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VPSA制氧機經濟性分析
2020-07-22


VPSA制氧機經濟性分析

(昆山錦程氣體設備有限公司)

摘要:

    目前,氧氣的制取工業上主要有兩種方法:深冷空分法和變壓吸附法。本文就兩種方法進行了比較說明。介紹了真空變壓吸附VPSA制氧機能耗的計算,闡述了VPSA制氧機在一些現場供氣領域的經濟性優勢。可作為投資的參考。

關鍵詞:VPSA  深冷法  能耗計算  經濟性    制氧設備

氧氣的應用

    氧氣是氣體工業中數量最大的品種,廣泛應用于化學工業、冶金工業等部門中。在過去十幾年間,已經開發了各種各樣的氧氣應用技術,且成功地應用于許多工業生產中。氧

的化學性質非常活潑,很容易與其他物質化合而成氧化物,在氧化反應中會產生熱量,因此氧可以助燃。隨著氧氣濃度的提高,氧氣反應將加劇,利用這一性質,可以強化生產工藝。

    冶金工業消耗大量氧氣,富氧煉鐵、富氧煉鋼、煉鉛、煉鎢、煉鋅等在發達國家已被廣泛采用。

    在煉鋼過程中吹以高純度的氧氣,氧便和碳及磷、硫、硅等起氧化反應。這不單降低了鋼的含碳量,還有利于清除磷、硫、硅等雜質。而且,氧化過程中產生的熱量足以維持煉鋼過程所需的溫度。因此,吹氧不但縮短了冶煉的時間,同時提高了鋼的質量。

    工藝用氧中,純氧頂吹轉爐用氧純度要求在99.5%以上。因為氧純度降低,將增加鋼中的含氮量,影響鋼的質量。平爐用氧在爐頭吹氧的作用是增加空氣中的氧濃度,提高燃料燃燒溫度。它對氧純度無嚴格要求,供氧壓力為6~8公斤/厘米,用氧量為30標立方米/噸鋼左右。爐門吹氧是從爐門插入吹氧管向熔池吹氧,用氧條件無嚴格要求,用氧量5~20標立方米/噸鋼。爐頂吹氧是從爐頂插入氧槍向熔池吹氧,氧純度要求不小于93%,用氧壓力8~10公斤/厘米2,吹氧量15~30標立方米/噸鋼。平爐用氧對供氧連續性的要求不像頂吹轉爐那麼嚴格,只是影響冶煉時間。

    電爐煉鋼原有工藝用氧,要求氧純度大于98%,含水量低于3克/標立方米,用氧壓力在5~10公斤/厘米,耗氧量對普通鋼為10~15標立方米/噸鋼,合金鋼為20~30標立方米/噸鋼。而現今,發展短流程電爐鋼已成為趨勢,用氧量一般為30~40標立方米/噸鋼,氧氣質量要求降低,逐步推廣現場PSA制氧裝置已成為潮流。

    對高爐煉鐵,提高鼓風中的氧濃度可以降焦比,提高產量。根據經驗,每增加1%O,焦比降低1%,產量提高3~4%。高爐富氧鼓風一般要求氧濃度為24~25%O,因此對氧純度并無要求。如果氧氣加在鼓風機後,要求氧壓略高于鼓風壓力即可。由于高爐的鼓風量很大,因此氧氣消耗量不小。例如,對1500M的高爐,空氣增濃到24.5%O,每小時就需消耗10000標立方純氧。現高爐開發了氧煤直接燃燒工藝,用90%或98%的氧去直接燒煤,消除了把氧加入鼓風這種老辦法的附帶缺點,即氧的鼓風漏損和高溫富氧條件下熱風爐閥門的訊速腐蝕,使氧的應用更為合理。

    對于其他工業窯爐,由于富氧顯著的助燃功能,若能增加氧含量4~5%,火焰溫度便可以升高200~300℃。鑒于這一點,國外已紛紛啟用富氧助燃技術。日本政府已決定,從1990年起,工業用大、中型鍋爐,船舶動力裝置的鍋爐以及取暖鍋爐都不得用普通空氣燃燒,而要用富氧空氣。目前,采用富氧熔煉金屬,加熱助燃已成為國際節能的熱點之一。

    在合成氨工業中富氧塊煤連續氣化,簡化了操作,減少了系統阻力,提高單爐生產能力2.5倍左右,同時降低了能耗,噸氨節約原料煤225KG(以標煤計)。蒸汽完全自給,且還能輸送蒸汽196KG/噸氨,造氣系統綜合能好可以降低約5×10KJ/噸氨,煤種和粒度的適應性強。化工工藝中對氧氣純度的要求通常取決于生產何種化工產品,以及在化工生產流程中采用何中氣體凈化技術,更取決于經濟分析。例如,生產合成氨采用液氮洗凈化時,可以采用92%和98.5%純度的氧氣。

    在造紙行業中,氧氣萃取漂白(E+F)和中等濃度氧氣脫木工藝(MCOD)正在備用來降低化學成本,同時用來減少氯化有機物和生物氧用量,以及廢液中的染料。與全氯或氯基生產相比較,氧氣漂白及脫木是一種更為節能的一種工藝。由于紙漿是一種連續的需要穩定供氧的工藝,根據其氧氣的需求量,通常采用變壓吸附作為理想的供氣方式。

富氧還被廣泛應用于醫療保健。在醫院原本一直采用鋼瓶供氧,而今先進的集中供氧系統已被廣泛采用。集中供氧系統采用集中供氣(一般是液氧或鋼瓶氣),使PSA制氧在醫院的應用成為現實。由于PSA制氧機的方便性和經濟性,很多醫院已經接受。

