瑞氣新型變壓吸附制氮流程

摘要：簡要介紹了變壓吸附不等勢均壓技術(shù)，并運用該技術(shù)研制出節(jié)能型碳分子篩制氮機，分別對新、舊制氮流程條件下的產(chǎn)氮能力和回收率等進(jìn)行了考察，節(jié)能型碳分子篩制氮機具有氮氣回收率高，能耗低，純度流量穩(wěn)定，并可直接制取純度為99.995%的高純氮等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：變壓吸附；不等勢均壓；制氮流程；節(jié)能

為滿足我國煤礦易燃煤層綜放開采注氮防滅火的需要，為使變壓吸附制氮設(shè)備能耗低、分子篩回收率高、設(shè)備體積小，瑞氣公司于1997年開發(fā)出不等勢均壓制氮流程。經(jīng)兩年的努力，應(yīng)用流程開發(fā)出節(jié)能型碳分子篩制氮機，于2009年9月通過了浙江省科委組織的技術(shù)鑒定，技術(shù)水平達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。2001年該項目被評為溫州市科技進(jìn)步二等獎，浙江省科技進(jìn)步三等獎，同時，2001年3月該系列產(chǎn)品被列為火炬計劃和新產(chǎn)品計劃。至今已投放市場50余套，其中煤礦應(yīng)用達(dá)10余套，制氮機運行穩(wěn)定性和可靠性均受到用戶好評。

1、流程簡介
變壓吸附制氮設(shè)備的能耗主要集中在空壓機和冷干機上。空壓機提供一定壓力的壓縮空氣，為制氮機提供原料；冷干機對壓縮空氣進(jìn)行冷凍處理，除去壓縮空氣中的水分，以減輕制氮機內(nèi)分子篩的負(fù)載。這兩者的能耗決定于其設(shè)備本身能耗大小以及制氮機所需耗氣量的大小。前者可通過選用低能耗的空壓機和冷干機來解決，而后者則需改進(jìn)制氮機的工藝及相關(guān)技術(shù)才能得以解決，這是提高分子篩回收率，減少制氮能耗的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)的變壓吸附制氮設(shè)備除了進(jìn)氣、出氣、排空氣動閥外，還有一對上均壓和下均壓氣動閥。當(dāng)制氮機處于均壓狀態(tài)時，氣體分別從工作剛結(jié)束的吸附塔的進(jìn)、出口分別注入解吸剛結(jié)束的吸附塔的進(jìn)、出口端。均壓的目的：一是使兩塔壓力一致，減少吸附塔內(nèi)分子篩在切換時的沖擊；二是將一部分富氮氣體從工作剛結(jié)束的吸附塔轉(zhuǎn)移到解吸結(jié)束的吸附塔，減少了排空氣體的數(shù)量，從而提高了氮氣回收率。

均壓結(jié)束后，兩塔內(nèi)氮氣純度大體一致，因此，也稱等勢均壓。

若將下均壓出氣位置上移，則可提高下均壓入口氮氣純度，在均壓時將較高氮氣純度的氣體從吸附塔轉(zhuǎn)移到解吸塔均壓的結(jié)果是兩塔氣體純度不一致，解吸塔內(nèi)氮氣純度比吸附塔高，解吸塔進(jìn)入工作狀態(tài)，吸附塔進(jìn)入解吸狀態(tài)，這樣，提高了氮氣回收率 ，減少了排空氣體的含氮量。該均壓流程稱為不等勢均壓或梯度均壓。

2、試驗結(jié)果
采用國內(nèi)兩個廠家及日本生產(chǎn)的碳分子篩進(jìn)行對比試驗，試驗結(jié)果見表1。

用新、老流程制氮機，分別考察在不同吸附壓力下分子篩的產(chǎn)氮能力和回收率，其試驗結(jié)果如圖1所示。

改變吸附周期，考察氮氣回收率和出口氮氣純度，其試驗結(jié)果如圖2所示。

3、試驗結(jié)果分析
（1）從表1 可見，日本分子篩的產(chǎn)氮率和回收率比國產(chǎn)分子篩好，而國產(chǎn)A又優(yōu)于國產(chǎn)B。
（2）由圖1可見，新流程的回收率比老流程要高，而且氮氣純度越高，這種差別也就越大。當(dāng)?shù)獨饧兌炔淮笥?9%時，新流程的回收率比老流程高出10%左右；當(dāng)?shù)獨饧兌葹?9.9%時，新流程的回收率比老流程高出29%；當(dāng)?shù)獨饧兌葹?9.99%時，新流程的回收率比老流程高出73%；當(dāng)?shù)獨饧兌葹?9.999%時，新流程的回收率比老流程高出157%；當(dāng)?shù)獨饧兌葹?9.995%時，老流程的回收率已無實際意義。分子篩產(chǎn)氮率的變化規(guī)律也與回收率類同。
（3）從圖2可見，出口氮氣純度隨著吸附周期的增大而提高，當(dāng)達(dá)到峰后又開始緩慢下降；氮氣回收率隨著吸附周期的加長而提高。為了兼顧氮氣純度與回收率，確定了一個吸附周期范圍。

 

3、特點
與傳統(tǒng)的碳分子篩制氮機相比，該產(chǎn)品具有如下特點：
(1)氮氣回收率高，單位能耗低。以99.9%為例，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下單位氮氣能耗為0.3kW.h/m³,比老產(chǎn)品減少 18%左右。
(2)從普氮到高純氮，可不用純化直接制取99.995%的高純氮，解決了用戶沒有氫源或?qū)渲笜?biāo)的用氣問題。
(3) 供氣穩(wěn)定、可靠，設(shè)備自動化程度高，具有智能保護(hù)、遠(yuǎn)程控制功能，設(shè)備使用壽命長。

4、結(jié)語
（1）由于日本碳分子篩的產(chǎn)氮率和回收率均優(yōu)于國產(chǎn)碳分子篩，故節(jié)能型碳分子篩全部采用日本生產(chǎn)的碳分子篩。
（2）節(jié)能型碳分子篩制氮機采用不等勢均壓流程，顯著提高了碳分子篩的產(chǎn)氮能力和回收率，減少了制氮能耗，可直接獲取 99.995%的高純氮氣，填補了國內(nèi)不足。
（3）提高吸附壓力有利于提高節(jié)能型碳分子篩的產(chǎn)氮能力，且回收率保持不變。