比較變壓吸附制氧法與深冷法

林子建

摘要：近幾年來，伴隨著我國社會經濟的飛速發展，工業對氧需求量日益劇增。如：煤化工、煤化工相關產業等行業均需要大量氧氣。當前，工業制氧方法主要有變壓吸附法及深冷法，該兩種方法各有千秋，難以選擇。本文則對變壓吸附法、深冷法進行綜合比較。

關鍵詞：煤化工；變壓吸附制氧法；深冷法；經濟性

我國自改革開放以來，工業作業支撐我國支柱產業的作用不斷凸顯。氧作為工業生產中不可或缺的原材料，隨著工業的發展，其需求量也不斷增加。煤化工企業相對于其它企業而言，對氧氣的需求量更大。從鋼鐵到有色金屬、貴重金屬及稀有金屬的冶煉，依靠富氧來代替空氣鼓來冶煉，最大限度提高冶金爐的金屬產量，減少能源損耗，縮短冶煉時間，提高冶煉效率。下面首先分析變壓吸附制氧法、深冷法的工作原理，然后探討變壓吸附制氧法與深冷法的具體不同。

一、深冷法與變壓吸附制氧法的工作原理

深冷法：深冷制氧設備包括空氣壓縮機組、分子篩凈化系統、空氣冷卻系統及透平膨脹機、分餾塔、換熱器等。在工作中，如果需要回收稀有氣體，還需要增加稀有氣體分餾設備。空氣經過制氧機組分離后，可獲得純氧及純氮等純凈稀有氣體。

變壓吸附制氧法：變壓吸附法是當前新興的制氧法，其裝置包括鼓風機及若干個吸附塔、緩沖容器罐及儲存罐自己真空泵等，采用的系統為計算機自動化控制系統。在自動化控制系統下，整套裝置可通過變壓吸附制氧并貯存[1] 。在自動化系統控制下，首先，空氣需除塵；然后除塵后的空氣需經過鼓風機吹到吸附塔中，而吸附塔中有多種吸附劑，使得空氣中的大部分吸附劑被吸附在塔內分離出去。通過此種方法，得到富氧產品，并儲藏在罐里。但吸附劑具有一定期間，在飽和后，應停止空氣進入，通過真空泵抽離，可使雜質與吸附劑有效分離開來。當吸附劑再次進入到不飽和狀態下，可為下一輪吸附做準備，確保制氧的連續性，整個過程不再受到人工干擾，有著較高準確性及安全性。

二、比較深冷法與變壓吸附制氧法的不同

1、安全性

深冷制氧法需經過低溫環節，在低溫環境下，深冷制氧法需要填充絕熱的材料減少冷損。若低溫保持不到位，極易引起液體受熱氣的影響，使得容器壓力升高，超過設備所承受的范圍，最終導致設備損壞。因此，采用深冷法制氧時，對低溫設備的材料提出了較高要求，必須具備一定的強度及韌性。若焊接不合格，極易導致低溫液體流出，從而凍壞基礎設備。而真空變壓吸附制氧則需要在常溫常壓下進行，整個工藝過程并不涉及低溫環節，有效避免了低溫帶來的危害性，從而具有較高安全性。

一般情況下，深冷制氧法具有爆炸風險性，原料空氣中的乙炔并不會隨著產品液態氧的蒸發而積累，而是更多的沉積在液態氧當中。實際上，乙炔的量超過液氧溶解范圍時，就會出現溢出現象，可能會引起爆炸事故。而深冷制氧法工藝中生產的液態氧在弱電條件下會產生一定化學反應，產生臭氧物質，從而增加爆炸風險性。而真空變壓吸附制氧法在制氧工業過程中處于常溫或者接近常溫環境下，但爆炸需要高溫，這樣一來，可有效防止爆炸發生。一方面，真空變壓吸附制氧法工業中使用的分子篩可去除原料氣中的乙炔碳氫化合物[2] 。盡管不能達到完全去除程度，但殘留量并不會引起爆炸，從而降低爆炸發生率。另一方面，真空變壓吸附法制氧工藝中并沒有形成液氧，也就不會發生與液氧相關的爆炸風險。但若產品在儲藏備用時，對液體進行壓縮，可能增加爆炸風險。但只要在儲藏罐上配備相應的監測設備，就能夠安全使用。

富氧多體現在氧中毒事故中，已有研究明確表明：常壓下氧氣濃度超過40%則會發生氧中毒。一旦人體吸入高濃度的氧氣，容易出現呼吸困難及胸悶等，嚴重則出現肌肉抽搐、眩暈等，甚至發生呼吸衰竭。若長時間處于較高氧分壓的環境下，將損傷眼部結構，也有可能發生失明。深冷制氧工藝中，，液態氧的濃度較高，甚至為純氧，且氧分壓較大，若發生氧氣泄露，液態氧的體積將迅速膨脹，提高工作條件下的氧氣濃度及氧分壓，最終發生氧中毒事故。而真空變壓吸附制氧工藝中產生的氧氣濃度較低，且以氣態形式存在，不容易發生泄露，提高了安全性。

2、經濟性

無論哪一種工藝都需要一定的經濟費用，包括電費、維修費、人工費、折舊費等。其中電費是兩種制氧工藝所耗費最大的經濟費用。就拿電費來講，通過實際數據分析，其它數量不變的條件下，深冷法制氧需耗費0.5千瓦，而真空變壓吸附制氧法僅需要消耗0.35千瓦的電費。此外，真空變壓吸附法制氧所需要的維修費、折舊費相對于深冷法而言，所耗費的費用較低。

3、連續性

深冷法制氧時并不具備連續供氧的條件，大部分的生產多為一臺設備，若其中的一個環節出現故障，整個供氧過程將停止工作。而停止工作的機器在重新啟動后往往需要36小時才能夠再次產出氧。真空變壓吸附制氧法采取的2-3個吸附塔共同工作，有效解決連續性問題。若某個吸附塔出現故障，可單獨切斷故障設備進行維修，但并不影響制氧整體性。并且，真空變壓吸附制氧裝置在重啟后，正常產氧的時間僅僅有30分鐘，可保證供氧連續性性。

4、簡便性

深冷法制氧工藝與真空變壓吸附制氧法在設備運行簡便性進行對比，發現真空變壓吸附制氧操作更簡單。深冷制氧技術有較長發展歷史，所生產的氧產品具有較高純度，且種類較多，適用于高濃度氧源工業生產[3] 。而真空變壓吸附制氧工藝是新型工藝，適用于對氧氣濃度不高的工業使用。并且真空吸氧制氧工藝在設備重啟后短時間內可再次生產生產，設備數量較少，容易壓力較低，投資相對較小。更為重要的是分子篩的使用壽命較長，維修次數少，對周圍環境幾乎沒有影響。

三、結束語

總而言之，真空變壓吸附制氧現對于深冷制氧具有較高安全性、經濟性及連續性、簡便性，加上自動化程度高，但所得到的氧氣并非純氧，適用于對氧氣濃度低的工業用戶。而深冷制氧法與其相反，在現實工業制氧中應根據實際情況合理選擇制氧方法，提高經濟效益。

參考文獻：

[1] 黃健，張濤俊.真空變壓吸附制氧與深冷法的比較[J].石化技術，2015，2（7）：6-7.

[2] 郭震.深冷空氣分離法在制氧系統中的應用研究[J].建材與裝飾，2016，2（18）：34-35.

[3] 向兆永.變壓吸附空氣分離制氧微型化技術討論[J].科技展望，2015，3（5）：234-235.

（作者單位：柳州化工股份有限公司）