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            VPSA制氧設備在高級濕式氧化還原上的應用
            2020-05-07


            VPSA制氧設備在高級濕式氧化還原上的應用

            萬志國  徐峰  陳連寶

            (昆山錦程氣體設備有限公司)

            摘要:詳細介紹了VPSA行業制氧裝置在濕式氧化還原上的流程特點、技術參數、設備選型、VPSA制氧裝置發展方向。

            關鍵詞:VPSA;制氧裝置;流程;鼓風機、真空泵;配置;分子篩

            1.前言

             我國正面臨水資源危機,隨著經濟的快速發展,廢水排放總量迅速增加,分析現行的廢水治理現狀,不難發現未經處理直接排放和經過一定處理仍達不到排放標準的工業廢水,很大一部分是難處理的高濃度有機廢水。目前,高濃有機廢水的有效處理方法主要有生化污泥法、焚燒法、超臨界氧化法、催化濕式氧化法等,催化濕式富氧氧化法(Catalytic Wet Air Oxidation,簡稱CWAO)是目前世界上處理高濃度、有毒、有害、生物難降解有機廢水的最佳方法之一,該方法是上世紀八十年代中期在濕式氧化法(WAO)基礎上發展起來的一種治理高濃度有機廢水的先進環保技術,是在高溫高壓和催化劑的作用下,經富氧氧化,使高濃度、難降解污水中的有機物及氨氮分別氧化分解成CO2H2ON2等無害物質的廢水凈化處理技術,廢水通過該技術處理后,BOD可以大幅提高,從而提高污水可生化降解性能。江蘇某集團股份有限公司向昆山錦程訂購一套VPSA-2200-2B制氧機,排氣壓力6.5MPa,做為濕式氧化的氣源。

            2.技術性能

            2.1性能參數

            氧氣產量:2200Nm3/h

            氧氣純度:91%

            氧壓機排氣壓力:6.5MPa

            啟動時間:30min

            年開工率:99%

            2.2 公用工程

            制氧設備循環冷卻水用量:30m3/h

            制氧設備軟化水用量:4m3/h

            氧氣壓縮機循環冷卻水用量:60 m3/h

            制氧設備裝機功率:1120KW

            氧氣壓縮機裝機功率:630KW

            輔助設備及公用工程裝機功率:50KW

            制氧站占地面積:35X24m2

            3.工藝流程

            a處過濾的空氣在鼓風機的輸送下,進入裝有分子篩及活性氧化鋁的吸附塔AB。當空氣流經塔內分子篩固定床層時,空氣中的氮氣分子在吸附作用力下擴散到分子篩固體中去,氧氣分子和氬氣原子則通過床層到緩沖罐中,并由氧壓機加壓到客戶的使用壓力后,輸送到儲氣罐通過C處輸出供用戶使用。

            經過一段時間的吸附,分子篩顆粒中充滿氮氣分子,達到吸附飽和階段,此時關閉空氣進口閥,利用塔內的富氧空氣對剛抽真空的另一塔進行沖洗,等壓力降到某一值時關閉均壓閥,同時打開真空泵進口閥對塔體抽真空,氮氣由b處排出。

            到一定真空度后再利用另一塔內的富氧氣及緩沖罐中部分產品氣對分子篩沖洗,從而使吸附劑徹底解吸。吸附劑解吸過程完成后,用產品氣對塔進行充壓,充壓至某一低真空度值后關閉緩沖閥,打開鼓風機出口閥對吸附塔進行充壓,為下一次吸附做準備。



            近年來,簡化工藝流程是VPSA制氧工藝發展的趨勢之一。由過去的三床、四床向單床或兩床發展。

            三床制氧工藝鼓風機連續工作,壓力波動小,同時氧氣產品壓力高,波動小。同兩床制氧工藝比較,主要存在以下不足:

            1)與兩床制氧工藝吸附、解吸時間相同的條件下,三床循環周期時間比兩床長1/3,吸附劑用量增加

            2)吸附塔和切換閥的數量增加

            3)鼓風機平均排氣壓力和溫度高于兩床,排氣溫度高,直接影響床層吸附溫度,吸附劑的吸附能力下降。排氣壓力高,鼓風機能耗增加。同時,國外知名VPSA制氧企業基本上都采用兩床工藝。

