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            VPSA變壓吸附制氧機
            2019-04-04

                真空壓力吸附(Vacuum Pressure Swing Adsorption,VPSA)系統,即變壓吸附制氧機,操作方便,維護簡單,投資相對少,運行費用低,在國內墟為越多的紙漿企業得以推廣。本文介紹了 該設備的特點和在制漿漂白中的應用情況。 關鍵詞:氧漂;變壓吸附制氧機;VPSA;環境保護 中國分類號:TS737 文獻標識碼:B 文章編號:1001-6309(2006)03-0024-03 1 氧漂是清潔生產技術 用無氯漂白(TCF)或無元素氯漂白(ECF)取代CEH三段漂白,是解決制漿造紙工業對環境污染的清潔生產技術之一。

                氧漂成為發展清潔漂白工藝的必需工藝段,由于氧無毒,本身對環境沒有污染,經氧脫木后,后段的漂白劑和漂白廢水量可降低50%。近年來,鑒于對環境 保護的要求,國內對氧漂的興趣與日俱增。瑞典政府把氧脫木素作為新建漂白紙漿廠控制污染的一種措施。已證明氧漂白可大大降低漂白廢水中的BOD、COD色 度和總有機氯的含量,它對減少現代紙漿漂白廢水的污染起了重要的作用。氧漂白還可以節省其他化學藥品的消耗,與有氯漂白劑漂白紙漿相比,可以提高紙漿得 率。氧漂白液可用于黑液提取,進入堿回收系統,或合并到后序工段的一般廢水處理。

                 2 國內紙漿企業制氧設備的應用 國內氧氣漂白工藝由上世紀90年代才開始大量應用。最初的氧源選擇只有小型空氣深冷設備,較為先進的工藝流程為中壓帶透平膨脹機的克勞特循環。空氣從大氣 中吸入空壓機,被壓縮到所需的壓力,再經末級冷卻器冷卻后進氟里昂預冷機組,被冷卻至35℃左右進入純化器,在其中除去水分、二氧化碳、碳氫化合物等物 質,進入分餾塔。經純化后的壓縮空氣進入分餾塔的主換熱器(上),與主換熱器(下)來的氧、氮分餾分氣進行熱交換后經節流閥與膨脹機出來的冷空氣匯合于下 塔底部的蒸發器,在下塔進行傳熱、傳質過程。液空在下塔預分后,再節流到上塔進一步分餾,在塔頂得到純氮氣,上塔中部抽出之餾分氣經上換熱器回收冷量后作 為純化器再生炊冷用,產品純氮氣通過管道輸往用戶。產品氧氣在輸氧管路旁接水封器后導入貯氣囊通往氧壓機。

                 小深冷空分配套高壓氧氣壓縮機和氧氣灌充站作為標準配置,投資高,能耗高,運行維護量大,開車時間一般要十幾個小時,運行周期6-12個月。深冷設 備越大技術越先進,能耗越低,而紙廠用氧規模都不大。對于紙漿企業來說,作為漂白配套用設備,深冷空分設備開停不便,運行維護成本高,并不是理想的氧氣源 選擇。

                 目前國內用于紙漿漂白的深冷設備是海南金海漿紙業有限公司KDON(Ar)-2770/3200/60型空分設備,氧氣產量2770Nm3 /h,2004年投產。選擇深冷設備,除了適用年產100萬t漂白木漿的規模,當地氣休市場空白,對氧、氮、氬有大量需求也是主要原因。 我國變壓吸附法制氧的研究始于20世紀70年代初,到20世紀90年代才實現了小型裝置的工業化。變壓吸附制氧的基本原理是利用空氣中的氮氣和氧氣在沸石 分子篩(ZMS)上因壓力不同而吸附性能的差異來進行氧氮分離。

                 最初用于國內紙漿漂白的變壓吸附制氧機都為加壓吸附(PSA)型小型設備,產量在100Nm3/h 以下,能耗和小深冷相當,大約1.0-1.3 kWh/Nm3而且工藝并不成熟,大多為實驗型設備。產量和純度不能長期穩定,分子篩性能和裝填工藝不合格,在產品氣中常有粉末,大多設備投而未用或是用 而不久,影響了氧漂在國內造紙行業的推廣。
            VPSA流程是國外普遍采用的較為先進的變壓吸附制氧流程。國內正式投于工業化應用是上世紀90年代后期,并很快應用于國內紙漿漂白領域。其氧氣純 度93%,能完全滿足紙漿漂白工藝要求,能耗0.4~0.5 kWh/Nm3,與全低壓大深冷空分相當,開車時間只要幾分鐘,能隨時開停車,無論在設備投資還是在操作成本方面都具有很強的競爭力。 云景林紙股份有限公司是國內第一家采用ECF四段無素氯漂白工藝生產的制漿企業,所生產的紙漿具有白度、潔凈度高,綠色環保等優點。采用芬蘭 AHLSTROM三段壓力篩、氧脫木素和四段漂工藝,配套國產VPSAO-360型變壓吸附制氧機,年產10t漂白木漿。

