比較氧氣供氧方案

   工藝氧氣可以通過幾種方式滿足，購買氧氣或氧氣機現(xiàn)場供氣。對于大氣用戶，如果不是氧氣機現(xiàn)場供氣，則使用液氧儲罐通過汽化器供氣。本文比較了本項目的三種氧氣供應方案，供用戶參考。

一、深冷空氣分離法

   深冷法是先壓縮空氣，然后膨脹冷卻，冷卻后液化。然后，氧氮的沸點溫度不同(大氣壓下氧的沸點為-182.98℃，氮的沸點為-195.8℃），在某些設備-蒸餾塔中，通過高溫蒸汽與低溫液體的相互接觸，蒸汽中有更多的氧氣凝結(jié)，液體中有更多的氮氣蒸發(fā)。通過多次接觸，空氣分離為氧和氮。

冷空分設備工藝流程簡圖

   空氣通過過濾器吸入壓縮機壓縮，進入回熱器，冷卻較終冷卻器和預冷卻裝置，然后進入純化器去除水、二氧化碳、乙炔等碳氫化合物。

   凈化后的空氣分為兩部分。一股氣體進入分餾塔的主熱交換器，回流氣體冷卻至液化溫度，然后進入下塔。初步蒸餾后，下塔頂部獲得液氮，底部獲得富氧液空。另一股氣體由與透平膨脹機同軸的增壓器增壓。主熱交換器冷卻后，膨脹機直接作為拉赫曼進氣進入塔用塔的蒸餾能力。

   下塔液空和液氮通過冷卻器冷卻后節(jié)流進入上塔，作為上塔的回流液參與蒸餾。結(jié)果，上塔頂部獲得氮氣，上塔底部獲得氧氣。產(chǎn)品氧和氮通過冷卻器和主熱交換器回收冷卻量，然后從冷卻器中取出。

主要設備：

進口空氣過濾器

離心式空氣壓縮機組

預冷機組

純化器組

分餾塔(冷箱)

膨脹機

儀控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)

一般技術參數(shù):(全低壓工藝)

氧氣純度：

≧99.6%

產(chǎn)品塔壓：

0.029MPa

操作壓力：

0.55MPa

啟動時間：

36h～48h

運轉(zhuǎn)周期：

12～16Months

主要電耗設備：

空壓機：

電機功率

預冷機組：

電機功率

純化器：

再生電加熱器功率

二、變壓吸附制氧技術

   性能好的吸附劑是實現(xiàn)的PSA分離的前提和條件。吸附劑是一種具有多孔結(jié)構(gòu)的固體顆粒，因此高孔隙率和高比表面積是其重要特征。此外，吸附劑還具有選擇性的吸附性能，即對混合氣體的組分具有不同的吸附容量。

   在物理吸附過程中，改變壓力或溫度可以改變吸附的動態(tài)吸附容量。對于等溫條件下的氣體混合物，由于分壓升高，吸附劑對吸附成分的吸附量增加，分壓降低。這樣，吸附劑在高壓下吸附，達到吸附平衡，然后降低壓力，釋放吸附的氣體成分，吸附劑再生。這就是變壓吸附過程。

   變壓吸附制氧是利用氧和氮分子的直徑差異，通過分子篩（通常是泡沫沸石）將空氣分離出氧和氮來獲取氧。這種吸附方法是一種平衡吸附，也有不同速度的速度吸附。該吸附制氧方法必須有多塔切換工藝（壓力升高時吸附，壓力降低時解吸），可實現(xiàn)自動控制。

VPSA該工藝是國內(nèi)外常用的先進制氧工藝。原料空氣通過入口過濾和消聲器由羅茨鼓風機送入A塔、空氣通過分字篩吸附床層，氮氣被吸附，氧氣產(chǎn)品進入緩沖罐，然后由壓縮機壓到用戶所需的壓力。A塔工作，此時B塔進行再生，由真空泵抽真空解吸。A塔工作結(jié)束，A、B兩塔均壓，然后進入B塔工作，A塔的再生階段。兩塔切換，實現(xiàn)連續(xù)運行。

主要設備：(VPSA流程)

空氣進口過濾器和消聲器

羅茨鼓風機組

吸附塔

真空泵機組

儀控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)

