變壓吸附法即PSA法是在較高的壓力下吸附，實現氣體分離，在較低壓力下實現吸附劑再生。該法是基于分子篩對空氣中的氧、氮組分選擇性吸附而使空氣分離獲得氧氣。當空氣經過壓縮，通過裝有分子篩的吸附塔時，氮氣分子優先被吸附，氧分子留在氣相中而成為氧氣。吸附達到平衡時，利用減壓或抽真空將分子篩表面所吸附的氮分子驅除，恢復分子篩的吸附能力。為了連續提供氧氣，裝置通常設置兩個或兩個以上的吸附塔，一個塔吸附產氧，另一個塔解吸，以達到連續產氧的目的。
PSA法能夠生產純度80%~95%的氧氣，制氧電耗一般在0.32kWh/Nm3～0.37kWh/Nm3，吸附壓力高于大氣壓，一般在30kPa～100kPa，流程簡單，常溫下工作，自動化水平高，可實現無人化管理，特別是安全性好。在真空解吸流程中，裝置操作壓力低，容器等不受壓力容器規范控制。變壓吸附工藝按吸附器的數量，分為單塔流程、兩塔流程、三塔流程和五塔流程等。五塔流程的變壓吸附法最為常用，就是用5個吸附床、4臺鼓風機和2臺真空泵，整個周期中保持2個床在吸附和抽真空，解決了大規模產氧的技術問題 。
變壓吸附制氧工藝具有以下優點：
一是采用大氣進氣壓差自動充壓技術，減少鼓風機送風量，延長設備使用壽命，降低氧氣制造成本。
二是設備簡單，主要設備羅茨鼓風機和真空泵運行穩定、可靠，分子篩的使用壽命在10年以上，無需維護。
三是產生的氧氣量及純度可根據實際使用情況進行調節，穩定純度可達93%，經濟純度為80%~90%；產氧時間快，一般30min以內就可以達到80%以上的純度；單位電耗僅0.32kWh/Nm3～0.37kWh/Nm3。
四是變壓吸附制氧與深冷法制氧對比有以下特點：投資低，流程簡單，占地少，設備少，運動部件少；自動化程度高，基本可實現無人化管理；能夠滿足高爐富氧鼓風工藝要求。
更多信息：
請進入法鋼耐磨鋼板新聞資訊
耐磨鋼板切割下料
JFE耐磨鋼板
迪林格耐磨鋼板
一、 前言
近20年來，隨著國內經濟處于穩定快速發展階段，我國鋼鐵、有色冶金、化工、爐窯節能、環保、玻璃和造紙等行業的生產工藝不斷進行升級與革新，工藝的優化和產能擴大促使各行業對于氧氣的需求也日益增大。巨大的用氧需求帶動了國內工業制氧設備的技術進步，傳統的深冷空分工藝、變壓吸附制氧工藝及膜分離工藝等制氧技術取得了一定的發展。膜分離工藝由于其產品純度太低的因素，限制了該工藝的適應性，國內深冷工藝和變壓吸附工藝取得了長足進步，尤其是變壓吸附制氧技術，在新型鋰基吸附劑國產化以及徑向吸附塔開發取得突破性進展后，變壓吸附制氧工藝在國內得到了廣泛的使用和用戶的極大認可。
二、 國內外變壓吸附制氧技術進展
變壓吸附制氧技術開發始于20世紀60年代，20世紀80年代初美國和日本相繼實現工業化。美國普萊克斯公司在20世紀90年代初開發出鋰分子篩制氧吸附劑，并依據鋰分子篩的特性開發了
VPSA制氧工藝，變壓吸附制氧雙塔最大規模突破3000Nm3/h以上，制氧電耗降到0.35
kW·h/m3，使變壓吸附制氧技術得到快速發展，為其廣泛使用奠定了堅實基礎。
近幾年，隨著永磁電動機的開發及制氧工藝的優化，國外變壓吸附制氧電耗最低已降到0.3kW·h/m3以下，雙塔制氧最大規模突破6000Nm3/h以上，變壓吸附制氧成本得到進一步降低，制氧規模逐年增大，進一步促進該工藝使用領域的拓展。
