比较氧气供氧方案

   工艺氧气可以通过几种方式满足，购买氧气或氧气机现场供气。对于大气用户，如果不是氧气机现场供气，则使用液氧储罐通过汽化器供气。本文比较了本项目的三种氧气供应方案，供用户参考。

一、深冷空气分离法

   深冷法是先压缩空气，然后膨胀冷却，冷却后液化。然后，氧氮的沸点温度不同(大气压下氧的沸点为-182.98℃，氮的沸点为-195.8℃），在某些设备-蒸馏塔中，通过高温蒸汽与低温液体的相互接触，蒸汽中有更多的氧气凝结，液体中有更多的氮气蒸发。通过多次接触，空气分离为氧和氮。

冷空分设备工艺流程简图

   空气通过过滤器吸入压缩机压缩，进入回热器，冷却较终冷却器和预冷却装置，然后进入纯化器去除水、二氧化碳、乙炔等碳氢化合物。

   净化后的空气分为两部分。一股气体进入分馏塔的主热交换器，回流气体冷却至液化温度，然后进入下塔。初步蒸馏后，下塔顶部获得液氮，底部获得富氧液空。另一股气体由与透平膨胀机同轴的增压器增压。主热交换器冷却后，膨胀机直接作为拉赫曼进气进入塔用塔的蒸馏能力。

   下塔液空和液氮通过冷却器冷却后节流进入上塔，作为上塔的回流液参与蒸馏。结果，上塔顶部获得氮气，上塔底部获得氧气。产品氧和氮通过冷却器和主热交换器回收冷却量，然后从冷却器中取出。

主要设备：

进口空气过滤器

离心式空气压缩机组

预冷机组

纯化器组

分馏塔(冷箱)

膨胀机

仪控系统

电控系统

一般技术参数:(全低压工艺)

氧气纯度：

≧99.6%

产品塔压：

0.029MPa

操作压力：

0.55MPa

启动时间：

36h～48h

运转周期：

12～16Months

主要电耗设备：

空压机：

电机功率

预冷机组：

电机功率

纯化器：

再生电加热器功率

二、变压吸附制氧技术

   性能好的吸附剂是实现的PSA分离的前提和条件。吸附剂是一种具有多孔结构的固体颗粒，因此高孔隙率和高比表面积是其重要特征。此外，吸附剂还具有选择性的吸附性能，即对混合气体的组分具有不同的吸附容量。

   在物理吸附过程中，改变压力或温度可以改变吸附的动态吸附容量。对于等温条件下的气体混合物，由于分压升高，吸附剂对吸附成分的吸附量增加，分压降低。这样，吸附剂在高压下吸附，达到吸附平衡，然后降低压力，释放吸附的气体成分，吸附剂再生。这就是变压吸附过程。

   变压吸附制氧是利用氧和氮分子的直径差异，通过分子筛（通常是泡沫沸石）将空气分离出氧和氮来获取氧。这种吸附方法是一种平衡吸附，也有不同速度的速度吸附。该吸附制氧方法必须有多塔切换工艺（压力升高时吸附，压力降低时解吸），可实现自动控制。

VPSA该工艺是国内外常用的先进制氧工艺。原料空气通过入口过滤和消声器由罗茨鼓风机送入A塔、空气通过分字筛吸附床层，氮气被吸附，氧气产品进入缓冲罐，然后由压缩机压到用户所需的压力。A塔工作，此时B塔进行再生，由真空泵抽真空解吸。A塔工作结束，A、B两塔均压，然后进入B塔工作，A塔的再生阶段。两塔切换，实现连续运行。

主要设备：(VPSA流程)

空气进口过滤器和消声器

罗茨鼓风机组

吸附塔

真空泵机组

仪控系统

电控系统

一般技术参数：

氧气纯度：

93%

产品塔压：

0.01MPa

操作压力：

0.02MPa

启动时间：

5min

主要电耗设备：

鼓风机：

电机功率

真空泵：

电机功率

三、由液氧储罐供气

   用户用氧量大，用气瓶或中压气罐不可行。低温液氧产品必须用低温储罐和低温液体储罐车储存和运输。目前的储罐一般是双层真空粉末保温低温液体储罐。

   低温储罐设置一般需要附加稳定的液氧供应，以解决气源问题，还需要增加压力调节阀组和汽化器，以实现工业供气。

主要设备：

真空绝热低温储罐

调压阀组

汽化器

低温高压泵(高压用户)

