自動調節在VPSA制氧系統中的應用

李 健，單 毅

(北京北大先鋒科技有限公司，北京 100080)

0 引言

變壓吸附制氧技術主要分為常壓解吸變壓吸附(pressure swing adsorption，PSA)制氧、真空解吸變壓吸附(vacuum pressure swing adsorption，VPSA)制氧、真空解吸(vacuum swing adsorption，VSA)制氧三種。其中，尤以VPSA應用較為廣泛[1-3]。近年來，隨著工業的快速發展，對氧氣的需求也與日俱增。經過不斷改進與發展，變壓吸附制氧技術憑借投資少、工期短、開停靈活、維護方便、單位能耗低等優勢，迅速在冶金、化工、玻璃、造紙等行業推廣，尤其在中小規模制氧過程中具有較大優勢[4]。

變壓吸附制氧一般采用羅茨風機作為動力設備。當環境溫度發生變化時，會影響羅茨風機吸入氣體的量，從而導致吸附壓力出現較大波動，影響產品純度、流量指標。本文根據北大先鋒印度JSPL制氧項目中的設備配置以及操作方法，綜合分析工藝流程，提出了產品氣流量、純度自動調節的實現方法，降低了因溫度變化造成的純度、流量波動。

1 工作原理與系統組成

1.1 VPSA制氧原理

空氣中的主要成分氧氣(21%)和氮氣(78%)均具有四極矩，而氮氣的四極矩(0.31?)要比氧氣的四極矩大得多。當增壓空氣通過鋰基分子篩時，由于氮氣在分子篩上的吸附能力比氧氣大得多，因此被優先吸附。吸附能力較弱的氧氣則穿過分子篩，在氣相中獲得富集，從而得到富氧產品氣。當分子篩達到飽和吸附容量時，降低吸附塔內壓力，使分子篩內被吸附的氮氣得到解吸并通過真空泵排到大氣中，完成分子篩的再生并進入下一個吸附循環中[5-6]。

由此可以看出，由于分子篩存在增壓吸附以及真空解吸這兩個步驟，單塔VPSA制氧系統的產氧過程是間斷的。為了得到連續、穩定的產品氣，在實際應用中一般采用多塔制氧工藝流程進行生產。而在多塔工藝中，兩塔工藝憑借對分子篩利用率高、設備數量少以及操作簡單等優勢，成為常用的制氧工藝流程。另外，在需要更大產量的應用場合中，四塔工藝也得到了廣泛應用、而早期的三塔及五塔工藝隨著近年來分子篩、吸附塔及工藝流程的不斷改進，已經逐步被市場淘汰[7-8]。

為了進一步降低能耗、提高氧氣收率，除了增壓吸附和真空解吸步驟外，VPSA制氧流程還增加了均壓、清洗等步驟[9-11]。VPSA兩塔制氧步驟如圖1所示。

圖1 VPSA兩塔制氧步驟

當其中一個吸附塔處于吸附產氧狀態時，另一個吸附塔完成真空解吸；兩塔工藝步驟相互配合，工作狀態輪流切換。通過編制好的程序控制閥門動作，即可完成系統的自動運行，使兩塔周而復始交替工作。相比于單塔制氧工藝，該程序提高了系統的連續性和穩定性。

1.2 VPSA系統組成

北京北大先鋒科技有限公司與印度京德勒鋼鐵(JSPL)陸續簽訂了4套產量6 000 Nm3/h，純度90%的變壓吸附制氧設備應用于高爐機前富氧。兩塔VPSA制氧系統組成如圖2所示。系統主要由動力系統、吸附系統、電氣系統以及控制系統四部分組成。動力系統主要包括電動機、羅茨鼓風機以及羅茨真空泵。吸附系統主要包括吸附塔、分子篩、緩沖罐。電氣系統主要包括高低壓供配電設備。儀表系統則主要由就地及遠傳儀表、可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)、手動及程控閥門等組成。

圖2 兩塔VPSA制氧系統組成

羅茨鼓風機與真空泵通過工藝管道及程控閥門與吸附塔連接，分別用于完成對吸附塔的增壓送氣以及真空解吸。吸附塔內裝填有鋰基分子篩，以完成氮氣及氧氣的分離。分離后的產品氧氣通過緩沖罐輸送至用氣點。羅茨鼓風機和真空泵通過電動機帶動，由電氣系統進行供電。設備運行過程中，PLC控制程控閥門完成吸附塔工藝步驟的轉換，同時通過儀表監測系統的運行狀態，對系統參數進行采集與保護。

2 溫度變化對系統的影響

以兩葉式羅茨機為例，其結構如圖3所示。羅茨機主要由殼體、葉輪以及進/排氣口等部分組成。

圖3 羅茨機結構圖

羅茨鼓風機及羅茨真空泵憑借其運行能耗低、占地小、流量穩定、維護方便等優勢，被廣泛應用在VPSA制氧系統中[12]。根據形狀不同，葉輪又可分為兩葉式和三葉式兩種[13-14]。葉輪為兩個呈“8”字形相互垂直的轉子，通過墻板支撐在機殼內。當電機帶動葉輪旋轉，兩個垂直布置的葉輪在轉動過程中與墻板及機殼形成密封腔，不斷將氣體由進氣口吸入，通過葉輪的擠壓將氣體加壓從排氣口排出。

