煤礦安全生產用變壓吸附制氧裝置實驗研究

肖 露

（1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司瓦斯研究分院）

礦山工作面尤其是高原地區的工作面缺氧問題一直是煤礦安全工作中的難題［1］。 煤礦井下用緊急避險系統（救生艙和避難硐室）是重要的井下安全保障裝備［2，3］，使之具有快速、安全可靠的壓縮氧供應是目前急需解決的關鍵問題［4～7］。若供氧問題得不到解決，將導致長期從事繁重勞動的施工人員的健康和生命安全受到嚴重威脅。

目前，變壓吸附（Pressure Swing Adsorption，PSA） 技術主要用于中小型分離空氣制取富氧領域［8］，與其他分離空氣制氧方法（低溫精餾法、薄膜滲透法及化學吸收法等）相比，它具有隨時開機即可制氧、裝置結構簡單、體積小、操作簡便、自動化程度高及裝置啟動快等優點。

煤礦用供氧裝置對產品的穩定性和可靠性要求較高，因此要求其控制系統具有良好的靈活性、可靠性、穩定性和環境適應能力，并能準確控制工藝參數［9～11］。 在此，筆者建立一套煤礦安全生產用PSA 制氧裝置，對其均壓工藝和反吹工藝進行實驗研究，以實現工藝參數的準確控制，提高系統的可靠性。

1 PSA 制氧裝置

筆者建立了一套制氧純度在90%以上的雙吸附柱變壓吸附制氧裝置（圖1）。原料氣（環境空氣） 首先通過空氣過濾器除去塵埃和固體雜質，然后被吸入螺桿壓縮機，將氣體壓縮到吸附時所需的壓力后再經冷干機冷卻至常溫， 以除去水分。 分子篩對水有強烈的吸收性，若水分進入吸附床層將導致分子篩的吸附性能降低，同時沸石分子篩是極性化合物， 對空氣中的二氧化碳、一氧化碳、 酸堿及臭氧等極性分子的吸附能力較強， 所以這些物質在進入吸附柱之前應被除去。過濾器除去氣體中的飽和水分、油質及二氧化碳等雜質后，此時流出的氣體可以看作是氧、氮雙組分的混合氣，混合氣經流量計測量流量后進入吸附柱，在控制系統的控制下，電磁閥開啟或關閉，從而使兩個吸附柱交替進行吸附制氧。 產品氧氣通過測氧儀和氧氣流量計進入氧氣儲罐。 此裝置的優點是，開機10 min 后整個裝置便可以穩定運行，并不斷地制取富氧產品。

圖1 PSA 制氧裝置示意圖

2 均壓工藝實驗研究

Banerjee R 等利用有效能分析討論了無均壓步驟和有均壓步驟的PSA 過程，指出與無均壓步驟相比， 有均壓步驟的流程吸附壓力明顯降低，氧氣純度和回收率明顯提高［12］。 實驗過程中，上均壓時V7 閥打開，將兩塔接通，把已完成吸附的高壓空氣引入到已完成解吸的吸附塔內；下均壓時V1、V2 閥同時打開。

2.1 均壓時間對氧純度的影響

圖2 為不同操作壓力下均壓時間對氧純度的影響。 由圖2 可看出，隨著均壓時間的增加，氧純度先迅速增加，到達最大值后又逐漸減小，整個過程中存在一個最佳均壓時間， 此時氧純度達到最大值。 這是因為在均壓過程中，被均壓的吸附塔內的氣體得到及時補充，使得壓力快速升高，隨著均壓時間的增加，吸附塔升壓加快，產氧量增多，使得氧純度增加，但當均壓時間達到某一值后，分子篩解吸出來的氮氣就會進入被均壓的吸附塔內，使得氧純度降低。 另外從圖2 還可看出，操作壓力的改變對最佳均壓時間的影響不明顯。

圖2 不同操作壓力下均壓時間對氧純度的影響

2.2 均壓時間對吸附壓力的影響

圖3 為半個吸附周期內均壓時間對吸附壓力的影響。由圖3 可看出，均壓時間分別為6、10、12 s 時，吸附壓力曲線均有一個明顯的壓力折點，因此可以將升壓階段分為均壓升壓階段和升壓吸附階段。 在均壓升壓階段，吸附壓力曲線的斜率較大，壓力迅速升高，進入升壓吸附階段后斜率逐漸減小。 均壓時間為0 s 時，吸附壓力曲線沒有壓力轉折點，隨著時間的增加，吸附壓力均勻增大。 對于變壓吸附制氧，平均吸附壓力影響氣體的吸附量，由圖3 可知，平均吸附壓力隨均壓時間的增加而增加。 如果操作壓力相同，則有均壓流程的吸附時間小于無均壓流程的吸附時間，并且隨著均壓時間的增加而減小。 因此均壓流程可縮短吸附周期，使相同時間內吸附床的循環次數增加，分子篩利用率增大，單位分子篩的產氧量提高，吸附器結構變小，成本降低。

