近20年來，國內(nèi)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定快速發(fā)展，鋼鐵、有色冶金、化工、爐窯、環(huán)保等行業(yè)生產(chǎn)工藝不斷升級與革新，對于氧氣的需求也日益增大，促進(jìn)了深冷空分工藝、變壓吸附制氧工藝及膜分離工藝等制氧技術(shù)的發(fā)展。由于產(chǎn)品純度太低，限制了膜分離工藝的適應(yīng)性；而國內(nèi)深冷工藝和變壓吸附工藝取得了長足進(jìn)步。在新型鋰基吸附劑國產(chǎn)化以及徑向吸附塔開發(fā)取得突破性進(jìn)展后，變壓吸附制氧工藝在國內(nèi)得到了廣泛的使用和用戶的積極認(rèn)可。

　　變壓吸附制氧技術(shù)進(jìn)展

　　變壓吸附制氧技術(shù)開發(fā)始于20世紀(jì)60年代，20世紀(jì)80年代初美國和日本相繼實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。近幾年，隨著永磁電動(dòng)機(jī)的開發(fā)及制氧工藝的優(yōu)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(guī)模突破6000Nm3/h以上，變壓吸附制氧成本得到進(jìn)一步降低，制氧規(guī)模逐年增大。

　　我國從20世紀(jì)80年代末期開始研究變壓吸附制氧技術(shù)，直到20世紀(jì)90年代初才有了小型工業(yè)化裝置。2000年初，以北京北大先鋒科技有限公司為代表的高效鋰基吸附劑生產(chǎn)及采用鋰基吸附劑的變壓吸附制氧工藝的工業(yè)化，使國內(nèi)變壓吸附制氧技術(shù)有了快速的進(jìn)步及廣泛的推廣。目前，北大先鋒建設(shè)的變壓吸附兩塔裝置規(guī)模已達(dá)到6000Nm3/h，純氧電耗也接近0.3kW·h/m3。

　　隨著變壓吸附制氧技術(shù)一些關(guān)鍵性問題，如高效鋰基吸附劑穩(wěn)定生產(chǎn)、徑向床吸附器的研發(fā)、可靠的高頻率以及大口徑蝶閥開發(fā)等得以解決，國內(nèi)變壓吸附制氧技術(shù)的產(chǎn)氧規(guī)模逐年增大，氧氣電耗逐漸降低，裝置的可靠性穩(wěn)步提升。裝置規(guī)格也從最初的單套兩塔制氧裝置規(guī)模不足1000Nm3/h發(fā)展到了如今的6000Nm3/h，多塔并聯(lián)后規(guī)模達(dá)到30000Nm3/h以上，單位制氧電耗降低到0.32 kW·h/m3以下，制氧裝置的年開工率達(dá)到98%以上。鼓風(fēng)機(jī)的噪聲已達(dá)到85dB以下的要求（通過消聲處理、廠房外1m噪聲可以達(dá)到70dB以下），大口徑蝶閥無故障率普遍達(dá)到8000h以上，分子篩壽命更是延長到了5年以上，讓用戶對國產(chǎn)變壓吸附制氧設(shè)備有了嶄新的認(rèn)識，擴(kuò)大了變壓吸附制氧設(shè)備的應(yīng)用。僅2018年一年，國內(nèi)規(guī)模超過1000Nm3/h以上變壓吸附制氧裝置建設(shè)就超過70套。

　　國內(nèi)如北大先鋒等企業(yè)通過不斷努力，改變了變壓吸附制氧分子篩依賴進(jìn)口的局面，同時(shí)在鋰分子篩等產(chǎn)品領(lǐng)域取得了突破，并實(shí)現(xiàn)新型分子篩產(chǎn)品的工業(yè)化應(yīng)用。隨著變壓吸附制氧技術(shù)的發(fā)展與完善，相比深冷制氧技術(shù)，變壓吸附制氧技術(shù)逐漸形成許多獨(dú)特優(yōu)勢，進(jìn)一步推動(dòng)了該技術(shù)在國內(nèi)眾多行業(yè)的應(yīng)用。

　　變壓吸附制氧技術(shù)的特點(diǎn)

　　一是制氧能耗和運(yùn)行成本低

　　制氧工藝中，電耗大概占運(yùn)行成本的90%以上。隨著變壓吸附制氧技術(shù)的不斷優(yōu)化，其純氧電耗已從20世紀(jì)90年代的0.45kW·h/m3，下降到如今的0.32kW·h/m3以下，即使較大規(guī)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(shù)相比，在企業(yè)沒有氮?dú)庑枨?、用氧工序?qū)ρ鯕饧兌燃皦毫σ蟛桓叩墓r下，變壓吸附制氧技術(shù)具有明顯的成本優(yōu)勢。

