(安徽晋煤中能化工股份有限公司，安徽 临泉 236400)

1 原理及工艺流程

1.1 变压吸附制氧基本原理

变压吸附制氧的基本原理是，原料空气经鼓风机进口过滤器去除杂质后进入鼓风机，被鼓风机增压后，通过管道和气动切换阀门进入吸附剂床层，原料空气中的水分和二氧化碳被底部的13X吸附剂吸附，净化后的空气在吸附器内继续上升，经过PU-8制氧吸附剂的过程中氮气逐渐被吸附，从而在吸附器顶部富集到氧气。产品氧气从吸附器顶部流出后，进入氧气缓冲罐，再经增压，供造气岗位使用。

为了连续获得氧气，一般设两个或两个以上的吸附器，一个吸附器在较高压力下吸附空气中的氮气，从吸附器出口端获得产品氧气；其他的吸附器在较低压力下解吸或升压，以便在下一个周期内吸附原料空气中的氮气。几个吸附器轮流切换，从而达到连续产氧的目的。

对于VPSA制氧工艺，每个周期都必须完成吸附、顺向放压、真空解吸、清洗、均压、升压等步骤。

吸附 空气经过吸附床层，氮气被吸附，当吸附器达到一定压力后，产品氧气流入氧气缓冲罐。

顺向放压 吸附结束后，吸附器上部气体含氧量相对较高，将这部分气体顺向放至低压吸附器。

真空解吸 顺向放压结束后，吸附器压力还是较高，需要通过抽真空的方法使吸附器压力进一步降低，将解吸的氮气抽出放空。

清洗 在吸附器抽真空达到最低解吸压力之前，将氧气从顶部通入吸附器，同时从底部继续抽真空，使吸附的氮气进一步解吸。

均压 吸附器再生结束后，将完成吸附的吸附器从顶部通入气体，同时对吸附器从底部继续抽真空。

升压 均压后吸附器压力仍较低，利用氧气缓冲罐中的产品气从顶部送入吸附器，同时从吸附器底部引入空气，对吸附器进行升压。

以上各步骤循环进行，即可实现空气的氧氮分离，从而得到符合要求的产品氧气。各工作步骤的切换，是靠气动切换阀来实现的，气动阀门根据控制系统程序的设定实现自动开启和关闭。

1.2 VPSA制氧装置系统组成

VPSA制氧装置由鼓风机系统、真空泵系统、吸附系统、仪表控制系统、电气控制系统、仪表空气系统、氧气增压系统共七部分组成。

鼓风机系统 为制氧装置提供原料空气，将空气加压后送入吸附器。此系统主要由鼓风机进气过滤器、鼓风机、鼓风机出口冷却器和相应的管道及阀门组成。

真空泵系统 在吸附结束后对吸附器抽真空，将解吸的氮气排出系统。此系统主要由真空泵、真空泵出口消音室和相应的管道及阀门组成。

吸附系统 空气中氧气和其他组分(氮气、水分、二氧化碳等)分离的场所，其他组分被吸附剂吸附，而氧气吸附较少，在吸附器顶部得到富集，从而将氧气从空气中分离出来。此系统主要由吸附器(内装有各种吸附剂及填料)、氧气缓冲罐和相应的管道及阀门组成。

仪表控制系统 用来控制制氧装置的启动、停止，通过各气动阀门的自动运行实现各步骤的切换。此系统主要由上位机、仪表控制柜、传感器、变送器等现场仪表监控系统，自动控制硬件、自动控制软件、自动控制程序等办公室操作系统，气动切换阀门和气动调节阀门等流量控制系统组成。

电气控制系统 为制氧装置内的动力装置等用电设备提供电源及控制动力设备的启动、停止及保护。此系统主要由电气控制柜、电气操作开关、电气自动化保护、动力电缆和控制电缆等部分组成。

仪表空气系统 为气动控制阀门提供高压、清洁、连续、充足的气源，保证气动控制阀门可以顺利开关。此系统主要由空气压缩机、干燥机、空气过滤器和相应的管道及控制阀门组成。

氧气增压系统 从吸附器流出的氧气收集在氧气缓冲罐内，输出压力为20 kPa左右，经氧气增压装置加压后达到要求的供氧压力，供用户使用。此系统主要由氧气增压风机、氧气增压风机后冷器、低压氧气缓冲罐和供氧管道组成。

1.3 装置性能指标

氧气纯度 80%

氧气输出压力 45 kPa(表)

启动时间 15～30 min

电耗 0.415±0.02 kW·h/m3(折纯氧计，按电源进线柜电度表有功功率计量，包括鼓风机、真空泵、氧气增压机、仪表用电等)

