用氧供氧方案比較

工藝需氧可以通過幾種方式滿足，購買氧氣或制氧機現場供氣。對于大氣量用戶如果不是制氧機現場供氣，就是使用液氧貯槽通過汽化器進行供氣。本文就本次項目對三種供氧方案進行比較，以供用戶參考。

一、深冷空氣分離法

深冷法是先将空氣壓縮，再膨脹降溫，冷卻後液化。然後利用氧氮的沸點溫度不同（在大氣壓下氧的沸點為-182.98℃，氮的沸點為-195.8℃），在一定的設備—精餾塔内，通過溫度較高的蒸氣和溫度較低的液體的相互接觸，蒸氣中有較多的氧被冷凝，液體中有較多的氮被蒸發，通過多次接觸，以實現把空氣分離為氧、氮的目的。

深冷空分設備工藝流程簡圖

空氣經過濾器吸入壓縮機壓縮後進入回熱器，末級冷卻器和預冷機組冷卻，然後進入純化器除去水份、二氧化碳、乙炔及其它碳氫化合物。

淨化後的空氣分為兩股。一股氣進入分餾塔主換熱器中，被返流氣體冷卻至液化溫度後進入下塔，經初步精餾後，在下塔頂部得到液氮，底部得到富氧液空。另一股氣被與透平膨脹機同軸的增壓機增壓，經主換熱器冷卻，膨脹機膨脹後直接作為拉赫曼進氣進入上塔中部壓力相近處，充分利用上塔的精餾能力。

下塔液空和液氮經過過冷器過冷後節流進入上塔，作為上塔的回流液參加精餾，結果在上塔頂部得到氮氣，在上塔底部得到氧氣，産品氧及氮經過冷器、主換熱器回收冷量後出冷箱。

主要設備：

空氣進口過濾器

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：（全低壓流程）

氧氣純度：

≧99.6%

産品出塔壓力：

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：

空氣壓縮機：

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

性能良好的吸附劑是實現PSA分離的前提和條件。吸附劑是一種多孔結構的固體顆粒，因此高孔隙率和高比表面積是它的重要特征。此外，吸附劑還具有選擇吸附性能，即對混合氣體的各組分有不同的吸附容量。

在物理吸附過程中，改變壓力或改變溫度都可以改變吸附的動吸附容量。對于等溫條件下的氣體混合物，吸附劑對被吸附組分的吸附量，因其分壓升高而增加，其分壓下降而減少。這樣，吸附劑在高壓下吸附，達到吸附平衡後，再降壓解吸，釋放出被吸附的氣體組分，吸附劑被再生。這就是變壓吸附過程。

變壓吸附制氧就是将空氣通過分子篩（通常為泡沸石），利用氧、氮分子的直徑差差異來分離氧、氮以制取氧。這種吸附法為平衡型吸附，也有利用速度不一樣來進行分離的速度型吸附。這種吸附制氧法必需有多塔切換流程（壓力升高時吸附，壓力降低時解吸），可以實現全自動控制。

VPSA流程是目前國内外普遍采用的較為先進的制氧流程。原料空氣經由入口過濾及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，氧産品進入緩沖罐，再由壓縮機壓至用戶所需壓力以供使用。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，然後進入B塔工作，A塔再生階段。兩塔切換，實現連續運行。

主要設備：(VPSA流程)

空氣進口過濾器及消聲

羅茨式鼓風機組

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%

産品出塔壓力：

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、由液氧儲槽供氣

用戶用氧量較大，用氣體鋼瓶或中壓氣體儲罐都不大可行。低溫液氧産品必須用低溫儲槽和低溫液體槽車貯存運輸。現行儲槽一般都為雙層真空粉末絕熱低溫液體儲槽。

低溫儲槽設置一般需附進有穩定的液氧供應，以解決氣源問題，同時還需增設調壓閥組及汽化器，以實現工業供氣。

主要設備：

真空絕熱低溫儲槽

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（标态）

四、VPSA與深冷法的比較

深冷法空氣分離制氧以有近百年的曆史，工藝流程不斷改進，現代化生産裝置使用了分子篩純化、高效透平、填料塔、内增壓等流程和工藝，能耗和基建費用有所降低。PSA制氧裝置是進20多年中發展起來并被市場廣泛接受的技術﹐VPSA技術開發的時間更短。

