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给排水工程师
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低温法与PSA法生产压力氮气? 低温法与PSA法生产压力氮气 【 论文摘要 】压力氮气生产,现在有低温法、PSA法和薄膜法三种方法。本文指的氮气具有0.1MPa(表压,下同)以上的压力,因此排除了常规低温法空分流程中从上塔生产低压氮、氮气作为氧气副产品(压力一般在0.02MPa左右)的那种方法。本文指低温法,是指专门生产压力氮气,或者主要生产压力氮气,氧气作为副产品的那种低温法空分设备。 压力氮气生产,现在有低温法、PSA法和薄膜法三种方法。本文指的氮气具有0.1MPa(表压,下同)以上的压力,因此排除了常规低温法空分流程中从上塔生产低压氮、氮气作为氧气副产品(压力一般在0.02MPa左右)的那种方法。本文指低温法,是指专门生产压力氮气,或者主要生产压力氮气,氧气作为副产品的那种低温法空分设备。 由于目前专门介绍PSA制氮,论述又比较全面详尽的专业文章并不多见,因此,本文中论述PSA制氮经济性方面的资料多出于Carbo Tech-Anlagenbau GmbH公司的A.Schulte-Schulze Berndt所撰写的“变压吸附法生产氮气”(nitrogen Production based on Pressure Swing Adsorption)一文。该文是时任国际制冷学会A3委员会主席、英国BOC公司的WALTER F CASTLE先生在1998年由浙江大学主办的中国第二届国际制冷会议上赠送给我的,因而也不清楚刊登在哪份科技刊物上,从文中内容看,该文写于1997年。据Castle先生介绍,这是一篇当时论述PSA制氮的比较权威的文献。6年过去了,PSA技术应该有很多进步,但我认为这些数据还是很有参考价值的。如果读者诸君手头有更新更先进的数据,欢迎指正和批评。我也尽可能查阅了我能找到的国内关于PSA制氮装置的文章和样本【1】、【2】、【3】、【4】、【5】,确实也没发现有经济指标更优于上述文献的有关报道。 1 、 一般介绍 今年是德国林德公司的创始人卡尔·林德先生发明低温法空分设备100周年。100年来,低温法空分流程和设备有了巨大的进步。纵观空分流程和设备100年的发展史,是以不断降低产品氧、氮的单位电耗作为其主线的。可以肯定地说,空分流程和设备以后的发展,仍然要以降低产品氧氮的单位电耗作为其主要的努力方向和奋斗目标。 用碳分子筛通过变压吸附工艺生产氮气也已有了25年历史,世界上第一台工业用PSA制氮装置是在1976~1977年安装完成的。PSA制氮装置25年的发展史,和低温法空分装置一样,也主要是为了提高氮的提取率,降低单位制氮电耗。因为对长期连续运行的气体生产设备来说,原料空气是不要钱的,经常性运行费用是这种设备的最主要支出,降低气体产品的单位电耗,在很多场合下比节省这些设备的一次投资还要有意义和更有价值。 低温法压力氮设备,小到每小时100m3,大到每小时33.5×104m3,可以按照用户要求的产量和纯度设计制造,氮中含氧量可以达到百万分之一(1PPm)甚至亿万分之一(1PPb,等于千分之一PPm),在技术上都没有什么困难。 PSA 制氮设备 对产量和纯度都有一定的限制。由于经济上的原因工业用PSA制氮装置适用于中小流量1~1500m3/h和中等纯度(含氧100×10-6)。一般来说,当含氮为95﹪时,单台PSA装置规模可达3000m3/h(西梅卡亚州气体系统成都有限公司的产品样本可达6000m3/h);当含氮为99.5﹪时,单台规模可达1000m3/h;当每小时产量仅为几个m3时,氮中含氧量可达10×10-6以下,但这时单位电耗很高,比液氮汽化的价格要贵得多。要获得较大流量、较高纯度的氮气,必须用扩展型PSA系统,即要在PSA系统的下游增设加氢脱氧或其它除氧工艺,这会使投资的运行费用增加,在经济上不一定划算。 图1给出了PSA制氮系统的应用范围。 低温法制氮设备的正常工作温度在-180℃左右,因此装置需要一定的起动时间,一般为13~20小时。