变压吸附法即PSA法是在较高的压力下吸附，实现气体分离，在较低压力下实现吸附剂再生。该法是基于分子筛对空气中的氧、氮组分选择性吸附而使空气分离获得氧气。当空气经过压缩，通过装有分子筛的吸附塔时，氮气分子优先被吸附，氧分子留在气相中而成为氧气。吸附达到平衡时，利用减压或抽真空将分子筛表面所吸附的氮分子驱除，恢复分子筛的吸附能力。为了连续提供氧气，装置通常设置两个或两个以上的吸附塔，一个塔吸附产氧，另一个塔解吸，以达到连续产氧的目的。
PSA法能够生产纯度80%~95%的氧气，制氧电耗一般在0.32kWh/Nm3～0.37kWh/Nm3，吸附压力高于大气压，一般在30kPa～100kPa，流程简单，常温下工作，自动化水平高，可实现无人化管理，特别是安全性好。在真空解吸流程中，装置操作压力低，容器等不受压力容器规范控制。变压吸附工艺按吸附器的数量，分为单塔流程、两塔流程、三塔流程和五塔流程等。五塔流程的变压吸附法最为常用，就是用5个吸附床、4台鼓风机和2台真空泵，整个周期中保持2个床在吸附和抽真空，解决了大规模产氧的技术问题 。
变压吸附制氧工艺具有以下优点：
一是采用大气进气压差自动充压技术，减少鼓风机送风量，延长设备使用寿命，降低氧气制造成本。
二是设备简单，主要设备罗茨鼓风机和真空泵运行稳定、可靠，分子筛的使用寿命在10年以上，无需维护。
三是产生的氧气量及纯度可根据实际使用情况进行调节，稳定纯度可达93%，经济纯度为80%~90%；产氧时间快，一般30min以内就可以达到80%以上的纯度；单位电耗仅0.32kWh/Nm3～0.37kWh/Nm3。
四是变压吸附制氧与深冷法制氧对比有以下特点：投资低，流程简单，占地少，设备少，运动部件少；自动化程度高，基本可实现无人化管理；能够满足高炉富氧鼓风工艺要求。
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一、 前言
近20年来，随着国内经济处于稳定快速发展阶段，我国钢铁、有色冶金、化工、炉窑节能、环保、玻璃和造纸等行业的生产工艺不断进行升级与革新，工艺的优化和产能扩大促使各行业对于氧气的需求也日益增大。巨大的用氧需求带动了国内工业制氧设备的技术进步，传统的深冷空分工艺、变压吸附制氧工艺及膜分离工艺等制氧技术取得了一定的发展。膜分离工艺由于其产品纯度太低的因素，限制了该工艺的适应性，国内深冷工艺和变压吸附工艺取得了长足进步，尤其是变压吸附制氧技术，在新型锂基吸附剂国产化以及径向吸附塔开发取得突破性进展后，变压吸附制氧工艺在国内得到了广泛的使用和用户的极大认可。
二、 国内外变压吸附制氧技术进展
变压吸附制氧技术开发始于20世纪60年代，20世纪80年代初美国和日本相继实现工业化。美国普莱克斯公司在20世纪90年代初开发出锂分子筛制氧吸附剂，并依据锂分子筛的特性开发了
VPSA制氧工艺，变压吸附制氧双塔最大规模突破3000Nm3/h以上，制氧电耗降到0.35
kW·h/m3，使变压吸附制氧技术得到快速发展，为其广泛使用奠定了坚实基础。
近几年，随着永磁电动机的开发及制氧工艺的优化，国外变压吸附制氧电耗最低已降到0.3kW·h/m3以下，双塔制氧最大规模突破6000Nm3/h以上，变压吸附制氧成本得到进一步降低，制氧规模逐年增大，进一步促进该工艺使用领域的拓展。
我国从20世纪80年代末期开始研究变压吸附制氧技术，直到20世纪90年代初才有了小型工业化装置。最初的制氧装置采用的吸附剂为CaA分子筛吸附剂，工艺为PSA工艺，从最初的20m3/h、50m3/h和100m3/h开始到20世纪90年代末期我国变压吸附制氧最大规模也只有1000m3/h，纯氧电耗达到0.5
