目前，我國政府高度重視節(jié)能減排工作，“十三五”時(shí)期中國節(jié)能減排等多項(xiàng)約束性指標(biāo)將更加嚴(yán)格。對(duì)于大型空分設(shè)備，如何在保證運(yùn)行安全穩(wěn)定可靠的前提下節(jié)省能耗，降低運(yùn)行成本，是空分設(shè)備設(shè)計(jì)過程中所面臨的重要課題。

近年來由于冶金、化肥和石化工業(yè)的迅速發(fā)展，空分設(shè)備等級(jí)不斷擴(kuò)大，例如杭氧制造的已經(jīng)投用的6萬等級(jí)大型空分設(shè)備就已經(jīng)有20多套，并已擴(kuò)大到8萬、10萬、12萬等級(jí)。

分子篩純化系統(tǒng)是空分設(shè)備中空氣進(jìn)入低溫冷箱前對(duì)空氣進(jìn)行純化處理的關(guān)鍵裝置，是用吸附法清除原料空氣中的水分、二氧化碳、乙炔及碳?xì)浠衔锏任镔|(zhì)，防止后續(xù)低溫設(shè)備堵塞、甚至爆炸，保證空分設(shè)備長期安全、可靠地運(yùn)轉(zhuǎn)所必須設(shè)置的設(shè)備。

分子篩純化系統(tǒng)通常由兩臺(tái)吸附器、加熱設(shè)備、閥門、管道、儀電控組成，兩臺(tái)吸附器一臺(tái)吸附，一臺(tái)再生，待一臺(tái)吸附飽和后，將另一臺(tái)再生好的吸附器投入使用，相互切換使用。因此該系統(tǒng)運(yùn)行能耗主要由兩部分組成：一部分為吸附時(shí)克服空氣流經(jīng)吸附器、閥門、管道所需的能耗。另一部分是再生所需的能耗，包括再生加熱時(shí)的熱能能耗、加熱、吹冷時(shí)污氮?dú)饬康南囊约翱朔鄣獨(dú)饬鹘?jīng)加熱設(shè)備、吸附器、消聲器、管道、閥門等阻力的消耗。

下面對(duì)分子篩純化系統(tǒng)如何有效節(jié)能降耗進(jìn)行具體的分析。

1. 純化系統(tǒng)中吸附與再生阻力降的控制

1.1不同結(jié)構(gòu)形式吸附器的阻力降的控制
一種形式為臥式或立式水平床吸附器，空氣從吸附器床層平面下部進(jìn)入，從上平面流出。床層一般是雙層床，下層活性氧化鋁，上層為分子篩組成。內(nèi)置粉末過濾器。該結(jié)構(gòu)形式吸附器國內(nèi)經(jīng)過近30年的經(jīng)驗(yàn)積累，設(shè)計(jì)日益成熟，解決了內(nèi)部支撐柵架防分子篩泄漏、床層均布等等難題，運(yùn)行可靠。規(guī)模生產(chǎn)后，具有制造成本相對(duì)較低，裝、卸料方便等優(yōu)點(diǎn)。用戶的檢查、維修也相對(duì)簡單。因此在國內(nèi)的空分上占主要份額。由于床層長徑比的關(guān)系，一般吸附器阻力控制在<6kPa。

水平床結(jié)構(gòu)形式吸附器的缺點(diǎn)是氣體進(jìn)出口都需要一定的均布的空間，床層體積占總設(shè)備空間的大約為35%。因此設(shè)備空間利用率較低，在大型空分上體積較大，并且是臥式放置，占地面積大。因此在節(jié)能上采取控制床層高度，控制流速等措施，降低阻力降。并采取內(nèi)置隔熱層等，降低再生能耗。

另一種為立式徑向流吸附器，由上、下封頭、筒體、3層同心多孔圓筒、內(nèi)置粉末過濾器、上、下接管、裙座等組成，活性氧化鋁和分子篩放置在兩層同心環(huán)空間內(nèi)。如右圖，空氣從外周流道徑向穿過吸附劑層，由于周向通氣，具有迎風(fēng)面大，床層阻力相對(duì)較小的特點(diǎn)；床層空間體積占設(shè)備體積的大約50%，空間有效利用率較高。因此大型空分的體積、重量可以減小。并且占地面積也較小。在節(jié)能上，在較大型空分上應(yīng)用立式徑向流吸附器，設(shè)備阻力可以控制<4kPa,并且體積偏小，再生加熱的能耗也能減小，因此具有一定的優(yōu)勢(shì)。而2萬及以下空分由于立式徑向流吸附器內(nèi)部不通氣段占比例相對(duì)較大，優(yōu)勢(shì)不明顯。