　　二是工藝簡單、操作靈活、開停車方便

　　變壓吸附制氧與深冷制氧技術(shù)相比，工藝比較簡單，主要?jiǎng)恿υO(shè)備為羅茨鼓風(fēng)機(jī)和羅茨真空泵，操作相對簡單、容易維護(hù)。由于變壓吸附制氧設(shè)備開停車不存在降溫和升溫過程，原始開車只需要30分鐘即可產(chǎn)出合格氧氣，短時(shí)間停車則幾分鐘便可產(chǎn)氧，而且裝置停車更加簡單，只需要把動(dòng)力設(shè)備和控制程序關(guān)停。相比深冷制氧，變壓吸附制氧技術(shù)開停車更加方便，大幅度降低了裝置開停車產(chǎn)生的操作費(fèi)用。

　　三是投資省、建設(shè)工期短

　　變壓吸附制氧裝置工藝流程簡單，主要由動(dòng)力系統(tǒng)、吸附系統(tǒng)和閥門切換系統(tǒng)等組成，設(shè)備數(shù)量較少，可以節(jié)省設(shè)備的一次性投資成本；裝置占地面積小，可以減少裝置土建成本和建設(shè)用地的成本；設(shè)備加工制造周期較短，主要設(shè)備加工周期一般不超過4個(gè)月，正常情況下6個(gè)月內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氧要求，相比深冷制氧接近1年的建設(shè)周期，大幅度降低了裝置的建設(shè)時(shí)間。

　　四是設(shè)備簡單、維修方便

　　變壓吸附制氧技術(shù)采用的設(shè)備如鼓風(fēng)機(jī)、真空泵和程控閥門等全部可實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，備品備件更換容易，可降低成本、工期容易控制；設(shè)備維修簡單、售后服務(wù)方便，相比深冷制氧所用的大型離心壓縮機(jī)的維護(hù)，變壓吸附制氧用戶不需要投入大量維護(hù)資金和聘用專業(yè)維護(hù)工人。

　　五是負(fù)荷調(diào)節(jié)便捷

　　相比深冷液氧技術(shù)，變壓吸附制氧在純氧電耗變化不大的情況下，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量和純度的快速調(diào)節(jié)。一般產(chǎn)量可在30%~100%調(diào)節(jié)，純度可在70%~95%調(diào)節(jié)，尤其當(dāng)幾套變壓吸附制氧裝置并聯(lián)使用時(shí)，負(fù)荷調(diào)節(jié)更加容易。

　　六是操作安全性高

　　由于變壓吸附制氧為常溫下的低壓操作，而且不會(huì)出現(xiàn)液氧、乙炔富集等現(xiàn)象，相對于深冷制氧低溫高壓操作，安全性更高。

　　變壓吸附制氧技術(shù)主要應(yīng)用領(lǐng)域

　　隨著變壓吸附制氧規(guī)模逐年增大、可靠性逐年提高及制氧電耗的逐漸降低，同時(shí)變壓吸附制氧技術(shù)具有操作靈活、負(fù)荷調(diào)節(jié)簡單、電耗低、裝置建設(shè)周期短以及安全性高等優(yōu)點(diǎn)，對于需要靈活使用富氧的行業(yè)，變壓吸附制氧技術(shù)無疑可成為深冷制氧的替代工藝，其應(yīng)用范圍也在逐年擴(kuò)大。近幾年，變壓吸附制氧工藝在鋼鐵、有色冶金、化工、爐窯、環(huán)保等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。

　　一是高爐富氧工藝

　　隨著高爐富氧技術(shù)的發(fā)展，高爐已經(jīng)成為鋼鐵企業(yè)主要用氧源之一。在高爐富氧技術(shù)最初應(yīng)用時(shí)，高爐可以作為供氧的調(diào)節(jié)器，產(chǎn)氧量多時(shí)，高爐富氧率則高，產(chǎn)氧量不足時(shí)，高爐富氧率則低。隨著鋼企對高爐富氧技術(shù)在煉鐵工藝的重要性認(rèn)識逐漸清晰，高爐富氧率的穩(wěn)定成為低成本、高效煉鐵的重要操作參數(shù)。由于鋼鐵企業(yè)用氧的工序較多，用氧負(fù)荷每周甚至每天都會(huì)發(fā)生波動(dòng)，而深冷制氧技術(shù)負(fù)荷調(diào)節(jié)性較差，開停車時(shí)間長，當(dāng)用氧量少時(shí)，多余氧氣需液化儲(chǔ)存供以后使用或作為產(chǎn)品賣出，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)氧氣放空現(xiàn)象。鑒于高爐富氧用氧壓力低、氧氣純度要求不高等特點(diǎn)，許多鋼鐵企業(yè)可在高爐附近建設(shè)變壓吸附制氧裝置直接給高爐配套，同時(shí)作為鋼鐵企業(yè)氧氣供應(yīng)的調(diào)節(jié)器，如企業(yè)深冷空分產(chǎn)氧氣有余量或不足時(shí)，變壓吸附制氧裝置可隨時(shí)啟停來控制增減產(chǎn)量為高爐提供氧氣。目前，許多鋼鐵企業(yè)高爐采用變壓吸附制氧技術(shù)供氧后，大幅度地降低了氧氣的使用成本。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(yè)形成了共識。

