大型漿廠制氧形式的對比和選擇

張凌鵬 劉 宇

（中國中輕國際工程有限公司，北京，100026）

造紙產(chǎn)業(yè)是與國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展關(guān)系密切，并且是具有可持續(xù)發(fā)展特點(diǎn)的重要基礎(chǔ)原材料產(chǎn)業(yè)。作為造紙工業(yè)生產(chǎn)原料來源的制漿生產(chǎn)線是制漿造紙行業(yè)重要的一環(huán)。國內(nèi)紙漿原料（包括廢紙漿）長期依賴進(jìn)口。隨著禁廢令的實(shí)施，國內(nèi)各大造紙集團(tuán)為尋求長期發(fā)展，降低廢紙減少后造紙?jiān)蟽r(jià)格上漲帶來的影響，紛紛開始布局木漿生產(chǎn)線。如晨鳴集團(tuán)、玖龍紙業(yè)、太陽紙業(yè)等企業(yè)都有上百萬噸的木漿基地在建或在籌備建設(shè)中。

氧氣是制漿生產(chǎn)線中氧脫木素工段和漂白工段的重要化學(xué)品之一，也是制漿生產(chǎn)過程清潔生產(chǎn)的首選化學(xué)品，國內(nèi)多數(shù)企業(yè)選擇現(xiàn)場制備氧氣，使建設(shè)制氧站成為了制漿生產(chǎn)線建設(shè)中不可或缺的環(huán)節(jié)。

1 氧氣在制漿過程中的應(yīng)用

為了減輕或消除制漿對環(huán)境造成的污染，現(xiàn)代化制漿生產(chǎn)線都采用封閉篩選、氧脫木素和無氯漂白等工藝。氧脫木素是蒸煮的延續(xù)，可以用純度92%以上的氧氣在堿性條件下進(jìn)一步深度脫木素，且不會引起纖維強(qiáng)度的嚴(yán)重?fù)p失，降低進(jìn)入漂白工序前紙漿的卡伯值，不僅提高了制漿得率，而且在氧脫木素廢液逆流回送堿回收系統(tǒng)、回收化學(xué)品和熱量的同時(shí)，降低后續(xù)漂白工段中化學(xué)藥品的用量，減少廢水污染負(fù)荷，提高紙漿質(zhì)量。同時(shí)為減少氫氧化鈉的用量，通過氧化苛化工段的白液，可用氧氣制備氧化白液，用于氧脫木素工段。

氧氣可用于漂白工段的堿抽提段（E）和用氧加壓的過氧化氫漂白（P）段。與常規(guī)堿抽提相比，氧強(qiáng)化的堿抽提（E/O）能降低紙漿卡伯值，對紙漿黏度的影響甚小。壓力過氧化氫漂白（P/O）彌補(bǔ)了過氧化氫為弱氧化劑的不足，增強(qiáng)了過氧化氫脫木質(zhì)素和漂白作用。

以常規(guī)木材為原料的漂白硫酸鹽化學(xué)漿廠為例，制漿生產(chǎn)線使用氧氣的參數(shù)需求為：噸漿消耗22 kg/Adt（未含白液氧化耗氧量），濃度≥92%；用戶點(diǎn)壓力1.4 MPa。

2 制漿造紙常用制氧工藝及裝備

制氧工藝主要有深冷空分制氧、變壓吸附制氧、膜分離制氧、電解水制氧等多種制氧形式。制漿造紙行業(yè)內(nèi)制氧工藝根據(jù)氧氣用量、純度及附加用氣的特點(diǎn)，應(yīng)用比較廣泛的是深冷空分制氧和變壓吸附制氧。

