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VPSA制氧设备在高级湿式氧化还原上的应用
2020-05-07


VPSA制氧设备在高级湿式氧化还原上的应用

万志国  徐峰  陈连宝

(www.dabao88.com)

摘要:详细介绍了VPSA行业制氧装置在湿式氧化还原上的流程特点、技术参数、设备选型、VPSA制氧装置发展方向。

关键词:VPSA;制氧装置;流程;鼓风机、真空泵;配置;分子筛

1.前言

 我国正面临水资源危机,随着经济的快速发展,废水排放总量迅速增加,分析现行的废水治理现状,不难发现未经处理直接排放和经过一定处理仍达不到排放标准的工业废水,很大一部分是难处理的高浓度有机废水。目前,高浓有机废水的有效处理方法主要有生化污泥法、焚烧法、超临界氧化法、催化湿式氧化法等,催化湿式富氧氧化法(Catalytic Wet Air Oxidation,简称CWAO)是目前世界上处理高浓度、有毒、有害、生物难降解有机废水的最佳方法之一,该方法是上世纪八十年代中期在湿式氧化法(WAO)基础上发展起来的一种治理高浓度有机废水的先进环保技术,是在高温高压和催化剂的作用下,经富氧氧化,使高浓度、难降解污水中的有机物及氨氮分别氧化分解成CO2H2ON2等无害物质的废水净化处理技术,废水通过该技术处理后,BOD可以大幅提高,从而提高污水可生化降解性能。江苏某集团股份有限公司向昆山锦程订购一套VPSA-2200-2B制氧机,排气压力6.5MPa,做为湿式氧化的气源。

2.技术性能

2.1性能参数

氧气产量:2200Nm³/h

氧气纯度:91%

氧压机排气压力:6.5MPa

启动时间:30min

年开工率:99%

2.2 公用工程

制氧设备循环冷却水用量:30m³/h

制氧设备软化水用量:4m³/h

氧气压缩机循环冷却水用量:60 m³/h

制氧设备装机功率:1120KW

氧气压缩机装机功率:630KW

辅助设备及公用工程装机功率:50KW

制氧站占地面积:35X24m2

3.工艺流程

a处过滤的空气在鼓风机的输送下,进入装有分子筛及活性氧化铝的吸附塔AB。当空气流经塔内分子筛固定床层时,空气中的氮气分子在吸附作用力下扩散到分子筛固体中去,氧气分子和氩气原子则通过床层到缓冲罐中,并由氧压机加压到客户的使用压力后,输送到储气罐通过C处输出供用户使用。

经过一段时间的吸附,分子筛颗粒中充满氮气分子,达到吸附饱和阶段,此时关闭空气进口阀,利用塔内的富氧空气对刚抽真空的另一塔进行冲洗,等压力降到某一值时关闭均压阀,同时打开真空泵进口阀对塔体抽真空,氮气由b处排出。

到一定真空度后再利用另一塔内的富氧气及缓冲罐中部分产品气对分子筛冲洗,从而使吸附剂彻底解吸。吸附剂解吸过程完成后,用产品气对塔进行充压,充压至某一低真空度值后关闭缓冲阀,打开鼓风机出口阀对吸附塔进行充压,为下一次吸附做准备。



近年来,简化工艺流程是VPSA制氧工艺发展的趋势之一。由过去的三床、四床向单床或两床发展。

三床制氧工艺鼓风机连续工作,压力波动小,同时氧气产品压力高,波动小。同两床制氧工艺比较,主要存在以下不足:

1)与两床制氧工艺吸附、解吸时间相同的条件下,三床循环周期时间比两床长1/3,吸附剂用量增加

2)吸附塔和切换阀的数量增加

3)鼓风机平均排气压力和温度高于两床,排气温度高,直接影响床层吸附温度,吸附剂的吸附能力下降。排气压力高,鼓风机能耗增加。同时,国外知名VPSA制氧企业基本上都采用两床工艺。

