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VPSA制氧机经济性分析
2020-07-22


VPSA制氧机经济性分析

(昆山锦程气体设备有限公司)

摘要:

    目前,氧气的制取工业上主要有两种方法:深冷空分法和变压吸附法。本文就两种方法进行了比较说明。介绍了真空变压吸附VPSA制氧机能耗的计算,阐述了VPSA制氧机在一些现场供气领域的经济性优势。可作为投资的参考。

关键词:VPSA  深冷法  能耗计算  经济性    制氧设备

氧气的应用

    氧气是气体工业中数量最大的品种,广泛应用于化学工业、冶金工业等部门中。在过去十几年间,已经开发了各种各样的氧气应用技术,且成功地应用于许多工业生产中。氧

的化学性质非常活泼,很容易与其他物质化合而成氧化物,在氧化反应中会产生热量,因此氧可以助燃。随着氧气浓度的提高,氧气反应将加剧,利用这一性质,可以强化生产工艺。

    冶金工业消耗大量氧气,富氧炼铁、富氧炼钢、炼铅、炼钨、炼锌等在发达国家已被广泛采用。

    在炼钢过程中吹以高纯度的氧气,氧便和碳及磷、硫、硅等起氧化反应。这不单降低了钢的含碳量,还有利于清除磷、硫、硅等杂质。而且,氧化过程中产生的热量足以维持炼钢过程所需的温度。因此,吹氧不但缩短了冶炼的时间,同时提高了钢的质量。

    工艺用氧中,纯氧顶吹转炉用氧纯度要求在99.5%以上。因为氧纯度降低,将增加钢中的含氮量,影响钢的质量。平炉用氧在炉头吹氧的作用是增加空气中的氧浓度,提高燃料燃烧温度。它对氧纯度无严格要求,供氧压力为6~8公斤/厘米,用氧量为30标立方米/吨钢左右。炉门吹氧是从炉门插入吹氧管向熔池吹氧,用氧条件无严格要求,用氧量5~20标立方米/吨钢。炉顶吹氧是从炉顶插入氧枪向熔池吹氧,氧纯度要求不小于93%,用氧压力8~10公斤/厘米2,吹氧量15~30标立方米/吨钢。平炉用氧对供氧连续性的要求不像顶吹转炉那麽严格,只是影响冶炼时间。

    电炉炼钢原有工艺用氧,要求氧纯度大于98%,含水量低于3克/标立方米,用氧压力在5~10公斤/厘米,耗氧量对普通钢为10~15标立方米/吨钢,合金钢为20~30标立方米/吨钢。而现今,发展短流程电炉钢已成为趋势,用氧量一般为30~40标立方米/吨钢,氧气质量要求降低,逐步推广现场PSA制氧装置已成为潮流。

    对高炉炼铁,提高鼓风中的氧浓度可以降焦比,提高产量。根据经验,每增加1%O,焦比降低1%,产量提高3~4%。高炉富氧鼓风一般要求氧浓度为24~25%O,因此对氧纯度并无要求。如果氧气加在鼓风机後,要求氧压略高于鼓风压力即可。由于高炉的鼓风量很大,因此氧气消耗量不小。例如,对1500M的高炉,空气增浓到24.5%O,每小时就需消耗10000标立方纯氧。现高炉开发了氧煤直接燃烧工艺,用90%或98%的氧去直接烧煤,消除了把氧加入鼓风这种老办法的附带缺点,即氧的鼓风漏损和高温富氧条件下热风炉阀门的讯速腐蚀,使氧的应用更为合理。

    对于其他工业窑炉,由于富氧显著的助燃功能,若能增加氧含量4~5%,火焰温度便可以升高200~300℃。鉴于这一点,国外已纷纷启用富氧助燃技术。日本政府已决定,从1990年起,工业用大、中型锅炉,船舶动力装置的锅炉以及取暖锅炉都不得用普通空气燃烧,而要用富氧空气。目前,采用富氧熔炼金属,加热助燃已成为国际节能的热点之一。

    在合成氨工业中富氧块煤连续气化,简化了操作,减少了系统阻力,提高单炉生产能力2.5倍左右,同时降低了能耗,吨氨节约原料煤225KG(以标煤计)。蒸汽完全自给,且还能输送蒸汽196KG/吨氨,造气系统综合能好可以降低约5×10KJ/吨氨,煤种和粒度的适应性强。化工工艺中对氧气纯度的要求通常取决于生产何种化工产品,以及在化工生产流程中采用何中气体净化技术,更取决于经济分析。例如,生产合成氨采用液氮洗净化时,可以采用92%和98.5%纯度的氧气。