2.1 深冷空分制氧

深冷空分制氧方法是利用空氣中各組分（O2、N2、Ar、He等）沸點(diǎn)不同的特性，對液化空氣進(jìn)行連續(xù)多次的部分蒸發(fā)和部分冷凝，從而將空氣中各組分分離的過程[1]。深冷空分制氧法可得到純度≥99.6%的氧氣，同時(shí)伴隨有純度≥99.9%的氮?dú)猓缬行枰€可提取部分稀有氣體，如氦、氬等。副產(chǎn)品氮?dú)饪捎糜谄渌囬g管道設(shè)備安全吹掃，如燃?xì)夤艿馈㈦娊獠鄣取?/p>

深冷空分制氧裝置整套系統(tǒng)包括自潔式空氣過濾器、空氣壓縮系統(tǒng)、空氣預(yù)冷系統(tǒng)、分子篩純化系統(tǒng)、增壓透平膨脹機(jī)系統(tǒng)、分餾塔系統(tǒng)、氧氣壓縮系統(tǒng)、液氧儲存汽化系統(tǒng)、液氮儲存汽化系統(tǒng)等。制氧過程如下。

空氣首先經(jīng)自潔式過濾器，去除空氣中的粉塵及其他雜質(zhì)，然后進(jìn)入空氣壓縮機(jī)壓縮后去預(yù)冷系統(tǒng)；空氣預(yù)冷系統(tǒng)將壓縮空氣冷卻到15℃以下后，壓縮空氣進(jìn)入純化器，利用活性氧化鋁及分子篩清除空氣中的水分、二氧化碳等碳?xì)浠衔铮患兓鞴ぷ鹘Y(jié)束后，使污氮?dú)膺M(jìn)入電加熱器，加熱后對其分子篩和活性氧化鋁進(jìn)行再生，從而保證純化器可持續(xù)性工作。

經(jīng)過純化系統(tǒng)的潔凈空氣大部分進(jìn)入冷箱內(nèi)的主換熱器，被反流出來的氣體冷卻，接近露點(diǎn)的空氣進(jìn)入下塔的底部，部分空氣進(jìn)入液氧自蒸發(fā)器，液化后進(jìn)入下塔進(jìn)行精餾。在精餾塔中，上升氣體與下流液體充分接觸，傳熱傳質(zhì)后，上升氣體中氮的濃度逐漸增加。純氮進(jìn)入下塔頂部的主冷凝蒸發(fā)器被冷凝，在氣氮冷凝的同時(shí)，主冷凝蒸發(fā)器中的液氧被氣化。一部分液氮作為下塔的回流液下流，一部分液氮經(jīng)過冷節(jié)流后送入上塔，其余部分作為產(chǎn)品液氮抽出冷箱。

在下塔中產(chǎn)生的富氧液經(jīng)過冷器過冷、節(jié)流后進(jìn)入上塔參與精餾，在上塔內(nèi)，經(jīng)過再次精餾，得到產(chǎn)品氮?dú)狻⑽鄣a(chǎn)品液氧。上塔底部液氧進(jìn)入液氧蒸發(fā)器，蒸發(fā)后的氧氣進(jìn)入主換熱器出冷箱作為產(chǎn)品氧氣進(jìn)入氧壓機(jī)。

裝置所需的大部分冷量由透平膨脹機(jī)提供。經(jīng)過純化系統(tǒng)的部分潔凈空氣，進(jìn)入被透平膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)的增壓機(jī)，吸收膨脹機(jī)所產(chǎn)生的能量，使其本身壓力提高。然后經(jīng)增壓后冷卻器冷卻，進(jìn)入冷箱內(nèi)的主換熱器，冷卻至一定溫度后進(jìn)入透平膨脹機(jī)。這部分膨脹空氣在膨脹機(jī)中膨脹制冷后進(jìn)入上塔，參與精餾。

從冷箱來的產(chǎn)品氧氣，經(jīng)氧壓機(jī)壓縮后，送至氧氣儲罐。從冷箱來的產(chǎn)品液氧進(jìn)液氧儲罐備用，需要時(shí)經(jīng)泵加壓、汽化器汽化后送至用氣點(diǎn)。從冷箱來的產(chǎn)品液氮進(jìn)液氮儲罐備用，需要時(shí)經(jīng)汽化器汽化送至用氣點(diǎn)。