                 四川永豐紙業股份有限公司無氯漂白制漿生產線,年制漿能力8萬t ,竹漿全無氯潔白的代表,配套VPSAO-260型變壓吸附制氧機為VPSAO-210型。 目前國內最大的用于紙漿漂白的變壓吸附制氧設備是山東亞太森博漿紙有限公司為年產22萬t漂白硫酸鹽木漿配套的VPSAO-700型變壓吸附制氧機。 目前國內草漿比重很大,但氧漂在草漿上的應用還是空白。草漿進行氧脫木素,在技術上是可行的,但經濟上是合理的。由于草漿木素含量低,麥草漿的含氧漂白具 有更好的選擇性,紙漿黏度高,強度好,比木漿更容易實惠TCF漂白。利用工廠現在的降流式堿處理塔或次氯酸鹽漂白塔,僅需增加少量輔助設備,即可實施,對 我國傳統漂白工藝的改造和減少環境污染具有重要的現實意義。

            3 氧漂用VPSA制氧設備介紹 VPSA制氧系統主要由鼓風機、真空泵、切換閥、吸附器和氧氣緩沖罐組成。原料空氣經吸主口過濾器除掉灰塵顆粒后,被羅茨鼓風機增壓至30-50Kpa而 進入其中一只吸附器內。吸附器內裝填吸附劑,其中水分、二氧化碳及少量其他氣體組分在吸附器入口處被填于活性氧化鋁上部的沸石分子篩所吸附。而氧氣(包括 氬氣)非吸附組分從吸附器頂部出口處作為產品氣排至氧氣緩沖罐。當該吸附器吸附到一定程度,其中的吸附劑將達到飽和狀態,此時通過切換閥利用真空泵對之進 行抽真空(與吸附方向相反),真空度為65-75Kpa。已吸附的水分、二氧化碳、氮氣及少量其他氣體組分被抽出并排至大氣,吸附劑得到再生。VPSA的 每個吸附器都交替執行吸附-解吸-沖壓步驟。這三個基本的工藝步驟由PLC和切換閥系統來實現自動控制。 VPSA制氧裝置流程簡單,設備數量少,基建費用少,對廠房要求也不高,基建費用僅占設備總投資的5%~10%。

                 VPSA裝置能全看動無負荷運轉,且停車后,吸附塔內氣氛穩定,重新開車后幾分鐘就能出產品。簡單的啟動及停車能避開用電高峰運行,降低生產成本。 VPSA裝置本身很簡單,運轉機器數量少,動設備為羅茨鼓風機和羅茨真空泵,因其工作原理都為容積式,無油,常溫常壓下操作,維修保養工作量少,費用低。 年設備開車率98%左右,且其中有50%是因為故障停車,如冷卻少供應故障及電力故障等。設備正常維修保養停車約每年5d,由于風機真空泵注油,動設備的 定期維修保養和操作人員負責空氣過濾器之無紡布的定期更換(周期為1-2月)等。分子篩使用壽命10a以上,切換閥門閥座一般2-3a方更換一次,真空泵 軸承及油封在正常使用條件下壽命為3-5a. 

            4 VPSA制氧設備是廉價適用的氧氣源 VPSA制氧設備工藝成熟,目前國內兩塔流程水平已和國際同步,一般能耗0.4-0.5 kW.h/Nm3,純度91%~92%,全看上去控制,單位氧成本0.4元/Nm3左右(當地用電價格差異)而目前市場單位氧氣價格為大約1元/Nm3. 深冷空分目前國內最先進的是第六代產品,除采用規整填料塔和全精餾制氬這兩項核心技術外,并應用高效率高壓增壓透平膨脹機、液體內壓縮流程、大截面在規格 板式換熱器和常溫分子篩凈化等技術,空分裝置氧提取率達到97%-99%,氬提取率達到75%-88%,制氧電耗降到至0.40-0.42 kW.h/Nm3.但自動化控制,停留在上世紀80年代中期的水平上且設備產量一般在6000 Nm-3。h-1以上,目前國內紙廠規模都不適用。

                 深冷制備一般可產氧氮兩種產品,紙漿企業氮氣是間隙用氣,且用量不大,如果儲運銷售,市場競爭力不強,大部分都是放空浪費。氧氣產量調節也較為困 難,調節時間要1h,配置灌充平臺,產量不大,市場銷售也不經濟。 加工處理的原料空氣中的氧氣并不能被完全提取。PSA加壓吸附制氧機,原料空氣先加壓0.4Mpa吸附制取氧氣,再靠常壓放空解吸。其特點是分子篩要求 低,設備相對簡單,但能耗較高。一般產量100Nm3/h以下,較為經濟。因其較高的產品出口壓力,目前較多應用于污水純氧曝氣,富氧水產養殖等領域。

                 目前國內制漿企業用氧規模在幾百個立方米,紙漿氧漂壓力一般為0.8Mpa。VPSA變壓吸附制氧設備,低壓吸附制氧,抽真空解吸,產品氧氣根據用戶需要配置增壓氧壓機,再送用戶使用,能耗低,制漿企業配置更為經濟。


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