 循环时间

循环时间的选择主要取决于燃料性质及各阀门的动作速度，循环时间的长短对稳定气化层温度和煤气产量有一定的影响。循环时间过长，在一个循环内气化温度波动大，产气量变化大，因此循环时间短些为宜。但由于受阀门起落速度及燃料煤性质的影响，各企业选择的循环时间大多不同。若阀门起落时间长，短循环则会造成阀门动作频繁、阀待现象严重，不但影响块煤消耗，同时影响单炉发气量。笔者认为，因各企业所采用的阀门动作速度不同，循环时间不应盲目调整。目前，中能公司1#合成氨装置的造气系统采用的循环时间为135 s。

4.2.2 吹风负荷

吹风负荷的确定需综合考虑原料煤的质量、工艺状况、设备情况等因素。生产1 m3半水煤气需要0.95～1.05 m3空气，工艺控制合理或使用优质煤时取低限，使用劣质煤或工艺差时取高限。若昼夜温差大，空气密度变化就大，罗茨鼓风机在同等条件下出力不同，单位时间入炉风量相差较大，因此，各企业的吹风负荷大多不同。但其共同点是随着气温下降，空气中氧含量增加，吹风时间也必然随之缩短。中能公司采用增氧制气后，空气中φ（O2）由原21%提高至25%，同时也提高了上加氮氧含量并延长了上加氮时间，因此吹风时间所占比例有了大幅下降，即以块煤为原料的吹风时间所占比例由原25.2%下降至20.0%，以型煤为原料时从20.0%下降至17.7%。

4.2.3 上、下吹时间

一般情况下，上吹阶段的燃料层温度较高，上吹时间较长，上吹制气的产量和质量较好；但上吹时间过长，会消耗大量气化层热量，且气化层上移，对以后的制气不利。因此，在上、下吹制气时间分配上，下吹制气时间比上吹制气时间长。采用VPSA装置增氧制气工艺后，在对炉况调整过程中，结合上、下行煤气温度情况，中能公司以块煤为原料的上吹时间所占比例由原29.6%提高至34.8%，以型煤为原料时从原33.3%提高至35.5%，下吹时间所占比例未变。

4.2.4 上加氮的选择

为使造气炉维持相对较高的气化层温度、获得较高的蒸汽分解率和有利于精确调节氢氮比，吹风时间不宜过长，应更多地采用上加氮来提高气化强度。采用富氧制气后，上加氮显得更为重要，其不仅能提高造气炉的气化强度，而且能减少风压及富氧压力的波动。目前，中能公司1#合成氨装置的造气系统上加氮时间为30 s。

4.3 蒸汽温度

中能公司采用增氧制气初期，蒸汽温度未进行调整，一般控制在190～220 ℃，出现了炉底结疤悬空现象，炉况不稳，严重影响正常生产。经分析，由于空气和上加氮氧含量的升高，在吹风及上加氮期间，造气炉内未完全反应的碳在造气炉底部进行反应，造成炉底温度较高，且易出现炉底结疤悬空现象。中能公司通过增大上吹时间所占比例及降低蒸汽温度等方法进行调节，问题已完全消除。目前，中能公司蒸汽温度一般控制在170～190 ℃。

4.4 氧气压力

中能公司采用增氧制气初期，氧气压力不稳定。经讨论，决定关小上加氮手轮阀，延长上加氮时间，以单系统上加氮连续运行方式来稳定上加氮氧含量及压力。同时，利用DCS吹风排队功能，将单系统吹风时间尽量排满，避免出现空风、重风现象，以此来稳定吹风阶段的氧压力及含量。

4.5 氧气聚积的预防

空气加氧时易出现氧聚积的问题。目前，大多数企业采用1台风机带动4台造气炉，如循环时间为135 s，各炉吹风时间加吹净时间为27 s，即4台造气炉完全吹风时间为108 s，剩余的27 s为造气炉不吹风时间，平均分配给4台造气炉为6.75 s，即各炉吹风间隔时间为6.75 s，此时部分氧气易聚积在空气总管内，在下一循环的吹风初期，就有高浓度的氧入炉，不但会造成造气炉运行不稳定，而且会危及安全生产。中能公司利用吹风排满及防止氧聚积的专利技术，成功避免了上述情况。

5  增氧工艺实施前、后的生产使用对比

表4  增氧工艺实施前、后造气工艺数据对比

增氧工艺实施前、后造气工艺数据对比见表4。

从表4工艺数据可看出：VPSA增氧工艺投运后，吹风气中的CO2含量增加，吹风效率提高，吹风时间减少，制气时间相应增加，吹风气生成量大幅减少；上、下行煤气温度均有所降低，说明气化层更加集中；由于炉温的提高，单炉发气量提高了15%～18%，蒸汽利用率也得到大幅提高；而炉渣残碳含量下降，则说明煤的利用率提高；上、下行温度的下降，表明显热损失减少，为节能降耗打下了坚实的基础。

增氧工艺实施前、后合成氨消耗数据对比见表5。

表5  增氧工艺实施前、后合成氨消耗数据对比

由表5数据对比可看出，采用VPSA制氧装置后，吨氨块煤消耗平均下降了46 kg、电耗下降了9.5 kW·h，节能效果比较明显。

6  经济效益分析

该项目总投资2 900.00万元，按合成氨日产量1 050 t、氧气产量9 000 m3/h、年运行时间350 d、制氧电耗0.38 kW·h/m3、电价0.55元/（kW·h）、φ（O2）83%、利率8%计，则生产1 m3纯氧的可变成本、固定成本和全部成本分别为0.209，0.071和0.280元/m3；生产氧气的日成本为9 000×0.83×24×0.280=50 198.40（元）；若扣除原深冷空分装置供氧1 100 m3/h后，增加的氧气日成本为（9 000×0.83-1 100×0.999）×24×0.28=42 813.79（元）。

目前，中能公司外购块煤和煤末价格分别为1 100元/t和550元/t，按外购块煤含煤末质量分数14%、块煤入炉率86%计，则实际入炉煤价格=（1 100-14%×550）÷86%=1 189.53（元/t）。

日节煤费用=46×1 050×1 189.53/1 000=57 454.30（元）。

日节电费用=9.5×1 050×0.55=5 486.25（元）。

日节省费用合计=57 454.30+5 486.25-42 813.79=20 126.76（元），则月节约费用在60万元左右。

7  结语

中能公司固定层增氧工艺与北大先锋公司的VPSA制氧工艺的结合，经过近1年运行优化，通过提高固定层造气炉上加氮及入炉空气中氧含量，改善了碳与氧气的反应条件；通过设备和工艺的配套改造，吹风效率提高，吹风时间缩短，从而提高了单炉发气量，降低了灰渣中的残碳含量和造气系统的生产成本，减少了二氧化碳排放量，达到了节能降耗的目的，经济效益和社会效益显著。

参考文献

[1]石春发.变压吸附制氧技术在间歇式固定层造气炉中的应用[J].小氮肥，2014（10）：5-7.