變壓吸附制氮技術在釬焊領域的應用

吳 雨* 周大鶴 張雪洪

（上海化工研究院有限公司）

隨著新技術不斷發展，新材料及新結構形式對連接技術提出了更高的要求，因此釬焊技術應用范圍越來越廣泛。

采用釬焊工藝焊接時，爐內氣體的含氧量要求較高，氮氣純度一般需達到99.999 5%（體積分數，下同）以上。如果氣體含氧量偏高，則工件焊接氧化現象嚴重，甚至會導致工件無法使用。因此，必須嚴格控制爐內氣體的含氧量，釬焊工藝中，常規的方法是在爐內充氮氣來保護工件[1]。

1 制氮工藝的選擇

工業大規模制氮一般采用傳統深冷法，即先將空氣深冷液化，通過空氣中各組分沸點不同，對氧、氮等組分進行精餾、分離、提取。深冷法的主要特點是制氮量大，氮氣純度高，但工藝流程復雜，設備制造、安裝、調試、運行及維護成本高，占地面積大，適用于大規模集中制氮的場合，一般不常用于釬焊爐氮氣制取。

變壓吸附（PSA）制氮技術，具有自動化程度高，工藝流程簡單，占地面積小，啟動快，操作、維護便捷，運行成本低，投資少等特點[2]，當氮氣產量小于4 000 m3/h 時，PSA 制氮技術的經濟效益明顯優于深冷法制氮。

由于液氮操作、維護便捷，目前在釬焊爐氮氣制取中較為常用，但需定期進行添加，且液氮運輸要求較高，長期運行成本高。結合某公司釬焊爐工藝，變壓吸附制氮與液氮性能參數對比情況可見表1。綜合考慮PSA 制氮與液氮工藝的特點及使用成本，最終選擇了PSA 制氮工藝。

表1 PSA制氮與液氮性能參數表

2 PSA制氮工作原理及工藝流程

2.1 工作原理

PSA 制氮技術的基本原理如下：采用碳分子篩作為吸附劑，任何一種吸附劑在吸附同一氣體時，氣體壓力越高，吸附劑的吸量就越大。反之，壓力越低，則吸附量越小[3]，如圖1 所示。

如上所述，當空氣壓力升高時，碳分子篩將大量吸附氧氣、二氧化碳等雜質氣體。當壓力降至常壓時，其對氧氣、二氧化碳等雜質氣體的吸附量非常小[4]，由此對碳分子篩進行解析。

當氮氣純度要求為99.999 5%時，常規的制氮機難以滿足要求，必須對制氮機產出的氮氣進行進一步純化處理。該制氮系統采用碳載純化的方式，其工作原理如下：以PSA制氮機制取的99.9%氮氣為原料氣，此時氮氣中的主要雜質是水蒸氣與氧氣。原料氣進入碳載純化器后，氧氣在脫氧催化劑的催化作用下與碳發生氧化還原反應生產二氧化碳，經冷卻干燥后，得到高純度的氮氣[5]。

圖1 變壓吸附制氮原理

2.2 工藝流程

2.2.1 PSA變壓吸附制氮工藝流程

經空壓機壓縮，空氣壓力達到0.8 MPa 后，進入SLAD-30NF 冷干機，除去空氣中的大量水分，再經過精密過濾器進一步除塵、除油，進入KCG-3/10 空氣緩沖罐穩壓，作為PSA 制氮機的原料氣。預處理后的空氣進入裝有分子篩的吸附塔，依次完成吸附、均壓、解析、沖洗、充氣過程，然后連續產出氮氣。PSA 制氮工藝流程可見圖2。

圖2 PSA制氮工藝流程圖

2.2.2 碳載純化器工藝流程

原料普氮(純度≥99.9%)先進入預熱器(熱交換器)，初步提高氣體溫度，隨后進入加熱器加熱到250～350 ℃，然后進入脫氧器在脫氧催化劑的催化作用下，氮氣中的殘氧與碳反應生成二氧化碳后返回預熱器，與新進料的原料氮氣進行熱交換，充分利用余熱達到節能效果。

氮氣經高效水冷卻器冷卻到常溫后，通過精密過濾器和吸附式干燥器處理，除去其中的二氧化碳，再經精密過濾器進一步處理，得到純度≥99.999 5%的潔凈高純度氮氣。

3 制氮系統配置

根據工藝計算，該裝置有效消耗壓縮空氣量為26.8 Nm3/min。設備在選型過程中充分考慮了節約成本、降低能耗及長期運轉的可靠性等因素[6]，制氮系統布置情況可見圖3。