一般技術參數(shù)：

氧氣純度：

93%

產(chǎn)品塔壓：

0.01MPa

操作壓力：

0.02MPa

啟動時間：

5min

主要電耗設備：

鼓風機：

電機功率

真空泵：

電機功率

三、由液氧儲罐供氣

   用戶用氧量大，用氣瓶或中壓氣罐不可行。低溫液氧產(chǎn)品必須用低溫儲罐和低溫液體儲罐車儲存和運輸。目前的儲罐一般是雙層真空粉末保溫低溫液體儲罐。

   低溫儲罐設置一般需要附加穩(wěn)定的液氧供應，以解決氣源問題，還需要增加壓力調(diào)節(jié)閥組和汽化器，以實現(xiàn)工業(yè)供氣。

主要設備：

真空絕熱低溫儲罐

調(diào)壓閥組

汽化器

低溫高壓泵(高壓用戶)

一般技術參數(shù)：

壓力等級：

0.2MPa、0.8MPa、1.6MPa

設計溫度：

-183℃

日蒸發(fā)率：

0.84～0.19%/d（1200L～100000L）

氣液換算：

1m3液氧﹦800氣氧(標態(tài))

四、VPSA比較深冷法

   深冷空氣分離制氧已有近百年的歷史，工藝流程不斷改進。現(xiàn)代生產(chǎn)裝置采用分子篩凈化、高效平整、填料塔、內(nèi)部增壓等工藝和工藝，降低了能耗和基礎設施成本。PSA制氧裝置是一種在20多年內(nèi)被市場廣泛接受的技術﹐VPSA技術開發(fā)時間較短。

VPSA比較深冷法各有特點：

ａ、流程比較

   VPSA制氧裝置工藝簡單，設備數(shù)量少。主要設備有鼓風機、吸附塔、儲氣罐、真空泵和部分閥門，而深冷制氧機工藝復雜。主要設備包括空氣壓縮機、過濾器、膨脹機、蒸餾塔、凈化裝置、一組換熱器等。

ｂ、基建費用

   VPSA設備數(shù)量少，基礎設施成本低，對廠房要求低，基礎設施成本僅占設備總投資的5%～10%。深冷制氧機設備復雜，安裝要求高，周期長，基礎設施投資高。其冷卻箱和冷卻材料（珠光砂）需要大量資金，基礎設施成本占設備總投資的20%～40%。

ｃ、運行控制

   VPSA該裝置可自動無負荷運行，停車后，吸附塔內(nèi)氣氛穩(wěn)定，重新開車后可生產(chǎn)多種產(chǎn)品。簡單的啟動和停車可以避免電力高峰運行，降低生產(chǎn)成本。深冷分離裝置的操作更為復雜，而不是簡單的啟動和停車，重新駕駛需要36～48小時。VPSA該裝置可實現(xiàn)無人操作和自動操作，而深冷設備的操作需要隨時安排專人輪班調(diào)整。

ｄ、維修保養(yǎng)

   VPSA該裝置本身非常簡單，操作機器數(shù)量少，常溫常壓下操作，維護工作量少，成本低。設備的年駕駛率約為98%，其中50%是由于冷卻水供應和電力故障等故障而停止的。設備的正常維護和停車時間約為每年5天，用于風扇真空泵注油。動態(tài)設備的定期維護和操作人員負責空氣過濾器中無紡布的定期更換（周期為1月至2月）。分子篩的使用壽命超過10年。切換閥座一般每兩三年更換一次，真空泵軸承和油封在正常使用條件下的使用壽命為3至5年。

   深冷裝置在低溫下運行，機器運行復雜，維護成本和維護時間均比VPSA有很多設備。此外，深冷空氣有一個運行周期。小型設備運行幾個月后需要增加溫度。設備和管道用蒸汽清洗解凍。加熱解凍時間一般為36小時，停車時間較長。

