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2020/10/26
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一、 前言
近20年来，随着国内经济处于稳定快速发展阶段，我国钢铁、有色冶金、化工、炉窑节能、环保、玻璃和造纸等行业的生产工艺不断进行升级与革新，工艺的优化和产能扩大促使各行业对于氧气的需求也日益增大。巨大的用氧需求带动了国内工业制氧设备的技术进步，传统的深冷空分工艺、变压吸附制氧工艺及膜分离工艺等制氧技术取得了一定的发展。膜分离工艺由于其产品纯度太低的因素，限制了该工艺的适应性，国内深冷工艺和变压吸附工艺取得了长足进步，尤其是变压吸附制氧技术，在新型锂基吸附剂国产化以及径向吸附塔开发取得突破性进展后，变压吸附制氧工艺在国内得到了广泛的使用和用户的极大认可。
二、 国内外变压吸附制氧技术进展
变压吸附制氧技术开发始于20世纪60年代，20世纪80年代初美国和日本相继实现工业化。美国普莱克斯公司在20世纪90年代初开发出锂分子筛制氧吸附剂，并依据锂分子筛的特性开发了 VPSA制氧工艺，变压吸附制氧双塔最大规模突破3000Nm3/h以上，制氧电耗降到0.35 kW·h/m3，使变压吸附制氧技术得到快速发展，为其广泛使用奠定了坚实基础。
近几年，随着永磁电动机的开发及制氧工艺的优化，国外变压吸附制氧电耗最低已降到0.3kW·h/m3以下，双塔制氧最大规模突破6000Nm3/h以上，变压吸附制氧成本得到进一步降低，制氧规模逐年增大，进一步促进该工艺使用领域的拓展。
我国从20世纪80年代末期开始研究变压吸附制氧技术，直到20世纪90年代初才有了小型工业化装置。最初的制氧装置采用的吸附剂为CaA分子筛吸附剂，工艺为PSA工艺，从最初的20m3/h、50m3/h和100m3/h开始到20世纪90年代末期我国变压吸附制氧最大规模也只有1000m3/h，纯氧电耗达到0.5 kW·h/m3以上。国产变压吸附制氧装置发展初期的部分产品存在罗茨鼓风机噪音大、故障率高、切换阀门故障特别高以及分子筛易粉末化等一系列问题。不少企业特别是钢铁行业的企业基于短平快的特点开始使用变压吸附PSA制氧设备，但因设备维护工作量大、维护成本高而弃用并重新使用深冷分离设备，给大家留下了设备无法长期运行、维护量太大、不能大型化的负面影响，与同期国际先进水平差距明显。
2000年初，以北大先锋科技有限公司为代表的高效锂基吸附剂生产及采用锂基吸附剂的变压吸附制氧工艺的工业化，国内变压吸附制氧技术有了快速的进步及广泛的推广，目前北大先锋建设的变压吸附装置两塔装置规模已达到6000m3/h，纯氧电耗也接近0.3kW·h/m3。
随着变压吸附制氧技术一些关键性问题如高效锂基吸附剂稳定生产、径向床吸附器的研发、可靠的高频率以及大口径蝶阀开发等得以解决，国内变压吸附制氧技术的产氧规模逐年增大，氧气电耗逐渐降低，装置的可靠性稳步提升。装置规格也从单套两塔制氧装置的规模从最初的不足1000m3/h发展到了如今的6000m3/h，多塔并联后规模达到30000m3/h以上，单位制氧电耗降低到0.32 kW·h/m3以下[4]，制氧装置的年开工率达到98%以上。鼓风机的噪声已达到85dB以下的要求（通过消声处理、厂房外1m噪声可以达到70dB以下），大口径蝶阀无故障率普遍达到8000h以上，分子筛寿命更是提高到了5年以上，迅速地旧貌换新颜，让用户对国产变压吸附制氧设备有了崭新的认识，扩大了变压吸附制氧设备的应用。仅2018一年，国内规模超过1000Nm3/h以上变压吸附制氧装置建设套数就超过70套。
