广东工业氧气制氧机供氧方案比较

工业工艺需要的氧气可以通过几种方式满足，购买氧气或制氧机现场制氧供气。对于大气量用户如果不是制氧机现场供气，就是使用液氧贮槽通过汽化器进行供气。本文就针对这三种供氧方案进行比较，以供广大客户作个参考。

 

一、深冷空气分离法

 

深冷法是先将空气压缩，再膨胀降温，冷却后液化。然后利用氧氮的沸点温度不同（在大气压下氧的沸点为-182.98℃，氮的沸点为-195.8℃），在一定的设备—精馏塔内，通过温度较高的蒸气和温度较低的液体的相互接触，蒸气中有较多的氧被冷凝，液体中有较多的氮被蒸发，通过多次接触，以实现把空气分离为氧、氮的目的。

深冷空分设备工艺流程简图

   

空气经过滤器吸入压缩机压缩后进入回热器，末级冷却器和预冷机组冷却，然后进入纯化器除去水份、二氧化碳、乙炔及其它碳氢化合物。

         净化后的空气分为两股。一股气进入分馏塔主换热器中，被返流气体冷却至液化温度后进入下塔，经初步精馏后，在下塔顶部得到液氮，底部得到富氧液空。另一股气被与透平膨胀机同轴的增压机增压，经主换热器冷却，膨胀机膨胀后直接作为拉赫曼进气进入上塔中部压力相近处，充分利用上塔的精馏能力。

下塔液空和液氮经过过冷器过冷后节流进入上塔，作为上塔的回流液参加精馏，结果在上塔顶部得到氮气，在上塔底部得到氧气，产品氧及氮经过冷器、主换热器回收冷量后出冷箱。

 

 

主要设备：

空气进口过滤器	离心式空气压缩机组
预冷机组	纯化器组
分馏塔（冷箱）	膨胀机
仪控系统	电控系统

一般技术参数：（全低压流程）

氧气纯度：	≧99.6%
产品出塔压力：	0.029MPa
操作压力：	0.55MPa
启动时间：	36h～48h
运转周期：	12～16Months

主要电耗设备：

空气压缩机：	电机功率
预冷机组：	电机功率
纯化器：	再生电加热器功率

二、变压吸附制氧技术

性能良好的吸附剂是实现PSA分离的前提和条件。吸附剂是一种多孔结构的固体颗粒，因此高孔隙率和高比表面积是它的重要特征。此外，吸附剂还具有选择吸附性能，即对混合气体的各组分有不同的吸附容量。

    在物理吸附过程中，改变压力或改变温度都可以改变吸附的动吸附容量。对于等温条件下的气体混合物，吸附剂对被吸附组分的吸附量，因其分压升高而增加，其分压下降而减少。这样，吸附剂在高压下吸附，达到吸附平衡后，再降压解吸，释放出被吸附的气体组分，吸附剂被再生。这就是变压吸附过程。

变压吸附制氧就是将空气通过分子筛（通常为泡沸石），利用氧、氮分子的直径差差异来分离氧、氮以制取氧。这种吸附法为平衡型吸附，也有利用速度不一样来进行分离的速度型吸附。这种吸附制氧法必需有多塔切换流程（压力升高时吸附，压力降低时解吸），可以实现全自动控制。

 VPSA流程是目前国内外普遍采用的较为先进的制氧流程。原料空气经由入口过滤及消声器由罗茨鼓风机送入A塔，空气通过分字筛吸附床层，氮气被吸附，氧产品进入缓冲罐，再由压缩机压至用户所需压力以供使用。A塔工作，此时B塔进行再生，由真空泵抽真空解吸。A塔工作结束，A、B两塔均压，然后进入B塔工作，A塔再生阶段。两塔切换，实现连续运行。

 

主要设备：(VPSA流程)

空气进口过滤器及消声	罗茨式鼓风机组
吸附塔	真空泵机组
仪控系统	电控系统

一般技术参数：

氧气纯度：	93%
产品出塔压力：	0.01MPa
操作压力：	0.02MPa
启动时间：	5min

主要电耗设备：

鼓风机：	电机功率
真空泵：	电机功率

 

三、由液氧储槽供气

    用户用氧量较大，用气体钢瓶或中压气体储罐都不大可行。低温液氧产品必须用低温储槽和低温液体槽车贮存运输。现行储槽一般都为双层真空粉末绝热低温液体储槽。

    低温储槽设置一般需附进有稳定的液氧供应，以解决气源问题，同时还需增设调压阀组及汽化器，以实现工业供气。

    

主要设备：

真空绝热低温储槽	调压阀组
汽化器	低温高压泵（高压用户）

一般技术参数：

压力等级：	0.2MPa、0.8MPa、1.6MPa
设计温度：	-183℃
日蒸发率：	0.84～0.19%/d（1200L～100000L）
气液换算：	1m3液氧﹦800气氧（标态）