深冷空分制氧系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 深冷空分制氧系統(tǒng)Fig.1 Cryogenic air separation oxygen production system

2.2 變壓吸附制氧

變壓吸附制氧有PSA法（Pressure Swing Adsorp?tion Method）和VPSA法（Vacuum Pressure Swing Ad?sorption Method）兩種工藝形式，其基本原理均是基于分子篩對空氣中的氧、氮組分具有選擇性吸附功能，從而使空氣中氧、氮分離以獲得氧氣[2]，不同之處是在吸附過程中吸附壓力和解吸壓力不同。變壓吸附制氧可得到純度≥90%的氧氣。

PSA法制氧是加壓（0.2~0.6 MPa）下吸附，常壓（一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）下解吸的吸附循環(huán)過程。VPSA法制氧是常壓或略高于常壓吸附（0~50 kPa），真空下解吸的變壓吸附循環(huán)過程。PSA法制氧主要用于小氣量的處理，投資較低，但電耗相對較高；VPSA法制氧一般用于大氣量的處理，投資較大，電耗相對較低。目前制漿造紙廠常用VPSA法制氧。

VPSA法裝置整套系統(tǒng)包括：羅茨鼓風(fēng)機(jī)、吸附塔、緩沖罐、氧壓機(jī)、真空泵等。

空氣經(jīng)過濾器進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī)，經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)輸入吸附塔。首先通過吸附塔下部填充的活性氧化鋁，去除空氣中的水和二氧化碳，再通過吸附塔上部的分子篩固定床，進(jìn)一步吸附空氣中的氮?dú)猓鯕夂蜌鍤鈩t通過床層進(jìn)入緩沖罐中。緩沖罐與氧壓機(jī)相連，將產(chǎn)品氣壓縮至用戶所需的壓力，送到儲氣罐中，供生產(chǎn)使用。經(jīng)過一段時(shí)間的吸附，分子篩顆粒中充滿氮?dú)夥肿樱_(dá)到吸附平衡階段，此時(shí)關(guān)閉空氣進(jìn)口閥和出氣閥，打開真空泵進(jìn)口閥，對塔體進(jìn)行抽真空，使吸附劑解吸，打開鼓風(fēng)機(jī)出口閥，對吸附塔進(jìn)行充壓，為下一次吸附做準(zhǔn)備。一個(gè)吸附塔在生產(chǎn)氧氣時(shí)，另一個(gè)吸附塔完成解吸過程，處于待吸附狀態(tài)。VPSA法中的每個(gè)吸附器都交替執(zhí)行以下步驟：吸附—解吸—沖壓。上述3個(gè)基本工藝步驟由PLC和切換閥系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制[3]。

VPSA法制氧系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 VPSA變壓吸附制氧系統(tǒng)Fig.2 VPSA oxygen production system

2.3 深冷空分制氧與VPSA法制氧特點(diǎn)比較

深冷空分制氧與VPSA法（變壓吸附）制氧的特點(diǎn)比較如表1所示。

表1 深冷空分制氧與VPSA法制氧特點(diǎn)比較Table 1 Comparison for oxygen production characteristics between cryogenic air separation and VPSA method

3 某漿廠制氧形式選擇比選

隨著國內(nèi)大型漿廠建設(shè)項(xiàng)目上馬，漿廠制漿能力從年產(chǎn)10萬t，不斷提升至20萬t、60萬t甚至年產(chǎn)百萬噸以上。根據(jù)資料顯示，氧氣消耗量最大為30 kg/t（風(fēng)干漿）[4]。制氧站生產(chǎn)能力也由以前300 Nm3/h、700 Nm3/h等 小 型 制 氧 站 逐 步 提 升 為3000 Nm3/h、4500 Nm3/h、6000 Nm3/h等大型制氧站。