立式徑向流結(jié)構(gòu)吸附器的缺點(diǎn)是由于直徑的變化，空氣流經(jīng)的每個(gè)圓周面的流速都不同，因此內(nèi)、外圈的吸附能力是不同的，床層不能太厚，并且床層沿高度方向的均勻性難以做到一致，分子篩的吸附性能受到一定影響，因此設(shè)計(jì)吸附時(shí)間 4h。內(nèi)部由多個(gè)同心床層組成，制造難度大，成本高。內(nèi)部空間狹小，難以立足，維修難度大，對(duì)內(nèi)部網(wǎng)格牢固度和壽命要求也更高。如用單層床吸附器，外層水分高造成分子篩吸水后的硬度下降，運(yùn)行時(shí)粉末多，容易堵塞閥門和設(shè)備，采用雙層床吸附器效果較好。

1.2? 降低管道、閥門的阻力
近年來大型空分分子篩純化系統(tǒng)中切換閥門中應(yīng)用較多的是三桿閥。它具有良好的密封性能，并由于閥板和閥座密封面之間無任何摩擦，因此有較高可靠性和壽命較長的特點(diǎn)。較主要的是該結(jié)構(gòu)蝶閥可以很好地限制較大開啟壓差，有效防止分子篩沖床。但該類型閥門阻力略高。因此國內(nèi)的如杭氧泵閥的三桿閥，在降低阻力上采取放大閥門直徑的措施來降低阻力。并且同等級(jí)的國內(nèi)閥門成本相對(duì)進(jìn)口閥門要低，選用時(shí)可以采用與管道等徑等措施來降低阻力，因此也得到較廣應(yīng)用。

管道的設(shè)置上，三通阻力較大，彎頭次之，需要進(jìn)行管道總阻力的計(jì)算。盡量減少阻力。

1.3? 降低再生阻力的措施
再生污氮?dú)饨?jīng)過吸附器后排空，為了不增加空壓機(jī)的能耗，盡量降低末端再生污氮?dú)饬髀穳毫?。如采取蒸汽加熱器和電加熱器串?lián)結(jié)構(gòu)，需盡量降低串聯(lián)流程上的阻力，所選擇的蒸汽加熱器的自身阻力必須小，否則會(huì)增加污氮?dú)獾膲毫?，從而增高空壓機(jī)的壓力。一般采用低翅片無折流板的節(jié)能型蒸汽加熱器。

對(duì)于蒸汽加熱器和電加熱器串聯(lián)流路，可以考慮在串聯(lián)時(shí)，開啟包括備用電加熱器在內(nèi)的所有通道，電加熱器開啟小功率組調(diào)功使用，增加了一臺(tái)電加熱器的通道，減少了阻力。

2、 吸附時(shí)間的控制

空分設(shè)備通常配備2臺(tái)吸附器，切換使用。一臺(tái)吸附時(shí)間等于另一臺(tái)的再生時(shí)間。吸附器吸附時(shí)間設(shè)計(jì)值：通常4h,并控制吸附器出口CO2<1ppm，這樣也可以控制吸附后空氣中乙炔、水分、碳?xì)浠衔锏鹊蜏叵掠泻怏w雜質(zhì)的含量，保證空分的安全運(yùn)行。

由于吸附階段空氣壓力高，再生階段要求壓力低，因此，再生階段有壓力變換，再生時(shí)間由降壓、加熱、吹冷、升壓四階段組成。再生加熱過程是為了脫附在吸附劑內(nèi)的水分、CO2,碳?xì)浠衔锏入s質(zhì)，從而達(dá)到再次使用吸附劑的目的。但是脫附過程需要的總熱量Q，一部分是脫附這部分雜質(zhì)必需要消耗的熱量Q1，另一部分是加熱時(shí)不可避免地要用于加熱吸附劑、設(shè)備、管道等的浪費(fèi)的熱量Q2。Q=Q1+Q2，有效效率η= Q1/ Q，只有Q2占比率下降，才能有效降低能耗。

