工業(yè)工藝需要的氧氣可以通過幾種方式滿足，購買氧氣或制氧機現場制氧供氣。對于大氣量用戶如果不是制氧機現場供氣，就是使用液氧貯槽通過汽化器進行供氣。本文就針對這三種供氧方案進行比較，以供廣大客戶作個參考。

 

一、深冷空氣分離法

 

深冷法是先將空氣壓縮，再膨脹降溫，冷卻后液化。然后利用氧氮的沸點溫度不同（在大氣壓下氧的沸點為-182.98℃，氮的沸點為-195.8℃），在一定的設備—精餾塔內，通過溫度較高的蒸氣和溫度較低的液體的相互接觸，蒸氣中有較多的氧被冷凝，液體中有較多的氮被蒸發(fā)，通過多次接觸，以實現把空氣分離為氧、氮的目的。

深冷空分設備工藝流程簡圖

   

空氣經過濾器吸入壓縮機壓縮后進入回熱器，末級冷卻器和預冷機組冷卻，然后進入純化器除去水份、二氧化碳、乙炔及其它碳氫化合物。

         凈化后的空氣分為兩股。一股氣進入分餾塔主換熱器中，被返流氣體冷卻至液化溫度后進入下塔，經初步精餾后，在下塔頂部得到液氮，底部得到富氧液空。另一股氣被與透平膨脹機同軸的增壓機增壓，經主換熱器冷卻，膨脹機膨脹后直接作為拉赫曼進氣進入上塔中部壓力相近處，充分利用上塔的精餾能力。

下塔液空和液氮經過過冷器過冷后節(jié)流進入上塔，作為上塔的回流液參加精餾，結果在上塔頂部得到氮氣，在上塔底部得到氧氣，產品氧及氮經過冷器、主換熱器回收冷量后出冷箱。

 

 

主要設備：

空氣進口過濾器	離心式空氣壓縮機組
預冷機組	純化器組
分餾塔（冷箱）	膨脹機
儀控系統(tǒng)	電控系統(tǒng)

一般技術參數：（全低壓流程）

氧氣純度：	≧99.6%
產品出塔壓力：	0.029MPa
操作壓力：	0.55MPa
啟動時間：	36h～48h
運轉周期：	12～16Months

主要電耗設備：

空氣壓縮機：	電機功率
預冷機組：	電機功率
純化器：	再生電加熱器功率

二、變壓吸附制氧技術

性能良好的吸附劑是實現PSA分離的前提和條件。吸附劑是一種多孔結構的固體顆粒，因此高孔隙率和高比表面積是它的重要特征。此外，吸附劑還具有選擇吸附性能，即對混合氣體的各組分有不同的吸附容量。

    在物理吸附過程中，改變壓力或改變溫度都可以改變吸附的動吸附容量。對于等溫條件下的氣體混合物，吸附劑對被吸附組分的吸附量，因其分壓升高而增加，其分壓下降而減少。這樣，吸附劑在高壓下吸附，達到吸附平衡后，再降壓解吸，釋放出被吸附的氣體組分，吸附劑被再生。這就是變壓吸附過程。

變壓吸附制氧就是將空氣通過分子篩（通常為泡沸石），利用氧、氮分子的直徑差差異來分離氧、氮以制取氧。這種吸附法為平衡型吸附，也有利用速度不一樣來進行分離的速度型吸附。這種吸附制氧法必需有多塔切換流程（壓力升高時吸附，壓力降低時解吸），可以實現全自動控制。

 VPSA流程是目前國內外普遍采用的較為先進的制氧流程。原料空氣經由入口過濾及消聲器由羅茨鼓風機送入A塔，空氣通過分字篩吸附床層，氮氣被吸附，氧產品進入緩沖罐，再由壓縮機壓至用戶所需壓力以供使用。A塔工作，此時B塔進行再生，由真空泵抽真空解吸。A塔工作結束，A、B兩塔均壓，然后進入B塔工作，A塔再生階段。兩塔切換，實現連續(xù)運行。

 

主要設備：(VPSA流程)