VPSA與深冷法比較各有特點：

ａ、流程比較

VPSA制氧裝置流程簡單，設備數量少，主要設備盡鼓風機、吸附塔、儲氣罐、真空泵和一些閥門，而深冷制氧機流程複雜，主要設備包括空壓機、過濾器、膨脹機、精餾塔、淨化裝置、一組換熱器等許多裝置。

ｂ、基建費用

VPSA裝置設備數量少，基建費用少，對廠房要求也不高，基建費用僅占設備總投資的5～10%。深冷制氧機裝置設備複雜，安裝要求高且周期長，基建投資高，其保冷箱和保冷材料（珠光砂）就需要大量資金，基建費用要占設備總投資的20～40%。

ｃ、運行控制

VPSA裝置能全自動無負荷的運轉，且停車後，吸附塔内氣氛穩定，重新開車後幾分種就能出産品。簡單的起動及停車能避開用電高峰運行，降低生産成本。而深冷法分離裝置的操作就比較複雜，不是簡單的起動、停車，重新開車需36～48小時。VPSA裝置能實現無人操作，自動運行，而深冷設備運行需安排專人輪班，随時進行調節。

ｄ、維修保養

VPSA裝置本身很簡單，運轉機器的數量少，常溫常壓下操作，維修保養工作量少，費用低。年設備開車率98%左右，且其中有50%是因為故障停車，如冷卻水供應故障及電力故障等。設備正常維修保養停車約每年5天，用于風機真空泵注油，動設備的定期維修保養和操作人員負責空氣過濾器之無紡布的定期更換（周期為一月至二月）等。分子篩使用壽命10年以上，切換閥門閥座一般兩三年方更換一次，真空泵軸承及油封在正常使用條件下壽命為三至五年。

深冷裝置在低溫下運行，運轉機器較複雜，所以維修費用及保養時間均比VPSA裝置多。并且深冷空分有運轉周期，小型設備運行幾個月就需進行加大溫，用蒸汽對設備及管路進行吹掃解凍，加溫解凍時間一般為36小時，停車時間較長。

ｅ、設備能耗

制氧機的産品是氧氣，消耗的是電能。為了衡量制氧機的經濟性，用生産每1Nm3氧氣需消耗多少度電來表示制氧機的能耗。

VPSA流程制氧能耗已達相當水平，我公司設計能耗為0.43KWH/Nm3，從而降低了設備運行費用。

深冷空分能耗由其流程決定，幾種主要流程能耗如下表：

流程壓力

流程名稱

壓力範圍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流程壓力，即它的能耗與流程壓力的對數成正比。目前，大型的空分裝置通常采用全低壓流程，即帶有透平膨脹機的卡皮查循環的空分流程，而小型空分設備則采用帶膨脹的中壓流程。同時對于深冷制氧機，産量越小其提取率越低而能耗越高。

普通小型氧氮設備性能參數

氧氣産量

Nm3/Hr

氧氣純度

%

氧、氮

産量比

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.單位氧電耗不包括壓氧電耗值，單位電耗以進分餾塔空氣量的設計值為依據

2.運轉周期指分餾塔兩次大加溫的時間

ｆ、流量調節

氧氣産量一般按用戶工藝用氧最大要求設計，如用戶無須滿負荷開車，則多餘氧氣就需另行儲存，甚至放空。流量調節是考核制氧機經濟性的一個重要指标。

深冷空分設計時，就需考慮幾種産量方案。深冷制氧機要達到要求的純度及産量，需進行細緻的調節，達到一定的物料平衡和冷量平衡，其流量調節是一項操作水平要求較高的工作，不僅要求對設備有詳細了解，還需對工藝非常熟悉。

