變壓吸附制氮尾氣回收用于石灰石富氧助燃技術研究

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(唐山三友化工股份有限公司，河北 唐山 063305)

變壓吸附(PSA)制氮是利用吸附劑——碳分子篩在不同壓力下對氧、氮的吸附能力大小的不同，加壓吸附、減壓解吸，從而達到分離空氣中氧、氮的目的，得到高純度的氮氣[1]。該工藝在制得高純度氮氣的同時也可得到富氧空氣，目前多采用放空的方式將富氧空氣當做尾氣排放，然而富氧尾氣是無塵、無油、干燥的潔凈氣體，氧氣濃度在30.5%左右。該氣體回收后可代替液氧用于我公司石灰石煅燒富氧助燃，不僅可以使廢棄資源再利用，還可以降低純堿生產成本。

1 富氧尾氣回收技術

碳分子篩對氧氣和氮氣的分離原理是基于這兩種氣體的動力學直徑的微小差別，氧氣的動力學直徑小于氮氣的動力學直徑，在碳分子篩的微孔中有較快的擴散速率，這種氣體擴散速率的差別可使氧氣的吸附量在短時間內大大超過氮氣的吸附量[2]，從而實現氮、氧分離。因此PSA制氮工藝富氧尾氣的放空為非連續周期性短時過程(放空周期約為1 min，尾氣排放時長僅有6～8 s)，這為富氧尾氣的收集帶來了困難，而且收集過程中不能影響正常的制氮過程，要求放空末期放空口為常壓或微負壓狀態，以便下一周期尾氣的順利排放。

變壓吸附制氮機富氧尾氣排放初期壓力較高，壓力可達0.4 MPa，隨著富氧尾氣排放壓力逐漸降低，后期低壓尾氣壓力為接近常壓，故將富氧尾氣收集分為高壓階段富氧尾氣收集和低壓階段富氧尾氣收集。

1.1 初級收集流程

最初設計的收集流程，高壓階段的富氧尾氣通過直排管線直接進入緩沖罐，為了防止放空后期緩沖罐內氣體倒吸進入引風機，在直排管線上設置了一個單向閥。低壓尾氣收集階段為不影響制氮工藝保證放空口處于常壓或微負壓狀態，利用回收風機抽吸低壓富氧尾氣，并將尾氣送入集氣罐，集氣罐內收集的富氧尾氣再通過送氣風機送至緩沖罐內。初級收集流程如圖1所示。為避免富氧尾氣收集過程出現異常情況影響正常的制氮工藝，在制氮機尾氣放空口設置壓力變送器和自動排空閥門。自動排空閥門和壓力變送器實現關聯，當放空口壓力高于設定值時，自動排空閥門自動開啟放空，確保制氮機組正常運行。

初級收集流程投入運行后，高壓階段尾氣收集效果良好，收集速率可達5 000～6 000 m3/h，然而低壓階段回收風機運行不穩定，經常自動跳車，導致該階段尾氣通過排空閥門放空，收集效果不理想。

圖1 富氧尾氣初級收集流程圖

1.2 自力式調節閥收集流程

經觀察分析發現，導致初級收集流程中低壓階段尾氣收集不理想的主要原因是高壓階段的高壓氣體對回收風機沖擊力大，推動葉片轉動，造成風機超流跳車。為解決該問題，在回收風機進氣管路上設置自力式壓力調節閥，用于控制、穩定回收風機的進氣壓力。自力式調節閥工作原理如圖2所示，主要是通過閥后氣體自身的壓力控制閥門的開度，當閥后壓力逐漸升高，閥門逐漸關閉。直至閥后壓力穩定在要求的給定值，從而實現自動調節。自力式調節閥收集流程如圖3所示。

安裝自力式調節閥后，尾氣收集系統運行穩定性提高了很多，收集效率有所提高，收集速率達到9 000 m3/h左右。然而由于尾氣放空周期短，自力式調節閥動作滯后，偶爾還會出現回收風機跳車現象。

圖2 自力式調節閥的工作原理

圖3 富氧尾氣自力式調節閥收集流程圖

1.3 自動調節收集流程

根據尾氣收集過程對回收風機以及回收風機對環境的要求，高壓收集階段要減輕高壓氣流對回收風機的影響，保證風機的穩定運行；低壓收集階段要求風機能高效運行，實現放空口處常壓或微負壓狀態。為滿足以上要求，借鑒自力式調節閥的作用原理，我們通過自主研發設計了一套自動調節裝置。自動調節裝置結構如圖4所示，工作原理為高壓階段高壓氣體作用在閥門片上，致使閥門關閉，阻止大量氣體進入回收風機，避免了對回收風機的沖擊；在低壓階段氣流作用在閥門片上的作用力小，此時閥門打開，氣體可以通過進入回收風機。自動調節裝置有效改善了自力式調節閥收集流程中回收風機跳車的問題，從而使富氧尾氣收集過程平穩、連續，收集流程如圖5所示。

圖4 自動調節裝置結構圖

圖5 富氧尾氣自動調節收集流程

2 收集效果分析

富氧尾氣收集過程加入自動調節裝置后能保證富氧尾氣收集過程平穩、連續，而且能使放空口在收集末期處于常壓或微負壓的狀態，不影響制氮過程的正常進行。不僅如此，自動調節流程收集的富氧尾氣含氧量高，能保證石灰窯進窯空氣含氧量達到21.65%，實現液氧零消耗。

3 效益分析

該技術的成功研發是對我公司氨堿法純堿生產混料豎式石灰窯富氧助燃技術的進一步升級，形成了一種制氮機尾氣收集、配送的工藝技術及控制方法，在國內純堿生產企業中首次將制氮機副產尾氣回收應用于純堿生產，并完全代替液氧用于石灰石煅燒富氧助燃，同時還提高了石灰窯單窯能力及石灰石的活性，石焦消耗有所降低，促進了純堿產業的技術進步，最大回收制氮乏氣能力達到10 500 m3/h左右。正常生產時制氮機組并非全部開啟，每小時可收集富氧尾氣2 500～3 500 m3，能夠保證石灰窯進窯空氣氧氣濃度在21.4%到21.9%之間，年可節約液氧約9 600 t，經濟效益為642萬元/年。

4 結 語

利用變壓吸附制氮工藝不僅可以得到高純度的氮氣，該工藝放空的尾氣中含有高濃度的氧氣。本文通過研究幾種不同的富氧尾氣收集流程發現，自動調節收集流程能夠很好地解決其他流程中回收風機跳車的問題，而且該流程運行連續、平穩，對正常的制氮工藝不產生影響。本文研究了富氧尾氣回收利用新工藝、新技術，合理回收了工業廢棄物，實現了氨堿法純堿生產中石灰石煅燒富氧助燃過程液氧的零消耗，實現了變廢為寶，具有很好的經濟效益、社會效益和生態效益。

[1] 顧飛龍，張力鈞，張麗華，等. 變壓吸附制氮裝置用于工業生產中的惰性保護[J]. 化工機械,2002,29(2):87-88

[2] 顧飛龍，張力鈞，陳棟，等. 變壓吸附制氮技術及其應用[J]. 化工進展,2007,26(9):1356-1358