圖3 制氮系統布置圖

3.1 冷凍式干燥機

采用杭州山立凈化設備股份有限公司的SLAD-30NF 型冷干機，該冷干機為風冷型，可處理的氣體量為33 Nm3/min，裝機功率為7.5 kW，壓縮空氣的帶壓露點為3 ℃。

冷干機的主要部件（如冷媒壓縮機等）為進口原件，其性能可靠、運轉平穩、能耗小、噪音低、安裝方便。采用微電腦程序控制，對冷干機的進氣溫度、露點溫度、冷媒壓力等參數進行實時數據采集、分析及處理，同時也可實現遠程測量和控制，確保進入吸附塔的空氣含水量滿足要求。

3.2 高效過濾器

過濾器集螺旋分離、預過濾、精過濾三級過濾為一體，高效除水、除油及除塵，經過處理后的壓縮空氣，過濾精度達到0.01μm，殘油質量含量可小于0.01×10-6。

3.3 PSA變壓吸附制氮分離系統

PSA 制氮分離系統主要由2 臺填裝碳分子篩的吸附塔及1 臺氮氣緩沖罐組成。碳分子篩選用日本巖谷公司產品，總裝填量超過2.85 t。巖谷分子篩具有較高的產氮率及回收率，同時具有機械強度較高、使用壽命長等特點。

PSA 制氮分離系統還包括了1 套氣動截止閥，該閥具有啟動速度快，切換壽命長等特點。其開啟時間僅需0.015 s，切換壽命可達300 萬次以上，特別適用于頻繁啟閉的變壓吸附工藝。

PSA 制氮分離系統由可編程的控制器（PLC）控制，并可以修改變壓吸附各工藝流程，最大程度滿足現場工藝要求。

3.4 碳載純化裝置

該氮氣純化裝置是為用戶專門設計制造的，能夠直接制取高純度氮氣（≥99.999 5%），純氮的露點≤-70 ℃。該裝置具有國內先進水平，碳載純化裝置無須傳統的氫氣源，僅采用脫氧催化劑即可脫除氧氣。該裝置運行平穩、性能安全可靠、操作方便、耗能少，且其在碳載純化裝置上增設了2 個預熱器(熱交換器)，用脫氧器返回的余熱對原料普氮進行預熱，可較大幅度地降低能源消耗。

4 運行分析

PSA 制氮系統經過試運行結果可見表2。從表2可以看出，除產品壓力與設計參數存在一定偏差外，設備其他參數均達到設計要求，但壓力依舊能達到釬焊爐對氮氣的使用要求。氮氣壓力低的主要原因是現場用氣點距離變壓吸附系統較遠，氮氣在管道輸送中壓降大于設計值。

表2 變壓吸附制氮系統調試參數與設計值對比

4.1 氮氣壓力、流量與純度的關系

從現場試運行情況來看，粗氮（制氮機產出氮氣）壓力、純度隨氣體流量變化而變化，氣體流量變化主要是由現場需求波動引起的。當壓力和流量同時變化時，氮氣純度變化會滯后流量變化1～3 min，總體表現為：當氮氣流量升高時，其純度下降；當氮氣流量下降時，其純度升高[7]。

（1）吸附壓力（即空氣進入吸附塔時的壓力）高時，有利于碳分子篩吸附氧氣，壓力是影響吸附效果的重要因素。制氮機吸附壓力＞0.7 MPa，氮氣流量為300 Nm3/h，純度為99.999 5%時，氮氣純度可在運行1.5 h 之后達到設計要求，且氮氣壓力滿足現場需求。

（2）氮氣純度與產量可根據現場需求來調節。粗氮（即PSA 制氮機產出氮氣）產量小時，氮氣純度將升高，反之則會下降。當氮氣純度達到99.9%以上時，氮氣的回收率下降顯著，單位能耗大。因此，對氮氣純度要求較高時，可以通過提高吸附壓力和降低產量來實現。

