关于变压吸附制氧机的稳定性分析
鄂州汴京空气分离设备有限公司 贾冰
摘要 变压吸附制氧在得到广泛应用的同时，它的稳定性问题也被人们关注,
本文就影响变压吸附制氧稳定性的几个方面原因，对比国产和进口设备做了一些分析,提出了一些建议和看法。
关键词 变压吸附制氧 国产设备 进口设备 稳定性
变压吸附制氧以其启动快-低能耗、操作简单、负荷运转调整范围大等特点，已经得到广泛应用。在不需要高纯氧的场合，如有色金属冶炼（炼铜、炼铅、炼锌、炼金、炼镍等）、黑色金属冶炼（高炉富氧喷煤炼铁、电炉炼钢等）、富氧燃烧、化工造气、医疗、污水处理（富氧爆气）等领域使用越来越多。随着变压吸附制氧越来越多的使用，一些单位对变压吸附制氧的稳定性提出了一些质疑，特别是一些长期使用深冷制氧机和从事深冷制氧机制造的单位认为变压吸附制氧稳定性差，连续性差。本文就大家更多关心的装置的稳定性问题谈一些看法
稳定性问题不外乎两方面：
1.产量和纯度的稳定性
一些单位反映说变压吸附产量和纯度使用会越来越低，我门认为可能出现的这种情况，与使用分子筛的质量、工艺装备水平及用户的操作都有一定的关系。
笔者曾参观考察过一些在运行的国内和进口的变压吸附制氧设备, 发生这种现象的装置中，使用分子筛的质量占据主要地位。分子筛是变压吸附的核心，分子筛性能优略和使用寿命的长短对产量和纯度的稳定性影响是相当直接的。几家选用不同厂家分子筛的用户，装置产量的稳定性就各不相同。
比如采用老5A分子筛的设备，问题就稍显突出些。使用年限和寿命比现在普遍采用的LIX锂基离子分子筛就差了许多。有的用户本身上项目追求的就是短期效应，只求低价，上马快，设备早投产，就采用5A分子筛，不考虑运行成本和后期产量的稳定性问题，这种选型的设备稳定性就差一些。
采用LIX锂基离子分子筛的用户是占了大多数的，特别是在大中型设备上，它的优势是明显的，这也是主流。因为成本和长期的经济效益是用户的根本利益，多数用户都不是在急功近利。采用LIX锂基离子分子筛，可以提高氧气提取率，有效降低能耗和减少分子筛的使用量，设备数量和占地面积也在减少，可靠性和经济性较强。因此采用5A分子筛的设备市场占有率在逐渐缩小, 采用LIX锂基离子分子筛的设备在占据主导地位。
即便采用的都是LIX锂基离子分子筛，因为制造工艺和配方的不同，性能指标也有所不同。这在国内运行的设备中已经看到了使用效果上的差异，从用户反馈回来的信息中也得到了印证。即便是国外的专用LIX锂基离子分子筛也需要在性能质量和使用寿命上下些功夫，在笔者看到的国外设备中也同样存在分子筛寿命的问题。它昂贵的价格使得用户在添加或更换它的时候显得不十分情愿，用户希望他们使用的分子筛寿命不只是十年，应该更长。所以提高分子筛性能，提高使用经济性，这也是提高产量稳定性的一个关键环节。
阀门频繁切换，密封圈的使用寿命等对产量和纯度的稳定性也有影响。阀门长期使用，有时候也会产生执行机构开启不灵活，阀板关不严，或者密封圈达不到使用寿命要求，提前产生磨损而导致密封不严等现象，这些原因会引起泄露，导致保压保不住均压均不了，引起工况不稳，影响产量和纯度的稳定性。尽管大家在长期的运行实践中针对发生的问题做了不少的改进工作，但是不管是国产阀门或者中外合资的阀门都还是存在一个稳定性的问题,。即便是原装进口的阀门在这样频繁切换使用的环境里也有一个稳定性的问题。
装备设计水平，比如吸附塔的结构设计，也是影响分子筛的使用效果，影响产量和纯度的稳定性影响至关重要的一个因素。
吸附塔是变压吸附制氧机的关键部件，在吸附塔的结构设计中，保证高效和长寿是两大目标。［1］