我國從20世紀80年代末期開始研究變壓吸附制氧技術，直到20世紀90年代初才有了小型工業化裝置。最初的制氧裝置采用的吸附劑為CaA分子篩吸附劑，工藝為PSA工藝，從最初的20m3/h、50m3/h和100m3/h開始到20世紀90年代末期我國變壓吸附制氧最大規模也只有1000m3/h，純氧電耗達到0.5
kW·h/m3以上。國產變壓吸附制氧裝置發展初期的部分產品存在羅茨鼓風機噪音大、故障率高、切換閥門故障特別高以及分子篩易粉末化等一系列問題。不少企業特別是鋼鐵行業的企業基于短平快的特點開始使用變壓吸附PSA制氧設備，但因設備維護工作量大、維護成本高而棄用并重新使用深冷分離設備，給大家留下了設備無法長期運行、維護量太大、不能大型化的負面影響，與同期國際先進水平差距明顯。
2000年初，以北大先鋒科技有限公司為代表的高效鋰基吸附劑生產及采用鋰基吸附劑的變壓吸附制氧工藝的工業化，國內變壓吸附制氧技術有了快速的進步及廣泛的推廣，目前北大先鋒建設的變壓吸附裝置兩塔裝置規模已達到6000m3/h，純氧電耗也接近0.3kW·h/m3。
隨著變壓吸附制氧技術一些關鍵性問題如高效鋰基吸附劑穩定生產、徑向床吸附器的研發、可靠的高頻率以及大口徑蝶閥開發等得以解決，國內變壓吸附制氧技術的產氧規模逐年增大，氧氣電耗逐漸降低，裝置的可靠性穩步提升。裝置規格也從單套兩塔制氧裝置的規模從最初的不足1000m3/h發展到了如今的6000m3/h，多塔并聯后規模達到30000m3/h以上，單位制氧電耗降低到0.32
kW·h/m3以下[4]，制氧裝置的年開工率達到98%以上。鼓風機的噪聲已達到85dB以下的要求(通過消聲處理、廠房外1m噪聲可以達到70dB以下)，大口徑蝶閥無故障率普遍達到8000h以上，分子篩壽命更是提高到了5年以上，迅速地舊貌換新顏，讓用戶對國產變壓吸附制氧設備有了嶄新的認識，擴大了變壓吸附制氧設備的應用。僅2021一年，國內規模超過1000Nm3/h以上變壓吸附制氧裝置建設套數就超過70套。
國內如北大先鋒科技有限公司、天一科技等企業通過不斷努力改變了變壓吸附制氧分子篩依賴進口的局面，同時在鋰分子篩等產品領域取得了突破，并獲得新型分子篩產品的工業化應用。
隨著變壓吸附制氧技術的發展與完善，相比深冷制氧技術，變壓吸附制氧技術逐漸形成許多獨特優勢，進一步推動變壓吸附制氧技術在國內眾多行業的廣泛應用。
三、 變壓吸附制氧技術的特點
1. 制氧能耗低和運行成本低
制氧工藝中，電耗大概占運行成本的90%以上，隨著變壓吸附制氧技術的不斷優化，其純氧電耗已經從20世紀90年代的0.45kW·h/m3，下降到了如今的0.32kW·h/m3以下，即使較大規模深冷制氧的純氧電耗最低也在0.42kW·h/m3左右。與深冷制氧技術相比，在企業沒有氮氣需求，用氧工序對氧氣純度及壓力要求不高的工況下，變壓吸附制氧技術具有明顯的成本優勢。
2. 工藝簡單、操作靈活和開停車方便
變壓吸附制氧與深冷制氧技術相比，工藝比較簡單，操作壓力在-0.05~0.05MPa，主要動力設備為羅茨鼓風機和羅茨真空泵，操作相對簡單、容易維護。由于變壓吸附制氧設備開停車不存在降溫和升溫過程，原始開車只需要30min則可產出合格氧氣，短時間停車則幾分鐘便可產氧，而裝置停車則更加簡單，只需要把動力設備和控制程序關停，相比深冷制氧，變壓吸附制氧技術開停車更加方便，大幅度降低了裝置開停車產生的操作費用。
3. 投資省和建設工期短