4.工艺设备配置

4.1鼓风机、真空泵、增压机

鼓风机和真空泵共用了一台电机,电机功率1120KW。鼓风机由山东章丘鼓风机有限公司生产,理论流量618.1m³/min。真空泵选用了一台湿式罗茨真空泵,每台理论流量777.6m³/ min。氧气增压机选用一台杭氧牌活塞式压缩机,流量36m³/min,电机功率630KW。章鼓和TAIKO 成立过合资厂,其早期的产品一直有TAIKO 的标志,目前虽然合资到期,其产品不再打TAIKO 的名称,但我们选用的设备其轴承还是进口耐磨轴承,使用情况一直很好。鼓风机和真空泵为VPSA变压吸附制氧装置提供所需的压缩空气和解吸所需的真空度和抽速,其流量、压力等要求根据VPSA变压吸附制氧装置的消耗而定。该鼓风机和真空泵由山东章丘鼓风机厂引进日本大株式会社专有技术进行消化吸收的基础上自行设计制造,其性能完全达到原装进口鼓风机的性能,主要部件实现国产化,备品备件完全国内提供,维护费用低,压缩腔主要由彼此不接触的一对双叶¥字型转子构成,无润滑油污染。

4.2切换蝶阀

变压吸附制氧设备整套程序运行的可靠性很大程度上取决于切换蝶阀的可靠性,首先要有足够的运行寿命,其次要有很短的启闭时间和很高的密封性,昆山锦程气体所用VPSA变压吸附制氧设备专用切换蝶阀为日本进口OKM,该阀门是厂家专门为我公司变压吸附流程设计。OKM为世界著名蝶阀品牌,保证用户300万次以上的使用寿命(3年以上的使用寿命)。昆山锦程是国内唯一一家坚持用进口阀门品牌的VPSA制氧厂家。通过我们对该阀门十余年的使用经验,充分肯定了该阀门的性能。

其特点:(1)双偏心结构,使阀瓣和阀座仅在阀门完全关闭时才接触,磨损低、寿命高、密封力矩小、操作灵活  (2)当气流作用于阀瓣和阀座时,自动产生一密封力,这就意味着在一定压力范围内,气流压力越高,密封性能越佳,即独特的自密封机构。

4.3吸附器

采用两台立式轴向双层结构形式吸附器,床层高度1400mm,吸附器采用德国拜耳独特的气体分布结构,保证了床层气流分布的均匀性。每个吸附床由两层分子筛材料和经过钢丝网分开的被动压紧层组成。在吸附塔的底部有一套支撑装置固定吸附床的位置。空气在经过鼓风机组件后进入到吸附塔的底部。空气首先需要通过预处理分子筛,在那里可以除去水气和二氧化碳。水分和二氧化碳等污染物的通过将对主分子筛造成不可恢复的损害。吸附器装填的是制氧专用吸附剂,选用德国拜耳研发,上海恒业生产的高效VPSA制氧专用分子筛,其氧氮分离系数超过6.3,性能达到世界水平。

4.4 氧气缓冲罐

  氧气缓冲罐两台,每台容积80m³,用于产品缓冲。

4.5仪表空气系统

仪表空气压缩机选用一台阿特拉斯螺杆空压机,吸入气量4.5m3/h,压力0.8MPa,电机功率30KW,吸干机为无热干燥机组,干燥气露点为-40°C

4.6仪表控制系统

仪表控制系统无人化管理要求设计和仪表配置。采用PLC逻辑程序和上位机联合控制,具有通讯和远程控制功能。用一条电话线,通过一对一拨号连接方式,可进行远程操作控制、程序修改。从而可以用户的用气特点,在较长时间内逐步调整控制程序,使之最优化,手机APP可远程控制VPSA制氧设备。

4.7 PLC系统主机采用德国SIEMENS  S7-300产品。

4.8就地仪表:变送器选用日本横河。在线氧分仪选用上海昶哎。

4.9辅助设备

4.9.1软化水系统

真空泵及氧气增压机要求4m³/h软化水作为密封水,密封水是以自吸的方式进入泵口,软化水系统由用户自建,选用了一套全自动软化水装置,给水指标达到了低压锅炉用软化水等级。我国湿式真空泵叶轮间间隙比较大,对密封水水质要求不高,总硬度≤200mg/l可满足要求,许多地方采用自来水做密封水,经长期运行考核,未发现结构现象。