            4.工藝設備配置

            4.1鼓風機、真空泵、增壓機

            鼓風機和真空泵共用了一臺電機,電機功率1120KW。鼓風機由山東章丘鼓風機有限公司生產,理論流量618.1m3/min。真空泵選用了一臺濕式羅茨真空泵,每臺理論流量777.6m3/ min。氧氣增壓機選用一臺杭氧牌活塞式壓縮機,流量36m3/min,電機功率630KW。章鼓和TAIKO 成立過合資廠,其早期的產品一直有TAIKO 的標志,目前雖然合資到期,其產品不再打TAIKO 的名稱,但我們選用的設備其軸承還是進口耐磨軸承,使用情況一直很好。鼓風機和真空泵為VPSA變壓吸附制氧裝置提供所需的壓縮空氣和解吸所需的真空度和抽速,其流量、壓力等要求根據VPSA變壓吸附制氧裝置的消耗而定。該鼓風機和真空泵由山東章丘鼓風機廠引進日本大株式會社專有技術進行消化吸收的基礎上自行設計制造,其性能完全達到原裝進口鼓風機的性能,主要部件實現國產化,備品備件完全國內提供,維護費用低,壓縮腔主要由彼此不接觸的一對雙葉字型轉子構成,無潤滑油污染。

            4.2切換蝶閥

            變壓吸附制氧設備整套程序運行的可靠性很大程度上取決于切換蝶閥的可靠性,首先要有足夠的運行壽命,其次要有很短的啟閉時間和很高的密封性,昆山錦程氣體所用VPSA變壓吸附制氧設備專用切換蝶閥為日本進口OKM,該閥門是廠家專門為我公司變壓吸附流程設計。OKM為世界著名蝶閥品牌,保證用戶300萬次以上的使用壽命(3年以上的使用壽命)。昆山錦程是國內唯一一家堅持用進口閥門品牌的VPSA制氧廠家。通過我們對該閥門十余年的使用經驗,充分肯定了該閥門的性能。

            其特點:(1)雙偏心結構,使閥瓣和閥座僅在閥門完全關閉時才接觸,磨損低、壽命高、密封力矩小、操作靈活  (2)當氣流作用于閥瓣和閥座時,自動產生一密封力,這就意味著在一定壓力范圍內,氣流壓力越高,密封性能越佳,即獨特的自密封機構。

            4.3吸附器

            采用兩臺立式軸向雙層結構形式吸附器,床層高度1400mm,吸附器采用德國拜耳獨特的氣體分布結構,保證了床層氣流分布的均勻性。每個吸附床由兩層分子篩材料和經過鋼絲網分開的被動壓緊層組成。在吸附塔的底部有一套支撐裝置固定吸附床的位置。空氣在經過鼓風機組件后進入到吸附塔的底部。空氣首先需要通過預處理分子篩,在那里可以除去水氣和二氧化碳。水分和二氧化碳等污染物的通過將對主分子篩造成不可恢復的損害。吸附器裝填的是制氧專用吸附劑,選用德國拜耳研發,上海恒業生產的高效VPSA制氧專用分子篩,其氧氮分離系數超過6.3,性能達到世界水平。

            4.4 氧氣緩沖罐

              氧氣緩沖罐兩臺,每臺容積80m3,用于產品緩沖。

            4.5儀表空氣系統

            儀表空氣壓縮機選用一臺阿特拉斯螺桿空壓機,吸入氣量4.5m3/h,壓力0.8MPa,電機功率30KW,吸干機為無熱干燥機組,干燥氣露點為-40°C

            4.6儀表控制系統

            儀表控制系統無人化管理要求設計和儀表配置。采用PLC邏輯程序和上位機聯合控制,具有通訊和遠程控制功能。用一條電話線,通過一對一撥號連接方式,可進行遠程操作控制、程序修改。從而可以用戶的用氣特點,在較長時間內逐步調整控制程序,使之最優化,手機APP可遠程控制VPSA制氧設備。

            4.7 PLC系統主機采用德國SIEMENS  S7-300產品。

            4.8就地儀表:變送器選用日本橫河。在線氧分儀選用上海昶哎。

            4.9輔助設備

            4.9.1軟化水系統

            真空泵及氧氣增壓機要求4m3/h軟化水作為密封水,密封水是以自吸的方式進入泵口,軟化水系統由用戶自建,選用了一套全自動軟化水裝置,給水指標達到了低壓鍋爐用軟化水等級。我國濕式真空泵葉輪間間隙比較大,對密封水水質要求不高,總硬度≤200mg/l可滿足要求,許多地方采用自來水做密封水,經長期運行考核,未發現結構現象。

