1、甘肃银光聚银化工有限公司；2、甘肃银光化学工业集团有限公司 甘肃白银 730900
摘要：目前较为常用的制氮方式有三种，深冷制氮、变压吸附制氮、以及膜制氮，分析我单位现有制氮装置的运行经济性问题，有利于我们实现氮气装置的优化、经济运行。
关键词：深冷制氮装置，变压吸附制氮，纯度，优化、经济运行
1 引言
氮气的化学性质较为稳定，在平常的状态下表现出很大的惰性，不易与其他物质发生化学反应。因此，氮气在冶金工业、电子工业、化工工业中广泛的用来作为保护气和密封气，一般保护气的纯度要求为99.99%；液氮在制氮系统内有着重要的作用，较适合储藏使用，液氮也是深冷制氮与变压吸附制氮的重大区分点。
1.1深冷法：
此方法是先将空气压缩、冷却，并使空气液化，利用氧、氮组分的沸点不同（在大气压下氧的沸点为-183.15℃，氮的沸点为-196.15℃），在精馏塔的塔盘上使气、液接触，进行质、热交换，高沸点的氧不断从蒸汽中冷凝成液体，低沸点的氮不断的转入蒸汽中，使上升的蒸汽中含氮量不断提高，而下流液体中含氧量越来越高，从而使氧、氮分离，得到氮气或氧气。此法是在超低温条件下进行的，故称为深冷法空气分离。
1.2变压吸附法：
变压吸附法即PSA法，基于吸附剂对空气中的氧、氮组分选择性吸附而使空气分离得到氮气。当空气经过压缩，通过吸附塔的吸附层时，氧分子优先被吸附，氮分子留在气相中，而成为氮气。吸附达到平衡时，利用减压解析将分子筛表面所吸附的氧分子驱除，恢复分子筛的吸附能力即吸附剂解析。为了能够连续提供氮气，装置通常设置两个或两个以上的吸附塔，一个塔吸附，另一个塔解析，按适当的时间切换使用。
深冷制氮已有近百年的历史，工艺流程不断改进。变压吸附制氮是近二十年发展起来并被市场广泛接受的技术。本文试从流程、费用、运行和产品种类等方面比较二者的差别，并得出相关结论。
2 深冷制氮的工艺流程和设备简介
2.1深冷制氮的典型工艺流程：
空气经过滤器清除灰尘和机械杂质后进入空气压缩机，压缩至所需压力，然后送入空气冷却器，降低空气温度。再进入空气干燥净化器，除去空气中的水份、二氧化碳、乙炔及其它碳氢化合物。净化后的空气进入空分塔中的主换热器，被返流气体（产品氮气、废气）冷却至饱和温度，送入精馏塔底部，在塔顶部得到氮气，液空经节流后送入冷凝蒸发器蒸发，同时冷凝由精馏塔送来的部分氮气，冷凝后的液氮一部分作为精馏塔的回流液，另一部分作为液氮产品出空分塔。由冷凝蒸发器出来的废气经主换热器复热到约-137℃进膨胀机膨胀制冷为冷箱提供冷量，膨胀后的气体一部分作为分子筛的再生和吹冷用，然后经消音器排入大气。由冷箱出来的液氮进液氮贮槽贮存，当空分设备检修或用氮量增加时，利用液氮的高气化率，将贮槽内的液氮进入汽化器加热后，送入产品氮气管道，补偿氮气不足。深冷制氮可制取纯度≥99.999%的氮气。
3 变压吸附制氮的工艺流程简介
空气经空气过滤器清除灰尘和机械杂质后进入空气压缩机，压缩至所需压力，经严格的除油、除水、除尘净化处理，输出洁净的压缩空气，目的是确保吸附塔内分子筛的使用寿命。装有碳分子筛的吸附塔共有二个，一个塔工作时，另一个塔则减压脱附。洁净空气进入工作吸附塔，经过分子筛时氧、二氧化碳和水被其吸附，流至出口端的气体便是氮气及微量的氩和氧。另一塔（脱附塔）使已吸附的氧气、二氧化碳和水从分子筛微孔中脱离排至大气中。这样两塔轮流进行，完成氮氧分离，连续输出氮气，见图-2。变压吸附制取的氮气纯度为95%-99.9%，如果需要更高纯度的氮气需增加氮气净化设备。变压吸附制氮机输出的95%-99.9%氮气进入氮气净化设备，同时通过一流量计添加适量的氢气，在净化设备的除氧塔中氢和氮气中的微量氧进行催化反应，以除去氧然后经水冷凝器冷却，汽水分离器除水，再通过干燥器深度干燥（两个吸附干燥塔交替使用：一个吸附干燥除水，另一个加热脱附排水），得到高纯氮气，此时的氮气纯度可达99.999%。
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4 深冷制氮与变压吸附制氮的技术经济比较