短期停车后重新起动到恢复供氮,也要数个小时,视停车时间的长短而不同。因此,低温制氮装置适合于长期连续运行不间断的供氮,不适于经常需要停停开开的场合。 PSA 制氮设备在常温下运行,起动很快,一般开车后30分钟之内就可提供产品,适合于间断用氮,经常需要停停开开的场合。 PSA 制氮设备在常温下运行,起动很快,一般开车后30分钟之内就可提供产品,适合于间断用氮,经常需要停停开开的场合。 PSA 装置在起动后一般无需人看管,可以实现无人操作。现代低温法制氮设备虽然也可以实现自动起动、自动停车和无人操作,但设备投资要增加不少,所以一般都需要专职操作人员来操作和管理。 PSA 制氮装置只能生产单一气氮产品。低温法制氮设备除生产压力氮气外,还能同时生产部分液氮产品或副产一些氧气,这对某些用户有很有利的。 2 、 两种方法氮气提取率与单位制氮电耗的比较 前面已提到,气体设备的一个主要经济指标是产品的单位电耗。低温法制氮设备的氮气单位电耗要明显小于PSA制氮设备,这是没有疑问的。 氮气的单位电耗,与氮气的压力有很大关系,因此,比较时要按相同压力的氮气来比较。单位电耗与产品纯度也有很大的关系,一般来说,随着氮中含氧量的减少,单位电耗升高。 苏州市兴鲁空分设备科技发展有限公司的前身是江阴市兴鲁空分设备有限公司,在1996年6月曾委托当时的机械工业部气体分离与液化设备产品质量监督检测中心对该公司的KDN-800/50Y型制氮设备进行过性能测试,测试结果为氮中含氧量<3×10-6,单位制氮耗电为0.283KW.h/m3N2,氮气产品压力为0.55MPa,该装置氮气的提取率为52﹪。 PSA 制氮装置的氮提取率要明显低于低温法制氮装置,见图2。 不同氧含量时的单位制氮电耗见图3。本文中PSA的单位制氮都是指标准型PSA制氮装置,其氮气产品的压力为0.6MPa。 上面介绍的低温法制氮装置的产品氮压稍低于标准型PSA装置的产品氮压。当氧气压力提高到0.6MPa时,氮气的单位电耗约为0.3 KW.h/m3N2,同时还可以生产更多的液氮(已有这种产品在运行,单位电耗0.3 KW.h/m3N2已经由用户验收,但未经检测中心检测)。 图4给出了1996年时工业规模PSA装置与实验室规模PSA装置氮气提取率的比较,实验室规模PSA装置的氮气提取率明显要高得多,相应的氮气单位电耗也有不少降低(可以按图数据计算出来),但仍然要比低温法制氮装置的单位电耗高。 图5是1996年时工业规模的PSA装置与实验室规模PSA装置在不同氮纯度时每立方米碳分子筛的产氮量比较。 高压PSA装置的缺点是比功率(氮气单位电耗)明显增大。在含氧0.1﹪时,氮气压力1.0MPa时的比功率要增大20﹪,1.3MPa时比功率要增大40﹪。含氧0.5﹪时,1.3MPa时的比功率要增大5~12﹪(与同纯度氮压0.6MPa时相比)。 为了降低氮气的单位电耗,同时在很多场合氮气的使用压力也不要那么高,所以后来又出现了真空解吸 变压吸附装置 (VPSA),这种装置在0.1~0.2MPa的压力下吸附,在200mbar的真空下解吸再生,从而使氮气提取率提高,氮气单位电耗降低。 图6给出了1996年时工业规模PSA装置与实验室规模VPSA装置单位制氮电耗的比较(氮气压力为0.6MPa)。     ■工业规模PSA装置提取率 ■工业规模PSA装置提取率 ◙ 实验室规模PSA装置提取率 ◙ 实验室规模PSA装置提取率 图4 1996年时工业规模与实验室规模PSA制氮 图5 1996年时工业规模与实验室规模PSA 装置氮提取率的比较 装置每立方米碳分子筛的产氮量比较 低温法制氮装置也碰到了类似的问题和要求,例如在浮法玻璃厂,保护锡槽的氮气压力是很低的,为了输送及流量调节的方便,常使用压力氮装置,以前这种装置的产品氮压常在0.5MPa左右。也有一些厂使用从制氧装置上塔排出的低压氮,但总觉得氮气压力低了一些。一种装置出来的氮气压力过剩,一种装置出来的氮气压力又嫌不足,是否可以设计制造一种氮压在0.2MPa左右、单位制氮电耗更低的制氮装置来满足浮法玻璃厂及其它类似用户的要求呢?苏州市兴鲁空分设备科技发展有限公司解决了这一问题。