四、VPSA与深冷法的比较

    

深冷法空气分离制氧以有近百年的历史，工艺流程不断改进，现代化生产装置使用了分子筛纯化、高效透平、填料塔、内增压等流程和工艺，能耗和基建费用有所降低。PSA制氧装置是进20多年中发展起来并被市场广泛接受的技术﹐VPSA技术开发的时间更短。

   

VPSA与深冷法比较各有特点：

 

ａ、流程比较

    VPSA制氧装置流程简单，设备数量少，主要设备尽鼓风机、吸附塔、储气罐、真空泵和一些阀门，而深冷制氧机流程复杂，主要设备包括空压机、过滤器、膨胀机、精馏塔、净化装置、一组换热器等许多装置。

 

ｂ、基建费用

    VPSA装置设备数量少，基建费用少，对厂房要求也不高，基建费用仅占设备总投资的5～10%。深冷制氧机装置设备复杂，安装要求高且周期长，基建投资高，其保冷箱和保冷材料（珠光砂）就需要大量资金，基建费用要占设备总投资的20～40%。

 

ｃ、运行控制

VPSA装置能全自动无负荷的运转，且停车后，吸附塔内气氛稳定，重新开车后几分种就能出产品。简单的起动及停车能避开用电高峰运行，降低生产成本。而深冷法分离装置的操作就比较复杂，不是简单的起动、停车，重新开车需36～48小时。VPSA装置能实现无人操作，自动运行，而深冷设备运行需安排专人轮班，随时进行调节。

 

ｄ、维修保养

    VPSA装置本身很简单，运转机器的数量少，常温常压下操作，维修保养工作量少，费用低。年设备开车率98%左右，且其中有50%是因为故障停车，如冷却水供应故障及电力故障等。设备正常维修保养停车约每年5天，用于风机真空泵注油，动设备的定期维修保养和操作人员负责空气过滤器之无纺布的定期更换（周期为一月至二月）等。分子筛使用寿命10年以上，切换阀门阀座一般两三年方更换一次，真空泵轴承及油封在正常使用条件下寿命为三至五年。

    深冷装置在低温下运行，运转机器较复杂，所以维修费用及保养时间均比VPSA装置多。并且深冷空分有运转周期，小型设备运行几个月就需进行加大温，用蒸汽对设备及管路进行吹扫解冻，加温解冻时间一般为36小时，停车时间较长。

 

ｅ、设备能耗

制氧机的产品是氧气，消耗的是电能。为了衡量制氧机的经济性，用生产每1Nm³氧气需消耗多少度电来表示制氧机的能耗。

VPSA流程制氧能耗已达相当水平，我公司设计能耗为0.43KWH/Nm³，从而降低了设备运行费用。

深冷空分能耗由其流程决定，几种主要流程能耗如下表：

流程压力	流程名称	压力范围MPa	能耗Kwh/Nm3O2
高压	林德型	6-10	1.5-1.7
中压	克劳特型	1.2-2.5	0.9-1.3
高低压	林德－弗兰型	15;0.6	0.6-0.9
低压	卡皮查型	0.456	0.45-0.7

决定其能耗的一个重要因素是流程压力，即它的能耗与流程压力的对数成正比。目前，大型的空分装置通常采用全低压流程，即带有透平膨胀机的卡皮查循环的空分流程，而小型空分设备则采用带膨胀的中压流程。同时对于深冷制氧机，产量越小其提取率越低而能耗越高。

 

普通小型氧氮设备性能参数

氧气产量 Nm3/Hr	氧气纯度 %	氧、氮 产量比	氮气纯度 %	流程型式	单位氧电耗１ KWh/m3	运转周期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.单位氧电耗不包括压氧电耗值，单位电耗以进分馏塔空气量的设计值为依据

    2.运转周期指分馏塔两次大加温的时间

ｆ、流量调节

氧气产量一般按用户工艺用氧最大要求设计，如用户无须满负荷开车，则多余氧气就需另行储存，甚至放空。流量调节是考核制氧机经济性的一个重要指标。

深冷空分设计时，就需考虑几种产量方案。深冷制氧机要达到要求的纯度及产量，需进行细致的调节，达到一定的物料平衡和冷量平衡，其流量调节是一项操作水平要求较高的工作，不仅要求对设备有详细了解，还需对工艺非常熟悉。

VPSA制氧机，我公司可采用变频技术，不仅仅是降低了能耗，也使得流量的方便调节成为可能。我公司现行设计的VPSA制氧机，可在20%～100%范围内的无级调节流量，并且调节方便，可实现自动调节（或远程控制）。

ｇ、产品用途

VPSA法与深冷法比较，其产品气单一，氧气纯度低。而深冷法可以同时生产出高纯度的氧、氮产品，并可实现对稀有气体的全提取，所需气量越大，经济性越好，而且深冷法产品便于经济地储存和运输。但两者的取舍完全取决于工艺要求及投资策略。