2 常见故障及排除方法

2.1 导致氧气纯度降低的原因

氧气纯度降低通常是由于其他气体流进或流出吸附塔，或者是因为过度加大产品氧气产量造成的。但是，氧气纯度降低也可能是其他未知原因造成的，因此需要检查来确定氧气纯度降低的原因。

当氧气纯度出现问题时，应首先比较吸附塔的实际压力曲线和平时正常压力曲线是否一致，特别是解吸压力是否达到正常的解吸压力。造成压力偏差的一个常见原因就是阀门开关故障或者在循环过程中开关位置不正常。确定是哪些阀门出现故障需要搞清在循环过程中压力出现偏差时处于循环过程的哪个阶段，将各个阀门正常的开关位置与实际开关情况进行比较，就可以判断。

2.2 导致氧气流量降低的原因

鼓风机进气过程有损失会造成吸附塔内进气量不足，从计算机上检测到的吸附塔顶部压力变化可以诊断以上问题。造成以上现象的原因可能是因为进气时鼓风机放空阀(气动阀及手动阀)泄漏造成，也可能是鼓风机进气阀门和真空泵抽气阀门泄漏，气体异常流动造成。吸附塔顶部开关阀开关不正常，或者调节阀在循环过程中开度不准确，也会造成流量不正常，此时需检查开关阀动作情况或者重新校正调节阀的开度。

2.3 导致纯度及产量降低的其他因素

真空泵密封水进水量不足会造成真空泵抽气不足，导致真空度不够，吸附剂解吸不彻底，影响产量及纯度。

环境温度变化会导致空气进气量变化，在不同的季节流量不一样。

换热器的冷却效果降低会导致进入吸附器的气体温度升高，影响吸附性能，应定期检查换热器后气体的温度及吸附塔顶部的温度，换热器后的气体温度不宜超过40 ℃。

2.4 氧气产量和纯度异常的排除方法(表1)

3 吸附剂相关注意事项

确保吸附剂与会造成其性能严重下降的环境相隔绝。可能的因素主要如下。

(1)水 除了正常进气所带水蒸气外，不应该有其他液态水或水蒸气进入吸附塔。

(2)化学污染 禁止超过可觉察数量的氯气或者氯的化合物，硫或者硫的化合物或者碳氢化合物进入吸附塔。

(3)二氧化碳 吸附剂再生后不应该有二氧化碳聚集存留在吸附塔内。

如果出现以上情况，会对吸附剂造成不可挽救的损坏。因此，必须熟悉、理解并实施以下的措施来预防这些情况的发生。

3.1 预防水污染

一定数量的水蒸气会随着原料气进入吸附塔并被吸附塔底部的吸附剂所吸附。吸水受潮后的吸附剂会失去吸附氮气的能力，也会使整个分离过程失去作用。正常的状况在工艺流程设计中已说明。

正常吸附过程中，空气中所含水分将被吸附器底部分子筛吸附并通过真空泵解吸。但如果所进气量中水分超过分子筛的吸附能力，则会造成上部PU-8分子筛失效，从而影响整个装置的正常生产。除鼓风机进气所含水外其他水的进入及不正常的操作工况都会造成多余水进入。

因为解吸过程中吸附塔在一段时间内存在负压，此时潮湿的空气可能通过吸附器上部进入吸附塔内部，因此必须严格检查吸附塔上部法兰及阀门连接处、气动阀门阀轴密封处等可能存在隐患的地方，以尽可能减少漏气的可能。

如果长时间存在以上所说的泄漏，分子筛将会因吸附潮湿空气并且不能解吸而失效，出现这种情况将会影响吸附剂的吸附效果，从而影响整个装置的性能。

因为分子筛在潮湿的空气中极易吸水，所以吸附器非必要情况下不能打开。如有疑问可以联系北大先锋工程技术部咨询。

尽管液态水进入吸附塔的几率非常小，但以下情况需注意。

(1)正常情况下鼓风机排气管道不应该有液态水存在，如果出现液态水，则有可能是鼓风机后换热器漏水，应经常检查换热器封头处阀门是否有水。

(2)随着真空泵的运行，密封水被吸入到真空泵内。正常运行时，通过真空泵后气水分离器及消音器放空。应注意采取预防措施，防止密封水进入吸附塔。

3.2 预防化学污染

本套装置正常运转时鼓风机吸入气体应该为空气。如果含有过多的硫、硫化物及氯、氯化物或碳氢化合物，可能会造成分子筛失效。所以如果可能存在以上现象，则应立即停运装置。