国内的吸附塔结构普遍采用的是轴流式吸附床结构。这种吸附床的优点是结构简单，制造费用低，缺点是轴流式的进气排气对床层的冲击比较大，容器死隙比较大，设备体积大，对气流分布计算要求比较严。因为这种吸附塔直径超大，分布器孔板计算有难度，设计偏薄刚性就显得不够，设计偏厚又存在不经济，频繁的正压进气和负压抽气造成大直径孔板的震动，会引起丝网松动、破裂，导致分子筛粉化、流化。这种轴流式的进排气方式，分子筛老化和粉化过早出现的概率就相对也大一些。这种现象在国内和进口设备采用轴流式吸附床结构的装置中都曾经发生过。这就是吸附塔长寿的问题。
因为技术开发上的原因，也有设备造价的原因，国内的吸附塔结构恐怕还要有一段时间要沿用这种结构。在没有大的结构设计突破的情况下，合理优化，解决好气流分布和孔板强度问题，即便是先天不足也要设计得相对合理，这样长寿问题才会有保证。这一点内功，我们国内的同行是应当互相勉励来共同加强的！承认问题，正视存在不足，这样才会想办法去改进、去完善自己的设计。
进口设备在大中型装置中多采用径轴流（也称径向流）吸附床结构。这种轴向进气径向排气（也有径向进气轴向排气）的方式对分子筛造成的冲击较小，气流分布也更为均匀、平稳。这种结构的优点是吸附塔容积小，容器死隙小，压降也小，吸附和解吸期间气流分布良好，即便是频繁的进气和抽气，床层的稳定性比较好，丝网松动、破裂、分子筛粉化、流化的机会也相对少的多。这样的结构设计保证了分子筛与进塔空气的充分接触，分子筛床层薄，吸附充分，吸附效率高，分子筛用量也少，产量和纯度也比较稳定。这种吸附床在进口设备中可以经常看到，国内供货商暂时还没有开发出这种昂贵的设备。这就是高效问题。这也是国内设备与进口设备存在差距的一个重要所在。
2.装置运行的稳定性
装置运行的稳定性对供货商来说是靠程控系统和装备质量来保证的，对用户来说则是靠正确的操作和维护保养来决定的。
程控系统大家都采用PLC控制，国内这方面程控软硬件做的已经很成功，应用也非常普及广泛，这方面已经没有太多的问题。
装备质量的问题就比较复杂。
先谈进口设备。
进口设备多采用“一拖二”的机组配备，即一台电机同时带动鼓风机和真空泵运转，设备少但配置合理，主机的稳定性也好。鼓风机和真空泵体积也小，占地少，精度好，效率高，振动也小。而国内设备的配置却做不到这麽紧凑，不但实现不了“一拖二”，鼓风机和真空泵也做不到体积小和效率高，设备体积大，振动也大，故障率相对也高。这就是配置可靠性的问题。虽然变压吸附制氧因为设备少，故障相对较少，处理起来也比较容易，但与进口设备这种简捷高效的配置相比，设备增多故障点也随之增多，还是存在稳定性的差异。
“消噪”处理的好坏对稳定性也有影响。有效的“消噪”处理，可以减轻设备和管道的振动，有助于提高装置运行的稳定性。
大家知道，噪音是由振动产生的，特别是萝茨真空泵出口消音器“消噪”处理对变压吸附来说是一个不容忽视的难题，因为变压吸附的噪音很大一部分出自于它。萝茨真空泵抽真空时产生的气流流速达到30m/s，又是低频脉冲式的，对消音器筒壁的冲刷断续又剧烈，产生的振动噪音比较大，“消噪”的难度也比较大，这成了萝茨真空泵的一个“硬伤”。
难度大并不意味着没办法处理。笔者看到一家进口设备的湿式消音器“消噪”处理就比较好，振动比国产设备小的多，国产设备虽然也在不断尝试改进，但效果总谈不上理想。鄂州汴京空气分离设备有限公司刚刚在大冶市兴成矿业有限公司投产的变压吸附制氧机就在“消噪”处理上下了一些功夫，做了些新的尝试，不但厂房内做“消噪”处理，连真空泵湿式消音器也整体做“消噪”处理，并且在消音器出口又增加了消音器，实测厂房外噪声只有68～70dB，远远低于国家标准。“硬伤”在这里得到了有效的解决。