kW·h/m3以上。国产变压吸附制氧装置发展初期的部分产品存在罗茨鼓风机噪音大、故障率高、切换阀门故障特别高以及分子筛易粉末化等一系列问题。不少企业特别是钢铁行业的企业基于短平快的特点开始使用变压吸附PSA制氧设备，但因设备维护工作量大、维护成本高而弃用并重新使用深冷分离设备，给大家留下了设备无法长期运行、维护量太大、不能大型化的负面影响，与同期国际先进水平差距明显。
2000年初，以北大先锋科技有限公司为代表的高效锂基吸附剂生产及采用锂基吸附剂的变压吸附制氧工艺的工业化，国内变压吸附制氧技术有了快速的进步及广泛的推广，目前北大先锋建设的变压吸附装置两塔装置规模已达到6000m3/h，纯氧电耗也接近0.3kW·h/m3。
随着变压吸附制氧技术一些关键性问题如高效锂基吸附剂稳定生产、径向床吸附器的研发、可靠的高频率以及大口径蝶阀开发等得以解决，国内变压吸附制氧技术的产氧规模逐年增大，氧气电耗逐渐降低，装置的可靠性稳步提升。装置规格也从单套两塔制氧装置的规模从最初的不足1000m3/h发展到了如今的6000m3/h，多塔并联后规模达到30000m3/h以上，单位制氧电耗降低到0.32
kW·h/m3以下[4]，制氧装置的年开工率达到98%以上。鼓风机的噪声已达到85dB以下的要求(通过消声处理、厂房外1m噪声可以达到70dB以下)，大口径蝶阀无故障率普遍达到8000h以上，分子筛寿命更是提高到了5年以上，迅速地旧貌换新颜，让用户对国产变压吸附制氧设备有了崭新的认识，扩大了变压吸附制氧设备的应用。仅2021一年，国内规模超过1000Nm3/h以上变压吸附制氧装置建设套数就超过70套。
国内如北大先锋科技有限公司、天一科技等企业通过不断努力改变了变压吸附制氧分子筛依赖进口的局面，同时在锂分子筛等产品领域取得了突破，并获得新型分子筛产品的工业化应用。
随着变压吸附制氧技术的发展与完善，相比深冷制氧技术，变压吸附制氧技术逐渐形成许多独特优势，进一步推动变压吸附制氧技术在国内众多行业的广泛应用。
三、 变压吸附制氧技术的特点
1. 制氧能耗低和运行成本低
制氧工艺中，电耗大概占运行成本的90%以上，随着变压吸附制氧技术的不断优化，其纯氧电耗已经从20世纪90年代的0.45kW·h/m3，下降到了如今的0.32kW·h/m3以下，即使较大规模深冷制氧的纯氧电耗最低也在0.42kW·h/m3左右。与深冷制氧技术相比，在企业没有氮气需求，用氧工序对氧气纯度及压力要求不高的工况下，变压吸附制氧技术具有明显的成本优势。
2. 工艺简单、操作灵活和开停车方便
变压吸附制氧与深冷制氧技术相比，工艺比较简单，操作压力在-0.05~0.05MPa，主要动力设备为罗茨鼓风机和罗茨真空泵，操作相对简单、容易维护。由于变压吸附制氧设备开停车不存在降温和升温过程，原始开车只需要30min则可产出合格氧气，短时间停车则几分钟便可产氧，而装置停车则更加简单，只需要把动力设备和控制程序关停，相比深冷制氧，变压吸附制氧技术开停车更加方便，大幅度降低了装置开停车产生的操作费用。
3. 投资省和建设工期短
变压吸附制氧装置工艺流程简单，主要由动力系统、吸附系统和阀门切换系统等组成，设备数量较少，可以节省设备的一次性投资成本;同时装置占地面积小，还可以减少装置土建成本和建设用地的成本。并且设备加工制造周期较短，主要设备加工周期一般不超过4个月，正常情况下6个月内即可实现产氧要求，相比深冷制氧接近1年的建设周期，大幅度地降低了装置的建设时间。
4. 设备简单和维修方便
变压吸附制氧技术采用的设备如鼓风机、真空泵和程控阀门等全部可实现国产化，备品、备件更换易，可降低成本和工期容易控制，而且设备维修简单、售后方便，相比深冷制氧所用的大型离心压缩机的维护，变压吸附制氧用户不需要投入大量维护资金和聘用专业维护工人。
5. 负荷调节方便
