瑞气新型变压吸附制氮流程

摘要：简要介绍了变压吸附不等势均压技术，并运用该技术研制出节能型碳分子筛制氮机，分别对新、旧制氮流程条件下的产氮能力和回收率等进行了考察，节能型碳分子筛制氮机具有氮气回收率高，能耗低，纯度流量稳定，并可直接制取纯度为99.995%的高纯氮等优点。
关键词：变压吸附；不等势均压；制氮流程；节能

为满足我国煤矿易燃煤层综放开采注氮防灭火的需要，为使变压吸附制氮设备能耗低、分子筛回收率高、设备体积小，瑞气公司于1997年开发出不等势均压制氮流程。经两年的努力，应用流程开发出节能型碳分子筛制氮机，于2009年9月通过了浙江省科委组织的技术鉴定，技术水平达到国内先进水平。2001年该项目被评为温州市科技进步二等奖，浙江省科技进步三等奖，同时，2001年3月该系列产品被列为火炬计划和新产品计划。至今已投放市场50余套，其中煤矿应用达10余套，制氮机运行稳定性和可靠性均受到用户好评。

1、流程简介
变压吸附制氮设备的能耗主要集中在空压机和冷干机上。空压机提供一定压力的压缩空气，为制氮机提供原料；冷干机对压缩空气进行冷冻处理，除去压缩空气中的水分，以减轻制氮机内分子筛的负载。这两者的能耗决定于其设备本身能耗大小以及制氮机所需耗气量的大小。前者可通过选用低能耗的空压机和冷干机来解决，而后者则需改进制氮机的工艺及相关技术才能得以解决，这是提高分子筛回收率，减少制氮能耗的关键。

传统的变压吸附制氮设备除了进气、出气、排空气动阀外，还有一对上均压和下均压气动阀。当制氮机处于均压状态时，气体分别从工作刚结束的吸附塔的进、出口分别注入解吸刚结束的吸附塔的进、出口端。均压的目的：一是使两塔压力一致，减少吸附塔内分子筛在切换时的冲击；二是将一部分富氮气体从工作刚结束的吸附塔转移到解吸结束的吸附塔，减少了排空气体的数量，从而提高了氮气回收率。

均压结束后，两塔内氮气纯度大体一致，因此，也称等势均压。

若将下均压出气位置上移，则可提高下均压入口氮气纯度，在均压时将较高氮气纯度的气体从吸附塔转移到解吸塔均压的结果是两塔气体纯度不一致，解吸塔内氮气纯度比吸附塔高，解吸塔进入工作状态，吸附塔进入解吸状态，这样，提高了氮气回收率 ，减少了排空气体的含氮量。该均压流程称为不等势均压或梯度均压。

2、试验结果
采用国内两个厂家及日本生产的碳分子筛进行对比试验，试验结果见表1。

用新、老流程制氮机，分别考察在不同吸附压力下分子筛的产氮能力和回收率，其试验结果如图1所示。

改变吸附周期，考察氮气回收率和出口氮气纯度，其试验结果如图2所示。

3、试验结果分析
（1）从表1 可见，日本分子筛的产氮率和回收率比国产分子筛好，而国产A又优于国产B。
（2）由图1可见，新流程的回收率比老流程要高，而且氮气纯度越高，这种差别也就越大。当氮气纯度不大于99%时，新流程的回收率比老流程高出10%左右；当氮气纯度为99.9%时，新流程的回收率比老流程高出29%；当氮气纯度为99.99%时，新流程的回收率比老流程高出73%；当氮气纯度为99.999%时，新流程的回收率比老流程高出157%；当氮气纯度为99.995%时，老流程的回收率已无实际意义。分子筛产氮率的变化规律也与回收率类同。
（3）从图2可见，出口氮气纯度随着吸附周期的增大而提高，当达到峰后又开始缓慢下降；氮气回收率随着吸附周期的加长而提高。为了兼顾氮气纯度与回收率，确定了一个吸附周期范围。

 

3、特点
与传统的碳分子筛制氮机相比，该产品具有如下特点：
(1)氮气回收率高，单位能耗低。以99.9%为例，标准状态下单位氮气能耗为0.3kW.h/m³,比老产品减少 18%左右。
(2)从普氮到高纯氮，可不用纯化直接制取99.995%的高纯氮，解决了用户没有氢源或对氢指标的用气问题。
(3) 供气稳定、可靠，设备自动化程度高，具有智能保护、远程控制功能，设备使用寿命长。

4、结语
（1）由于日本碳分子筛的产氮率和回收率均优于国产碳分子筛，故节能型碳分子筛全部采用日本生产的碳分子筛。
（2）节能型碳分子筛制氮机采用不等势均压流程，显著提高了碳分子筛的产氮能力和回收率，减少了制氮能耗，可直接获取 99.995%的高纯氮气，填补了国内不足。
（3）提高吸附压力有利于提高节能型碳分子筛的产氮能力，且回收率保持不变。