进口设备的整体“消噪”处理也做的精细，不但该做的处理一点都不省，连厂房横梁都做了消音处理，这一点值得我们国内供货商学习。
进口设备也有不完善的地方。我们谈的这家进口设备的鼓风机出口消音器，振动就比我们国产设备大得多。国产设备原来振动也大，但经过结构改动，振动大大减少。
再谈国内设备。
装置运行的稳定性还有一条重要的因素，就是吸附塔制造质量。吸附塔制造质量的好坏对装置运行的稳定性产生直接的影响。
因为国内的轴流式吸附塔超大的直径造成制造和运输的不便，我们的供货商出于制造成本上的考虑，多数采取就近寻找有资质的单位就近加工就近供货的方式，这样做的好处是节约了制造成本，但对制造质量的把关却造成了难度，对制造过程做不到有效监控。这种制造质量上存在的不确定性因素甚至给设备的稳定性带来致命的隐患！这一点相信我们的供货商应该深有感触，本来设计很好的一套装置因为外包吸附塔的制造质量把关不严造成分子筛粉化、流化，给设备运行造成严重的后果！这种严重的后果在早期进口设备中采用轴流式的吸附塔中也曾经发生过，造成的损失也很大。
因此我们的供货商要在控制好产品质量上下功夫，该把好关的一定要把好关，加强和提高装备制造水平，避免这种严重的后果的发生。
实际上产量和纯度的稳定性和装置运行的稳定性都是在谈一个问题，两者是结合在一起分不开的。国产设备虽然因为上面谈到的一些原因，在稳定性和结构设计上等等还需要做出努力，但是国产设备也有自身的优点：造价低廉；设计富裕量大。造价低廉可以惠顾用户，与进口设备竞争具备价格优势，但富裕量大却值得探讨。笔者认为这个大富裕量既是优点也是缺点，严格来说应该不是经济性的表现。
进口设备从设备选型到分子筛用量都是采用模块设计，产量优化设计到位，工艺计算准确，几乎没有富裕量。量化准确，实际上也是一种严谨、成熟和负责态度的表现。这一点值得我们国产设备借鉴。
随着使用年限的增加，因为流程组织和采用分子筛性能不同，用户操作使用和维修保养效果也不一样，个别机组存在这种产量和纯度降低的现象。但大多数装置运行状况都是良好的，这是主流！即使有产量和纯度降低的装置，降低的比例也是很小的，有限的降低对整套装置的使用不会造成太大的影响，也不会影响到用户的正常生产，用户不必为此担心。相对国产机有充足富裕量的优点来讲，又是对产量和纯度降低的一种补充。况且分子筛供货商对分子筛的质量和使用寿命也有承诺：正常使用，十年之内（也有供货商保证十五年的）因为分子筛质量原因引起产量和纯度降低，供货商免费更换或添加或活化再生分子筛。这样的服务承诺用户可以放心地使用变压吸附制氧机了。
随着原材料的不断上涨，钢材和有色金属材料价格也在不断上涨，设备制造成本也在不断的增加，深冷制氧机因为有众多的制造设备而引起成套设备价格的攀升，相对变压吸附较少设备价格的攀升来说压力和负担就重了些。但在装置大型化上和纯度上深冷制氧机的优势还是明显的，国内已经开始承做了83000 NM³/h的制氧机（开封空分集团已经与天津荣城钢铁有限公司签约），纯度99.6%。变压吸附因为受自身工艺条件的限制，目前还做不到这样大的装置，纯度也做不到这样高。从前虽有日本能够用变压吸附法生产99.5%的报道，但实际的工业化装置，笔者还未确知。西梅卡亚洲气体系统成都有限公司，仅在装置容量很小(<15NMa3／H)的情况下，采用意大利Ttalfilo技术生产99％氧纯度的分子筛制氧装置［2］。这也是迄今为止变压吸附制氧最高的纯度报道。
