国内变压吸附制氧技术的发展现状及应用创新

中国冶金报 中国钢铁新闻网兰娜 王庆

　　近20年来，国内经济稳定快速发展，钢铁、有色冶金、化工、炉窑、环保等行业生产工艺不断升级与革新，对于氧气的需求也日益增大，促进了深冷空分工艺、变压吸附制氧工艺及膜分离工艺等制氧技术的发展。由于产品纯度太低，限制了膜分离工艺的适应性；而国内深冷工艺和变压吸附工艺取得了长足进步。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积极认可。

　　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。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。

　　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。2000年初，以北京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，使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两塔装置规模已达到6000Nm3/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。装置规格也从最初的单套两塔制氧装置规模不足1000Nm3/h发展到了如今的6000Nm3/h，多塔并联后规模达到30000Nm3/h以上，单位制氧电耗降低到0.32 kW·h/m3以下，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，分子筛寿命更是延长到了5年以上，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年一年，国内规模超过1000Nm3/h以上变压吸附制氧装置建设就超过70套。

　　国内如北大先锋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，并实现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，进一步推动了该技术在国内众多行业的应用。

　　变压吸附制氧技术的特点

　　一是制氧能耗和运行成本低

　　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，其纯氧电耗已从20世纪90年代的0.45kW·h/m3，下降到如今的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。

　　二是工艺简单、操作灵活、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，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30分钟即可产出合格氧气，短时间停车则几分钟便可产氧，而且装置停车更加简单，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。

　　三是投资省、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；装置占地面积小，可以减少装置土建成本和建设用地的成本；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，大幅度降低了装置的建设时间。

　　四是设备简单、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，备品备件更换容易，可降低成本、工期容易控制；设备维修简单、售后服务方便，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。

　　五是负荷调节便捷

　　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。

　　六是操作安全性高

　　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。

　　变压吸附制氧技术主要应用领域

　　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、环保等行业得到了广泛应用。

　　一是高炉富氧工艺

　　随着高炉富氧技术的发展，高炉已经成为钢铁企业主要用氧源之一。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。随着钢企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。由于钢铁企业用氧的工序较多，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，同时作为钢铁企业氧气供应的调节器，如企业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。

　　二是电炉炼钢工艺

　　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，可明显降低电炉炼钢的生产成本。

　　三是有色冶金行业应用

　　近10年，变压吸附制氧技术在铜、铅、锌等冶炼领域，得到了很高的认可度。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。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25000Nm3/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30000Nm3/h。

　　四是化工等行业应用

　　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；国内外大部分造纸企业选择变压吸附技术来生产氧气；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。

　　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，将拥有更广阔的应用前景。