（3）產品氮氣純度的主要影響因素包括了以下幾個方面。

a）原料空氣質量

碳分子篩為親油性，其吸附油后一般條件下是不能再生的，油在分子篩內積累將導致其微孔堵塞，使碳分子篩喪失氧氮分離能力。采用優良的過濾設備且保證良好的空氣環境更有利于吸附。

b）吸附塔再生反吹氣量

若再生氣量小，碳分子篩無法徹底再生，會導致吸附效率降低，氮氣純度下降。若再生氣量過大，則會影響產品氮氣流量。因此，再生氣量必須根據現場實際運行狀況進行調節。

c）吸附塔吸附周期

碳分子篩吸附氧可在短時間內達到平衡，適當延長吸附周期，可以降低PSA 制氮機閥門的切換頻率，提高裝置的穩定性。但吸附周期不宜過長，否則易造成壓縮空氣穿透吸附床層，使氮氣純度下降。該套裝置的單個吸附塔吸附周期為45 s。

d）均壓時間

當1 個吸附塔吸附結束后，另1 個塔剛好完成解吸過程，此時1 個塔對另1 個塔進行氣流輸送，這一過程稱為均壓。合理選擇均壓時間可以達到能量回收的目的，均壓時間過長會增加運行成本，時間過短則容易造成分子篩粉化。該套裝置的均壓時間為2 s。

e）碳分子篩的選擇

選擇性能良好的碳分子篩不僅可以提高氮的回收率，還能提高設備運行可靠性。該套設備采用日本巖谷分子篩，其較好地滿足了生產要求。

4.2 雜質氣體對釬焊效果的影響

從制氮機的試運行情況來看，雖然氧含量、氮氣露點及壓力達到設計要求，但產品氮氣并不能滿足釬焊爐對氮氣的使用要求。產品焊件表面發黑，不僅影響美觀，而且對工件的換熱效果影響很大，甚至導致工件不能使用，而液氮焊接得到的產品不會出現表面發黑的情況，經制氮機和液氮焊接得到的工件對比情況如圖4 所示。

圖4 焊接工件對比

由圖4 可以看出，相比于制氮機焊接得到的工件，液氮焊接得到的工件表面光澤度更好。釬焊爐對氮氣的成分要求如表3 所示。

表3 釬焊爐中氮氣成分要求（體積分數）

通過對氮氣成分進行逐一排查后可知，在超過500 ℃的環境下，母材會與氮氣中微量的二氧化碳發生反應：因此必須降低氮氣成分中二氧化碳的含量，二氧化碳主要是碳載純化器中的碳與氮氣中的氧氣反應生成。降低二氧化碳的含量可以通過以下2 個途徑來實現：（1）提高普氮的純度，從而降低普氮中的氧氣含量；（2）提高碳載純化器干燥塔的吸附能力。

在實際工程中，較大幅度提高普氮純度主要通過提高吸附壓力或增加碳分子篩來實現，綜合考慮現場實際情況，選擇從提高純化器干燥塔吸附能力著手。

增強干燥塔吸附能力主要通過以下兩種方法實現：（1）縮短干燥塔的運行切換周期，在保證氮氣純度的前提下，增加單位時間干燥塔吸附二氧化碳的量；（2）更換更強的吸附能力的分子篩。

通過對純化裝置干燥塔進行改選，焊接得到的工件產品在外觀上基本與液氮產品相似，表面光澤度較高，對工件進行氦檢檢漏及換熱效果試驗，該工件質量完全合格。工件產品及與液氮產品對比情況如圖5所示。

圖5 焊接工件對比

4.3 注意事項

開車前應檢查吸附塔各氣動閥門，閥門動作應與PLC控制系統指令一致。在向制氮機輸送原料氣之前，必須先開冷干機，保障原料空氣質量，并避免設備長期在低流量下運行導致冷干機停車。在調節流量時應注意觀察氮氣純度的變化情況，調節應具有一定的預見性。長期停車后再開，應先排出儲罐及管道內的積水。碳載純化裝置運行時必須保證前端PSA 制氮機工況穩定，包括氮氣流量及氮氣純度，否則容易引起純化裝置產生波動。

4.4 制氮機運行費用分析

NGN-450D+SGM-300 型制氮機主要為釬焊爐提供氮氣保護，防止焊件氧化，該設備投用至今，運行穩定，且能夠滿足釬焊爐對氮氣的要求。與傳統液氮相比，變壓吸附制氮技術具有較好的經濟效益，PSA制氮裝置的氮氣生產成本僅為0.6 元/m3左右，而液氮工藝的生產成本不低于1.5 元/m3，每年可節約300余萬元操作成本，投資成本回收期僅需半年，經濟效益顯著。

5 結論

PSA 制氮機是投資少、見效快、設備簡單、性能可靠的新一代制氮裝置，目前國內已有數千套變壓吸附制氮設備投入運行。在中小規模裝置中，變壓吸附制氮技術具有明顯的優勢，在氮氣純度要求不高、氮氣用量波動較大的場合中，其優勢更為突出。若能將變壓吸附制氮與液氮裝置并聯運行，將其優勢互補，并采用一套自動切換控制系統，可大大節省操作成本，對企業長周期安全運行意義重大。