變壓吸附制氧裝置工藝流程簡單，主要由動力系統、吸附系統和閥門切換系統等組成，設備數量較少，可以節省設備的一次性投資成本;同時裝置占地面積小，還可以減少裝置土建成本和建設用地的成本。并且設備加工制造周期較短，主要設備加工周期一般不超過4個月，正常情況下6個月內即可實現產氧要求，相比深冷制氧接近1年的建設周期，大幅度地降低了裝置的建設時間。
4. 設備簡單和維修方便
變壓吸附制氧技術采用的設備如鼓風機、真空泵和程控閥門等全部可實現國產化，備品、備件更換易，可降低成本和工期容易控制，而且設備維修簡單、售后方便，相比深冷制氧所用的大型離心壓縮機的維護，變壓吸附制氧用戶不需要投入大量維護資金和聘用專業維護工人。
5. 負荷調節方便
相比深冷液氧技術，變壓吸附制氧在純氧電耗變化不大的情況下，可以實現產量和純度的快速調節。一般產量可在30%~100%調節，純度可在70%~95%調節，尤其當幾套變壓吸附制氧裝置并聯使用時，負荷調節更加容易。
6. 操作安全性高
由于變壓吸附制氧為常溫下的低壓操作，而且不會出現液氧、乙炔富集等現象，相對于深冷制氧低溫高壓操作，安全性更高。
四、 變壓吸附制氧技術的主要應用領域
隨著變壓吸附制氧規模逐年增大、可靠性逐年提高及制氧電耗的逐漸降低，同時變壓吸附制氧技術具有操作靈活、負荷調節簡單、電耗低、裝置建設周期短以及安全性高等優點，對于需要靈活使用富氧的行業，變壓吸附制氧技術無疑可成為深冷制氧的替代工藝，其應用范圍也在逐年擴大。近幾年，變壓吸附制氧工藝在鋼鐵、有色冶金、化工、爐窯節能、水泥回轉爐、環保、玻璃和造紙等行業得到了廣泛應用。
1. 高爐富氧工藝
隨著高爐富氧技術的發展，高爐已經成為鋼鐵廠的主要用氧源之一。在高爐富氧技術最初應用時，高爐可以作為全廠供氧的調節器，產氧量多時，高爐富氧率則高，產氧量不足時，高爐富氧率則低。隨著企業對高爐富氧技術在煉鐵工藝的重要性認識逐漸清晰，高爐富氧率的穩定成為低成本、高效煉鐵的重要操作參數。由于鋼廠用氧的工序較多，用氧負荷每周甚至每天都會發生波動，而深冷制氧技術負荷調節性較差，開停車時間長，當用氧量少時，多余氧氣需液化儲存供以后使用或作為產品賣出，有時甚至會出現氧氣放空現象。鑒于高爐富氧用氧壓力低、氧氣純度要求不高等特點，許多鋼鐵企業可在高爐附近建設變壓吸附制氧裝置，直接給高爐配套，同時作為全廠氧氣供應的調節器，如全廠深冷空分產氧氣有余量或不足時，變壓吸附制氧裝置可隨時啟停來控制增減產量為高爐提供氧氣。目前許多鋼鐵企業高爐采用變壓吸附制氧技術供氧后，大幅度地降低了企業氧氣的使用成本。高爐采用變壓吸附制氧作為富氧氧源已在大部分鋼鐵企業形成了共識。
2. 電爐煉鋼工藝
以前國內大部分鋼鐵企業認為電爐煉鋼需要用深冷空分制純氧，而在日本約有60%~70%的電爐煉鋼企業則采用變壓吸附制93%純度的氧氣法煉鋼。理論上電爐煉鋼主要靠電弧熔化來煉鋼，氧氣只起輔助作用，變壓吸附生產的93%的氧氣完全可以應用于電爐煉鋼。目前國內如池州貴航金屬制品有限公司、遵義長嶺特殊鋼有限公司和瀘州益鑫鋼鐵有限公司等企業已經開始使用變壓吸附制氧裝置為電爐煉鋼供氧，根據電爐煉鋼企業實際反饋，采用變壓吸附制氧裝置為電爐供氧，對鋼材質量沒有影響，而且采用變壓吸附制氧技術后，氧氣成本可控制在0.3元以下，可明顯降低電爐煉鋼的生產成本。
3. 有色冶金行業