VPSA制氧機，我公司可采用變頻技術，不僅僅是降低了能耗，也使得流量的方便調節成為可能。我公司現行設計的VPSA制氧機，可在20%～100%範圍内的無級調節流量，并且調節方便，可實現自動調節（或遠程控制）。

ｇ、産品用途

VPSA法與深冷法比較，其産品氣單一，氧氣純度低。而深冷法可以同時生産出高純度的氧、氮産品，并可實現對稀有氣體的全提取，所需氣量越大，經濟性越好，而且深冷法産品便于經濟地儲存和運輸。但兩者的取舍完全取決于工藝要求及投資策略。

目前國内深冷現狀是，小機組能耗高，大機組閑置或放空，設備綜合利用率低。大多數上馬的空分設備為配套設備，主導産品多為一種氣體，如果隻需要氧的話，則氮氣就是多餘産品，國内做法大多為放空，浪費嚴重。

ｈ、深冷優勢

深冷最大的優勢，是其産量和純度。目前國内最大産量為上海寶鋼5＃制氧機，氧氣産量達72000Nm3/Hr。而變壓吸附制氧機，國内目前還無太大設備，我公司95年投産的國内鋼廠1000Nm3/Hr，當時已是國内最大設備。現在國内變壓吸附制氧機大多産量較小，一些較大設備也因各種原因不是産量達不到要求就是純度不夠，這與國内一些廠家配套設備選型不當有關。

深冷制氧機純度一般可達99.6%，能滿足工業生産絕大部份需要。VPSA制氧機純度一般為93%，其中4.5%的氩，制氧分子篩無法分離，這就限定了它的适用範圍。現開發了高純度變壓吸附制氧機，采用兩級吸附分離，其純度可達98%以上，但目前成本較高，隻适用于小型設備。

從兩種制氧方式比較可知，深冷和VPSA制氧各有特點，不能以簡單的誰好誰壞來取舍，他們在各自的适用範圍内都有其特有的優勢。就經濟性而言，如對純度無特殊要求，産量小于5000Nm3/Hr宜采用VPSA制氧，産量5000～8000 Nm3/Hr之間，則兩者各有優勢，如産量大于8000 Nm3/Hr則宜采用深冷制氧。

五、VPSA氧氣與液氧儲槽成本比較

(以用氧200Nm3/Hr為例)

液氧儲槽氧氣成本計算：

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

氧氣年供應量：

=200Nm3/Hx24Hx350天

1,680,000

Nm3

D

10年後設備折舊=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

單位産氣電耗

0.45

KWH/Nm3O2

B

附助設備能耗=Ax0.1（包括水冷）

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

氧氣年産量：

=200Nm3/Hrx24Hx350天

1,680,000

Nm3

F

10年後設備折舊=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

儲槽供氣價格

1.5304

RMB/Nm3O2

K

每消耗單位氧節省費用﹦

氧氣市場價格－氧氣生産成本

1.0758

RMB/Nm3O2

L

每年節省費用=Kx年消耗量

1,807,344

RMB

M

投資回收期=D/(L G)

1.12

年

通過計算可以看出，作為輔助設備的VPSA制氧機，其投資少，見效快，投資回收期短，對于長期需氧用戶，隻要工藝能滿足要求，VPSA制氧機是非常經濟的選擇。

六、結語

VPSA制氧機所産氧氣，純度大于90%，同時，因其方便的開停和流量調節功能，使其更适合用于水處理、紙漿漂白及富氧助燃等領域‧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，國外大氣體公司亦都采用同類流程‧

随着我國市場經濟的不斷發展和完善，工業企業作為自負盈虧、獨立核算的商品生産者和經營者，不盡需參與市場競争，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标，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。

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