變壓吸附制氧（VPSA）在臭氧脫硫脫硝技術的應用

　　摘要：本文介紹了變壓吸附制氧技術在工業環保領域應用的成功案例，即為臭氧脫硫脫硝裝置提供簡單易行、且高標準的現場氧氣源，并且介紹了變壓吸附制氧工藝用于臭氧氣源的優勢和特性。

　　關鍵詞： 變壓吸附 VPSA 制氧 臭氧 脫硫脫硝 環保

　　唐鋼青龍爐料有限公司球團煙氣氧化脫硝技術示范工程項目，是“十三五”國家重大研發課題，于今年5月份全線投產并取得了巨大的成功。經檢測，處理后的煙氣中球團煙氣顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別<5mg/Nm3、20mg/Nm3、30mg/Nm3，均優于國家最新公布的超低排放標準；而且運行能耗顯著低于現行其它脫硝技術，運行費用約4元/噸球團礦，比目前我國鋼鐵行業采用的主流脫硝工藝運行成本低約50%，一次建造成本也比主流工藝建造成本更低。[1]

　　在本脫硫脫硝示范項目中，臭氧發生器是其核心設備。臭氧發生器的工作原理是一定流量、露點、壓力、溫度以及潔凈條件下的氧氣，通過特定的放電結構時，在高頻高壓下產生非常強烈的介質阻擋放電，部分氧氣分子被分解為自由態的氧原子(O)，這些自由態的氧原子與未分解的氧氣分子重新結合生成臭氧(O3)，其化學反應方程為：O+O2=O3。因此，要保證臭氧發生器的穩定高效運行，則必須對其氧氣源提出更為嚴苛的技術要求。本項目中，氧氣源的技術要求如下所示：

　　1)      額定氣量(Nm3/h/臺)：650 (正常運行3臺，全負荷運行4臺，不定期倒換備機，這對氣源的負荷調節能力提出了更高的要求)

　　2)      常壓露點(℃)：≤-60

　　3)      氧純度(VOL)：90%(針對臭氧工藝并非氧純度越高越好，據相關實驗表明90%純度下效果更佳[2])

　　4)      殘油含量(Mg/ m3)：≤0.005

　　5)      固液顆粒(μm)：≤0.1

　　6)      碳氫物含量(mL/ m3)：≤20

　　7)      進氣額定運行壓力(MPa)：0.3

　　8)      進氣溫度(℃)：≤40

　　本項目的配套氧氣源采用變壓吸附制氧工藝。變壓吸附裝置在金屬冶煉、化工、工業窯爐等領域中已有廣泛應用[3]。隨著臭氧脫硫脫硝在環保領域的應用越來越廣泛，并且趨于大型化，變壓吸附制氧逐漸代替液氧貯槽，成為臭氧發生器配套的主要現場氧氣源。為配合唐鋼青龍項目的技術要求，北大先鋒采用徑向床吸附器技術和第三代制氧分子篩，并開創性的采用雙風機泵變壓吸附系統的設計——大風機泵組正常運行時，小風機泵組可以根據用戶需要在線切入或切出系統，以應對臭氧裝置對負荷調節的要求。本套變壓吸附制氧裝置有三個特點：

　　1.      為臭氧脫硫脫硝裝置提供高標準氧氣源：

　　(1)    在線壓力露點≤-72℃；

　　(2)    氧氣純度穩定，保持在90~91%范圍內；

　　(3)    排氣溫度<40℃(適宜的進氣溫度更有利于臭氧發生器散熱)；

　　(4)    進氣壓力在0.3±0.01MPa范圍內(進氣壓力穩定更有利于臭氧發生器正常工作)；

　　(5)    在系統末段加入高效低阻氧氣過濾器，確保各項指標全部優于技術要求；

　　2.      簡單易行，體現在操作靈活、負荷調節方便，切換方便：

　　(1)    操作靈活：開停機可靈活控制，氧氣源的供應能夠隨時啟動或停止——開機時，全套系統從啟動到純度達標送出氧氣只需20分鐘；停機時，系統從全負荷運行到全部停止也不超過20分鐘；

　　(2)    負荷調節方便：一鍵切換入或切出小風機，1分鐘內即可自動切換完成，另有調產模式可以控制產能從25%~100%自由切換；

　　(3)    操作方便：由于采用了先進的控制系統及方案，可以實現全遠程啟動停止、報警聯鎖、自動在線控制、一鍵啟動和無人職守。由于操作相對簡單，對操作工的專業要求也可適當放寬或由其它崗位操作員兼職以節約成本。

　　3.      本套制氧裝置還具有以下幾點優勢和特性：

　　(1)    能耗低、運行成本低：本套裝置采用北大先鋒的徑向床吸附器技術、第三代制氧分子篩和雙風機泵技術，不論是通常情況下投運3臺臭氧發生器，還是全負荷投運4臺時，在產品氧純度達90%時，折合純氧電耗均≤0.33kwh/Nm3；

　　(2)    運行穩定、維修方便，維護成本低：制氧系統組成小——只有大小2套風機泵、2臺吸附器和1套閥門儀表和控制系統。相較2套獨立系統，本裝置減少了大量閥門和儀表、控制元件。又因為北大先鋒先進的控制方案，本套裝置的穩定性、易用性和易維護程度也有了質的飛躍，再配合北大先鋒制定的預防式維護計劃，維護成本較國內同行業低約15~30%；

　　(3)    常溫操作、安全性高：由于VPSA為常溫下的低壓操作，不存在液氧、乙炔富集等危險因素，系統安全性很高，再加上敏銳的報警系統、聯鎖控制系統可有效排除安全隱患，進一步保障設備安全。

　　(4)    建設周期短、投資小、占地面積小：設備安裝工作從接收設備基礎到產氧送氣總用時不超過45天，設備占地面積僅需要約600平方米。此外，采用大小風機泵組合的單套變壓吸附系統綜合造價更低，比獨立的2套變壓吸附系統投資成本低約15~30%，而比深冷空分設備的投資收益率則更加優異；

　　(5)    噪聲小：本項目采用了一體化隔音廠房——完成設備基礎、立起鋼結構框架就交給設備安裝，待安裝完成后再安裝隔音模塊及屋頂，與設備安裝基本無交叉作業，不僅加快建廠房的速度，而且隔噪效果較普通廠房更好，驗收噪聲值≤80dB。

　　隨著我國變壓吸附制氧技術的日趨成熟，設備大型化發展趨勢明顯。相比于鋼鐵、有色冶煉等行業，用于脫硫脫硝領域的制氧設備普遍屬于中小型制氧，用戶企業則對設備操作的靈活性、易用性、整體性價比提出了更加精準和細致的要求。北大先鋒憑借對變壓吸附制氧技術多年的研發及應用經驗，對于中小型制氧設備的各項運行指標進行了不斷升級優化，以滿足復雜的工況需求。

　　綜上，北大先鋒的變壓吸附制氧裝置為唐鋼青龍爐料有限公司臭氧脫硫脫硝工藝提供了簡單易行且高標準的現場氧氣源，以滿足臭氧生成，保障后續脫硫脫硝工藝環節的用氣需求。