    目前国内深冷现状是，小机组能耗高，大机组闲置或放空，设备综合利用率低。大多数上马的空分设备为配套设备，主导产品多为一种气体，如果只需要氧的话，则氮气就是多余产品，国内做法大多为放空，浪费严重。

ｈ、深冷优势

深冷最大的优势，是其产量和纯度。目前国内最大产量为上海宝钢5＃制氧机，氧气产量达72000Nm³/Hr。而变压吸附制氧机，国内目前还无太大设备，我公司95年投产的国内钢厂1000Nm³/Hr，当时已是国内最大设备。现在国内变压吸附制氧机大多产量较小，一些较大设备也因各种原因不是产量达不到要求就是纯度不够，这与国内一些厂家配套设备选型不当有关。

深冷制氧机纯度一般可达99.6%，能满足工业生产绝大部份需要。VPSA制氧机纯度一般为93%，其中4.5%的氩，制氧分子筛无法分离，这就限定了它的适用范围。现开发了高纯度变压吸附制氧机，采用两级吸附分离，其纯度可达98%以上，但目前成本较高，只适用于小型设备。    

    从两种制氧方式比较可知，深冷和VPSA制氧各有特点，不能以简单的谁好谁坏来取舍，他们在各自的适用范围内都有其特有的优势。就经济性而言，如对纯度无特殊要求，产量小于5000Nm³/Hr宜采用VPSA制氧，产量5000～8000 Nm³/Hr之间，则两者各有优势，如产量大于8000 Nm³/Hr则宜采用深冷制氧。

五、VPSA氧气与液氧储槽成本比较

(以用氧200Nm³/Hr为例)

液氧储槽氧气成本计算：

Ａ	液氧单价	1200	RMB/m3
	可变成本：VC=A/800	1.5	RMB/Nm3O2
Ｂ	总投资
	储槽投资（20000L，0.8MPa）	300,000	RMB
	汽化器(200m3/h)	30,000	RMB
	总计	330,000	RMB
C	氧气年供应量： =200Nm3/Hx24Hx350天	1,680,000	Nm3
D	10年后设备折旧=Bx10%	33,000	RMB
E	设备折旧（年）=(B-D)/10	29,700	RMB
F	年息=Bx8%x1/2	13,200	RMB
G	年维修费=Bx0.025	8,250	RMB
	固定成本：FC=(E+F+G)/C	0.0304	RMB/Nm3O2
	氧气成本=VC+FC	1.5304	RMB/Nm3O2

 

VPSA氧气成本计算：

A	单位产气电耗	0.45	KWH/Nm3O2
B	附助设备能耗=Ax0.1（包括水冷）	0.045	KWH/Nm3O2
C	电价	0.5	RMB/KWH
	可变成本：VC=Cx(A+B)	0.2475	RMB/Nm3O2
D	总投资
	设备投资	1,940,000	RMB
	共享工程及安装	305,000	RMB
	总计	2,245,000	RMB
E	氧气年产量： =200Nm3/Hrx24Hx350天	1,680,000	Nm3
F	10年后设备折旧=Dx10%	224,500	RMB
G	设备折旧（年）=(D-F)/10	202,050	RMB
H	年息=Dx8%x1/2	89,800	RMB
I	年维修费=Dx0.025	56,125	RMB
	固定成本：FC=(G+H+I)/E	0.2071	RMB/Nm3O2
	氧气成本=VC+FC	0.4546	RMB/Nm3O2

 

预期利润率计算：

J	储槽供气价格	1.5304	RMB/Nm3O2
K	每消耗单位氧节省费用﹦ 氧气市场价格－氧气生产成本	1.0758	RMB/Nm3O2
L	每年节省费用=Kx年消耗量	1,807,344	RMB
M	投资回收期=D/(L+G)	1.12	年

      通过计算可以看出，作为辅助设备的VPSA制氧机，其投资少，见效快，投资回收期短，对于长期需氧用户，只要工艺能满足要求，VPSA制氧机是非常经济的选择。

六、结语

VPSA制氧机所产氧气，纯度大于90%，同时，因其方便的开停和流量调节功能，使其更适合用于水处理、纸浆漂白及富氧助燃等领域‧并且，设计可靠的VPSA制氧机能长期稳定的工作，开车率高，维修量少，是水处理焚烧等用氧源的理想选择，国外大气体公司亦都采用同类流程‧

随着我国市场经济的不断发展和完善，工业企业作为自负盈亏、独立核算的商品生产者和经营者，不尽需参与市场竞争，而且还要不断地创造价值和使用价值。成本费用是一项综合反应企业管理质量的重要指标，也是企业进行决策的重要依据。变压吸附制氧机工艺日趋成熟，能耗也达到了相当水平，其在中小型现场供气领域已逐步取代了深冷装置，和液氧贮槽供气相比优势更是明显。