4.9.2循环冷却水系统

2200m³/h制氧站在江苏地区,因总冷却塔距离较远,用户决定在制氧站单独建立一套循环冷却水系统,并配置了一台100t/h冷却塔,循环水冷却系统由用户承建。

4.10厂房

2200Nm³/hVPSA制氧设备的厂房是新建制氧厂房。由于空间有限,机器设备双层布置。主厂房面积为840㎡,厂房净高15m。主厂房内部经消音处理,厂房处噪音≤65dB

5.性能测试

因调试过程较为顺利,用户对该套制氧设备性能指标有了一定认识和了解。以一个月连续运行记录数据的平均值作为装置性能指标考核依据。

201810月中旬该工程项目通过验收,测试结果如下:氧气平均产量:2200m³/h

氧气平均纯度:92%。24小时制氧平均耗电:17001.6KWH。上述电耗指标以制氧站配电系统进线柜上电度表的读数为依据。

6.出现的问题及改进

工程项目的建设地属平原地区,由于鼓风机压比限制,鼓风机出口温度较高。太高的温度不利于吸附,而太低的温度不利于解吸。所以为了保证氧气的产量和纯度,在鼓风机后设空气换热器还是需要的。否则很难保证在极限低温或者高温情况下氧气的品质。由于空间有限,换热器换热面积设计较小,换热效果不佳,在实际调试过程中调整了周期,正压有所下降,进塔温度才有所降低。但鼓风机出口未设置管道消音器,换热器换热面积稍小,系统阻力增加,换热器振动稍大,导致能耗增加。故在鼓风机出口加添管道消音器,在换热器出口管道上加添漏水检测装置,同时,改进操作程序和操作工况,取得了良好的效果。加装变频器实现变频启动,同时可满足低负荷运行时低能耗。

7.VPSA制氧在湿式氧化还原上的应用

江苏某集团股份有限公司,主要从事精细化工、医药、农药等行业。采用昆山锦程VPSA-2200-2B制氧机配套浙江某企业湿式氧化还原工艺,达到非常好的效果。废水信息:废水为生产农药中间体混合废水,主要有机物为邻硝基苯酚、对羟基苯氧丙酸等,含氯化钠盐,进水COD80000-100000mg/L。处理效果:通过成套湿式氧化装置处理,运行稳定,出水COD小于3000mg/LB/C大于0.4,极大的提高废水生化性,达到客户约定要求。

8.总结与展望

8.1 VPSAO-2200-2BVPSA制氧设备是www.dabao88.com采用高效专用VPSA制氧分子筛的排气高压力制氧设备,安全性非常重要。

8.2VPSAO-2200-2BVPSA制氧设备整体技术性能指标,在原有造纸行业VPSAO-2000-2B的基础上,已达到和接近国际同类产品先进水平,成套机组装备水平与国外产品存在一定差距。

8.3.1 LiX型分子筛的应用呈上升趋势。新型更高效的制氧专用分子筛还处在试验研究阶段,短时间内难以取代LiX型分子筛。

8.3.2简化流程、降低能耗、降低投资、扩大产氧规模。

8.3.3制氧工艺流程和操作工艺变化不大,重点优化操作工艺参数,简化和降低配套机组要求。例如:单级真空泵取代双级真空泵;干式真空泵取代湿式真空泵;鼓风机和真空泵风冷、模块化设计、预拼装、取消鼓风机出口的换热器等。

8.3.4工艺参数控制和负荷随机调节进一步完善和提高。

8.4昆山锦程气体VPSA制氧技术的发展,受我国机电产品总体水平的制约。以鼓风机、真空泵为例,目前的产品品种单一,单机能力小,机械效率和国外设备相比较有较大的差距,新技术采用进展缓慢。急需的压力脉动小,排气温度低的鼓风机,干式真空泵等设备,短期内难以装备VPSA制氧设备。

8.5面对现有技术水平现状,只有加大研发投入,不走跟随技术发展的老路,超前予研新一代制氧工艺。近期应充分发挥自身优势,回避短期内难以解决的技术弱势,研制新的工艺。

                           

参考文献:

1顾飞龙.变压吸附空气分离技术的开发与应用.化工装备技术.1999.47-51

2]万志国浅谈大型变压吸附制氧机的吸附器设计。《深冷技术》20127期。


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