比較氧氣供氧方案

   工藝氧氣可以通過幾種方式滿足，購買氧氣或氧氣機現場供氣。對于大氣用戶，如果不是氧氣機現場供氣，則使用液氧儲罐通過汽化器供氣。本文比較了本項目的三種氧氣供應方案，供用戶參考。

一、深冷空氣分離法

   深冷法是先壓縮空氣，然后膨脹冷卻，冷卻后液化。然后，氧氮的沸點溫度不同(大氣壓下氧的沸點為-182.98℃，氮的沸點為-195.8℃），在某些設備-蒸餾塔中，通過高溫蒸汽與低溫液體的相互接觸，蒸汽中有更多的氧氣凝結，液體中有更多的氮氣蒸發。通過多次接觸，空氣分離為氧和氮。

冷空分設備工藝流程簡圖

   空氣通過過濾器吸入壓縮機壓縮，進入回熱器，冷卻較終冷卻器和預冷卻裝置，然后進入純化器去除水、二氧化碳、乙炔等碳氫化合物。

   凈化后的空氣分為兩部分。一股氣體進入分餾塔的主熱交換器，回流氣體冷卻至液化溫度，然后進入下塔。初步蒸餾后，下塔頂部獲得液氮，底部獲得富氧液空。另一股氣體由與透平膨脹機同軸的增壓器增壓。主熱交換器冷卻后，膨脹機直接作為拉赫曼進氣進入塔用塔的蒸餾能力。

   下塔液空和液氮通過冷卻器冷卻后節流進入上塔，作為上塔的回流液參與蒸餾。結果，上塔頂部獲得氮氣，上塔底部獲得氧氣。產品氧和氮通過冷卻器和主熱交換器回收冷卻量，然后從冷卻器中取出。

主要設備：

進口空氣過濾器

離心式空氣壓縮機組

預冷機組

純化器組

分餾塔(冷箱)

膨脹機

儀控系統

電控系統

一般技術參數:(全低壓工藝)

氧氣純度：

≧99.6%

產品塔壓：

0.029MPa

操作壓力：

0.55MPa

啟動時間：

36h～48h

運轉周期：

12～16Months

主要電耗設備：

空壓機：

電機功率

預冷機組：

電機功率

純化器：

再生電加熱器功率

二、變壓吸附制氧技術

   性能好的吸附劑是實現的PSA分離的前提和條件。吸附劑是一種具有多孔結構的固體顆粒，因此高孔隙率和高比表面積是其重要特征。此外，吸附劑還具有選擇性的吸附性能，即對混合氣體的組分具有不同的吸附容量。

   在物理吸附過程中，改變壓力或溫度可以改變吸附的動態吸附容量。對于等溫條件下的氣體混合物，由于分壓升高，吸附劑對吸附成分的吸附量增加，分壓降低。這樣，吸附劑在高壓下吸附，達到吸附平衡，然后降低壓力，釋放吸附的氣體成分，吸附劑再生。這就是變壓吸附過程。

   變壓吸附制氧是利用氧和氮分子的直徑差異，通過分子篩（通常是泡沫沸石）將空氣分離出氧和氮來獲取氧。這種吸附方法是一種平衡吸附，也有不同速度的速度吸附。該吸附制氧方法必須有多塔切換工藝（壓力升高時吸附，壓力降低時解吸），可實現自動控制。

VPSA該工藝是國內外常用的先進制氧工藝。原料空氣通過入口過濾和消聲器由羅茨鼓風機送入A塔、空氣通過分字篩吸附床層，氮氣被吸附，氧氣產品進入緩沖罐，然后由壓縮機壓到用戶所需的壓力。A塔工作，此時B塔進行再生，由真空泵抽真空解吸。A塔工作結束，A、B兩塔均壓，然后進入B塔工作，A塔的再生階段。兩塔切換，實現連續運行。

主要設備：(VPSA流程)

空氣進口過濾器和消聲器

羅茨鼓風機組

吸附塔

真空泵機組

儀控系統

電控系統

一般技術參數：

氧氣純度：

93%

產品塔壓：

0.01MPa

操作壓力：

0.02MPa

啟動時間：

5min

主要電耗設備：

鼓風機：

電機功率

真空泵：

電機功率

三、由液氧儲罐供氣

   用戶用氧量大，用氣瓶或中壓氣罐不可行。低溫液氧產品必須用低溫儲罐和低溫液體儲罐車儲存和運輸。目前的儲罐一般是雙層真空粉末保溫低溫液體儲罐。

   低溫儲罐設置一般需要附加穩定的液氧供應，以解決氣源問題，還需要增加壓力調節閥組和汽化器，以實現工業供氣。

主要設備：

真空絕熱低溫儲罐

調壓閥組

汽化器

低溫高壓泵(高壓用戶)

一般技術參數：

壓力等級：

0.2MPa、0.8MPa、1.6MPa

設計溫度：

-183℃

日蒸發率：

0.84～0.19%/d（1200L～100000L）

氣液換算：

1m3液氧﹦800氣氧(標態)