吸附時(shí)間延長，**內(nèi)的循環(huán)次數(shù)就減少，相當(dāng)于減少了吸附器、管道、閥門、吸附劑等的耗能次數(shù)，增加有功效率；另外再生時(shí)加溫、吹冷時(shí)間延長，也可以減少再生氣量。從而達(dá)到降能耗的目的。

當(dāng)然，吸附時(shí)間也不能無限延長，因?yàn)樵O(shè)備正反向氣流通過床層的阻力也要考慮。在設(shè)計(jì)時(shí)需要優(yōu)化比較。

吸附器吸附時(shí)間設(shè)計(jì)值：
2.1? 已投用吸附器的吸附時(shí)間可作適當(dāng)調(diào)整
空分設(shè)計(jì)時(shí)吸附器的吸附時(shí)間主要由設(shè)備大小、內(nèi)部充填的吸附劑類型及其用量決定的。所需要的吸附量是按照設(shè)計(jì)當(dāng)時(shí)的環(huán)境條件較大值提出。而大氣中的CO2值在變化，在運(yùn)行時(shí)，由于季節(jié)不同，風(fēng)向等因素影響，CO2的值可能有較大余量。用戶可以根據(jù)吸附器出口CO2值進(jìn)行判定，如吸附器出口的CO2值變化很小，或不變化，說明吸附器內(nèi)分子篩在這段時(shí)間有一定余量，可以進(jìn)行逐次延長。如果季節(jié)變化，風(fēng)向有變化，也可以縮短吸附時(shí)間。再生時(shí)間暫按加熱、吹冷時(shí)間平均延長分配確定。

某套6萬空分,處理36萬空氣的特大型空分，吸附4小時(shí)，要消耗污氮?dú)狻?0500Nm3/h,消耗平均電功率～1588度/h。如吸附時(shí)間延長到4.5h,則消耗污氮?dú)狻?3500Nm3/h, 消耗平均電功率消耗：～1502度/h。平均每小時(shí)可以節(jié)約86度電，按0.58度/元計(jì)算，一年可以節(jié)約成本：86x0.58x24x360=43萬元。另外再生污氮?dú)鉁p少7000Nm3/h,減少冷凍機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷。

因此大型空分用戶，有條件的可以對(duì)大氣中雜質(zhì)含量進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比對(duì)，維護(hù)設(shè)備的正常安全運(yùn)行下，也為節(jié)能操作提供依據(jù)。進(jìn)口設(shè)定在線監(jiān)測(cè)更容易調(diào)整。

2.2? 分子篩更新時(shí)可采用吸附能力更強(qiáng)的分子篩
隨著分子篩的發(fā)展，國內(nèi)廠家也不斷推出吸附CO2的性能更高的分子篩。杭氧依靠動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)室，對(duì)分子篩的實(shí)際使用性能進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)M，進(jìn)行工況下吸附能力和再生耗能的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。同樣的量，常用的13X-APG分子篩吸附能力穿透時(shí)間120多分鐘，吸附性強(qiáng)的分子篩穿透時(shí)間能提高到240多分鐘，同時(shí)也要分析分子篩脫附(性能)是否容易。

在分子篩吸附劑性能下降需要更換時(shí)，可根據(jù)當(dāng)?shù)啬壳暗拇髿鈼l件更換成性價(jià)比更好的分子篩，能獲得較大節(jié)能收益。特別是大氣中CO2>500ppm以上的吸附器，建議在調(diào)換分子篩時(shí)，采用更高等級(jí)的分子篩，活性氧化鋁床層也進(jìn)行變化調(diào)整，調(diào)整后可以延長吸附時(shí)間。表1.列表舉例說明吸附劑更換后，某6萬空分所節(jié)約能耗價(jià)值。

從上表1可以得出：吸附時(shí)間延長2小時(shí)，用蒸汽能耗成本降低163萬元/年,如用電再生，可以節(jié)約231萬元/年。另外還可以少用污氮?dú)?3500Nm3/h，這部分污氮?dú)庥糜谒渌慕禍毓?jié)能。??