经过潜心的研究和精心设计制造,该公司于2002年底成功调试出一台氮气压力0.2MPa,氮提取率达66﹪,产氮量为1600m3/h的新型制氮装置(还可副产一些液氮和氧气),深受用户欢迎和好评。用户认为“该设备主要技术指标均能达到合同及设计要求,运行稳定,间断起动迅速,纯度可达<0.2×10-6O2(利用进口SYSTECH Ec911分析仪)”。我们认为该设备是能满足浮法玻璃行业生产需要的新型节能型产品。为了对该新产品进行鉴定推广,兴鲁公司在今年3月委托机械工业气体分离与液化设备产品质量监督检测中心赴现场进行了性能检测,检测结果氮气单位电耗是0.22 KW.h/m3N2,是0.55 MPa时的约70﹪。很明显,它的单位电耗较之相同压力等级的PSA装置也要低得多。 由于这台装置是第一次设计制造,还存在一些可改进之处,估计经整顿改进后氮提取率可达74﹪以上,单位制氮电耗可以进一步降低到0.2 KW.h/m3N2以下。如果要求的氮气压力更低一些,单位制氮电耗将更低,同时氮的提取率也将进一步提高。 友人所送文献中还有一张1996年时PSA制氮装置、VPSA制氮装置与薄膜分离制氮装置的氮气提取率及单位制氮电耗的比较表和图。既然是讨论制氮设备及其比较,不妨译写出来以供参考,见图7和表1。 图7 1996年时PSA装置、VPSA装置与薄膜分离装置的氮提取率比较 (薄膜法操作压力为1.0MPa,PSA操作压力为0.75MPa) 3 、 投资比较 写这一节比较困难,因为白纸黑字写出来的东西必须经得起实际的检验,否则就会贻误读者,也丢失了作者本人的人格。 为了对低温法制氮装置和PSA制氮装置进行投资比较,几年前我曾对几种规格的两种制氮装置进行过询价,给我的深刻印象是氮纯度低的PSA装置(氮中含氧100×10-6)的设备投资要明显高于氮纯度高的(氮中含氧3×10-6)低温装置的设备投资,这是几年前的情况,当时的碳分子筛是从国外进口的,能生产出像样的PSA装置的厂家也不很多。现在已过去了好几年,国产碳分子筛与国外相比虽然仍有差距,但已明显缩小,不少PSA制造厂已用上国产碳分子筛。进口碳分子筛也不是只有德国BF公司一家,现在也有了日本等好几家。碳分子筛供货厂家的增多及竞争的加剧,必然会使PSA装置的设备费用降低。价格是各种生产厂家的商业秘密,我也不能为了要写文章而冒充客户去询价。因此,现在两种氮装置的设备投资情况只能由用户自已去作比较。我在与一些业内朋友交谈中得到的印象是,PSA装置的设备投资可能并不比低温法低,即使低一些也非常有限。 前面已谈到,对气体设备来说,降低气体产品的单位电耗,在很多场合下比节省这些设备的一次投资还要有意义和更有价值,因为设备投资是一次性支出,而单位制氮电耗即运行费用是长期支出,制氮设备的使用年限常达15~20年,因此更突显了单位制氮电耗的重要性。 德国林德公司通过长期研究,实践检验和不断修正,给出了一个判别公式【6】,用这个公式可以帮助您很方便地在一次投资和长期运行费用这两个相互关联的要求之间做出正确的抉择。这个公式如下: 式中:NPV-净现值 C- 电费,这是一个主要的评估参数,马克/KW.h T- 装置的年运转时间(h/a) R- 年收益率(小数) P- 年通货膨胀率(小数) N- 可使用时间(a) 该文还给出一个算例,并做了解释,如下: 电费,C=0.1马克/KW.h 装置的年运转时间,T=8000h 年收益率,R=5﹪ 年通货膨胀率,P=2﹪ 可使用时间,N=10年 在上面的例子中,年电费消耗是800马克/KW。当可使用时间为10年时,算得NPV=6845马克。这意味着:为使每小时能耗能节省1KW,所需的投资增加值在6845马克以下是合理的。或者反过来,投资每节省6845马克,则每小时能耗的增加不超过1KW是合理的。 为了帮助您更好的理解和使用这个公式,我们再来作一次计算。我们设定: 电费:C=0.6元/KW.h 装置的年运转时间:T=8000h 年收益率:R=10﹪ 年通货膨胀率:P=3﹪(我国不公布通货膨胀率这个数字,这儿是假定值。) 可使用时间:N=10年 代入: 这意味着当电费为0.6元/KWh时,为使每小时能节省1度电,一次投资增加值在34033元以下是合算的。 