四、VPSA比較深冷法

   深冷空氣分離制氧已有近百年的歷史，工藝流程不斷改進。現代生產裝置采用分子篩凈化、高效平整、填料塔、內部增壓等工藝和工藝，降低了能耗和基礎設施成本。PSA制氧裝置是一種在20多年內被市場廣泛接受的技術﹐VPSA技術開發時間較短。

VPSA比較深冷法各有特點：

ａ、流程比較

   VPSA制氧裝置工藝簡單，設備數量少。主要設備有鼓風機、吸附塔、儲氣罐、真空泵和部分閥門，而深冷制氧機工藝復雜。主要設備包括空氣壓縮機、過濾器、膨脹機、蒸餾塔、凈化裝置、一組換熱器等。

ｂ、基建費用

   VPSA設備數量少，基礎設施成本低，對廠房要求低，基礎設施成本僅占設備總投資的5%～10%。深冷制氧機設備復雜，安裝要求高，周期長，基礎設施投資高。其冷卻箱和冷卻材料（珠光砂）需要大量資金，基礎設施成本占設備總投資的20%～40%。

ｃ、運行控制

   VPSA該裝置可自動無負荷運行，停車后，吸附塔內氣氛穩定，重新開車后可生產多種產品。簡單的啟動和停車可以避免電力高峰運行，降低生產成本。深冷分離裝置的操作更為復雜，而不是簡單的啟動和停車，重新駕駛需要36～48小時。VPSA該裝置可實現無人操作和自動操作，而深冷設備的操作需要隨時安排專人輪班調整。

ｄ、維修保養

   VPSA該裝置本身非常簡單，操作機器數量少，常溫常壓下操作，維護工作量少，成本低。設備的年駕駛率約為98%，其中50%是由于冷卻水供應和電力故障等故障而停止的。設備的正常維護和停車時間約為每年5天，用于風扇真空泵注油。動態設備的定期維護和操作人員負責空氣過濾器中無紡布的定期更換（周期為1月至2月）。分子篩的使用壽命超過10年。切換閥座一般每兩三年更換一次，真空泵軸承和油封在正常使用條件下的使用壽命為3至5年。

   深冷裝置在低溫下運行，機器運行復雜，維護成本和維護時間均比VPSA有很多設備。此外，深冷空氣有一個運行周期。小型設備運行幾個月后需要增加溫度。設備和管道用蒸汽清洗解凍。加熱解凍時間一般為36小時，停車時間較長。

ｅ、設備能耗

   氧氣制造商的產品是氧氣，消耗電能。為了衡量氧氣制造商的經濟性，臺Nm3氧氣需要多少度來表示制氧機的能耗。

   VPSA工藝氧能耗已達到相當水平，設計能耗為0.43KWH/Nm從而降低了設備的運行成本。

深冷空分能耗由其工藝決定，幾種主要工藝能耗如下表所示：

流程壓力

流程名稱

壓力范圍MPa

能耗Kwh/Nm3O2

高壓

林德型

6-10

1.5-1.7

中壓

克勞特型

1.2-2.5

0.9-1.3

高低壓

林德－弗蘭型

15;0.6

0.6-0.9

低壓

卡皮查型

0.456

0.45-0.7

   決定其能耗的一個重要因素是過程壓力，即其能耗與過程壓力的對數成正比。目前，大型空分裝置通常采用全低壓工藝，即帶透平膨脹機的卡皮檢查循環的空分工藝，而小型空分設備采用帶膨脹的中壓工藝。同時，對于深冷制氧機，產量越小，提取率越低，能耗越高。

   小型氧氮設備性能參數

氧氣產量

Nm3/Hr

氧氣純度

%

氧、氮

產量比

氮氣純度

%

流程型式

單位氧電耗１

KWh/m3

運轉周期２

月

20

≧99.2

≧2

≧99.5

G

1.85

3

50

100

150

Z

1.36

1.31

1.27

6

200

300

400

500

Z

(D)

1.22

1.15

1.08

1.00

9

600

800

1～2

D

0.70

0.65

12

注：1.單位電耗不包括壓氧電耗值，單位電耗基于分餾塔空氣量的設計值

   2.運轉周期指分餾塔兩次大加溫的時間

ｆ、流量調節

   氧氣產量一般根據用戶工藝氧氣的較大要求進行設計。如果用戶不需要滿負荷駕駛，則需要單獨儲存甚至清空多余的氧氣。流量調節是評估氧氣發動機經濟性的重要指標。

   在設計深冷空分時，需要考慮幾種生產方案。為了達到所需的純度和產量，需要仔細調整，以達到一定的材料平衡和冷卻平衡。其流量調節是一項操作水平要求較高的工作，不僅需要對設備有詳細的了解，而且需要非常熟悉工藝。

   VPSA制氧機，可以采用變頻技術，不僅可以降低能耗，還可以方便調節流量?，F在設計的VPSA20%的制氧機～無級調節流量在100%范圍內，調節方便，可實現自動調節(或遠程控制)。

