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，并運用該技術研制出節能型碳分子篩制氮機，分別對新、舊制氮流程條件下的產氮能力和回收率等進行了考察，節能型碳分子篩制氮機具有氮氣回收率高，能耗低，純度流量穩定，并可直接制取純度為99.995%的高純氮等優點。
關鍵詞：變壓吸附；不等勢均壓；制氮流程；節能

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備能耗低、分子篩回收率高、設備體積小，瑞氣公司于1997年開發出不等勢均壓制氮流程。經兩年的努力，應用流程開發出節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鑒定，技術水平達到國內先進水平。2001年該項目被評為溫州市科技進步二等獎，浙江省科技進步三等獎，同時，2001年3月該系列產品被列為火炬計劃和新產品計劃。至今已投放市場50余套，其中煤礦應用達10余套，制氮機運行穩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行冷凍處理，除去壓縮空氣中的水分，以減輕制氮機內分子篩的負載。這兩者的能耗決定于其設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，而后者則需改進制氮機的工藝及相關技術才能得以解決，這是提高分子篩回收率，減少制氮能耗的關鍵。

傳統的變壓吸附制氮設備除了進氣、出氣、排空氣動閥外，還有一對上均壓和下均壓氣動閥。當制氮機處于均壓狀態時，氣體分別從工作剛結束的吸附塔的進、出口分別注入解吸剛結束的吸附塔的進、出口端。均壓的目的：一是使兩塔壓力一致，減少吸附塔內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束的吸附塔轉移到解吸結束的吸附塔，減少了排空氣體的數量，從而提高了氮氣回收率。

均壓結束后，兩塔內氮氣純度大體一致，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移到解吸塔均壓的結果是兩塔氣體純度不一致，解吸塔內氮氣純度比吸附塔高，解吸塔進入工作狀態，吸附塔進入解吸狀態，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、試驗結果
采用國內兩個廠家及日本生產的碳分子篩進行對比試驗，試驗結果見表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氮能力和回收率，其試驗結果如圖1所示。

改變吸附周期，考察氮氣回收率和出口氮氣純度，其試驗結果如圖2所示。

3、試驗結果分析
（1）從表1 可見，日本分子篩的產氮率和回收率比國產分子篩好，而國產A又優于國產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。當氮氣純度不大于99%時，新流程的回收率比老流程高出10%左右；當氮氣純度為99.9%時，新流程的回收率比老流程高出29%；當氮氣純度為99.99%時，新流程的回收率比老流程高出73%；當氮氣純度為99.999%時，新流程的回收率比老流程高出157%；當氮氣純度為99.995%時，老流程的回收率已無實際意義。分子篩產氮率的變化規律也與回收率類同。
（3）從圖2可見，出口氮氣純度隨著吸附周期的增大而提高，當達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
與傳統的碳分子篩制氮機相比，該產品具有如下特點：
(1)氮氣回收率高，單位能耗低。以99.9%為例，標準狀態下單位氮氣能耗為0.3kW.h/m³,比老產品減少 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對氫指標的用氣問題。
(3) 供氣穩定、可靠，設備自動化程度高，具有智能保護、遠程控制功能，設備使用壽命長。

4、結語
（1）由于日本碳分子篩的產氮率和回收率均優于國產碳分子篩，故節能型碳分子篩全部采用日本生產的碳分子篩。
（2）節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，填補了國內不足。
（3）提高吸附壓力有利于提高節能型碳分子篩的產氮能力，且回收率保持不變。