近10年變壓吸附制氧技術在銅、鉛、鋅等冶煉領域，取得了企業很高的認可度。多數有色金屬冶煉工藝對氧的純度要求一般在24%~90%之間，用氧負荷變動也比較大，而且有色冶煉企業幾乎不需要氮氣。由于變壓吸附制氧技術具備操作簡單、電耗低等特點，十分適合有色金屬冶煉。目前銅陵有色、紫金礦業和云南銅業等國內大部分有色冶煉企業均選擇變壓吸附制氧裝置作為富氧來源，例如包頭華鼎銅業有限公司隨著銅產量的增加以及煉銅工藝的改進，已相繼建設了4套變壓吸附制氧裝置，總用氧規模達到25000m3/h以上。云南楚雄銅冶煉廠隨著產銅規模增加，相繼建設了3套變壓吸附制氧裝置，總用氧規模達到30000m3/h。
4. 化工行業
目前國內部分中小型氮肥廠采用富氧連續造氣工藝對原有間歇制氣工藝進行改進，而富氧的來源多為變壓吸附制氧技術。富氧連續氣化技術對煤的適用性高，提高了制氣裝置的生產能力，具有很廣的應用前景。
5. 造紙行業
在造紙行業中，氧氣主要應用在用于制漿的氧脫、脫木素段以及增白等氧漂白工段。由于造紙工藝對氧氣濃度要求不高，而且不需要氮氣，因此目前國內外大部分造紙企業選擇變壓吸附技術來生產氧氣。
6. 其他領域
目前變壓吸附制氧技術在其他領域也有較為廣泛的應用，例如玻璃纖維行業，浮法玻璃和水泥窯爐的富氧燃燒工藝、垃圾焚燒的富氧助燃工藝、污水處理富氧曝氣工藝以及臭氧等領域。
五、 變壓吸附制氧技術的發展展望
變壓吸附制氧技術作為近20年快速發展的制氧新技術，隨著其技術不斷的進步和應用領域的擴大，逐漸得到眾多用氧企業的認可。以降低制氧能耗為目的，開發新型吸附材料以及嘗試與膜分離或深冷工藝進行耦合，通過優勢互補，拓展更大的應用領域是未來變壓吸附制氧技術的重要研發方向。例如變壓吸附制氧技術與膜分離技術耦合可以獲得純度大于99%的氧氣，在偏遠地區或一些需要移動式裝備的工況下可以替代低溫空分制氧。國內變壓吸附制氧生產企業如北大先鋒、天一科技等一些行業佼佼者和開拓者都十分注重研發工作，希望通過不斷加大投入爭取在未來的發展中搶占先機。隨著變壓吸附制氧技術日趨完善，變壓吸附制氧技術必將具備多種優勢和巨大的潛力，未來將擁有更廣闊的應用前景。
參考文獻
[1] 張輝，劉應書，劉文海，張德鑫，翟暉。變壓吸附制氧機吸附器結構研究進展，化工進展，2007(11)：1602-1608。
[2] 發明專利CN，A.C羅辛斯基，P.W.貝朗格，M.S.曼寧，VPSA設備中的壓縮機的抗喘振速度控制。
[3] 吳迪，李天文，孫裂剛，變壓吸附制氧吸附劑的發展狀況，現代化工，2021(1)：23-25。
[4] 姜賀，變壓吸附制氧技術的發展，中國有色冶金，2021(2)：64-66。
[5] 卜令兵，張劍峰，楊云，變壓吸附空分制氧應用進展，氣體分離2007 (3)：12-14。
[6] 趙劉強，變壓吸附制氧及機前富氧在高爐富氧上的應用，冶金能源，2021(5)：8-10。
[7] 李龍彬，變壓吸附制氧在玻纖行業中的應用和推廣，工業，2021(9)：8-12
[8] 余留芳，PSA變壓吸附制氧機在紙漿氧漂中的應用，中國造紙，2000(4)：6。
原標題：氧壓羅茨風機在制氧行業的應用
山東錦工有限公司是一家專業生產羅茨鼓風機、 羅茨風機、回轉式鼓風機等機械設備公司，位于有“鐵匠之鄉”之稱的山東省章丘市相公鎮，近年來，錦工致力于新產品的研發，新產品雙油箱羅茨鼓風機、水冷羅茨鼓風機、油驅羅茨鼓風機、低噪音羅茨鼓風機，贏得了市場好評和認可。產品和服務遠銷全國各地及東南亞，深受客戶好評。