空氣進口過濾器及消聲	羅茨式鼓風機組
吸附塔	真空泵機組
儀控系統(tǒng)	電控系統(tǒng)

一般技術參數：

氧氣純度：	93%
產品出塔壓力：	0.01MPa
操作壓力：	0.02MPa
啟動時間：	5min

主要電耗設備：

鼓風機：	電機功率
真空泵：	電機功率

 

三、由液氧儲槽供氣

    用戶用氧量較大，用氣體鋼瓶或中壓氣體儲罐都不大可行。低溫液氧產品必須用低溫儲槽和低溫液體槽車貯存運輸?，F行儲槽一般都為雙層真空粉末絕熱低溫液體儲槽。

    低溫儲槽設置一般需附進有穩(wěn)定的液氧供應，以解決氣源問題，同時還需增設調壓閥組及汽化器，以實現工業(yè)供氣。

    

主要設備：

真空絕熱低溫儲槽	調壓閥組
汽化器	低溫高壓泵（高壓用戶）

一般技術參數：

壓力等級：	0.2MPa、0.8MPa、1.6MPa
設計溫度：	-183℃
日蒸發(fā)率：	0.84～0.19%/d（1200L～100000L）
氣液換算：	1m3液氧﹦800氣氧（標態(tài)）

四、VPSA與深冷法的比較

    

深冷法空氣分離制氧以有近百年的歷史，工藝流程不斷改進，現代化生產裝置使用了分子篩純化、高效透平、填料塔、內增壓等流程和工藝，能耗和基建費用有所降低。PSA制氧裝置是進20多年中發(fā)展起來并被市場廣泛接受的技術﹐VPSA技術開發(fā)的時間更短。

   

VPSA與深冷法比較各有特點：

 

ａ、流程比較

    VPSA制氧裝置流程簡單，設備數量少，主要設備盡鼓風機、吸附塔、儲氣罐、真空泵和一些閥門，而深冷制氧機流程復雜，主要設備包括空壓機、過濾器、膨脹機、精餾塔、凈化裝置、一組換熱器等許多裝置。

 

ｂ、基建費用

    VPSA裝置設備數量少，基建費用少，對廠房要求也不高，基建費用僅占設備總投資的5～10%。深冷制氧機裝置設備復雜，安裝要求高且周期長，基建投資高，其保冷箱和保冷材料（珠光砂）就需要大量資金，基建費用要占設備總投資的20～40%。

 

ｃ、運行控制

VPSA裝置能全自動無負荷的運轉，且停車后，吸附塔內氣氛穩(wěn)定，重新開車后幾分種就能出產品。簡單的起動及停車能避開用電高峰運行，降低生產成本。而深冷法分離裝置的操作就比較復雜，不是簡單的起動、停車，重新開車需36～48小時。VPSA裝置能實現無人操作，自動運行，而深冷設備運行需安排專人輪班，隨時進行調節(jié)。

 

ｄ、維修保養(yǎng)

    VPSA裝置本身很簡單，運轉機器的數量少，常溫常壓下操作，維修保養(yǎng)工作量少，費用低。年設備開車率98%左右，且其中有50%是因為故障停車，如冷卻水供應故障及電力故障等。設備正常維修保養(yǎng)停車約每年5天，用于風機真空泵注油，動設備的定期維修保養(yǎng)和操作人員負責空氣過濾器之無紡布的定期更換（周期為一月至二月）等。分子篩使用壽命10年以上，切換閥門閥座一般兩三年方更換一次，真空泵軸承及油封在正常使用條件下壽命為三至五年。

    深冷裝置在低溫下運行，運轉機器較復雜，所以維修費用及保養(yǎng)時間均比VPSA裝置多。并且深冷空分有運轉周期，小型設備運行幾個月就需進行加大溫，用蒸汽對設備及管路進行吹掃解凍，加溫解凍時間一般為36小時，停車時間較長。

 