吸附時(shí)間增加，也延長分子篩的壽命。每個(gè)周期內(nèi)高溫、高濕、氣體壓力循環(huán)變化，對(duì)分子篩內(nèi)晶格的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的漸變。因此長周期的運(yùn)行，減少了循環(huán)次數(shù)，無論對(duì)設(shè)備、閥門、吸附劑也都帶來好處。

3、加熱源的選擇比較

分子篩純化系統(tǒng)的再生熱源有電加熱和蒸汽加熱器加熱污氮?dú)?，加熱后的污氮?dú)鈦砑訜嵛絼?。一般有穩(wěn)定蒸汽壓力來源的都會(huì)選擇蒸汽作為再生熱源。

3.1? 較低壓蒸汽的利用前后節(jié)能成本比較
對(duì)于很多利用電能再生的空分用戶來說，空分設(shè)計(jì)時(shí)可能因?yàn)檎羝麃碓床环€(wěn)定或者蒸汽壓力不夠，建議可以采取蒸汽加熱器與電加熱器串聯(lián)的方式進(jìn)行控制溫度，達(dá)到加溫吸附劑的目的。這部分用戶的運(yùn)行費(fèi)用我們也進(jìn)行了計(jì)算。舉例比較表2。

表2說明：利用0.5MPa的蒸汽加熱器和電加熱器串聯(lián)后，4萬空分預(yù)計(jì)能減少成本191萬元/年；2萬空分能節(jié)約81萬元/年，蒸汽加熱器流程部分投資成本在1~2年可以收回。

4.??? 操作上的節(jié)能措施

4.1 空氣進(jìn)口溫度的控制
4.1.1 進(jìn)口溫度升高，出口溫度更高
吸附器進(jìn)口溫度的控制，可以直接降低吸附過程的吸附熱和再生能耗?？諝膺M(jìn)口溫度升高1度，含水量大約增大6%，如空氣進(jìn)口溫度12℃，在0.6MPa壓力下，吸附后的空氣溫度大約16.7℃，上升4℃；空氣進(jìn)口溫度17℃，吸附后空氣溫度23.5℃，上升6.5℃。這是由于含水量增加，導(dǎo)致吸附熱增大，而產(chǎn)生的溫升更大。出口溫度越高，意味著進(jìn)塔空氣需要消耗更多的冷量。

當(dāng)然，按照能量守恒，空冷塔降溫到12℃，比降溫到17℃也要付出更多的能量，但空冷塔主要是利用自然水和冷凍水降溫的能損。而如果由后面兩部分--分子篩純化系統(tǒng)升溫、再生和膨脹機(jī)系統(tǒng)來完成降溫，則損耗大，能耗更高點(diǎn)。因此，在可能的情況下，由于空分設(shè)計(jì)工況考慮了夏季等特別高溫工況設(shè)計(jì)，在非高溫季節(jié)，有一定的設(shè)計(jì)余量，將空氣進(jìn)口溫度盡量降下來，更有利節(jié)能。空分越大，再生能耗節(jié)省越多。但是設(shè)計(jì)分子篩進(jìn)口溫度太低，也會(huì)帶來控制不好，容易結(jié)冰等問題。

4.2 再生總熱量的調(diào)節(jié)控制
4.2.1吸附器污氮排放出口較低溫度的觀察
加熱的熱量是否足夠，可以通過觀察在加熱階段吸附器污氮?dú)獬隹诘臏囟葋泶_定。

高溫加熱氣體進(jìn)入吸附器后，熱量加熱內(nèi)部的吸附劑、并解析內(nèi)部的CO2，H2O，碳?xì)浠衔锏?。氣體經(jīng)過床層后，高溫氣體把熱量傳給分子篩上層，到達(dá)床層下方時(shí)，沒有多余熱量傳給床層下方的吸附劑，因此首先會(huì)把吸附時(shí)下層氧化鋁的熱量帶出來，導(dǎo)致溫度開始下降，并至一個(gè)較低點(diǎn)，然后再上升。較低點(diǎn)溫度一般需要達(dá)到0℃以下，此較低溫度點(diǎn)是否夠低，表示加溫階段床層內(nèi)部解析干燥程度。