国内如北大先锋科技有限公司、天一科技等企业通过不断努力改变了变压吸附制氧分子筛依赖进口的局面，同时在锂分子筛等产品领域取得了突破，并获得新型分子筛产品的工业化应用。
随着变压吸附制氧技术的发展与完善，相比深冷制氧技术，变压吸附制氧技术逐渐形成许多独特优势，进一步推动变压吸附制氧技术在国内众多行业的广泛应用。
三、 变压吸附制氧技术的特点
1. 制氧能耗低和运行成本低
制氧工艺中，电耗大概占运行成本的90%以上，随着变压吸附制氧技术的不断优化，其纯氧电耗已经从20世纪90年代的0.45kW·h/m3，下降到了如今的0.32kW·h/m3以下，即使较大规模深冷制氧的纯氧电耗最低也在0.42kW·h/m3左右。与深冷制氧技术相比，在企业没有氮气需求，用氧工序对氧气纯度及压力要求不高的工况下，变压吸附制氧技术具有明显的成本优势。
2. 工艺简单、操作灵活和开停车方便
变压吸附制氧与深冷制氧技术相比，工艺比较简单，操作压力在-0.05~0.05MPa，主要动力设备为罗茨鼓风机和罗茨真空泵，操作相对简单、容易维护。由于变压吸附制氧设备开停车不存在降温和升温过程，原始开车只需要30min则可产出合格氧气，短时间停车则几分钟便可产氧，而装置停车则更加简单，只需要把动力设备和控制程序关停，相比深冷制氧，变压吸附制氧技术开停车更加方便，大幅度降低了装置开停车产生的操作费用。
3. 投资省和建设工期短
变压吸附制氧装置工艺流程简单，主要由动力系统、吸附系统和阀门切换系统等组成，设备数量较少，可以节省设备的一次性投资成本；同时装置占地面积小，还可以减少装置土建成本和建设用地的成本。并且设备加工制造周期较短，主要设备加工周期一般不超过4个月，正常情况下6个月内即可实现产氧要求，相比深冷制氧接近1年的建设周期，大幅度地降低了装置的建设时间。
4. 设备简单和维修方便
变压吸附制氧技术采用的设备如鼓风机、真空泵和程控阀门等全部可实现国产化，备品、备件更换易，可降低成本和工期容易控制，而且设备维修简单、售后方便，相比深冷制氧所用的大型离心压缩机的维护，变压吸附制氧用户不需要投入大量维护资金和聘用专业维护工人。
5. 负荷调节方便
相比深冷液氧技术，变压吸附制氧在纯氧电耗变化不大的情况下，可以实现产量和纯度的快速调节。一般产量可在30%~100%调节，纯度可在70%~95%调节，尤其当几套变压吸附制氧装置并联使用时，负荷调节更加容易。
6. 操作安全性高
由于变压吸附制氧为常温下的低压操作，而且不会出现液氧、乙炔富集等现象，相对于深冷制氧低温高压操作，安全性更高。
四、 变压吸附制氧技术的主要应用领域
随着变压吸附制氧规模逐年增大、可靠性逐年提高及制氧电耗的逐渐降低，同时变压吸附制氧技术具有操作灵活、负荷调节简单、电耗低、装置建设周期短以及安全性高等优点，对于需要灵活使用富氧的行业，变压吸附制氧技术无疑可成为深冷制氧的替代工艺，其应用范围也在逐年扩大。近几年，变压吸附制氧工艺在钢铁、有色冶金、化工、炉窑节能、水泥回转炉、环保、玻璃和造纸等行业得到了广泛应用。
1. 高炉富氧工艺