圖3 半個吸附周期內均壓時間對吸附壓力的影響

圖4 為均壓時間10 s 時，兩吸附柱吸附壓力隨時間的變化曲線，其中點1、點2 處為均壓結束時刻兩吸附柱的壓力。 由圖4 可知，在均壓結束時刻，A 柱的壓力值（點2）小于B 柱的壓力值（點1）。 對于均壓工藝，均壓結束時兩吸附柱壓力相等為完全均壓， 存在一定壓差則為不完全均壓。因此，均壓時間為10 s 時為不完全均壓。 對于本實驗裝置，氧純度在均壓時間為10 s 時達到最大值，且對應的是不完全均壓流程。

圖4 均壓時間10 s 時兩吸附柱吸附壓力隨時間的變化曲線

3 反吹工藝實驗研究

在實驗條件下，僅靠降壓解吸，分子篩無法徹底再生，導致進入下一循環的分子篩吸附量減少，從而使氧純度降低。 氧氣逆流反吹可使分子篩再生得更加徹底，增加進入下一循環的分子篩的吸附量， 形成有利于提高氧純度的良性循環，對吸附裝置的優化節能具有至關重要的作用。 吸附柱在反吹過程中只打開進氣閥而不打開排氣閥，目的是讓反吹氣與分子篩充分接觸。 文獻［13］的實驗結果表明， 恒壓反吹流程的制氧效果優于增壓反吹流程，為此本實驗采用恒壓反吹流程。

3.1 進氣流量對反吹工藝的影響

圖5 為不同進氣流量下反吹時間與氧純度、氧回收率的關系。 可以看出，隨著反吹時間的增大，氧純度先增大后減小，氧回收率呈線性下降趨勢；在相同反吹時間下，進氣流量越大，氧回收率越高。

圖5 不同進氣流量下反吹時間與氧純度、氧回收率的關系

3.2 產品氣量對反吹工藝的影響

在一定沖洗氣量下，出口產品富氧流量越大，吸附柱內壓力越低；而出口產品富氧流量一定時，沖洗氣量越小， 壓力越高。 這是因為壓縮機的排氣量是一定的，如果排出的產品氣多，或是沖洗量大（沖洗氣最終是通過消聲器排入大氣的），都將降低吸附壓力。 因此產品氣量也是重要的工藝參數，與操作壓力和反吹時間有著重要關系。 圖6為不同產品氣量下反吹時間與氧純度的關系。 由圖6 可看出，在相同反吹時間下，產品氣量越小，氧純度越高。 這是因為產品氣量小， 從吸附柱流出的總氣量小，吸附柱內氣體流動速度慢，壓力升高快， 有利于提高吸附柱內分子篩的吸附容量。同時，反吹氣含氧量高，促進了吸附柱中分子篩的解吸，形成了有利于氧氮分離的環境，達到了較高的氧純度。 隨著產品氣量的增加，吸附床內的壓力逐漸下降， 分子篩的吸附能力也下降，氧純度降低，而用純度不高的氧氣吹掃無法使分子篩徹底再生，因此產品氣量大時，反吹過程的影響較小。

圖6 不同產品氣量下反吹時間與氧純度的關系

4 結論

4.1 隨著均壓時間的增加， 氧純度迅速增加，到達最大值后又逐漸減小，因此存在一個最佳均壓時間；操作壓力的改變對最佳均壓時間影響不明顯。

4.2 均壓流程的壓力曲線有一個明顯的壓力折點，因此可以將升壓階段分為均壓升壓階段和升壓吸附階段。 在均壓升壓階段，吸附柱進氣壓力曲線的斜率較大，壓力迅速升高，進入升壓吸附階段后斜率逐漸減小。 無均壓流程的壓力曲線沒有壓力折點，隨著時間的增加，壓力均勻增大。 在升壓吸附階段，無均壓流程和有均壓流程的壓力曲線大致平行，且壓力呈線性增加趨勢。 平均吸附壓力隨均壓時間的增加而增加。

4.3 隨著反吹時間的增加，氧純度先增大，達到最大值后開始下降， 因此存在一個最佳反吹時間。

4.4 進氣流量與反吹時間的關系不大；進氣流量越小，氧純度越高，氧回收率越低；產品氣量越小，氧純度越高，反吹氣量對氧純度的影響越大。