开发新工艺，设计新型吸附塔，研发更加高效的分子筛吸附剂，应该是变压吸附大型化发展的方向。
国内在运行的变压吸附制氧装置，流程设计上有采用传统的萝茨鼓风机和萝茨真空泵的，有采用离心鼓风机和水环真空泵的，基本上都是这两种。吸附剂也都采用目前专用的LIX锂基离子分子筛。专用切换蝶阀有采用中外合资产品的也有采用国产液压传动阀门的。采用萝茨风机流程的优点是能耗低了一些，缺点是噪音稍高，消噪的任务比较大；采用离心风机和水环真空泵流程的优点是噪音稍低些，缺点是能耗稍高些，密封水量用得多了一些，密封水的回收工作要多做一些。吸附塔的数量有采用两塔、三塔、四塔或五塔的（有开发单塔的报道，但没见到使用）。采用吸附塔的数量的多少实际上也是一个工艺装备水平衡量的标志，这方面我们国内的同行可是任重而道远！虽然供货商从各自工艺流程设计角度和装置运行稳定性、经济性角度考虑采用吸附塔数量的多少，但是进口的四千、五千变压吸附制氧装置，两塔流程就可以实现，甚至敢说七千也可以采用两塔流程！两塔流程工艺简单，操作方便，设备数量少，投资低，长期运行成本也低，当然是一种优化的流程方案，但要在大型装置上实现，理论上可行实际上难度很大。一是鼓风机和真空泵要实现大容量和高效率，二是吸附剂要性能优异，三是要有高性能的吸附塔。进口设备占据了后两条，如果实现了第一条，完全有可能能做得到！而我们国内同样的装置，在吸附剂性能差距不大的情况下，就是说第二条具备，但第一条和第三条现在还不具备，采用两塔流程就比较困难。进口装置实现大型化显得比较轻松。所以在装备水平和工艺水平上我们国产设备与进口设备的差距是明显的。提高装备水平，缩短工艺差距，任务比较艰巨！
我们常常可以看到这种现象，新上项目试车阶段和项目完成以后种种原因致使不能满负荷生产，频繁开停制氧机，造成无谓的水电浪费。笔者在内蒙一家刚刚投产的铜冶炼厂就看到这种现象，这家铜冶炼厂在招标制氧机（中型空分）时采用了传统的深冷机，当时对变压吸附制氧机也有推荐，但这家单位认为变压吸附制氧机不稳定，又没有技术含量，就没有采用。现在的生产状况是半月一开或者是一月一开，每次一停一开制氧机就要三天三夜（停机后加温吹除一天，开机后开车出氧两天），电费就是十万元，浪费实在惊人！实际上大家都知道铜的冶炼需要混氧鼓风，不需要纯度太高的氧气，采用变压吸附机是非常合适的，既方便操作，又减少了电费损失，既经济又实用。笔者认为，深冷机和变压吸附无所谓孰优孰略，只是适用场合不一样，用户应该从自身经济和实用角度考虑选择采用哪种制氧机。
笔者认为，在纯度要求不高的制氧机项目上，中小型制氧机（六千以下）采用变压吸附应该比较经济划算，在大型制氧机项目上（六千以上）采用深冷机可靠性比较强。
产生疑问与宣传资料少和变压吸附空分制氧技术成熟时间相对较短及国家对于此推广力度不够有关。通过这几年我们供货商不断的努力，也通过宣传力度的加强和越来越多的装置的投产，用户看到了变压吸附的存在，也逐渐接受了这种制氧机。人们对变压吸附的认识也越来越清晰、客观，定位也越来越准确，这种客观的认识和定位就是一种可喜的进步！
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参考文献
［1］刘应书 ，卜令兵 。 变压吸附空分制氧微型化技术研究。变压吸附分离技术交流会论文集
［2］潘广通 ， 来源（西梅卡公司） 。 变压吸附制氧装置部分概述