ｅ、設備能耗

   氧氣制造商的產(chǎn)品是氧氣，消耗電能。為了衡量氧氣制造商的經(jīng)濟性，臺Nm3氧氣需要多少度來表示制氧機的能耗。

   VPSA工藝氧能耗已達到相當水平，設計能耗為0.43KWH/Nm從而降低了設備的運行成本。

深冷空分能耗由其工藝決定，幾種主要工藝能耗如下表所示：

流程壓力

流程名稱

壓力范圍MPa

能耗Kwh/Nm3O2

高壓

林德型

6-10

1.5-1.7

中壓

克勞特型

1.2-2.5

0.9-1.3

高低壓

林德－弗蘭型

15;0.6

0.6-0.9

低壓

卡皮查型

0.456

0.45-0.7

   決定其能耗的一個重要因素是過程壓力，即其能耗與過程壓力的對數(shù)成正比。目前，大型空分裝置通常采用全低壓工藝，即帶透平膨脹機的卡皮檢查循環(huán)的空分工藝，而小型空分設備采用帶膨脹的中壓工藝。同時，對于深冷制氧機，產(chǎn)量越小，提取率越低，能耗越高。

   小型氧氮設備性能參數(shù)

氧氣產(chǎn)量

Nm3/Hr

氧氣純度

%

氧、氮

產(chǎn)量比

氮氣純度

%

流程型式

單位氧電耗１

KWh/m3

運轉(zhuǎn)周期２

月

20

≧99.2

≧2

≧99.5

G

1.85

3

50

100

150

Z

1.36

1.31

1.27

6

200

300

400

500

Z

(D)

1.22

1.15

1.08

1.00

9

600

800

1～2

D

0.70

0.65

12

注：1.單位電耗不包括壓氧電耗值，單位電耗基于分餾塔空氣量的設計值

   2.運轉(zhuǎn)周期指分餾塔兩次大加溫的時間

ｆ、流量調(diào)節(jié)

   氧氣產(chǎn)量一般根據(jù)用戶工藝氧氣的較大要求進行設計。如果用戶不需要滿負荷駕駛，則需要單獨儲存甚至清空多余的氧氣。流量調(diào)節(jié)是評估氧氣發(fā)動機經(jīng)濟性的重要指標。

   在設計深冷空分時，需要考慮幾種生產(chǎn)方案。為了達到所需的純度和產(chǎn)量，需要仔細調(diào)整，以達到一定的材料平衡和冷卻平衡。其流量調(diào)節(jié)是一項操作水平要求較高的工作，不僅需要對設備有詳細的了解，而且需要非常熟悉工藝。

   VPSA制氧機，可以采用變頻技術，不僅可以降低能耗，還可以方便調(diào)節(jié)流量。現(xiàn)在設計的VPSA20%的制氧機～無級調(diào)節(jié)流量在100%范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)方便，可實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)(或遠程控制)。

ｇ、產(chǎn)品用途

   VPSA與深冷法相比，其產(chǎn)品氣體單一，氧氣純度低。深冷法可同時生產(chǎn)高純度氧氮產(chǎn)品，可實現(xiàn)稀有氣體的全提取。所需氣量越大，經(jīng)濟性越好，深冷法產(chǎn)品易于經(jīng)濟儲存和運輸。但兩者的選擇完全取決于工藝要求和投資策略。

   目前國內(nèi)深冷現(xiàn)狀是小機組能耗高，大機組閑置或空置，設備綜合利用率低。大多數(shù)空分設備都是配套設備，主導產(chǎn)品大多是氣體。如果只需要氧氣，氮氣就是多余的產(chǎn)品。國內(nèi)的做法大多是空的，浪費嚴重。

ｈ、深冷優(yōu)勢

   深冷的較大優(yōu)勢是其產(chǎn)量和純度。目前，上海寶鋼5的較大產(chǎn)量是中國＃氧氣產(chǎn)量7.2萬Nm3/Hr。目前，95年投產(chǎn)的國內(nèi)鋼廠1萬臺變壓吸附制氧機設備不多。Nm3/Hr，當時，它已經(jīng)是中國較大的設備了。目前，大多數(shù)國內(nèi)變壓吸附制氧機產(chǎn)量較小，一些較大的設備由于各種原因無法滿足要求或純度不足，這與一些國內(nèi)廠家配套設備選擇不當有關。

   深冷制氧機的純度一般可達99.6%能滿足大部分工業(yè)生產(chǎn)需求。VPSA制氧機的純度一般為93%，其中4%.5%氬，氧分子篩不能分離，限制了其應用范圍。目前開發(fā)了高純度變壓吸附制氧機，純度可達98%以上，但目前成本較高，僅適用于小型設備。

