氮氣發生器在絕緣串列線上的應用

肖 力

(耐克森凱訊(上海)電纜有限公司，上海200444)

0 引言

最初的連拉連退的拉絲設備，廣泛使用蒸汽做為退火保護，防止銅絲在退火過程中氧化，但在使用中會發現有很多問題，如需要純凈水，需要經常補充循環水，同時還必須有防止燙傷的措施，長時間使用還會發現設備的許多零部件都會被高溫蒸汽損壞，以致零件變形甚至腐蝕。

后來我們采用氮氣來代替高溫蒸汽進行保護，但每次都必須購買或租用鋼瓶，成本不僅僅包括氮氣本身，還包括鋼瓶的租金、運輸、處置及安全防護等費用，如果使用氮氣發生器，就可以有效地解決上述問題。

1 氮氣發生器的工作原理

氮氣發生器采用氮氣偏壓吸附(PSA)系統，從壓縮空氣中生產出持續的氮氣。制氮系統由兩組突出的碳分子篩(CMS)構成，經過預處理的壓縮空氣進入CMS容器底部，然后流過CMS，氧氣和其它微量氣體被其吸收，只讓氮氣通過。如圖1所示。

圖1 氮氣發生器工作原理圖

CMS不同于普通的活性碳，它有很多很狹窄的氣孔。這種氣孔可以使小分子如氧分子通過，而將進入CMS的大的氮氣分子隔離開來。大的氮分子從分子篩的旁路通過，再形成成品氮氣。

為了保證制氮的連續性，整個系統實際上有兩個CMS交替工作，我們形象地稱正在工作的一個叫“在線床”，經過一段時間的工作后，“在線床”差不多已經吸附飽和，系統自動將“在線床”轉換為再生模式，排掉其吸附的污染物。另一個CMS則轉成為“在線床”，交替循環進行分離。兩組CMS在分離和再生模式之間的輪轉確保了能持續不斷地產生氮氣。

整個氮氣發生裝置主要由1套凈化系統、1臺氮氣發生器組成，其系統流程圖見圖2。

圖2 氮氣發生系統工藝流程圖

2 氮氣發生器的優點

(1)采用目前國際最成熟可靠的PSA系統，結合其獨特的工藝流程、優化的管路設計以及先進的填充技術，有效防止CMS的剝落失效，能杜絕吸附塔內隧道效應的產生。從而使CMS的性能大大提高。節省能耗的同時，可一步產出純度為97% ～99.99%的氮氣。如有特殊要求，可以使純度達到99.999%(無需提純)。

(2)配備了高精密度的過濾器，使氮氣的微塵粒小于0.01 μm，含油量小于0.001 ppm。如額外配備吸附干燥機、無菌過濾器裝置等，更可滿足例如液晶顯示器、石英振蕩器、食品、醫藥等特殊行業的高要求。

(3)低廉的運行成本。氮氣發生器以潔凈的壓縮空氣為原料，無需消耗任何化學品，就能產出符合要求的各種純度的氮氣，總體成本約占購買液氮或氣氮的10% ～35%，可節省大量的費用。

(4)先進的無人化操作。氮氣純度分析控制儀對氮氣的純度實時監控，對純度不合要求的氮氣不予排放，從而杜絕因氣體不純而影響產品質量。通過可靠的PLC控制，可實現24 h自動化無人操作。

3 與傳統氮氣偏壓吸附(PSA)制氮設備相比具有的特點

(1)工藝。解決了CMS的粉化問題。傳統的PSA制氮系統，其工藝管路中有8個閥門，分別位于吸附塔的上下方，每個切換周期中的不同時段，氣流分別自下而上和自上而下雙向流過吸附塔，這樣造成分子篩受沖擊而容易粉化;而氮氣發生系統工藝管路上只有4個閥門且都在吸附塔下方，每個切換周期過程中氣流只是自下而上單方向流動，分子篩受到的沖擊較小，因而從根本上解決了PSA制氮機的分子篩粉化問題。

(2)設計。全自動控制。當用氣量小于設備產氣量，氮氣壓力上升到預設值時，設備即進入經濟運行模式:機器暫停運轉，也不消耗壓縮空氣;當隨著用氣量的增加而導致氮氣壓力下降到設定啟動值時，設備即可自動啟動并正常運行。

(3)選材。整機內的管路均選用不銹鋼材質。

(4)結構。一體化的機箱設計，內部氣路、電路布局合理，方便維護;整體美觀、整潔。

4 氮氣發生器在應用時應注意的問題

目前我公司在5條絕緣串列線上配備了氮氣發生系統，從2006年就已開始使用，至今運行穩定，有力地保證了產品的質量。結合本公司的經驗，總結出以下在使用中應該注意的幾點:

(1)選型，也就是氮氣發生系統的工作能力應與串列線的需求量相匹配。正常情況下，串列線拉絲機所需要的氮氣量約為4 m3，換算成壓力，只需要0.5 kg。氮氣機所需的壓縮空氣的壓力大約在5～6 kg。

(2)對于絕緣串列線來說，銅絲所需要的保護部位在退火部分，所以在設備的退火冷卻部位需安裝氮氣出口，出口大小對于氮氣的流量、壓力非常關鍵。

(3)必須定期對氧的含量進行檢測，以防止氧氣進入退火冷卻部位，正常情況下，每兩年對碳分子篩進行更換，這樣可以保證氮氣的純度。

(4)氮氣的過濾系統需要定期排放雜質，一周一次即可。氮氣發生系統內部的閥門、轉換器、排污閥都需定期清洗。

(5)要定期檢查氮氣發生系統內部的電磁閥及其他閥門，因為氮氣機頻繁啟動和關閉都會影響閥門的壽命，而一旦閥門損壞，就不能產出合格的氮氣，對產品質量也會有損害。

(6)在使用氮氣發生器的同時，可以配備使用壓力報警器，當壓力小于設定值時，系統會發出報警聲音，報警裝置是通過PLC來控制(見圖3)。

圖3 PLC控制壓力報警裝置

5 結束語

氮氣發生系統的氣源是非常普通的壓縮空氣，幾乎每個制造企業都會有空壓機組，當空壓機工作時就可利用氮氣發生系統生產不同純度的氮氣。

氮氣在電線電纜行業中的使用已越來越普遍，我公司在生產物理發泡電纜、半柔同軸電纜(Quickform)時都已使用氮氣，氮氣不光可以起到防止銅絲氧化的作用，而且也是一種比較穩定可靠的加熱媒體，氮氣的加熱溫度可以達到500°C以上。

原來我公司使用瓶裝氮氣時，一年所需費用在15萬元左右。自從使用氮氣發生器后每年可節約5萬元以上，而且還降低了人力成本。更重要的是，我們可得到質量穩定、獲取便捷的氮氣，沒有必要再為更換氮氣瓶而耗時耗力，大大提高了生產效率。

［1］吳彥敏.氣體純體［M］.北京:國防工業出版社，1983.