ｇ、產品用途

   VPSA與深冷法相比，其產品氣體單一，氧氣純度低。深冷法可同時生產高純度氧氮產品，可實現稀有氣體的全提取。所需氣量越大，經濟性越好，深冷法產品易于經濟儲存和運輸。但兩者的選擇完全取決于工藝要求和投資策略。

   目前國內深冷現狀是小機組能耗高，大機組閑置或空置，設備綜合利用率低。大多數空分設備都是配套設備，主導產品大多是氣體。如果只需要氧氣，氮氣就是多余的產品。國內的做法大多是空的，浪費嚴重。

ｈ、深冷優勢

   深冷的較大優勢是其產量和純度。目前，上海寶鋼5的較大產量是中國＃氧氣產量7.2萬Nm3/Hr。目前，95年投產的國內鋼廠1萬臺變壓吸附制氧機設備不多。Nm3/Hr，當時，它已經是中國較大的設備了。目前，大多數國內變壓吸附制氧機產量較小，一些較大的設備由于各種原因無法滿足要求或純度不足，這與一些國內廠家配套設備選擇不當有關。

   深冷制氧機的純度一般可達99.6%能滿足大部分工業生產需求。VPSA制氧機的純度一般為93%，其中4%.5%氬，氧分子篩不能分離，限制了其應用范圍。目前開發了高純度變壓吸附制氧機，純度可達98%以上，但目前成本較高，僅適用于小型設備。

   從兩種制氧方法可以看出，深冷和VPSA氧氣有自己的特點，不能選擇簡單的好壞，他們在各自的應用范圍內都有自己獨特的優勢。就經濟而言，如果純度沒有特殊要求，產量小于5萬Nm3/Hr宜采用VPSA制氧，產量5000～8000 Nm3/Hr兩者各有優勢，如產量超過8000 Nm3/Hr應采用深冷制氧。

五、VPSA比較氧氣和液氧儲罐的成本

(以用氧200Nm3/Hr為例)

液氧儲罐氧氣成本計算：

Ａ

液氧單價

1200

RMB/m3

可變成本：VC=A/800

1.5

RMB/Nm3O2

Ｂ

總投資

儲槽投資（20000L，0.8MPa）

300,000

RMB

汽化器(200m3/h)

30,000

RMB

總計

330,000

RMB

C

氧氣年供：

=200Nm3/Hx24Hx350天

1,680,000

Nm3

D

設備10年后折舊=Bx10%

33,000

RMB

E

設備折舊(年)=(B-D)/10

29,700

RMB

F

年息=Bx8%x1/2

13,200

RMB

G

年維修費=Bx0.025

8,250

RMB

固定成本：FC=(E F G)/C

0.0304

RMB/Nm3O2

氧氣成本=VC FC

1.5304

RMB/Nm3O2

VPSA氧氣成本計算：

A

單位產氣耗電

0.45

KWH/Nm3O2

B

輔助設備能耗=Ax0.(含水冷)

0.045

KWH/Nm3O2

C

電價

0.5

RMB/KWH

可變成本：VC=Cx(A B)

0.2475

RMB/Nm3O2

D

總投資

設備投資

1,940,000

RMB

共享工程及安裝

305,000

RMB

總計

2,245,000

RMB

E

氧氣年產量：

=200Nm3/Hrx24Hx350天

1,680,000

Nm3

F

設備10年后折舊=Dx10%

224,500

RMB

G

設備折舊(年)=(D-F)/10

202,050

RMB

H

年息=Dx8%x1/2

89,800

RMB

I

年維修費=Dx0.025

56,125

RMB

固定成本：FC=(G H I)/E

0.2071

RMB/Nm3O2

氧氣成本=VC FC

0.4546

RMB/Nm3O2

預期利潤率計算：

J

儲罐供氣價格

1.5304

RMB/Nm3O2

K

每消耗單位氧節省費用﹦

氧氣市場價格－氧氣生產成本

1.0758

RMB/Nm3O2

L

每年節省成本=Kx年消耗量

1,807,344

RMB

M

投資回收期=D/(L G)

1.12

年

   作為輔助設備，通過計算可以看出 VPSA只要工藝能滿足長期需氧用戶的要求，制氧機投資少，見效快，投資回收期短。VPSA制氧機是一種非常經濟的選擇。

六、結語

   VPSA氧氣機生產的氧氣純度大于90%。同時，由于其方便的開停和流量調節功能，更適合水處理、紙漿漂白和富氧助燃域?并且，設計可靠的VPSA制氧機能長期穩定的工作，開車率高，維修量少，是水處理焚燒等用氧源的理想選擇，亦都采用同類流程?

隨著我國市場經濟的不斷發展和完善，工業企業作為自負盈虧、獨立核算的商品生產者和經營者，不盡需參與市場競爭，而且還要不斷地創造價值和使用價值。成本費用是一項綜合反應企業管理質量的重要指標，也是企業進行決策的重要依據。變壓吸附制氧機工藝日趨成熟，能耗也達到了相當水平，其在中小型現場供氣領域已逐步取代了深冷裝置，和液氧貯槽供氣相比優勢更是明顯。