4.1流程比较
从以上的论述中我们可以发现：变压吸附制氮流程简单，设备数量少，主要设备仅有空压机、空气干燥器和吸附制氮机等。而深冷制氮流程复杂，设备数量多，主要设备有空压机、空气净化干燥器、换热器、膨胀机和精流塔等。
4.2产品纯度比较
深冷制氮可制取纯度≥99.999%的氮气。氮气纯度受到氮气负荷、塔板数量、塔板效率和液空中氧纯度等的限制，调节范围很小。因此，对于一套深冷制氮设备其产品纯度基本是一定的，不便调节。变压吸附制氮制取的氮气纯度一般在99%-99.99%范围内，如果需要更高纯度的氮气需增加氮气净化设备。氮气纯度只受产品氮气负荷的影响，在其他条件不变情况下，氮气排出量越大，氮气的纯度就越低；反之则越高。因此，对于变压吸附制氮设备，其产品纯度可以在99-99.99%之间调节。
4.3运行控制比较
深冷法由于是在极低温度下进行的，设备在投入正常运行之前，必须有一个预冷启动过程，启动时间即从膨胀机启动至氮气纯度达到要求的时间一般不小于12h；设备在进入大修之前，必须有一段加温解冻的时间，一般为20h以上。因此，深冷法制氮设备不宜经常起、停，宜长时间连续运行。变压吸附法启动时，只要按一下按钮，启动1小时内便可以获得合格的氮气产品，如果需要高纯的氮气，那么经过氮气净化装置，大约再用30分钟便可获得99.99%-99.999%的高纯氮气。停机时也只需按一下按钮便可。因此，变压吸附制氮特别适用于间断运行的情况。
4.4维修费用的比较
变压吸附制氮本身较简单，运转机械数量少，近似常温常压下操作，维修保养工作量少，费用低。而深冷制氮在低温下运行，运转机械较复杂，所以维修费用及保养时间均比变压吸附制氮多。
4.5结合实际，实现制氮装置优化、经济运行
通过以上分析，两种制氮方式各有优缺点，结合我厂实际用氮规律，氮气为长期需用，另外生产线又存在用氮量突然增大的情况，因此适合深冷装置长期运行，同时又必须有液氮储备装置，PSA装置由于开车周期短，适于间断补充。
从成本分析来看，深冷装置运行成本偏高，但是由于它生产链长，有工艺挖潜点。我们利用深冷装置产品纯度与公司用氮纯度指标的差距，决定采用降低深冷制氮装置产品纯度，提高深冷装置制冷能力，提高装置压缩空气供应量等一系列措施，增加装置产氮量，进而降低产品单耗，达到经济稳定运行目的。提高装置压缩空气供应量：通过定期对压缩机活塞环等密封原件进行更换，提高压缩机产气量，减少系统压力平衡阀的放空量，增加进冷箱空气量，将多余的放空气利用压差通过管道输送至空压站压空系统，实现了废气利用；提高深冷装置制冷能力：将分子筛电加热器再生温度由180℃提高为210℃，除去空气量增加后的系统水份，将膨胀机转速由18000转/分钟提高到21000转/分钟，冷凝蒸发器液位由1500mm提高为1800mm，增加冷箱制冷能力；降低深冷制氮装置产品纯度：通过工艺参数调节，将深冷装置氮气纯度由99.999%降低至99.98%，在满足公司用氮纯度指标99.9%的前提下，提高氮气产量200Nm³/hr左右，可以有效降低深冷装置氮气单耗，让深冷制氮装置既保留了其稳定可靠的运行优点，又适当规避了其能耗高的缺点，达到经济稳定运行目的。
5 结论
氮气为长期需用，另外生产线又存在用氮量突然增大的情况，因此适合深冷装置长期运行。
当工艺装置需要液氮时，必须采用深冷制氮方式。
变压吸附制氮特别适用于氮气纯度为99.9%以下，并且是间断运行工况或有备用装置时。
对于多套制氮装置，应根据实际用氮量需求，在充分考虑公司安全稳定运行的前提下，灵活选择装置的运行方式。
参考文献：
[1]陈志远，《氮基气氛热处理的技术发展》
[2]刘容娥，《膜分离技术》
[3]顾福明：《国内变压吸附的发展及动态》
论文作者:康文海1,樊芳艳1,包志楠2,刘杰1
论文发表刊物:《基层建设》2018年第5期
论文发表时间:2018/5/24
标签：氮气论文; 纯度论文; 制氮论文; 装置论文; 液氮论文; 分子筛论文; 空气论文; 《基层建设》2018年第5期论文;