變壓吸附制氧系統節能與環保的應用研究

周軍

摘 要：變壓吸附式空氣分離制氧技術（簡稱：PSA制氧）是當今小產量氧氣制取的主要方法。但是它卻把攜帶有能量、冷量、并已凈化的富氮氣體作為廢氣排到大氣中，既浪費了資源，又打破空氣中成分平衡。針對這一種弊病我們研制出了組合式空分制氧-制氮系統。文章就這一系統的原理、效果及其社會效應進行分析與闡述。

關鍵詞：PSA制氧氮；分子篩；節能；環保

Abstract： Pressure swing adsorption air separation Oxygen production technology （referred to as： PSA oxygen） is the main method of production of low-yield oxygen. It is to carry the energy， cooling， and purification of nitrogen-rich gas as exhaust to the atmosphere， both a waste of resources， but also break the balance of the composition of the air. In view of this kind of malpractice， we have developed a combined space-divided oxygen-nitrogen system. This paper analyzes and expounds the principle， effect and social effect of this system.

Keywords： Oxygen and nitrogen；Molecular sieves；Energy saving；Environmental protection

1 概述

氧氣是醫院正常運轉的一個基本要素，在國民經濟的發展中也發揮著重要作用，空分制氧是利用不同壓力下分子篩對氧、氮分子吸附能力的差異，將氧氣從空氣中分離出來，屬于物理式空分過程，也稱 （pressure swing adsorption 縮寫PSA）變壓吸附制氧，是迄今為止世界上最先進而又簡便的制氧方法，又因為是以取之不盡的空氣為原料，所以在我國二甲以上的醫院已普遍應用。

然而這種工藝只能分離出空氣中7.6%的氧氣，剩下約92%空氣經過壓縮、冷干、凈化后的以氮、氧為主的混合氣體則被作為“廢氣”又不間斷地排回到了大氣中，不僅導致了資源的浪費，而且這些廢氣中氮氣的占比高達85.7%，導致了醫院或氣體分離廠周圍空氣組份的局部失衡、氮氣的嚴重超標等環境問題。正常空氣和廢氣成分的對比，見圖1、圖2。針對這些弊病，我們研制了變壓吸附空氣分離制氧——制氮組合系統（簡稱：組合式空分制氧-制氮系統），如圖5所示。

2 傳統的PSA制氧系統的弊病

2.1 能源與資源的浪費

傳統的PSA制氧、制氮（簡稱：PSA制氮）系統見圖3、圖4，根據PSA制氧或制氮的原理，要想從空氣中分離出高純度潔凈的氧氣或氮氣，必須通過圖中所示的空壓機到制氧分子篩或制氮分子篩之間所示的預處理設備，對空氣進行壓縮、冷干、粗、精、高三級過濾等預處理，方能進入制氧或制氮分子篩進行空氣分離，所以表1中所示的系統元件是必不可少的。而且傳統的空分制氧系統耗費這么大的運行成本，僅能分離出空氣中的7.6%氧氣，而其余92.4%的混合氣體則作為廢氣又排入到了的大氣中，既浪費了資源又消耗了能源。

2.2 對局部空氣環境的污染

由圖1和圖2對比可知，經過變壓吸附制氧之后排出的廢氣組份中，氮氣占比升至了84.4%，含有CO2、CO、硫氧化物、氮氧化物等有害氣體、稀有氣體及水蒸氣等其它組分也升至1.08%，而氧氣的占比則下降至14.5%。由于醫院的制氧系統都是24小時不間斷運行的，所以組份比失衡的“廢氣”源源不斷地排放空氣中，不僅加速了空氣中污染物的形成，同時由于上述氮、氧比例失衡，造成局部氮氣超標而形成的富氮污染，會因局部缺氧而以導致人們呼吸不暢、胸悶、惡心，甚至窒息、休克等，這對于醫院這個特殊的環境或者氣體生產企業都是絕對禁止的。

3 PSA組合式醫用制氧-制氮系統的性價比分析

本項目研究的重點是將在PSA制氧過程中所產生的廢氣富集、儲存，僅僅增壓后便可經PSA制氮系統分離出成品氮氣，而制氮系統排出的廢氣經吸附處理后進行無害化排放，排放物成分見表3。對比圖3、圖4與圖5及表1、表2可知，PSA組合式醫用制氧-制氮系統省去了制氮裝置前處理設備，而且還回收、利用了廢氣，既保護了環境，又節約了設備、資源的投入成本，實現了一機兩用、一套動力源制出兩種醫用氣體的創新，而氧氣和氮氣又是醫院常用的兩種醫用氣體，故PSA組合式醫用制氧-制氮系統的研發試制成功，不僅解決了這一局部空氣環污染的問題，又實現了資源和能源利用的最大化。對于必須常年24小時不間斷運行的設備，運行成本的降低，至關重要，故項創新具有廣泛的示范效應和推廣借鑒意義。

對比表1、表2的相應數據可知，圖5所示的PSA組合式制氧-制氮系統中只需新增一只廢氣儲罐和一臺增壓機，即可減少一套表1中第1～5項的前處理設備，而且由于“廢氣”為富氮氣體，故一臺5.5KW的增壓機，即可通過該組合式制氧-制氮系統，分離出高純度的醫用氮氣，與傳統的PSA制氧、制氮系統相比，節約前處理設備購置費40.66%，并降低運行能耗37.43%。

4 市場意義與推廣價值

隨著我國經濟的持續中高速發展，作為國民經濟基礎的 “工業血液——醫用和工業氣體行業”也隨之蓬勃崛起，為國民經濟的高速運行提供了重要保證。醫用和工業氣體的應用已滲透到醫療、保健、冶金、石化、機械、國防、建材、電子、農業、食品等各個基礎行業。據估計2016年的工業氣體總產值1200億，而且需求量以每年10%的速度在遞增，這其中約50%都是如圖3、圖4所示的空分制氣。龐大的市場需求，為氣體行業帶來了新的發展空間，可如果能使如上所述的PSA組合式空分制氧-制氮系統在氣體行業得到推廣應用，按照如上所述每套組合式空分制氧-制氮系統的投入能比兩套獨立的制氧、制氮系統節約40.66%的設備投入和37.43%的運行成本的話，折回到1200億產值的成本中，這是一個多么龐大的數字！在每年10%的速度遞增中，設備的投入的節省和能耗的降低又將是一個多么可觀的數字！故該項目具有廣泛的市場意義和推廣價值。

5 結束語

綜上所述，PSA組合式空分制氧-制氮系統，實現了能源利用的最大化與環境污染的最小化。

由于一機（空壓機、冷干機）兩用，即：一套動力源制出兩種氣體，故單位體積的氣體能耗下降至0.091KW/m3以上，遠低于國家標準≤0.4KW.H/m3的規定，實現了資源和能源利用的最大化，對于常年24小時不間斷運行的設備，節約的資源十分巨大。

將空分制氧過程中排出的廢氣，增壓后制出純度高達99.9%的氮氣，而將殘余廢氣凈化處理后進行無害化排放，避免了制氧廢氣對環境的污染，實現了廢氣排放的最小化，最大限度的保護了環境。

節能與環保是我國乃至世界一個永恒的主題，而PSA組合式空分制氧-制氮系統同時實現了這兩個目標，故該項目的推廣應用，有著廣泛的市場基礎和重大的意義。

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