關于變壓吸附制氧機的穩定性分析
鄂州汴京空氣分離設備有限公司 賈冰
摘要 變壓吸附制氧在得到廣泛應用的同時，它的穩定性問題也被人們關注,
本文就影響變壓吸附制氧穩定性的幾個方面原因，對比國產和進口設備做了一些分析,提出了一些建議和看法。
關鍵詞 變壓吸附制氧 國產設備 進口設備 穩定性
變壓吸附制氧以其啟動快-低能耗、操作簡單、負荷運轉調整范圍大等特點，已經得到廣泛應用。在不需要高純氧的場合，如有色金屬冶煉（煉銅、煉鉛、煉鋅、煉金、煉鎳等）、黑色金屬冶煉（高爐富氧噴煤煉鐵、電爐煉鋼等）、富氧燃燒、化工造氣、醫療、污水處理（富氧爆氣）等領域使用越來越多。隨著變壓吸附制氧越來越多的使用，一些單位對變壓吸附制氧的穩定性提出了一些質疑，特別是一些長期使用深冷制氧機和從事深冷制氧機制造的單位認為變壓吸附制氧穩定性差，連續性差。本文就大家更多關心的裝置的穩定性問題談一些看法
穩定性問題不外乎兩方面：
1.產量和純度的穩定性
一些單位反映說變壓吸附產量和純度使用會越來越低，我門認為可能出現的這種情況，與使用分子篩的質量、工藝裝備水平及用戶的操作都有一定的關系。
筆者曾參觀考察過一些在運行的國內和進口的變壓吸附制氧設備, 發生這種現象的裝置中，使用分子篩的質量占據主要地位。分子篩是變壓吸附的核心，分子篩性能優略和使用壽命的長短對產量和純度的穩定性影響是相當直接的。幾家選用不同廠家分子篩的用戶，裝置產量的穩定性就各不相同。
比如采用老5A分子篩的設備，問題就稍顯突出些。使用年限和壽命比現在普遍采用的LIX鋰基離子分子篩就差了許多。有的用戶本身上項目追求的就是短期效應，只求低價，上馬快，設備早投產，就采用5A分子篩，不考慮運行成本和后期產量的穩定性問題，這種選型的設備穩定性就差一些。
采用LIX鋰基離子分子篩的用戶是占了大多數的，特別是在大中型設備上，它的優勢是明顯的，這也是主流。因為成本和長期的經濟效益是用戶的根本利益，多數用戶都不是在急功近利。采用LIX鋰基離子分子篩，可以提高氧氣提取率，有效降低能耗和減少分子篩的使用量，設備數量和占地面積也在減少，可靠性和經濟性較強。因此采用5A分子篩的設備市場占有率在逐漸縮小, 采用LIX鋰基離子分子篩的設備在占據主導地位。
即便采用的都是LIX鋰基離子分子篩，因為制造工藝和配方的不同，性能指標也有所不同。這在國內運行的設備中已經看到了使用效果上的差異，從用戶反饋回來的信息中也得到了印證。即便是國外的專用LIX鋰基離子分子篩也需要在性能質量和使用壽命上下些功夫，在筆者看到的國外設備中也同樣存在分子篩壽命的問題。它昂貴的價格使得用戶在添加或更換它的時候顯得不十分情愿，用戶希望他們使用的分子篩壽命不只是十年，應該更長。所以提高分子篩性能，提高使用經濟性，這也是提高產量穩定性的一個關鍵環節。
閥門頻繁切換，密封圈的使用壽命等對產量和純度的穩定性也有影響。閥門長期使用，有時候也會產生執行機構開啟不靈活，閥板關不嚴，或者密封圈達不到使用壽命要求，提前產生磨損而導致密封不嚴等現象，這些原因會引起泄露，導致保壓保不住均壓均不了，引起工況不穩，影響產量和純度的穩定性。盡管大家在長期的運行實踐中針對發生的問題做了不少的改進工作，但是不管是國產閥門或者中外合資的閥門都還是存在一個穩定性的問題,。即便是原裝進口的閥門在這樣頻繁切換使用的環境里也有一個穩定性的問題。
裝備設計水平，比如吸附塔的結構設計，也是影響分子篩的使用效果，影響產量和純度的穩定性影響至關重要的一個因素。
吸附塔是變壓吸附制氧機的關鍵部件，在吸附塔的結構設計中，保證高效和長壽是兩大目標。［1］
