摘要：本文介绍了变压吸附制氧技术在工业环保领域应用的成功案例，即为臭氧脱硫脱硝装置提供简单易行、且高标准的现场氧气源，并且介绍了变压吸附制氧工艺用于臭氧气源的优势和特性。

关键词： 变压吸附 VPSA 制氧 臭氧 脱硫脱硝 环保

唐钢青龙炉料有限公司球团烟气氧化脱硝技术示范工程项目，是“十三五”国家重大研发课题，于今年5月份全线投产并取得了巨大的成功。经检测，处理后的烟气中球团烟气颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别＜5mg/Nm³、20mg/Nm³、30mg/Nm³，均优于国家最新公布的超低排放标准；而且运行能耗显著低于现行其它脱硝技术，运行费用约4元/吨球团矿，比目前我国钢铁行业采用的主流脱硝工艺运行成本低约50%，一次建造成本也比主流工艺建造成本更低。^[1]

在本脱硫脱硝示范项目中，臭氧发生器是其核心设备。臭氧发生器的工作原理是一定流量、露点、压力、温度以及洁净条件下的氧气，通过特定的放电结构时，在高频高压下产生非常强烈的介质阻挡放电，部分氧气分子被分解为自由态的氧原子（O），这些自由态的氧原子与未分解的氧气分子重新结合生成臭氧（O₃），其化学反应方程为：O＋O₂＝O₃。因此，要保证臭氧发生器的稳定高效运行，则必须对其氧气源提出更为严苛的技术要求。本项目中，氧气源的技术要求如下所示：

1)      额定气量（Nm³/h/台）：650 （正常运行3台，全负荷运行4台，不定期倒换备机，这对气源的负荷调节能力提出了更高的要求）

2)      常压露点（℃）：≤-60

3)      氧纯度（VOL）：90%（针对臭氧工艺并非氧纯度越高越好，据相关实验表明90%纯度下效果更佳^[2]）

4)      残油含量（Mg/ m³）：≤0.005

5)      固液颗粒（μm）：≤0.1

6)      碳氢物含量（mL/ m³）：≤20

7)      进气额定运行压力(MPa)：0.3

8)      进气温度（℃）：≤40

本项目的配套氧气源采用变压吸附制氧工艺。变压吸附装置在金属冶炼、化工、工业窑炉等领域中已有广泛应用^[3]。随着臭氧脱硫脱硝在环保领域的应用越来越广泛，并且趋于大型化，变压吸附制氧逐渐代替液氧贮槽，成为臭氧发生器配套的主要现场氧气源。为配合唐钢青龙项目的技术要求，北大先锋采用国内最先进的径向床吸附器技术和第三代制氧分子筛，并开创性的采用双风机泵变压吸附系统的设计——大风机泵组正常运行时，小风机泵组可以根据用户需要在线切入或切出系统，以应对臭氧装置对负荷调节的要求。本套变压吸附制氧装置有三个特点：

1.       为臭氧脱硫脱硝装置提供高标准氧气源：

(1)    在线压力露点≤-72℃；

(2)    氧气纯度稳定，保持在90~91%范围内；

(3)    排气温度＜40℃（适宜的进气温度更有利于臭氧发生器散热）；

(4)    进气压力在0.3±0.01MPa范围内（进气压力稳定更有利于臭氧发生器正常工作）；

(5)    在系统末段加入高效低阻氧气过滤器，确保各项指标全部优于技术要求；

2.       简单易行，体现在操作灵活、负荷调节方便，切换方便：

(1)    操作灵活：开停机可灵活控制，氧气源的供应能够随时启动或停止——开机时，全套系统从启动到纯度达标送出氧气只需20分钟；停机时，系统从全负荷运行到全部停止也不超过20分钟；

(2)    负荷调节方便：一键切换入或切出小风机，1分钟内即可自动切换完成，另有调产模式可以控制产能从25%~100%自由切换；

(3)    操作方便：由于采用了先进的控制系统及方案，可以实现全远程启动停止、报警联锁、自动在线控制、一键启动和无人职守。由于操作相对简单，对操作工的专业要求也可适当放宽或由其它岗位操作员兼职以节约成本。

3.       本套制氧装置还具有以下几点优势和特性：

(1)    能耗低、运行成本低：本套装置采用北大先锋最先进的径向床吸附器技术、第三代制氧分子筛和双风机泵技术，不论是通常情况下投运3台臭氧发生器，还是全负荷投运4台时，在产品氧纯度达90%时，折合纯氧电耗均≤0.33kwh/Nm³；

(2)    运行稳定、维修方便，维护成本低：制氧系统组成小——只有大小2套风机泵、2台吸附器和1套阀门仪表和控制系统。相较2套独立系统，本装置减少了大量阀门和仪表、控制元件。又因为北大先锋先进的控制方案，本套装置的稳定性、易用性和易维护程度相比同行业也有了质的飞跃，再配合北大先锋制定的预防式维护计划，维护成本较国内同行业低约15~30%；

(3)    常温操作、安全性高：由于VPSA为常温下的低压操作，不存在液氧、乙炔富集等危险因素，系统安全性很高，再加上敏锐的报警系统、联锁控制系统可有效排除安全隐患，进一步保障设备安全。

(4)    建设周期短、投资小、占地面积小：设备安装工作从接收设备基础到产氧送气总用时不超过45天，设备占地面积仅需要约600平方米。此外，采用大小风机泵组合的单套变压吸附系统综合造价更低，比完全独立的2套变压吸附系统投资成本低约15~30%，而比深冷空分设备的投资收益率则更加优异；

(5)    噪声小：本项目采用了一体化隔音厂房——完成设备基础、立起钢结构框架就交给设备安装，待安装完成后再安装隔音模块及屋顶，与设备安装基本无交叉作业，不仅加快建厂房的速度，而且隔噪效果较普通厂房更好，验收噪声值≤80dB。

随着我国变压吸附制氧技术的日趋成熟，设备大型化发展趋势明显。相比于钢铁、有色冶炼等行业，用于脱硫脱硝领域的制氧设备普遍属于中小型制氧，用户企业则对设备操作的灵活性、易用性、整体性价比提出了更加精准和细致的要求。北大先锋凭借对变压吸附制氧技术多年的研发及应用经验，对于中小型制氧设备的各项运行指标进行了不断升级优化，以满足复杂的工况需求。

综上，北大先锋的变压吸附制氧装置为唐钢青龙炉料有限公司臭氧脱硫脱硝工艺提供了简单易行且高标准的现场氧气源，以满足臭氧生成，保障后续脱硫脱硝工艺环节的用气需求。

参考文献：

[1] 魏清源. 中国冶金报 世界首台（套）氧化工艺球团烟气超低排放示范工程在河钢投用 2020年08月11日头版头条

[2] 韩慧，白敏冬. 大连海事大学学报 变压吸附技术及其对臭氧浓度影响的研究. 2001：27（1）

[3] 姜贺  中国有色冶金 变压吸附制氧技术的发展 2014年第2期64-66