變壓吸附又稱PSA在制氧較傳統的深冷制氧在許多方面具有獨特的優勢，因此在氧氣純度要求不太高的場合，使用日益廣泛，具有裝置逐步擴大的趨勢，其裝置示意圖見圖1。羅茨風機先將原料空氣送入塔內，塔中分子篩吸附空氣中的氮氣、二氧化碳及水份等，在塔內獲得一定純度的氧氣，吸附劑飽和后切換空氣進入塔B，同時利用真空泵抽氣，使塔A的壓力下降，將氮氣等從分子篩中脫離出來，這樣循環，則可獲得氧氣，氧氣再經過壓縮機的加壓進入兩個緩沖罐，由緩沖罐向用氧單位供氣。變壓吸附裝置中的關鍵動力設備，原料空氣的正壓輸送一般采用羅茨鼓風機，真空解吸過程中廢氣的抽除，通常也采用羅茨真空泵。關于向用戶加壓供氣的壓縮機，以前一般采用螺桿或活塞式壓縮機，但這兩種機器的壓力比較高，適合高壓氣體的輸送，但隨著工藝水平的不斷改進，對于低壓小流量產品的氣體輸送也開始轉向使用羅茨鼓風機，簡稱氧壓羅茨鼓風機，本文針對氧壓羅茨鼓風機的市場、結構特點、設計制造關鍵及使用運行作簡單的說明，進一步推進羅茨鼓風機在制氧行業的應用。
2 應用范圍
目前，作為50000 t/a的銅廠所需氧氣量為50～75m3/min，壓力29.4～39.2kPa，它與空氣混合后送入冶金爐助燃，從性能來說剛好落在羅茨風機的型譜范圍內，但因輸送的介質為氧氣，它是一種對溫度、油料、火花特別敏感的助燃、易爆性氣體，因此很多廠家一直以來也十分謹慎，使得國內羅茨鼓風機在這一領域的運用受到限制，氧壓機多采用國外進口配套產品。
最近，在北大先鋒及四川天一科技等制氧行業廠家的要求與配合下，我公司首制的第一批共4臺氧壓羅茨鼓風機已完工下線，并成功實現了與PSA裝置的順利對接。
3 設計要點
羅次鼓風機作為輸送氧氣這種特殊介質的機械，保證它的安全性、可靠性則是首要任務，因此從忌溫、忌油、忌火花及忌振等方面入手，在以下幾個方面對羅茨鼓風機作了特殊處理。
3.1 密封結構
首先要保證氧氣能夠密封在機殼與墻板所形成的密封腔內，不會由于軸封泄漏到兩端的油箱內與油接觸，致使在達到一定的溫度、濃度時發生爆炸而釀成事故。為達此目的，選用了合肥通用機械研究所的機械密封結構（見圖2），該結構為非平衡式雙端面機械密封，具有結構簡單、裝配方便、密封可靠等特點，端面配以襯套上的兩組“O”型圈1和2，可以從徑向、軸向兩個方向實現氣體的可靠密封，以保證氣體不外漏，端面配以“O”型圈3和4，可以保證機械密封的密封冷卻液不向內、外泄漏。
考慮到萬一有少量氧氣泄露的特殊情況下，會在墻板間形成的氧氣聚積，將風機墻板改為開式結構，確保漏出的氧氣不產生聚積，能在低濃度下立即向外擴散，從而可減少事故發生。
3.2 潤滑油（脂）與封液
普通的油（脂）在有氧氣的條件下，極易燃燒而產生氣體膨脹爆炸，同時，由于油脂的氧化變質，還會使其失去潤滑功能，因此對于任何有可能與氧氣接觸的油和脂均必須采取特殊處理，選用抗氧化性，阻燃性、潤滑性及穩定性俱佳的特種合成油，一般有合成硅基壓縮機油、氟基硅油兩種，它們均具有優異的熱穩定性和化學穩定性，不易形成殘碳和膠質，可防止由于氣體的稀釋導致的油品粘度下降而引起潤滑不良，以適合氧壓羅茨鼓風機的需要。
如果同時采用潤滑油作為封液，那么勢必會采用循環使用的方式，從而導致油池溫度升高，增加了安全隱患，而且一旦密封失效，產生內漏，將會對系統介質產生嚴重污染，因此經過與廠家協商，決定用軟水作為封液（系統壓力低時可用自來水，系統壓力高時可采用加壓泵加壓），對機封密封端面進行冷卻與潤滑，充分消除了用油作為封液可能存在的隱患。密封材質必須考慮與氧氣的適應性，機封座采用不銹鋼，密封面動環采用硬質合金，靜環采用石墨。既有良好的抗磨性，又有充分的抗氧化性。