相比深冷液氧技术，变压吸附制氧在纯氧电耗变化不大的情况下，可以实现产量和纯度的快速调节。一般产量可在30%~100%调节，纯度可在70%~95%调节，尤其当几套变压吸附制氧装置并联使用时，负荷调节更加容易。
6. 操作安全性高
由于变压吸附制氧为常温下的低压操作，而且不会出现液氧、乙炔富集等现象，相对于深冷制氧低温高压操作，安全性更高。
四、 变压吸附制氧技术的主要应用领域
随着变压吸附制氧规模逐年增大、可靠性逐年提高及制氧电耗的逐渐降低，同时变压吸附制氧技术具有操作灵活、负荷调节简单、电耗低、装置建设周期短以及安全性高等优点，对于需要灵活使用富氧的行业，变压吸附制氧技术无疑可成为深冷制氧的替代工艺，其应用范围也在逐年扩大。近几年，变压吸附制氧工艺在钢铁、有色冶金、化工、炉窑节能、水泥回转炉、环保、玻璃和造纸等行业得到了广泛应用。
1. 高炉富氧工艺
随着高炉富氧技术的发展，高炉已经成为钢铁厂的主要用氧源之一。在高炉富氧技术最初应用时，高炉可以作为全厂供氧的调节器，产氧量多时，高炉富氧率则高，产氧量不足时，高炉富氧率则低。随着企业对高炉富氧技术在炼铁工艺的重要性认识逐渐清晰，高炉富氧率的稳定成为低成本、高效炼铁的重要操作参数。由于钢厂用氧的工序较多，用氧负荷每周甚至每天都会发生波动，而深冷制氧技术负荷调节性较差，开停车时间长，当用氧量少时，多余氧气需液化储存供以后使用或作为产品卖出，有时甚至会出现氧气放空现象。鉴于高炉富氧用氧压力低、氧气纯度要求不高等特点，许多钢铁企业可在高炉附近建设变压吸附制氧装置，直接给高炉配套，同时作为全厂氧气供应的调节器，如全厂深冷空分产氧气有余量或不足时，变压吸附制氧装置可随时启停来控制增减产量为高炉提供氧气。目前许多钢铁企业高炉采用变压吸附制氧技术供氧后，大幅度地降低了企业氧气的使用成本。高炉采用变压吸附制氧作为富氧氧源已在大部分钢铁企业形成了共识。
2. 电炉炼钢工艺
以前国内大部分钢铁企业认为电炉炼钢需要用深冷空分制纯氧，而在日本约有60%~70%的电炉炼钢企业则采用变压吸附制93%纯度的氧气法炼钢。理论上电炉炼钢主要靠电弧熔化来炼钢，氧气只起辅助作用，变压吸附生产的93%的氧气完全可以应用于电炉炼钢。目前国内如池州贵航金属制品有限公司、遵义长岭特殊钢有限公司和泸州益鑫钢铁有限公司等企业已经开始使用变压吸附制氧装置为电炉炼钢供氧，根据电炉炼钢企业实际反馈，采用变压吸附制氧装置为电炉供氧，对钢材质量没有影响，而且采用变压吸附制氧技术后，氧气成本可控制在0.3元以下，可明显降低电炉炼钢的生产成本。
3. 有色冶金行业
近10年变压吸附制氧技术在铜、铅、锌等冶炼领域，取得了企业很高的认可度。多数有色金属冶炼工艺对氧的纯度要求一般在24%~90%之间，用氧负荷变动也比较大，而且有色冶炼企业几乎不需要氮气。由于变压吸附制氧技术具备操作简单、电耗低等特点，十分适合有色金属冶炼。目前铜陵有色、紫金矿业和云南铜业等国内大部分有色冶炼企业均选择变压吸附制氧装置作为富氧来源，例如包头华鼎铜业有限公司随着铜产量的增加以及炼铜工艺的改进，已相继建设了4套变压吸附制氧装置，总用氧规模达到25000m3/h以上。云南楚雄铜冶炼厂随着产铜规模增加，相继建设了3套变压吸附制氧装置，总用氧规模达到30000m3/h。
4. 化工行业
目前国内部分中小型氮肥厂采用富氧连续造气工艺对原有间歇制气工艺进行改进，而富氧的来源多为变压吸附制氧技术。富氧连续气化技术对煤的适用性高，提高了制气装置的生产能力，具有很广的应用前景。
5. 造纸行业
在造纸行业中，氧气主要应用在用于制浆的氧脱、脱木素段以及增白等氧漂白工段。由于造纸工艺对氧气浓度要求不高，而且不需要氮气，因此目前国内外大部分造纸企业选择变压吸附技术来生产氧气。
6. 其他领域
目前变压吸附制氧技术在其他领域也有较为广泛的应用，例如玻璃纤维行业，浮法玻璃和水泥窑炉的富氧燃烧工艺、垃圾焚烧的富氧助燃工艺、污水处理富氧曝气工艺以及臭氧等领域。