    在造纸行业中,氧气萃取漂白(E+F)和中等浓度氧气脱木工艺(MCOD)正在备用来降低化学成本,同时用来减少氯化有机物和生物氧用量,以及废液中的染料。与全氯或氯基生产相比较,氧气漂白及脱木是一种更为节能的一种工艺。由于纸浆是一种连续的需要稳定供氧的工艺,根据其氧气的需求量,通常采用变压吸附作为理想的供气方式。

富氧还被广泛应用于医疗保健。在医院原本一直采用钢瓶供氧,而今先进的集中供氧系统已被广泛采用。集中供氧系统采用集中供气(一般是液氧或钢瓶气),使PSA制氧在医院的应用成为现实。由于PSA制氧机的方便性和经济性,很多医院已经接受。

氧气的制取

    空气中的氧氮等分别以单独的分子状态存在。分子是保持它原有性质的最小颗粒,且数目多并不停地作无规则运动,因此氧、氮分子是均匀地相互搀混在一起,要将它们分离需要采取一定的措施,目前主要有两种方法:

1、深冷空气分离法

 深冷法是先将空气压缩,再膨胀降温,冷却後液化。然後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。

2、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,达到吸附平衡後,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。

3、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

氧装置是近20多年中发展起来并被市场广泛接受的技术,VPSA技术开发时间更短。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,主要设备仅鼓风机、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。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。

c、运行控制

    VPSA装置能自动无负荷的运转,且停车12小时内,吸附塔内气氛稳定,重新开车後几分种就能出产品。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。

d、维修费用

    VPSA装置本身很简单,运转机器的数量少,近似常温常压下操作,维修保养工作量少,费用低。而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。

e、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,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。

VPSA能耗计算

    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1NM氧气需消耗多少度电来表示制氧机的能耗。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。

       表1 深冷流程压力能耗表

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

目前国内深冷现状是,小机组能耗高,大机祖闲置或放空,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。初期的变压吸附制氧装置大多为正压变压吸附,即高压吸附,常压解吸,能耗很高约为0.7KWH/NM。随着分子筛技术的发展,流程更为合理,国内现已开始广泛采用真空变压吸附,即稍高常压吸附,真空解吸,使能耗大为降低。真空变压吸附(VPSA)制氧流程能耗主要有两部分,及鼓风机鼓风和真空泵解吸。
鼓风机能耗取决于工艺流程的需要进气量,依据进气量选定鼓风机型号,则鼓风机能耗:

N  轴功率  Kw

ηe 传动效率

Q  产品气量  Nm3O2/h

真空泵能耗取决于解吸所需抽取的气量及解吸真空度。不同的解吸时间,真空泵的瞬时抽气量和功率不同,则某一微量时间段内真空泵能耗:


真空泵能耗:

 式中: Q(t)  t 时刻真空泵抽气量  m3/h

        N(t)  t时刻真空泵能耗     Kw

        T    解吸时间            s  


    用KWH/NM作单位表示,则真空泵能耗为:

        式中: t1 流程循环时间  s

               Q 产品气量      Nm3O2/h

VPSA流程总能耗为:国内VPSA流程,采用先进流程,能耗已达到0.42KWH/NM水平。

VPSA氧气成本计算

    工艺需氧可以通过几种方式满足,购买氧气或制氧机现场供气。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。VPSA制氧和市场购买氧气成本差异很大,而与深冷制氧相比,其投资小,能耗小,成本也低。

    VPSA制氧机可实现全自动控制,其产品氧气成本主要为电耗和设备投资。

现以1000NM/H VPSA制氧机为例,进行成本和预期利润率计算。

2 氧气成本计算:

A

单位产气电耗

0.45

KWH/Nm3O2

B

辅助设备能耗=A×0.1(包括水冷)

0.045

KWH/Nm3O2

C

电价

0.5

RMB/KWH

 

可变成本:VC=C×(A+B)

0.2475

RMB/Nm3O2

D

总投资

 

 

 

设备投资

8,000,000

RMB

 

共用工程

500,000

RMB

 

总计

8,500,000

RMB

E

氧气年产量:=1000Nm3/H×24H×350天

8,400,000

Nm3

F

10年后设备折旧=D×10%

850,000

RMB

G

设备折旧(年)=(D-F)/10

765,000

RMB

H

年息=D×8%×1/2

340,000

RMB

I

年维修费=D×0.025

212,500

RMB

 

固定成本:FC=(G+H+I)/E

0.1568

RMB

 

氧气成本=VC+FC

0.4043

RMB

3 预期利润率计算:

J

氧气市场价格

1.5

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

1.0957

RMB/Nm3O2

L

每年节省费用= K×E

9,203,880

RMB

M

投资回收期=D/(L+G)

0.853

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,只要工艺能满足要求,VPSA制氧机是非常经济的选择。

结语

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。



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