3.3 冷卻
為進一步降低油箱內潤滑油的油溫，保證風機軸承與齒輪的可靠運行，減少由于機械故障產生的擦機殼、擦墻板，以避免引起火花，對主、副油箱均采用了水冷結構。，
3.4 油污
機械設備的所有零部件（包括標準件、外購件），無論是在加工過程中，還是在防銹保存過程中均有油污的粘染，通常裝配前的清洗均不能滿足深度除油的要求，根據HG20202-2000《脫脂工程施工及驗收規范》的要求，按以下工藝過程對所有零部件（部件散體）進行脫脂：（1）用香蕉水全面清洗兩遍，后用四氯化碳浸泡（小件）或局部逐漸淋洗抹擦（大件）至材料本色，直至抹布無銹跡、油污為止；（2）油除干凈后，立即用無油的干熱空氣（50～60℃）對各表面進行吹除，以達到深度除油和防銹的作用；（3）管道系統由用戶按標準進行除油處理。
3.5 主機零部件的精度
為避免風機在運行中出現危險，除了零部件加工精度外，機械密封的密封性能也對零部件的精度，特別是幾何精度、形位公差特別敏感，稍有不慎就會密封失效，因此裝配前必須按照圖紙對主機的各零部件進行細致的檢驗，采用選優的辦法選定所需的零件。
同時機殼、葉輪、墻板部位的間隙可適當放大0.05mm左右，以保證風機在運行過程中不出現磕碰。
3.6 裝配
首先要求必須絕對的干凈，包括吊索、抹布等均不能粘油，工作場地做初步除油處理后也需要用干凈的塑料或抹布與零部件隔開。
在機械密封的裝配過程中，軸承不能采用敲擊的方法強行打入，只能采用熱套或用鎖母鎖緊的方法壓入，否則，由于敲擊時產生強烈的振動會使機封的靜環產生跳動且不復位，在動靜環的密封面間也可能產生一個小間隙，最后導致密封失效而返工；同樣在主機裝好后，聯軸器或皮帶輪的裝配也只能采用熱裝的方式裝配到位，不能敲擊，以免震碎機封。
最后在裝配過程中，所有“O”型圈、骨架油封以及所有有墊的地方均可涂上少量的特種潤滑脂，這對密封及潤滑均有好處；同時所有聯接螺栓在裝配前均需粘取少量這種特種油，以免由于除油過凈，在擰緊的過程中由于潤滑程度不夠而將螺絲擰壞。
3.7 試驗
先對機封通水進行密封試驗，通水壓力比系統介質壓力高0.1MPa左右即可，30min后，以每分鐘漏水不超過5滴為合格。
密封合格后，對整機進行氣密封試驗，通入潔凈氮氣，壓力為1.5倍系統壓力，浸水保壓15min，無氣泡外冒為合格。
按JB/T 8941.2-1999《一般用途羅茨鼓風機性能試驗方法》進行性能試驗。
按HG 20202-2000《脫脂工程施工及驗收規范》進行脫脂驗收。
4 實際效果
根據以上工藝方案及技術要求，已成功地為北大先鋒、包頭、杭州項目以及四川天一科技配套了錦工牌JGR-200H、JGR-200AJGR-125A共3種機型4臺氧壓羅茨鼓風機，均已投入正常使用，為這些企業節約了大量的資金，并在售后服務和配件供應上提供了一條更為便捷的渠道，解決了使用單位的后顧之憂，成為國產羅茨鼓風機在制氧行業成功應用的良好范列，為國產羅茨鼓風機開創了一個新的應用領域。
上一篇: 羅茨風機使用者應該了解的知識下易一篇: 容忽略的羅茨風機維修小細節
：
山東錦工有限公司
地址：山東省章丘市經濟開發區
電話：0531-83825699
傳真：0531-83211205
24小時銷售服務電話：15066131928