ｅ、設備能耗

制氧機的產品是氧氣，消耗的是電能。為了衡量制氧機的經濟性，用生產每1Nm³氧氣需消耗多少度電來表示制氧機的能耗。

VPSA流程制氧能耗已達相當水平，我公司設計能耗為0.43KWH/Nm³，從而降低了設備運行費用。

深冷空分能耗由其流程決定，幾種主要流程能耗如下表：

流程壓力	流程名稱	壓力范圍MPa	能耗Kwh/Nm3O2
高壓	林德型	6-10	1.5-1.7
中壓	克勞特型	1.2-2.5	0.9-1.3
高低壓	林德－弗蘭型	15;0.6	0.6-0.9
低壓	卡皮查型	0.456	0.45-0.7

決定其能耗的一個重要因素是流程壓力，即它的能耗與流程壓力的對數成正比。目前，大型的空分裝置通常采用全低壓流程，即帶有透平膨脹機的卡皮查循環(huán)的空分流程，而小型空分設備則采用帶膨脹的中壓流程。同時對于深冷制氧機，產量越小其提取率越低而能耗越高。

 

普通小型氧氮設備性能參數

氧氣產量 Nm3/Hr	氧氣純度 %	氧、氮 產量比	氮氣純度 %	流程型式	單位氧電耗１ KWh/m3	運轉周期２ 月
20	≧99.2	≧2	≧99.5	G	1.85	3
50 100 150				Z	1.36 1.31 1.27	6
200 300 400 500				Z (D)	1.22 1.15 1.08 1.00	9
600 800		1～2		D	0.70 0.65	12

注：1.單位氧電耗不包括壓氧電耗值，單位電耗以進分餾塔空氣量的設計值為依據

    2.運轉周期指分餾塔兩次大加溫的時間

ｆ、流量調節(jié)

氧氣產量一般按用戶工藝用氧最大要求設計，如用戶無須滿負荷開車，則多余氧氣就需另行儲存，甚至放空。流量調節(jié)是考核制氧機經濟性的一個重要指標。

深冷空分設計時，就需考慮幾種產量方案。深冷制氧機要達到要求的純度及產量，需進行細致的調節(jié)，達到一定的物料平衡和冷量平衡，其流量調節(jié)是一項操作水平要求較高的工作，不僅要求對設備有詳細了解，還需對工藝非常熟悉。

VPSA制氧機，我公司可采用變頻技術，不僅僅是降低了能耗，也使得流量的方便調節(jié)成為可能。我公司現行設計的VPSA制氧機，可在20%～100%范圍內的無級調節(jié)流量，并且調節(jié)方便，可實現自動調節(jié)（或遠程控制）。

ｇ、產品用途

VPSA法與深冷法比較，其產品氣單一，氧氣純度低。而深冷法可以同時生產出高純度的氧、氮產品，并可實現對稀有氣體的全提取，所需氣量越大，經濟性越好，而且深冷法產品便于經濟地儲存和運輸。但兩者的取舍完全取決于工藝要求及投資策略。

    目前國內深冷現狀是，小機組能耗高，大機組閑置或放空，設備綜合利用率低。大多數上馬的空分設備為配套設備，主導產品多為一種氣體，如果只需要氧的話，則氮氣就是多余產品，國內做法大多為放空，浪費嚴重。

ｈ、深冷優(yōu)勢

深冷最大的優(yōu)勢，是其產量和純度。目前國內最大產量為上海寶鋼5＃制氧機，氧氣產量達72000Nm³/Hr。而變壓吸附制氧機，國內目前還無太大設備，我公司95年投產的國內鋼廠1000Nm³/Hr，當時已是國內最大設備。現在國內變壓吸附制氧機大多產量較小，一些較大設備也因各種原因不是產量達不到要求就是純度不夠，這與國內一些廠家配套設備選型不當有關。

深冷制氧機純度一般可達99.6%，能滿足工業(yè)生產絕大部份需要。VPSA制氧機純度一般為93%，其中4.5%的氬，制氧分子篩無法分離，這就限定了它的適用范圍?，F開發(fā)了高純度變壓吸附制氧機，采用兩級吸附分離，其純度可達98%以上，但目前成本較高，只適用于小型設備。    