由上述結構及工作原理可知，羅茨風機為容積式風機，每轉動一周所輸送的氣體體積由其機械結構大小決定，如式(1)、式(2)所示。根據混合理想氣體狀態方程可知，當環境溫度及壓力不發生變化時，其每轉動一周輸送的氣體物質的量也為定值。而當氣體溫度發生變化時，假設相同環境下大氣壓強不變，由于羅茨風機吸入氣體的體積為固定值，則混合氣體的摩爾數發生相應變化。當溫度降低時，相同體積下氣體物質的量升高；當溫度升高時，相同體積下氣體物質的量降低。

(1)

(2)

式中:pi為第i種氣體壓強；V為混合氣體體積；T為氣體溫度；vi為第i種氣體體積；P0為標準大氣壓1.013×105 Pa；T0為開氏溫度273.16 K；Vm,0為標態體積22.4×10-3m3/mol。

在同一系統中，羅茨風機每周期內吸入的氣體量隨溫度的變化而變化。由于吸附塔內分子篩數量及飽和吸附容量為定值，該變化會導致吸附壓力及產品流量發生變化。同時，若氣體數量超過分子篩的飽和吸附容量，則氮氣會穿過床層進入氧氣富集區，造成產品氣的純度下降。在印度JSPL制氧項目調試過程中發現，由于環境晝夜溫差的影響，在沒有人工干預的情況下，吸附壓力以及產品氣純度、流量存在較大波動。初始純度流量波動曲線如圖4所示。產品氣流量波動達到338 Nm3/h，純度波動達到2.2%。在實際運行中，純度及流量波動對高爐風機機前富氧的控制造成了一定影響。

圖4 初始純度流量波動曲線

3 壓力及純度自動調節

3.1 原理分析

為了解決上述問題，對設備純度、產量人工調節的操作方法進行了分析。

如圖2所示，A、B塔通過產氧開關閥后匯總至緩沖罐，緩沖罐出口以調節閥控制流量最終送至用氣點。當需要對純度進行調節時，通過改變送氣調節閥的開度，控制吸附塔A、B的吸附壓力。提高吸附壓力，使分子篩對氮氣的吸附性增強，可以提高產品氧氣純度；反之,增大開度，則可降低產品氧氣濃度。

在兩塔工藝中，A、B塔按照狀態不同在一個循環中被分為若干步，每步對應一持續時間T。該時間T直接影響各功能的作用程度。通過增加吸附產氧步驟的時間，可提高吸附時長在周期中的比例及原料氣輸送量，增加產品氣流量；而降低持續時間則可降低產量。另外，在調整產量的同時，時間T變化也會造成吸附壓力的變化。因此，為了保證產品氣純度的穩定，應同時對產氧控制閥的開度進行調整。

當然，整套設備的產氧能力歸根結底是由羅茨風機的進氣量、分子篩的吸附能力及裝填量所決定的。無論任何調整方法，都不能突破設備本身的產氧能力。在實際應用中，當用氧點所需的純度、流量確定后，一般只需要對由于溫度變化造成的波動進行修正即可。

3.2 實現方法

通過上述分析可知，為了解決由于環境溫度變化造成的產品氣純度、流量波動問題，主要應對吸附塔內吸附壓力及吸附產氧步驟時間T進行控制。而控制吸附壓力則主要通過對產氧控制閥的開度控制來實現。為了完成上述操作，需要通過PLC控制程序分別完成吸附壓力、氧氣純度,定時提取，并通過對執行條件的判斷最終完成對步驟時間以及調節閥開度的調整。

在PLC控制程序中，對A、B吸附塔內最大工作壓力、產品氣純度進行定時提取記錄。若塔內實際吸附壓力超過設定范圍，則對吸附產氧時間T進行加減操作，以保證塔內吸附壓力在系統工作最佳范圍內，穩定產品氣流量；若產品氣純度超出設定值，則對產氧調節閥開度進行加減操作，以保證產品氣純度的穩定。

3.3 應用效果

將純度、流量自動調節功能投入運行后，對設備運行數據進行了統計分析如圖5所示。

圖5 自動調節純度流量波動曲線

相同時段內，環境溫度波動范圍基本一致，與未投入自動調節功能相比，純度、流量波動均有較大改善。自動調節投入前后數據對比如表1所示。純度波動范圍0.8%，降低約61%；流量波動范圍162 Nm3/h，降低約52%；吸附壓力波動范圍2.5 kPa，降低約37%。另外，由于設備一直運行在優化參數下，產量得到提升，純氧電耗也具有一定下降，表明該自動控制方案基本實現了設計目標。

表1 自動調節投入前后數據對比

4 結論

本文以北京北大先鋒科技有限公司印度JSPL制氧項目為例，介紹了VPSA制氧系統的組成及工作原理；結合理論，對在項目調試過程出現的環境溫度對系統的影響進行了分析；通過對項目現有工藝流程及操作方法的分析，提出了產品氣純度、流量自動調節方案，通過控制程序將其實現并投入到實際應用當中；對自動調節方案投入前后的運行參數及產品數據進行了總結。結果表明，本方案可以明顯降低溫度波動對產品氣流量、純度指標的影響，同時降低了純氧單位電耗，為今后同類工程解決類似問題提供了思路及參考依據。