　　二是電爐煉鋼工藝

　　以前國內(nèi)大部分鋼鐵企業(yè)認(rèn)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(yè)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(chǎn)的93%的氧氣完全可以應(yīng)用于電爐煉鋼。目前，國內(nèi)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(yè)已經(jīng)開始使用變壓吸附制氧裝置為電爐煉鋼供氧。根據(jù)電爐煉鋼企業(yè)反饋，采用變壓吸附制氧裝置為電爐供氧，對鋼材質(zhì)量沒有影響，可明顯降低電爐煉鋼的生產(chǎn)成本。

　　三是有色冶金行業(yè)應(yīng)用

　　近10年，變壓吸附制氧技術(shù)在銅、鉛、鋅等冶煉領(lǐng)域，得到了很高的認(rèn)可度。多數(shù)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(fù)荷變動(dòng)也比較大，而且有色冶煉企業(yè)幾乎不需要氮?dú)?。由于變壓吸附制氧技術(shù)具備操作簡單、電耗低等特點(diǎn)，十分適合有色金屬冶煉。目前，銅陵有色、紫金礦業(yè)和云南銅業(yè)等國內(nèi)大部分有色冶煉企業(yè)均選擇變壓吸附制氧裝置作為富氧來源。包頭華鼎銅業(yè)有限公司隨著銅產(chǎn)量的增加以及煉銅工藝的改進(jìn)，已相繼建設(shè)了4套變壓吸附制氧裝置，總用氧規(guī)模達(dá)到25000Nm3/h以上。云南楚雄銅冶煉廠隨著產(chǎn)銅規(guī)模增加，相繼建設(shè)了3套變壓吸附制氧裝置，總用氧規(guī)模達(dá)到30000Nm3/h。

　　四是化工等行業(yè)應(yīng)用

　　目前，國內(nèi)部分中小型氮肥廠采用富氧連續(xù)造氣工藝對原有間歇制氣工藝進(jìn)行改進(jìn)，而富氧的來源多為變壓吸附制氧技術(shù)。富氧連續(xù)氣化技術(shù)對煤的適用性高，提高了制氣裝置的生產(chǎn)能力；國內(nèi)外大部分造紙企業(yè)選擇變壓吸附技術(shù)來生產(chǎn)氧氣；變壓吸附制氧技術(shù)在其他領(lǐng)域也有較為廣泛的應(yīng)用，例如玻璃纖維行業(yè)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(lǐng)域。

　　變壓吸附制氧技術(shù)的發(fā)展展望

　　變壓吸附制氧技術(shù)作為近20年快速發(fā)展的制氧新技術(shù)，隨著其技術(shù)不斷的進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，逐漸得到眾多用氧企業(yè)的認(rèn)可。以降低制氧能耗為目的，開發(fā)新型吸附材料以及嘗試與膜分離或深冷工藝進(jìn)行耦合，通過優(yōu)勢互補(bǔ)，拓展更大的應(yīng)用領(lǐng)域，是未來變壓吸附制氧技術(shù)的重要研發(fā)方向。例如變壓吸附制氧技術(shù)與膜分離技術(shù)耦合可以獲得純度大于99%的氧氣，在偏遠(yuǎn)地區(qū)或一些需要移動(dòng)式裝備的工況下可以替代低溫空分制氧。國內(nèi)變壓吸附制氧生產(chǎn)企業(yè)如北大先鋒都十分注重研發(fā)工作，希望通過不斷加大投入爭取在未來的發(fā)展中搶占先機(jī)。隨著變壓吸附制氧技術(shù)日趨完善，變壓吸附制氧技術(shù)必將具備多種優(yōu)勢和巨大的潛力，將擁有更廣闊的應(yīng)用前景。