根據(jù)總結(jié)，在設(shè)計(jì)氣量的加熱條件下，出口溫度達(dá)到-2℃以下，再生后CO2一般正常；如果較低點(diǎn)溫度達(dá)到0℃以上，表明再生效果不好。甚至有加熱低點(diǎn)達(dá)到5℃的極端情況出現(xiàn)，表明內(nèi)部吸附劑不干燥。后來查明是蒸汽加熱器泄露后的再生氣體來加溫，導(dǎo)致床層內(nèi)部干燥度無法達(dá)到要求。

因此，在加熱階段，就可以通過觀察吸附器污氮排放出口較低溫度的觀察，來判斷再生是否足夠。

由公式再生熱量Q=V加熱氣量×Cv×Δt×T時(shí)間，再生熱量的多少，由再生氣量、溫差、加溫時(shí)間所決定。

如果加熱階段較低點(diǎn)溫度不夠低，就可以在加溫階段適當(dāng)增加氣量，或者延長加溫時(shí)間，提高加溫溫度等措施來增加熱量的輸入。

4.2.2 吹冷峰值
進(jìn)入吹冷階段，再生氣體將床層內(nèi)部的熱量吹掃出來，吸附器污氮?dú)獬隹诘臏囟嚷仙_(dá)到一個(gè)峰值，也稱吹冷峰值溫度。通過吹冷峰值溫度，可以判斷床層內(nèi)部的溫度較高值，從而判斷該再生周期內(nèi)吸附劑整體的脫附程度。

一般吹冷峰值大于80℃以上，不完全再生，也能達(dá)到再生要求，但是累計(jì)一定時(shí)間，需要進(jìn)行活化。

5、 從保溫材料和保溫效果上節(jié)能控制

5.1 保溫材料的防水
由于在電加熱器或蒸汽加熱器內(nèi)部，通常污氮?dú)庾邭こ?，溫度達(dá)到150度以上。與外界環(huán)境溫度相差較大，采用保溫材料保溫。這一點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)進(jìn)行計(jì)算確定。但是日常的維護(hù)過程中，加熱器和加熱管道、吸附器的外保溫層的防水也很重要。

假設(shè)內(nèi)部吸水10kg,加熱到100℃，然后蒸發(fā)，需要帶走蒸發(fā)熱能：按照Cp=1kcal/kg. ℃, 水的蒸發(fā)潛熱：r=600kcal/kg.水的重量：m=10kg 計(jì)算：

Q=Cp×m×Δt+r.m=(10×1×(100-20)+10×600)=6800Kcal,

由于一個(gè)周期內(nèi)加熱超過1 h,相當(dāng)用電7.9度電。一年下來這部分能耗也相當(dāng)大。

所以保溫材料的防水很重要，有時(shí)有些加熱器和加熱管道有滴水現(xiàn)象，更要進(jìn)行外防水包扎。

5.2? 高溫閥門、管道的保溫
大型空分的閥門如DN1400，假設(shè)平均重量：300kg, 在加熱過程中，也需要不斷吸熱。相當(dāng)于從20℃，升溫到160℃，碳鋼的比熱：0.11 kcal/kg. ℃,計(jì)算下來也有10.7度電的消耗。一年下來，10.7×6×365×0.58=13647元，（注電費(fèi)0.58元/度,4小時(shí)加溫一次，每天6次加溫），吸附器后面4只閥門，4×13647=54589.06元。

這些閥門還包括電加熱器后面或者蒸汽加熱器后面的手動(dòng)閥門。這些高溫閥門都需要保溫防水包扎。同時(shí)注意保溫材料的保溫效果，保證保溫層外溫度較低。

6、結(jié)論
通過對(duì)分子篩純化系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的節(jié)能分析，可以得出：在環(huán)境條件允許、有安全余量的前提下，可以適當(dāng)延長吸附時(shí)間，以帶來節(jié)能效果。對(duì)于運(yùn)行多年要更新分子篩的用戶，建議與設(shè)計(jì)時(shí)的工況進(jìn)行比較，進(jìn)行升級(jí)改造；有蒸汽可利用的用戶，優(yōu)先選用蒸汽加熱，降低運(yùn)行成本。并提出了分子篩純化系統(tǒng)操作時(shí)的節(jié)能建議。通過以上分析并采取合理的措施，可以達(dá)到分子篩系統(tǒng)節(jié)能降耗的綜合效果，降低運(yùn)行成本。