随着高炉富氧技术的发展，高炉已经成为钢铁厂的主要用氧源之一。在高炉富氧技术最初应用时，高炉可以作为全厂供氧的调节器，产氧量多时，高炉富氧率则高，产氧量不足时，高炉富氧率则低。随着企业对高炉富氧技术在炼铁工艺的重要性认识逐渐清晰，高炉富氧率的稳定成为低成本、高效炼铁的重要操作参数。由于钢厂用氧的工序较多，用氧负荷每周甚至每天都会发生波动，而深冷制氧技术负荷调节性较差，开停车时间长，当用氧量少时，多余氧气需液化储存供以后使用或作为产品卖出，有时甚至会出现氧气放空现象。鉴于高炉富氧用氧压力低、氧气纯度要求不高等特点，许多钢铁企业可在高炉附近建设变压吸附制氧装置，直接给高炉配套，同时作为全厂氧气供应的调节器，如全厂深冷空分产氧气有余量或不足时，变压吸附制氧装置可随时启停来控制增减产量为高炉提供氧气。目前许多钢铁企业高炉采用变压吸附制氧技术供氧后，大幅度地降低了企业氧气的使用成本。高炉采用变压吸附制氧作为富氧氧源已在大部分钢铁企业形成了共识。
2. 电炉炼钢工艺
以前国内大部分钢铁企业认为电炉炼钢需要用深冷空分制纯氧，而在日本约有60%~70%的电炉炼钢企业则采用变压吸附制93%纯度的氧气法炼钢。理论上电炉炼钢主要靠电弧熔化来炼钢，氧气只起辅助作用，变压吸附生产的93%的氧气完全可以应用于电炉炼钢。目前国内如池州贵航金属制品有限公司、遵义长岭特殊钢有限公司和泸州益鑫钢铁有限公司等企业已经开始使用变压吸附制氧装置为电炉炼钢供氧，根据电炉炼钢企业实际反馈，采用变压吸附制氧装置为电炉供氧，对钢材质量没有影响，而且采用变压吸附制氧技术后，氧气成本可控制在0.3元以下，可明显降低电炉炼钢的生产成本。
3. 有色冶金行业
近10年变压吸附制氧技术在铜、铅、锌等冶炼领域，取得了企业很高的认可度。多数有色金属冶炼工艺对氧的纯度要求一般在24%~90%之间，用氧负荷变动也比较大，而且有色冶炼企业几乎不需要氮气。由于变压吸附制氧技术具备操作简单、电耗低等特点，十分适合有色金属冶炼。目前铜陵有色、紫金矿业和云南铜业等国内大部分有色冶炼企业均选择变压吸附制氧装置作为富氧来源，例如包头华鼎铜业有限公司随着铜产量的增加以及炼铜工艺的改进，已相继建设了4套变压吸附制氧装置，总用氧规模达到25000m3/h以上。云南楚雄铜冶炼厂随着产铜规模增加，相继建设了3套变压吸附制氧装置，总用氧规模达到30000m3/h。
4. 化工行业
目前国内部分中小型氮肥厂采用富氧连续造气工艺对原有间歇制气工艺进行改进，而富氧的来源多为变压吸附制氧技术。富氧连续气化技术对煤的适用性高，提高了制气装置的生产能力，具有很广的应用前景。
5. 造纸行业
在造纸行业中，氧气主要应用在用于制浆的氧脱、脱木素段以及增白等氧漂白工段。由于造纸工艺对氧气浓度要求不高，而且不需要氮气，因此目前国内外大部分造纸企业选择变压吸附技术来生产氧气。
6. 其他领域
目前变压吸附制氧技术在其他领域也有较为广泛的应用，例如玻璃纤维行业，浮法玻璃和水泥窑炉的富氧燃烧工艺、垃圾焚烧的富氧助燃工艺、污水处理富氧曝气工艺以及臭氧等领域。
五、 变压吸附制氧技术的发展展望
变压吸附制氧技术作为近20年快速发展的制氧新技术，随着其技术不断的进步和应用领域的扩大，逐渐得到众多用氧企业的认可。以降低制氧能耗为目的，开发新型吸附材料以及尝试与膜分离或深冷工艺进行耦合，通过优势互补，拓展更大的应用领域是未来变压吸附制氧技术的重要研发方向。例如变压吸附制氧技术与膜分离技术耦合可以获得纯度大于99%的氧气，在偏远地区或一些需要移动式装备的工况下可以替代低温空分制氧。国内变压吸附制氧生产企业如北大先锋等一些行业佼佼者和开拓者都十分注重研发工作，希望通过不断加大投入争取在未来的发展中抢占先机。随着变压吸附制氧技术日趋完善，变压吸附制氧技术必将具备多种优势和巨大的潜力，未来将拥有更广阔的应用前景。
参考文献
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