一般技术参数：

压力等级：

0.2MPa、0.8MPa、1.6MPa

设计温度：

-183℃

日蒸发率：

0.84～0.19%/d（1200L～100000L）

气液换算：

1m3液氧﹦800气氧(标态)

四、VPSA比较深冷法

   深冷空气分离制氧已有近百年的历史，工艺流程不断改进。现代生产装置采用分子筛净化、高效平整、填料塔、内部增压等工艺和工艺，降低了能耗和基础设施成本。PSA制氧装置是一种在20多年内被市场广泛接受的技术﹐VPSA技术开发时间较短。

VPSA比较深冷法各有特点：

ａ、流程比较

   VPSA制氧装置工艺简单，设备数量少。主要设备有鼓风机、吸附塔、储气罐、真空泵和部分阀门，而深冷制氧机工艺复杂。主要设备包括空气压缩机、过滤器、膨胀机、蒸馏塔、净化装置、一组换热器等。

ｂ、基建费用

   VPSA设备数量少，基础设施成本低，对厂房要求低，基础设施成本仅占设备总投资的5%～10%。深冷制氧机设备复杂，安装要求高，周期长，基础设施投资高。其冷却箱和冷却材料（珠光砂）需要大量资金，基础设施成本占设备总投资的20%～40%。

ｃ、运行控制

   VPSA该装置可自动无负荷运行，停车后，吸附塔内气氛稳定，重新开车后可生产多种产品。简单的启动和停车可以避免电力高峰运行，降低生产成本。深冷分离装置的操作更为复杂，而不是简单的启动和停车，重新驾驶需要36～48小时。VPSA该装置可实现无人操作和自动操作，而深冷设备的操作需要随时安排专人轮班调整。

ｄ、维修保养

   VPSA该装置本身非常简单，操作机器数量少，常温常压下操作，维护工作量少，成本低。设备的年驾驶率约为98%，其中50%是由于冷却水供应和电力故障等故障而停止的。设备的正常维护和停车时间约为每年5天，用于风扇真空泵注油。动态设备的定期维护和操作人员负责空气过滤器中无纺布的定期更换（周期为1月至2月）。分子筛的使用寿命超过10年。切换阀座一般每两三年更换一次，真空泵轴承和油封在正常使用条件下的使用寿命为3至5年。

   深冷装置在低温下运行，机器运行复杂，维护成本和维护时间均比VPSA有很多设备。此外，深冷空气有一个运行周期。小型设备运行几个月后需要增加温度。设备和管道用蒸汽清洗解冻。加热解冻时间一般为36小时，停车时间较长。

ｅ、设备能耗

   氧气制造商的产品是氧气，消耗电能。为了衡量氧气制造商的经济性，台Nm3氧气需要多少度来表示制氧机的能耗。

   VPSA工艺氧能耗已达到相当水平，设计能耗为0.43KWH/Nm从而降低了设备的运行成本。

深冷空分能耗由其工艺决定，几种主要工艺能耗如下表所示：

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

   决定其能耗的一个重要因素是过程压力，即其能耗与过程压力的对数成正比。目前，大型空分装置通常采用全低压工艺，即带透平膨胀机的卡皮检查循环的空分工艺，而小型空分设备采用带膨胀的中压工艺。同时，对于深冷制氧机，产量越小，提取率越低，能耗越高。

   小型氧氮设备性能参数

氧气产量

Nm3/Hr

氧气纯度

%

氧、氮

产量比

氮气纯度

%

流程型式

单位氧电耗１

KWh/m3

运转周期２

月

20

≧99.2

≧2

≧99.5

G

1.85

3

50

100

150

Z

1.36

1.31

1.27

6

200

300

400

500

Z

(D)

1.22

1.15

1.08

1.00

9

600

800

1～2

D

0.70

0.65

12

注：1.单位电耗不包括压氧电耗值，单位电耗基于分馏塔空气量的设计值

   2.运转周期指分馏塔两次大加温的时间

ｆ、流量调节

   氧气产量一般根据用户工艺氧气的较大要求进行设计。如果用户不需要满负荷驾驶，则需要单独储存甚至清空多余的氧气。流量调节是评估氧气发动机经济性的重要指标。

   在设计深冷空分时，需要考虑几种生产方案。为了达到所需的纯度和产量，需要仔细调整，以达到一定的材料平衡和冷却平衡。其流量调节是一项操作水平要求较高的工作，不仅需要对设备有详细的了解，而且需要非常熟悉工艺。