    從兩種制氧方式比較可知，深冷和VPSA制氧各有特點，不能以簡單的誰好誰壞來取舍，他們在各自的適用范圍內都有其特有的優(yōu)勢。就經濟性而言，如對純度無特殊要求，產量小于5000Nm³/Hr宜采用VPSA制氧，產量5000～8000 Nm³/Hr之間，則兩者各有優(yōu)勢，如產量大于8000 Nm³/Hr則宜采用深冷制氧。

五、VPSA氧氣與液氧儲槽成本比較

(以用氧200Nm³/Hr為例)

液氧儲槽氧氣成本計算：

Ａ	液氧單價	1200	RMB/m3
	可變成本：VC=A/800	1.5	RMB/Nm3O2
Ｂ	總投資
	儲槽投資（20000L，0.8MPa）	300,000	RMB
	汽化器(200m3/h)	30,000	RMB
	總計	330,000	RMB
C	氧氣年供應量： =200Nm3/Hx24Hx350天	1,680,000	Nm3
D	10年后設備折舊=Bx10%	33,000	RMB
E	設備折舊（年）=(B-D)/10	29,700	RMB
F	年息=Bx8%x1/2	13,200	RMB
G	年維修費=Bx0.025	8,250	RMB
	固定成本：FC=(E+F+G)/C	0.0304	RMB/Nm3O2
	氧氣成本=VC+FC	1.5304	RMB/Nm3O2

 

VPSA氧氣成本計算：

A	單位產氣電耗	0.45	KWH/Nm3O2
B	附助設備能耗=Ax0.1（包括水冷）	0.045	KWH/Nm3O2
C	電價	0.5	RMB/KWH
	可變成本：VC=Cx(A+B)	0.2475	RMB/Nm3O2
D	總投資
	設備投資	1,940,000	RMB
	共享工程及安裝	305,000	RMB
	總計	2,245,000	RMB
E	氧氣年產量： =200Nm3/Hrx24Hx350天	1,680,000	Nm3
F	10年后設備折舊=Dx10%	224,500	RMB
G	設備折舊（年）=(D-F)/10	202,050	RMB
H	年息=Dx8%x1/2	89,800	RMB
I	年維修費=Dx0.025	56,125	RMB
	固定成本：FC=(G+H+I)/E	0.2071	RMB/Nm3O2
	氧氣成本=VC+FC	0.4546	RMB/Nm3O2

 

預期利潤率計算：

J	儲槽供氣價格	1.5304	RMB/Nm3O2
K	每消耗單位氧節(jié)省費用﹦ 氧氣市場價格－氧氣生產成本	1.0758	RMB/Nm3O2
L	每年節(jié)省費用=Kx年消耗量	1,807,344	RMB
M	投資回收期=D/(L+G)	1.12	年

      通過計算可以看出，作為輔助設備的VPSA制氧機，其投資少，見效快，投資回收期短，對于長期需氧用戶，只要工藝能滿足要求，VPSA制氧機是非常經濟的選擇。

六、結語

VPSA制氧機所產氧氣，純度大于90%，同時，因其方便的開停和流量調節(jié)功能，使其更適合用于水處理、紙漿漂白及富氧助燃等領域?并且，設計可靠的VPSA制氧機能長期穩(wěn)定的工作，開車率高，維修量少，是水處理焚燒等用氧源的理想選擇，國外大氣體公司亦都采用同類流程?

隨著我國市場經濟的不斷發(fā)展和完善，工業(yè)企業(yè)作為自負盈虧、獨立核算的商品生產者和經營者，不盡需參與市場競爭，而且還要不斷地創(chuàng)造價值和使用價值。成本費用是一項綜合反應企業(yè)管理質量的重要指標，也是企業(yè)進行決策的重要依據。變壓吸附制氧機工藝日趨成熟，能耗也達到了相當水平，其在中小型現場供氣領域已逐步取代了深冷裝置，和液氧貯槽供氣相比優(yōu)勢更是明顯。