我们可以这样来考虑这个问题: 1 度电0.6元,一年8000小时的电费是1×8000×0.6=4800元,按设备使用期10年,这增加(或减少)的1度电十年的电费是4800×10=48000元。48000-34033=13967是你因增加投资而相应可得到的净收入(已扣除通货膨胀的影响)。 必须说明的是:这个公式没有考虑产品纯度的不同,而低温法制氮装置的氮气纯度要比PSA制氮装置的氮气纯度高出几个数量级。另外,低温法制氮装置还可以生产一些液氮产品或副产氧气,在做经济分析的时候这两种情况也必须考虑进去。当然,尽管我国劳动力很廉价,但PSA装置管理费用中用人少的优点也不能忘记,在经济分析中也要一并考虑进去。长期维护费用也是经济性比较中不能忽视的问题。小型低温法制氮装置的主要消耗品是无油润滑空压机的活塞环和阀门片,每年都要更换1~2次,其它设备都很稳定可*,维护费用很少。PSA装置的主要消耗品是碳分子筛,以前说可以连续使用6~7年(我国轴承行业最早进口的PSA装置用了2~3年碳分子筛就失效了),现在说可以连续使用10年。碳分子筛的投资占PSA装置全部投资的60﹪左右,即使确保10年一换,每年分摊的维护费用也仍然是可观的。PSA装置的另一种易损件是切换阀,10年前国外要求这种阀门必须达到切换100万次不损坏,现在的要求肯定更高。PSA制氮装置的切换时间为1.5~2分钟,即所有阀门每1.5~2分钟都要动作一次,按2分钟计,连续运行一年需切换约26万次,10年中也需要更换1~2次。因此,从每年的维护费用看,低温法制氮装置的维护费用要低于PSA装置。 4 、 结论 (1) PSA制氮装置可以在使用现场生产,在使用时生产,按需要的气量和质量生产,具有起动快,可以无人操作等优点,适合于对氮气纯度要求不高,用氮时间不固定但有一定用氮量要求的企业使用。 对氮气纯度要求较高的企业(氮中氧含量≤100×10-6)和连续生产、要求连续供氮的企业来说,低温法制氮装置是合理的选择,它具有纯度高(O2≤3×10-6),单位电耗低的优点。 (2) 苏州市兴鲁空分设备科技发展有限公司新开发的产品氮气压力在0.2MPa左右的新型制氮流程和设备,其单位电耗只有氮压0.6MPa左右常规产品的70﹪甚至更低,适合于浮法玻璃生产等用氮压力较低的企业使用,可以为用户减少可观的长期运行费用(以1600m3/h制氮装置为例,设每度电费为0.60元,年运行8500小时,年电费可节省1600×8500×(0.3-0.22)×0.6=65.3万)。 (3) 林德公司的NPV公司可以帮助您对两种制氮装置进行经济性比较,即使这两种装置具有不同的氮纯度,因为对用户来说,氮纯度符合使用要求就可以了,更高的氮纯度实际上是一种纯度过剩或者是浪费。应该说明的是,低温法制氮装置完全可以生产出所要求的低纯度氮气产品,在这种情况下低温法制氮装置的提取率更高,单位制氮电耗更低。 (4) 一个国家有一个国家的国情,用户必须按照我国的国情以及当地的省情、厂情来决定选用什么样的制氮设备。例如,PSA装置可以实现无人操作这一优点,在西方国家可能很重要,但在我国可能就并不很重要,实际上可能也很难做到。再如,西方国家的电费比我国要便宜得多,很多国家不到我国的一半,因此单位电耗高一点,对西方国家来说可能也不算什么大问题,但在我国就会有明显的影响。另外,低温法制氮装置可以生产部分液氮,既可作备用也可外卖,在不产液氮时可以副产氧气,也可为企业创造可观的经济效益,并可多安排几个人就业。 查看更多 1个回答 . 1人已关注
进口压力对L84WD型罗茨机有影响么? 按理论说,罗茨机的打气量不受进口压力的影响,但实际工作中进口压力的高低对罗茨机打气量是有影响的。可能影响多少,心里没底,有人知道么?还有就是为什么减少了风机进口洗气塔的水量,罗茨机的出口压力会升高查看更多 2个回答 . 4人已关注
简介
职业:杭州盛弗泰新材料科技有限公司 - 给排水工程师
学校:电子科技大学中山学院 - 化学生物系
地区:甘肃省
个人简介:最甜美的是爱情,最苦涩的也是爱情。查看更多
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