   VPSA制氧机，可以采用变频技术，不仅可以降低能耗，还可以方便调节流量。现在设计的VPSA20%的制氧机～无级调节流量在100%范围内，调节方便，可实现自动调节(或远程控制)。

ｇ、产品用途

   VPSA与深冷法相比，其产品气体单一，氧气纯度低。深冷法可同时生产高纯度氧氮产品，可实现稀有气体的全提取。所需气量越大，经济性越好，深冷法产品易于经济储存和运输。但两者的选择完全取决于工艺要求和投资策略。

   目前国内深冷现状是小机组能耗高，大机组闲置或空置，设备综合利用率低。大多数空分设备都是配套设备，主导产品大多是气体。如果只需要氧气，氮气就是多余的产品。国内的做法大多是空的，浪费严重。

ｈ、深冷优势

   深冷的较大优势是其产量和纯度。目前，上海宝钢5的较大产量是中国＃氧气产量7.2万Nm3/Hr。目前，95年投产的国内钢厂1万台变压吸附制氧机设备不多。Nm3/Hr，当时，它已经是中国较大的设备了。目前，大多数国内变压吸附制氧机产量较小，一些较大的设备由于各种原因无法满足要求或纯度不足，这与一些国内厂家配套设备选择不当有关。

   深冷制氧机的纯度一般可达99.6%能满足大部分工业生产需求。VPSA制氧机的纯度一般为93%，其中4%.5%氩，氧分子筛不能分离，限制了其应用范围。目前开发了高纯度变压吸附制氧机，纯度可达98%以上，但目前成本较高，仅适用于小型设备。

   从两种制氧方法可以看出，深冷和VPSA氧气有自己的特点，不能选择简单的好坏，他们在各自的应用范围内都有自己独特的优势。就经济而言，如果纯度没有特殊要求，产量小于5万Nm3/Hr宜采用VPSA制氧，产量5000～8000 Nm3/Hr两者各有优势，如产量超过8000 Nm3/Hr应采用深冷制氧。

五、VPSA比较氧气和液氧储罐的成本

(以用氧200Nm3/Hr为例)

液氧储罐氧气成本计算：

Ａ

液氧单价

1200

RMB/m3

可变成本：VC=A/800

1.5

RMB/Nm3O2

Ｂ

总投资

储槽投资（20000L，0.8MPa）

300,000

RMB

汽化器(200m3/h)

30,000

RMB

总计

330,000

RMB

C

氧气年供：

=200Nm3/Hx24Hx350天

1,680,000

Nm3

D

设备10年后折旧=Bx10%

33,000

RMB

E

设备折旧(年)=(B-D)/10

29,700

RMB

F

年息=Bx8%x1/2

13,200

RMB

G

年维修费=Bx0.025

8,250

RMB

固定成本：FC=(E F G)/C

0.0304

RMB/Nm3O2

氧气成本=VC FC

1.5304

RMB/Nm3O2

VPSA氧气成本计算：

A

单位产气耗电

0.45

KWH/Nm3O2

B

辅助设备能耗=Ax0.(含水冷)

0.045

KWH/Nm3O2

C

电价

0.5

RMB/KWH

可变成本：VC=Cx(A B)

0.2475

RMB/Nm3O2

D

总投资

设备投资

1,940,000

RMB

共享工程及安装

305,000

RMB

总计

2,245,000

RMB

E

氧气年产量：

=200Nm3/Hrx24Hx350天

1,680,000

Nm3

F

设备10年后折旧=Dx10%

224,500

RMB

G

设备折旧(年)=(D-F)/10

202,050

RMB

H

年息=Dx8%x1/2

89,800

RMB

I

年维修费=Dx0.025

56,125

RMB

固定成本：FC=(G H I)/E

0.2071

RMB/Nm3O2

氧气成本=VC FC

0.4546

RMB/Nm3O2

预期利润率计算：

J

储罐供气价格

1.5304

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

1.0758

RMB/Nm3O2

L

每年节省成本=Kx年消耗量

1,807,344

RMB

M

投资回收期=D/(L G)

1.12

年

   作为辅助设备，通过计算可以看出 VPSA只要工艺能满足长期需氧用户的要求，制氧机投资少，见效快，投资回收期短。VPSA制氧机是一种非常经济的选择。

六、结语

   VPSA氧气机生产的氧气纯度大于90%。同时，由于其方便的开停和流量调节功能，更适合水处理、纸浆漂白和富氧助燃域?并且，设计可靠的VPSA制氧机能长期稳定的工作，开车率高，维修量少，是水处理焚烧等用氧源的理想选择，亦都采用同类流程?

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。