國內(nèi)某大型漿廠生產(chǎn)所需氧氣消耗為6000 Nm3/h，壓力≥1.5 MPa，純度≥92%；氮?dú)獯祾呦穆蕿?000 Nm3/h，壓力≥1.5 MPa，純度≥99.9%。目前國內(nèi)制氧企業(yè)無論是深冷空分制氧還是變壓吸附制氧均能滿足漿廠制氧所需。為選擇最佳方案，對制氧市場上的KDO-6000深冷空分制氧和VPSA-6500變壓吸附制氧從投資、運(yùn)行等方面進(jìn)行對比，作為建設(shè)單位最終選定制氧形式的參考。

3.1 占地面積對比

KDO-6000深冷空分制氧系統(tǒng)占地面積約2772 m2（占地66 m×42 m），建筑面積約920 m2，建筑內(nèi)包括空調(diào)機(jī)房、配電室、變壓器室、壓縮機(jī)間等房間。深冷空分制氧裝置中除空氣壓縮系統(tǒng)、氧氣壓縮系統(tǒng)設(shè)置在建筑內(nèi)，其余系統(tǒng)均在室外布置安裝。

VPSA-6500變壓吸附制氧系統(tǒng)占地面積約1200 m2（占地40 m×30 m），建筑面積約1020 m2，建筑內(nèi)包括空調(diào)機(jī)房、配電室、變壓器室、壓縮機(jī)間等房間。除氧氣罐、緩沖罐設(shè)置在室外，其余設(shè)備如氧壓機(jī)、羅茨鼓風(fēng)機(jī)、吸附塔等均設(shè)置在建筑內(nèi)。

3.2 設(shè)備投資對比

KDO-6000深冷空分制氧系統(tǒng)設(shè)備（純度99.6%）：2700萬元；VPSA-6500變壓吸附制氧系統(tǒng)設(shè)備（純度93%）：2200萬元。

說明：6000 m399.6%氧氣相當(dāng)于6500 m393%氧氣，上述價(jià)格為2020年市場咨詢價(jià)，不作為最終價(jià)格參考。

3.3 產(chǎn)氧能耗對比

3.3.1 深冷空分制氧系統(tǒng)主要用電設(shè)備

KDO-6000深冷空氣制氧系統(tǒng)主要用電設(shè)備見表2。

表2 KDO-6000深冷空分制氧系統(tǒng)主要用電設(shè)備Table 2 Main electrical equipment of KDO-6000 cryogenic air separation oxygen production system

KDO-6000深冷空分制氧系統(tǒng)總功率為：

2700+22.5+195+10+22+12=2961.5 kW

單位制氧能耗：

2961.5 kW÷6500 Nm3/h=0.456 kWh/m3（99.6%純度氧氣，不含氧氣壓縮機(jī)能耗）

全年總耗電:2961.5 kW×24 h×360 d=25587360 kW

3.3.2 變壓吸附制氧系統(tǒng)主要用電設(shè)備

VPSA-6500變壓吸附制氧系統(tǒng)主要用電設(shè)備見表3。

表3 VPSA-6500變壓吸附制氧系統(tǒng)主要用電設(shè)備Table 3 Main electrical equipment of VPSA-6500 system

VPSA-6500變壓吸附制氧系統(tǒng)總功率為：

2800+7.5=2807.5 kW

單位制氧能耗：

2807.6 kW÷6500 m3/h=0.43 kWh/m3（93%純度氧氣，不含氧氣壓縮機(jī)能耗）

全年總耗電：

2807.5 kW×24 h×360 d=24256800 kW

3.3.3 深冷空分制氧系統(tǒng)與變壓吸附制氧系統(tǒng)綜合對比

KDO-6000深冷空分制氧系統(tǒng)與VPSA-6500變壓吸附制氧系統(tǒng)綜合對比見圖3。

圖3 KDO-6000與VPSA-6500綜合對比Fig.3 Comparison between KDO-6000 and VPSA-6500

3.4 各項(xiàng)費(fèi)用對比

3.4.1 建設(shè)投資費(fèi)用

制氧站固定資產(chǎn)費(fèi)用包括土建費(fèi)用、設(shè)備購置費(fèi)、安裝費(fèi)用等。采用形成資產(chǎn)法，對固定資產(chǎn)其他費(fèi)用、無形資產(chǎn)費(fèi)用、預(yù)備費(fèi)等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，KDO-6000深冷空分制氧系統(tǒng)投資估算約3897萬元，VP?SA-6500變壓吸附制氧系統(tǒng)投資估算約3121萬元。