國內的吸附塔結構普遍采用的是軸流式吸附床結構。這種吸附床的優點是結構簡單，制造費用低，缺點是軸流式的進氣排氣對床層的沖擊比較大，容器死隙比較大，設備體積大，對氣流分布計算要求比較嚴。因為這種吸附塔直徑超大，分布器孔板計算有難度，設計偏薄剛性就顯得不夠，設計偏厚又存在不經濟，頻繁的正壓進氣和負壓抽氣造成大直徑孔板的震動，會引起絲網松動、破裂，導致分子篩粉化、流化。這種軸流式的進排氣方式，分子篩老化和粉化過早出現的概率就相對也大一些。這種現象在國內和進口設備采用軸流式吸附床結構的裝置中都曾經發生過。這就是吸附塔長壽的問題。
因為技術開發上的原因，也有設備造價的原因，國內的吸附塔結構恐怕還要有一段時間要沿用這種結構。在沒有大的結構設計突破的情況下，合理優化，解決好氣流分布和孔板強度問題，即便是先天不足也要設計得相對合理，這樣長壽問題才會有保證。這一點內功，我們國內的同行是應當互相勉勵來共同加強的！承認問題，正視存在不足，這樣才會想辦法去改進、去完善自己的設計。
進口設備在大中型裝置中多采用徑軸流（也稱徑向流）吸附床結構。這種軸向進氣徑向排氣（也有徑向進氣軸向排氣）的方式對分子篩造成的沖擊較小，氣流分布也更為均勻、平穩。這種結構的優點是吸附塔容積小，容器死隙小，壓降也小，吸附和解吸期間氣流分布良好，即便是頻繁的進氣和抽氣，床層的穩定性比較好，絲網松動、破裂、分子篩粉化、流化的機會也相對少的多。這樣的結構設計保證了分子篩與進塔空氣的充分接觸，分子篩床層薄，吸附充分，吸附效率高，分子篩用量也少，產量和純度也比較穩定。這種吸附床在進口設備中可以經常看到，國內供貨商暫時還沒有開發出這種昂貴的設備。這就是高效問題。這也是國內設備與進口設備存在差距的一個重要所在。
2.裝置運行的穩定性
裝置運行的穩定性對供貨商來說是靠程控系統和裝備質量來保證的，對用戶來說則是靠正確的操作和維護保養來決定的。
程控系統大家都采用PLC控制，國內這方面程控軟硬件做的已經很成功，應用也非常普及廣泛，這方面已經沒有太多的問題。
裝備質量的問題就比較復雜。
先談進口設備。
進口設備多采用“一拖二”的機組配備，即一臺電機同時帶動鼓風機和真空泵運轉，設備少但配置合理，主機的穩定性也好。鼓風機和真空泵體積也小，占地少，精度好，效率高，振動也小。而國內設備的配置卻做不到這麼緊湊，不但實現不了“一拖二”，鼓風機和真空泵也做不到體積小和效率高，設備體積大，振動也大，故障率相對也高。這就是配置可靠性的問題。雖然變壓吸附制氧因為設備少，故障相對較少，處理起來也比較容易，但與進口設備這種簡捷高效的配置相比，設備增多故障點也隨之增多，還是存在穩定性的差異。
“消噪”處理的好壞對穩定性也有影響。有效的“消噪”處理，可以減輕設備和管道的振動，有助于提高裝置運行的穩定性。
大家知道，噪音是由振動產生的，特別是蘿茨真空泵出口消音器“消噪”處理對變壓吸附來說是一個不容忽視的難題，因為變壓吸附的噪音很大一部分出自于它。蘿茨真空泵抽真空時產生的氣流流速達到30m/s，又是低頻脈沖式的，對消音器筒壁的沖刷斷續又劇烈，產生的振動噪音比較大，“消噪”的難度也比較大，這成了蘿茨真空泵的一個“硬傷”。
難度大并不意味著沒辦法處理。筆者看到一家進口設備的濕式消音器“消噪”處理就比較好，振動比國產設備小的多，國產設備雖然也在不斷嘗試改進，但效果總談不上理想。鄂州汴京空氣分離設備有限公司剛剛在大冶市興成礦業有限公司投產的變壓吸附制氧機就在“消噪”處理上下了一些功夫，做了些新的嘗試，不但廠房內做“消噪”處理，連真空泵濕式消音器也整體做“消噪”處理，并且在消音器出口又增加了消音器，實測廠房外噪聲只有68～70dB，遠遠低于國家標準。“硬傷”在這里得到了有效的解決。
