工業用氧制備電力消耗的成本估算

張秋玲

（廣東省茂名市民興氣體有限公司 廣東茂名 525000）

與實驗室制氧不同，工業用氧的用量規模要求工業用氧制備工藝能實現規模化生產，生產成本低等特點。傳統上，制氧方法常包括化學法、電化學法和空氣深冷分離法。比較成熟的工業用氧制備方法即是通過深冷工藝流程，低溫下實現空氣中的氧和氮的分離提取。然而，鑒于深冷氧氣制備過程中能源消耗和設備成本的弱勢，在激烈的市場競爭中，國內部分企業（保利協鑫硅業、藍星硅業、山西潞安硅業）經過對比發現，都取代了過去的深冷工藝，一般都選擇采用成本低、效益較好的變壓吸附制氧設備，從而達到精煉工業氧氣的需求。本文就這兩種制氧工藝做了簡要介紹。

1 氧氣制備方式

1.1 深冷法制氧工藝

深冷法制氧是先將空氣壓縮、冷卻，并使空氣液化，根據氧氣與氮氣組分的沸點的不同。氧由于沸點較高從蒸汽中不斷的冷凝為液體，而氮由于沸點較低轉換到蒸汽中，從而達到了氮和氧的分離，可以獲得氧氣或氮氣。此法可以連續制取氧氣，且純度能夠達到99.6%以上。

首先從大氣中吸入空氣，空氣可被空氣凈化器除去其中的一些機械雜質和灰塵。空氣經過過濾后由空壓機進行加壓達到啟動壓力（4.9Mpa），然后空氣進入到到分子篩吸附系統中，達到去除空氣中的二氧化碳、水分以及大部分的碳氫化合物，這樣空氣完成了潔凈過程。再經由三個管路將潔凈后的空氣輸入氧隔層、熱交換器氧隔層以及餾份隔層管中，同時冷卻。其中有一些由于膨脹機的作用后再經過過濾器達到下塔中，而另外一部分在熱交換器中靠氮氧隔層被繼續冷卻，最后由節流閥控制壓力（0.56Mpa）再進入下塔。

下塔中安裝有乙炔吸附器，可以將液化的空氣中含有的乙炔進一步去除，再經由液空過冷器過冷后節流入上塔。氧氣可由上塔的下部提取，再送入到貯氣囊，在此之前由熱交換器氧隔層復熱，裝瓶時由氧壓機壓縮到15Mpa。

該工藝制氧工藝流程復雜、投資成本較高、耐壓設備安全性要求較高、操作復雜、裝置啟動時間較長（大約需30h）、氧、氮純度都可達到99.99%，并且產品產量和質量穩定。

1.2 PSA變壓吸附制氧

變壓吸附(Pressure Swing Adsorption,PSA)制氧，是指常溫情況下，基于吸附劑對空氣中的氧、氮組分選擇性吸附而使空氣分離得到氧氣。達到了吸附和脫附連續循環操作的目的，制取氧氣的純度可達90-93%。

首先鼓風機將過濾后的壓縮空氣運輸到吸附塔（A、B）中，吸附塔中同時安裝有吸附層包括活性氧化鋁和分子篩，經過吸附塔的吸附層時，空氣中的氮分子由于吸附力被優先吸附，吸附達到平衡后吸附層中的氮氣達到飽和狀態，此時需要將空氣進氣閥門關閉，并對另一個吸附塔進行沖洗并對塔體進行抽真空處理，當壓力達到閾值時均壓閥門關閉，從吸附塔放空口排出氮氣，同時空氣中的氧則輸送到緩沖罐經由氧壓機加壓，達到合適壓力后放入儲氣罐以供使用。最后利用另一個塔內的富氧氣以及緩沖罐中的部分產品氣對沸石分子篩沖洗，達到徹底解吸的目的。解吸完成后使用產品氣對塔進行充壓，充壓后將緩沖閥關閉，打開鼓風機出口閥，進行吸附塔的充壓，準備下一次吸附，達到連續循環制氧的操作目的。

該制氧方式可在常溫、低壓下操作，工藝流程簡單。同時裝置操作簡單，開停車方便，啟動時間短，能實現連續供氣和間斷供氣。另外投資和管理費用比較低，氣體生產成本低，可制備純度在95%以下的單一氣體。

3 氧氣制備電力消耗成本分析比較

兩種氧氣制備方法所用的制氧原料均為空氣，因此本文制氧成本主要考慮的因素包括基建投資、水電消耗及車間運作成本。以一個化工廠需要投資建設一個產量約為3100m3/h的純氧制備生產裝置為例，進行變壓吸附制氧裝置與深冷空分制氧裝置投資分析的比較。比較結果如表1所示：

表中所列數據均按百分比估算的成本費用。由表可見，無論從基建投資、經營成本、技術安全各個方面去分析考慮，新興的變壓吸附制氧裝置都具有相當的優勢，尤其是單位純氧成本為0.26元 /m3純O2，僅為傳統深冷空分制氧生產方法的1/2。因此對于氧氣純度要求不高，且氧氣用量不超過20000m3/h的產業，應該優先選擇變壓吸附法。而對于用氧純度要求比較高的情況，在利用深冷法制備氧氣過程中，應著重降低單位體積氧氣的電力消耗。同時，根據氧氣產量設計不同的耐壓容器，也可以做到設計成本最低化。

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