氧氣的制取

    空氣中的氧氮等分別以單獨的分子狀態存在。分子是保持它原有性質的最小顆粒,且數目多并不停地作無規則運動,因此氧、氮分子是均勻地相互攙混在一起,要將它們分離需要采取一定的措施,目前主要有兩種方法:

1、深冷空氣分離法

 深冷法是先將空氣壓縮,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—-精餾塔內,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。

2、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。變壓吸附制氧就是將空氣通過分子篩(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。

3、VPSA與深冷法的比較

    深冷法空氣分離制氧以有近百年的歷史,工藝流程不斷改進,現代化生產裝置使用了分子篩純化、高效透平、填料塔、內增壓等流程和工藝,能耗和基建費用有所降低。PSA制

氧裝置是近20多年中發展起來并被市場廣泛接受的技術,VPSA技術開發時間更短。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,主要設備僅鼓風機、吸附塔、儲氣罐、真空泵和一些閥門,而深冷制氧機流程復雜,主要設備包括空壓機、過濾器、膨脹機、精餾塔、凈化裝置、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。深冷制氧機裝置設備復雜,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。

c、運行控制

    VPSA裝置能自動無負荷的運轉,且停車12小時內,吸附塔內氣氛穩定,重新開車後幾分種就能出產品。簡單的起動及停車能避開用電高峰運行,降低生產成本。而深冷法分離裝置的操作就比較復雜,不是簡單的起動、停車。

d、維修費用

    VPSA裝置本身很簡單,運轉機器的數量少,近似常溫常壓下操作,維修保養工作量少,費用低。而深冷裝置在低溫下運行,運轉機器較復雜,所以維修費用及保養時間均比VPSA裝置多。

e、產品用途

VPSA法與深冷法比較,其產品氣單一,氧氣純度低。而深冷法可以同時生產出高純度的氧、氮產品,所需氣量越大,經濟性越好,而且深冷法產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。

VPSA能耗計算

    制氧機的產品是氧氣,消耗的是電能。為了衡量制氧機的經濟性,用生產每1NM氧氣需消耗多少度電來表示制氧機的能耗。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。

       表1 深冷流程壓力能耗表

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

目前國內深冷現狀是,小機組能耗高,大機祖閑置或放空,設備綜合利用率低。大多數上馬的空分設備為配套設備,主導產品多為一種氣體,如果只需要氧的話,則氮氣就是多余產品,國內做法大多為放空,浪費嚴重。初期的變壓吸附制氧裝置大多為正壓變壓吸附,即高壓吸附,常壓解吸,能耗很高約為0.7KWH/NM。隨著分子篩技術的發展,流程更為合理,國內現已開始廣泛采用真空變壓吸附,即稍高常壓吸附,真空解吸,使能耗大為降低。真空變壓吸附(VPSA)制氧流程能耗主要有兩部分,及鼓風機鼓風和真空泵解吸。
鼓風機能耗取決于工藝流程的需要進氣量,依據進氣量選定鼓風機型號,則鼓風機能耗:

N  軸功率  Kw

ηe 傳動效率

Q  產品氣量  Nm3O2/h

真空泵能耗取決于解吸所需抽取的氣量及解吸真空度。不同的解吸時間,真空泵的瞬時抽氣量和功率不同,則某一微量時間段內真空泵能耗:


真空泵能耗:

 式中: Q(t)  t 時刻真空泵抽氣量  m3/h

        N(t)  t時刻真空泵能耗     Kw

        T    解吸時間            s  


    用KWH/NM作單位表示,則真空泵能耗為:

        式中: t1 流程循環時間  s

               Q 產品氣量      Nm3O2/h

VPSA流程總能耗為:國內VPSA流程,采用先進流程,能耗已達到0.42KWH/NM水平。

VPSA氧氣成本計算

    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。VPSA制氧和市場購買氧氣成本差異很大,而與深冷制氧相比,其投資小,能耗小,成本也低。

    VPSA制氧機可實現全自動控制,其產品氧氣成本主要為電耗和設備投資。

現以1000NM/H VPSA制氧機為例,進行成本和預期利潤率計算。

2 氧氣成本計算:

A

單位產氣電耗

0.45

KWH/Nm3O2

B

輔助設備能耗=A×0.1(包括水冷)

0.045

KWH/Nm3O2

C

電價

0.5

RMB/KWH

 

可變成本:VC=C×(A+B)

0.2475

RMB/Nm3O2

D

總投資

 

 

 

設備投資

8,000,000

RMB

 

共用工程

500,000

RMB

 

總計

8,500,000

RMB

E

氧氣年產量:=1000Nm3/H×24H×350天

8,400,000

Nm3

F

10年后設備折舊=D×10%

850,000

RMB

G

設備折舊(年)=(D-F)/10

765,000

RMB

H

年息=D×8%×1/2

340,000

RMB

I

年維修費=D×0.025

212,500

RMB

 

固定成本:FC=(G+H+I)/E

0.1568

RMB

 

氧氣成本=VC+FC

0.4043

RMB

3 預期利潤率計算:

J

氧氣市場價格

1.5

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

1.0957

RMB/Nm3O2

L

每年節省費用= K×E

9,203,880

RMB

M

投資回收期=D/(L+G)

0.853

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,只要工藝能滿足要求,VPSA制氧機是非常經濟的選擇。

結語

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。



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