進口設備的整體“消噪”處理也做的精細，不但該做的處理一點都不省，連廠房橫梁都做了消音處理，這一點值得我們國內供貨商學習。
進口設備也有不完善的地方。我們談的這家進口設備的鼓風機出口消音器，振動就比我們國產設備大得多。國產設備原來振動也大，但經過結構改動，振動大大減少。
再談國內設備。
裝置運行的穩定性還有一條重要的因素，就是吸附塔制造質量。吸附塔制造質量的好壞對裝置運行的穩定性產生直接的影響。
因為國內的軸流式吸附塔超大的直徑造成制造和運輸的不便，我們的供貨商出于制造成本上的考慮，多數采取就近尋找有資質的單位就近加工就近供貨的方式，這樣做的好處是節約了制造成本，但對制造質量的把關卻造成了難度，對制造過程做不到有效監控。這種制造質量上存在的不確定性因素甚至給設備的穩定性帶來致命的隱患！這一點相信我們的供貨商應該深有感觸，本來設計很好的一套裝置因為外包吸附塔的制造質量把關不嚴造成分子篩粉化、流化，給設備運行造成嚴重的后果！這種嚴重的后果在早期進口設備中采用軸流式的吸附塔中也曾經發生過，造成的損失也很大。
因此我們的供貨商要在控制好產品質量上下功夫，該把好關的一定要把好關，加強和提高裝備制造水平，避免這種嚴重的后果的發生。
實際上產量和純度的穩定性和裝置運行的穩定性都是在談一個問題，兩者是結合在一起分不開的。國產設備雖然因為上面談到的一些原因，在穩定性和結構設計上等等還需要做出努力，但是國產設備也有自身的優點：造價低廉；設計富裕量大。造價低廉可以惠顧用戶，與進口設備競爭具備價格優勢，但富裕量大卻值得探討。筆者認為這個大富裕量既是優點也是缺點，嚴格來說應該不是經濟性的表現。
進口設備從設備選型到分子篩用量都是采用模塊設計，產量優化設計到位，工藝計算準確，幾乎沒有富裕量。量化準確，實際上也是一種嚴謹、成熟和負責態度的表現。這一點值得我們國產設備借鑒。
隨著使用年限的增加，因為流程組織和采用分子篩性能不同，用戶操作使用和維修保養效果也不一樣，個別機組存在這種產量和純度降低的現象。但大多數裝置運行狀況都是良好的，這是主流！即使有產量和純度降低的裝置，降低的比例也是很小的，有限的降低對整套裝置的使用不會造成太大的影響，也不會影響到用戶的正常生產，用戶不必為此擔心。相對國產機有充足富裕量的優點來講，又是對產量和純度降低的一種補充。況且分子篩供貨商對分子篩的質量和使用壽命也有承諾：正常使用，十年之內（也有供貨商保證十五年的）因為分子篩質量原因引起產量和純度降低，供貨商免費更換或添加或活化再生分子篩。這樣的服務承諾用戶可以放心地使用變壓吸附制氧機了。
隨著原材料的不斷上漲，鋼材和有色金屬材料價格也在不斷上漲，設備制造成本也在不斷的增加，深冷制氧機因為有眾多的制造設備而引起成套設備價格的攀升，相對變壓吸附較少設備價格的攀升來說壓力和負擔就重了些。但在裝置大型化上和純度上深冷制氧機的優勢還是明顯的，國內已經開始承做了83000 NM³/h的制氧機（開封空分集團已經與天津榮城鋼鐵有限公司簽約），純度99.6%。變壓吸附因為受自身工藝條件的限制，目前還做不到這樣大的裝置，純度也做不到這樣高。從前雖有日本能夠用變壓吸附法生產99.5%的報道，但實際的工業化裝置，筆者還未確知。西梅卡亞洲氣體系統成都有限公司，僅在裝置容量很小(<15NMa3／H)的情況下，采用意大利Ttalfilo技術生產99％氧純度的分子篩制氧裝置［2］。這也是迄今為止變壓吸附制氧最高的純度報道。