   從兩種制氧方法可以看出，深冷和VPSA氧氣有自己的特點，不能選擇簡單的好壞，他們在各自的應用范圍內(nèi)都有自己獨特的優(yōu)勢。就經(jīng)濟而言，如果純度沒有特殊要求，產(chǎn)量小于5萬Nm3/Hr宜采用VPSA制氧，產(chǎn)量5000～8000 Nm3/Hr兩者各有優(yōu)勢，如產(chǎn)量超過8000 Nm3/Hr應采用深冷制氧。

五、VPSA比較氧氣和液氧儲罐的成本

(以用氧200Nm3/Hr為例)

液氧儲罐氧氣成本計算：

Ａ

液氧單價

1200

RMB/m3

可變成本：VC=A/800

1.5

RMB/Nm3O2

Ｂ

總投資

儲槽投資（20000L，0.8MPa）

300,000

RMB

汽化器(200m3/h)

30,000

RMB

總計

330,000

RMB

C

氧氣年供：

=200Nm3/Hx24Hx350天

1,680,000

Nm3

D

設備10年后折舊=Bx10%

33,000

RMB

E

設備折舊(年)=(B-D)/10

29,700

RMB

F

年息=Bx8%x1/2

13,200

RMB

G

年維修費=Bx0.025

8,250

RMB

固定成本：FC=(E F G)/C

0.0304

RMB/Nm3O2

氧氣成本=VC FC

1.5304

RMB/Nm3O2

VPSA氧氣成本計算：

A

單位產(chǎn)氣耗電

0.45

KWH/Nm3O2

B

輔助設備能耗=Ax0.(含水冷)

0.045

KWH/Nm3O2

C

電價

0.5

RMB/KWH

可變成本：VC=Cx(A B)

0.2475

RMB/Nm3O2

D

總投資

設備投資

1,940,000

RMB

共享工程及安裝

305,000

RMB

總計

2,245,000

RMB

E

氧氣年產(chǎn)量：

=200Nm3/Hrx24Hx350天

1,680,000

Nm3

F

設備10年后折舊=Dx10%

224,500

RMB

G

設備折舊(年)=(D-F)/10

202,050

RMB

H

年息=Dx8%x1/2

89,800

RMB

I

年維修費=Dx0.025

56,125

RMB

固定成本：FC=(G H I)/E

0.2071

RMB/Nm3O2

氧氣成本=VC FC

0.4546

RMB/Nm3O2

預期利潤率計算：

J

儲罐供氣價格

1.5304

RMB/Nm3O2

K

每消耗單位氧節(jié)省費用﹦

氧氣市場價格－氧氣生產(chǎn)成本

1.0758

RMB/Nm3O2

L

每年節(jié)省成本=Kx年消耗量

1,807,344

RMB

M

投資回收期=D/(L G)

1.12

年

   作為輔助設備，通過計算可以看出 VPSA只要工藝能滿足長期需氧用戶的要求，制氧機投資少，見效快，投資回收期短。VPSA制氧機是一種非常經(jīng)濟的選擇。

六、結(jié)語

   VPSA氧氣機生產(chǎn)的氧氣純度大于90%。同時，由于其方便的開停和流量調(diào)節(jié)功能，更適合水處理、紙漿漂白和富氧助燃域?并且，設計可靠的VPSA制氧機能長期穩(wěn)定的工作，開車率高，維修量少，是水處理焚燒等用氧源的理想選擇，亦都采用同類流程?

隨著我國市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展和完善，工業(yè)企業(yè)作為自負盈虧、獨立核算的商品生產(chǎn)者和經(jīng)營者，不盡需參與市場競爭，而且還要不斷地創(chuàng)造價值和使用價值。成本費用是一項綜合反應企業(yè)管理質(zhì)量的重要指標，也是企業(yè)進行決策的重要依據(jù)。變壓吸附制氧機工藝日趨成熟，能耗也達到了相當水平，其在中小型現(xiàn)場供氣領域已逐步取代了深冷裝置，和液氧貯槽供氣相比優(yōu)勢更是明顯。