            4.9.2循環冷卻水系統

            2200m3/h制氧站在江蘇地區,因總冷卻塔距離較遠,用戶決定在制氧站單獨建立一套循環冷卻水系統,并配置了一臺100t/h冷卻塔,循環水冷卻系統由用戶承建。

            4.10廠房

            2200Nm3/hVPSA制氧設備的廠房是新建制氧廠房。由于空間有限,機器設備雙層布置。主廠房面積為840㎡,廠房凈高15m。主廠房內部經消音處理,廠房處噪音≤65dB

            5.性能測試

            因調試過程較為順利,用戶對該套制氧設備性能指標有了一定認識和了解。以一個月連續運行記錄數據的平均值作為裝置性能指標考核依據。

            201810月中旬該工程項目通過驗收,測試結果如下:氧氣平均產量:2200m3/h

            氧氣平均純度:92%。24小時制氧平均耗電:17001.6KWH。上述電耗指標以制氧站配電系統進線柜上電度表的讀數為依據。

            6.出現的問題及改進

            工程項目的建設地屬平原地區,由于鼓風機壓比限制,鼓風機出口溫度較高。太高的溫度不利于吸附,而太低的溫度不利于解吸。所以為了保證氧氣的產量和純度,在鼓風機后設空氣換熱器還是需要的。否則很難保證在極限低溫或者高溫情況下氧氣的品質。由于空間有限,換熱器換熱面積設計較小,換熱效果不佳,在實際調試過程中調整了周期,正壓有所下降,進塔溫度才有所降低。但鼓風機出口未設置管道消音器,換熱器換熱面積稍小,系統阻力增加,換熱器振動稍大,導致能耗增加。故在鼓風機出口加添管道消音器,在換熱器出口管道上加添漏水檢測裝置,同時,改進操作程序和操作工況,取得了良好的效果。加裝變頻器實現變頻啟動,同時可滿足低負荷運行時低能耗。

            7.VPSA制氧在濕式氧化還原上的應用

            江蘇某集團股份有限公司,主要從事精細化工、醫藥、農藥等行業。采用昆山錦程VPSA-2200-2B制氧機配套浙江某企業濕式氧化還原工藝,達到非常好的效果。廢水信息:廢水為生產農藥中間體混合廢水,主要有機物為鄰硝基苯酚、對羥基苯氧丙酸等,含氯化鈉鹽,進水COD80000-100000mg/L。處理效果:通過成套濕式氧化裝置處理,運行穩定,出水COD小于3000mg/LB/C大于0.4,極大的提高廢水生化性,達到客戶約定要求。

            8.總結與展望

            8.1 VPSAO-2200-2BVPSA制氧設備是昆山錦程氣體設備有限公司采用高效專用VPSA制氧分子篩的排氣高壓力制氧設備,安全性非常重要。

            8.2VPSAO-2200-2BVPSA制氧設備整體技術性能指標,在原有造紙行業VPSAO-2000-2B的基礎上,已達到和接近國際同類產品先進水平,成套機組裝備水平與國外產品存在一定差距。

            8.3.1 LiX型分子篩的應用呈上升趨勢。新型更高效的制氧專用分子篩還處在試驗研究階段,短時間內難以取代LiX型分子篩。

            8.3.2簡化流程、降低能耗、降低投資、擴大產氧規模。

            8.3.3制氧工藝流程和操作工藝變化不大,重點優化操作工藝參數,簡化和降低配套機組要求。例如:單級真空泵取代雙級真空泵;干式真空泵取代濕式真空泵;鼓風機和真空泵風冷、模塊化設計、預拼裝、取消鼓風機出口的換熱器等。

            8.3.4工藝參數控制和負荷隨機調節進一步完善和提高。

            8.4昆山錦程氣體VPSA制氧技術的發展,受我國機電產品總體水平的制約。以鼓風機、真空泵為例,目前的產品品種單一,單機能力小,機械效率和國外設備相比較有較大的差距,新技術采用進展緩慢。急需的壓力脈動小,排氣溫度低的鼓風機,干式真空泵等設備,短期內難以裝備VPSA制氧設備。

            8.5面對現有技術水平現狀,只有加大研發投入,不走跟隨技術發展的老路,超前予研新一代制氧工藝。近期應充分發揮自身優勢,回避短期內難以解決的技術弱勢,研制新的工藝。

                                       

            參考文獻:

            1顧飛龍.變壓吸附空氣分離技術的開發與應用.化工裝備技術.1999.47-51

            2]萬志國淺談大型變壓吸附制氧機的吸附器設計。《深冷技術》20127期。


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