3.4.2 可變成本費(fèi)用

KDO-6000深冷空分制氧系統(tǒng)全年耗電25587360 kW，VPSA-6500變壓吸附制氧系統(tǒng)全年耗電24256800 kW。以平均電價(jià)0.35元/kWh計(jì)算，深冷空分制氧系統(tǒng)全年用電費(fèi)用為：25587360 kW×0.35元/kWh÷10000=895.56萬元；變壓吸附制氧系統(tǒng)全年用電費(fèi)用為：24256800 kW×0.35元/kWh÷10000=848.99萬元。

KDO-6000深冷空分制氧系統(tǒng)同時(shí)有附加產(chǎn)品300 L/h液氮，液氮汽化后氣體僅在設(shè)備開機(jī)階段用于吹掃，平時(shí)可用于外銷。全年生產(chǎn)液氮為：300 L×24 h×360 d÷1000=2592 m3。液氮銷售按0.1萬元/m3計(jì)算，可獲益：2592 m3×0.1萬元/m3=259.2萬元。

VPSA-6500變壓吸附制氧站可變成本費(fèi)用為848.99萬元，KDO-6000深冷空分制氧站可變成本費(fèi)用為895.56-259.2=636.36萬元

3.4.3 固定資產(chǎn)折舊費(fèi)和無形及遞延資產(chǎn)攤銷

對制氧建筑和設(shè)備進(jìn)行折舊計(jì)算，KDO-6000深冷空分制氧站期末殘值費(fèi)用為1201萬元，VPSA-6500變壓吸附制氧站期末殘值費(fèi)用為974萬元。

3.4.4 制氧站主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

制氧站從建設(shè)到達(dá)產(chǎn)，KDO-6000深冷空分制氧系統(tǒng)和VPSA-6500變壓吸附制氧系統(tǒng)各項(xiàng)成本對比見圖4。通過對兩種制氧系統(tǒng)可變成本（電費(fèi)）、固定成本（建筑和設(shè)備）折舊、管理費(fèi)等主要費(fèi)用的對比，該項(xiàng)目中KDO-6000深冷空分制氧系統(tǒng)比VPSA-6500變壓吸附制氧系統(tǒng)具有更大優(yōu)勢。

圖4 KDO-6000與VPSA-6500經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比Fig.4 Comparison of economic index between KDO-6000 and VPSA-6500

4 結(jié)語

在制氧形式選取時(shí)，可以通過以下4方面進(jìn)行比選：①生產(chǎn)需氧量，氧氣純度，工藝用氣品種；②建設(shè)期土建及安裝費(fèi)用，建設(shè)周期；③技術(shù)安全性；④生產(chǎn)成本。

通過上述對比，大型漿廠內(nèi)制氧站形式首選深冷空分制氧系統(tǒng)。

傳統(tǒng)深冷空分制氧工藝成熟、運(yùn)行穩(wěn)定，而變壓吸附制氧是近幾十年快速發(fā)展的制氧技術(shù)。這兩種制氧方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，隨著技術(shù)的進(jìn)步和設(shè)備的改進(jìn)，深冷空分制氧法能耗在逐步降低；變壓吸附制氧在氧氣純度及產(chǎn)能上也在不斷提高。而對于設(shè)計(jì)工作者，應(yīng)當(dāng)通過經(jīng)濟(jì)、技術(shù)對比，選取運(yùn)行可靠，性價(jià)比高的制氧方案。