開發新工藝，設計新型吸附塔，研發更加高效的分子篩吸附劑，應該是變壓吸附大型化發展的方向。
國內在運行的變壓吸附制氧裝置，流程設計上有采用傳統的蘿茨鼓風機和蘿茨真空泵的，有采用離心鼓風機和水環真空泵的，基本上都是這兩種。吸附劑也都采用目前專用的LIX鋰基離子分子篩。專用切換蝶閥有采用中外合資產品的也有采用國產液壓傳動閥門的。采用蘿茨風機流程的優點是能耗低了一些，缺點是噪音稍高，消噪的任務比較大；采用離心風機和水環真空泵流程的優點是噪音稍低些，缺點是能耗稍高些，密封水量用得多了一些，密封水的回收工作要多做一些。吸附塔的數量有采用兩塔、三塔、四塔或五塔的（有開發單塔的報道，但沒見到使用）。采用吸附塔的數量的多少實際上也是一個工藝裝備水平衡量的標志，這方面我們國內的同行可是任重而道遠！雖然供貨商從各自工藝流程設計角度和裝置運行穩定性、經濟性角度考慮采用吸附塔數量的多少，但是進口的四千、五千變壓吸附制氧裝置，兩塔流程就可以實現，甚至敢說七千也可以采用兩塔流程！兩塔流程工藝簡單，操作方便，設備數量少，投資低，長期運行成本也低，當然是一種優化的流程方案，但要在大型裝置上實現，理論上可行實際上難度很大。一是鼓風機和真空泵要實現大容量和高效率，二是吸附劑要性能優異，三是要有高性能的吸附塔。進口設備占據了后兩條，如果實現了第一條，完全有可能能做得到！而我們國內同樣的裝置，在吸附劑性能差距不大的情況下，就是說第二條具備，但第一條和第三條現在還不具備，采用兩塔流程就比較困難。進口裝置實現大型化顯得比較輕松。所以在裝備水平和工藝水平上我們國產設備與進口設備的差距是明顯的。提高裝備水平，縮短工藝差距，任務比較艱巨！
我們常常可以看到這種現象，新上項目試車階段和項目完成以后種種原因致使不能滿負荷生產，頻繁開停制氧機，造成無謂的水電浪費。筆者在內蒙一家剛剛投產的銅冶煉廠就看到這種現象，這家銅冶煉廠在招標制氧機（中型空分）時采用了傳統的深冷機，當時對變壓吸附制氧機也有推薦，但這家單位認為變壓吸附制氧機不穩定，又沒有技術含量，就沒有采用。現在的生產狀況是半月一開或者是一月一開，每次一停一開制氧機就要三天三夜（停機后加溫吹除一天，開機后開車出氧兩天），電費就是十萬元，浪費實在驚人！實際上大家都知道銅的冶煉需要混氧鼓風，不需要純度太高的氧氣，采用變壓吸附機是非常合適的，既方便操作，又減少了電費損失，既經濟又實用。筆者認為，深冷機和變壓吸附無所謂孰優孰略，只是適用場合不一樣，用戶應該從自身經濟和實用角度考慮選擇采用哪種制氧機。
筆者認為，在純度要求不高的制氧機項目上，中小型制氧機（六千以下）采用變壓吸附應該比較經濟劃算，在大型制氧機項目上（六千以上）采用深冷機可靠性比較強。
產生疑問與宣傳資料少和變壓吸附空分制氧技術成熟時間相對較短及國家對于此推廣力度不夠有關。通過這幾年我們供貨商不斷的努力，也通過宣傳力度的加強和越來越多的裝置的投產，用戶看到了變壓吸附的存在，也逐漸接受了這種制氧機。人們對變壓吸附的認識也越來越清晰、客觀，定位也越來越準確，這種客觀的認識和定位就是一種可喜的進步！
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參考文獻
［1］劉應書 ，卜令兵 。 變壓吸附空分制氧微型化技術研究。變壓吸附分離技術交流會論文集
［2］潘廣通 ， 來源（西梅卡公司） 。 變壓吸附制氧裝置部分概述