五、 变压吸附制氧技术的发展展望
变压吸附制氧技术作为近20年快速发展的制氧新技术，随着其技术不断的进步和应用领域的扩大，逐渐得到众多用氧企业的认可。以降低制氧能耗为目的，开发新型吸附材料以及尝试与膜分离或深冷工艺进行耦合，通过优势互补，拓展更大的应用领域是未来变压吸附制氧技术的重要研发方向。例如变压吸附制氧技术与膜分离技术耦合可以获得纯度大于99%的氧气，在偏远地区或一些需要移动式装备的工况下可以替代低温空分制氧。国内变压吸附制氧生产企业如北大先锋、天一科技等一些行业佼佼者和开拓者都十分注重研发工作，希望通过不断加大投入争取在未来的发展中抢占先机。随着变压吸附制氧技术日趋完善，变压吸附制氧技术必将具备多种优势和巨大的潜力，未来将拥有更广阔的应用前景。
参考文献
[1] 张辉，刘应书，刘文海，张德鑫，翟晖。变压吸附制氧机吸附器结构研究进展，化工进展，2007(11)：1602-1608。
[2] 发明专利CN，A.C罗辛斯基，P.W.贝朗格，M.S.曼宁，VPSA设备中的压缩机的抗喘振速度控制。
[3] 吴迪，李天文，孙裂刚，变压吸附制氧吸附剂的发展状况，现代化工，2021(1)：23-25。
[4] 姜贺，变压吸附制氧技术的发展，中国有色冶金，2021(2)：64-66。
[5] 卜令兵，张剑峰，杨云，变压吸附空分制氧应用进展，气体分离2007 (3)：12-14。
[6] 赵刘强，变压吸附制氧及机前富氧在高炉富氧上的应用，冶金能源，2021(5)：8-10。
[7] 李龙彬，变压吸附制氧在玻纤行业中的应用和推广，工业，2021(9)：8-12
[8] 余留芳，PSA变压吸附制氧机在纸浆氧漂中的应用，中国造纸，2000(4)：6。
原标题：氧压罗茨风机在制氧行业的应用
山东锦工有限公司是一家专业生产罗茨鼓风机、 罗茨风机、回转式鼓风机等机械设备公司，位于有“铁匠之乡”之称的山东省章丘市相公镇，近年来，锦工致力于新产品的研发，新产品双油箱罗茨鼓风机、水冷罗茨鼓风机、油驱罗茨鼓风机、低噪音罗茨鼓风机，赢得了市场好评和认可。产品和服务远销全国各地及东南亚，深受客户好评。
变压吸附又称PSA在制氧较传统的深冷制氧在许多方面具有独特的优势，因此在氧气纯度要求不太高的场合，使用日益广泛，具有装置逐步扩大的趋势，其装置示意图见图1。罗茨风机先将原料空气送入塔内，塔中分子筛吸附空气中的氮气、二氧化碳及水份等，在塔内获得一定纯度的氧气，吸附剂饱和后切换空气进入塔B，同时利用真空泵抽气，使塔A的压力下降，将氮气等从分子筛中脱离出来，这样循环，则可获得氧气，氧气再经过压缩机的加压进入两个缓冲罐，由缓冲罐向用氧单位供气。变压吸附装置中的关键动力设备，原料空气的正压输送一般采用罗茨鼓风机，真空解吸过程中废气的抽除，通常也采用罗茨真空泵。关于向用户加压供气的压缩机，以前一般采用螺杆或活塞式压缩机，但这两种机器的压力比较高，适合高压气体的输送，但随着工艺水平的不断改进，对于低压小流量产品的气体输送也开始转向使用罗茨鼓风机，简称氧压罗茨鼓风机，本文针对氧压罗茨鼓风机的市场、结构特点、设计制造关键及使用运行作简单的说明，进一步推进罗茨鼓风机在制氧行业的应用。
2 应用范围
目前，作为50000 t/a的铜厂所需氧气量为50～75m3/min，压力29.4～39.2kPa，它与空气混合后送入冶金炉助燃，从性能来说刚好落在罗茨风机的型谱范围内，但因输送的介质为氧气，它是一种对温度、油料、火花特别敏感的助燃、易爆性气体，因此很多厂家一直以来也十分谨慎，使得国内罗茨鼓风机在这一领域的运用受到限制，氧压机多采用国外进口配套产品。
最近，在北大先锋及四川天一科技等制氧行业厂家的要求与配合下，我公司首制的第一批共4台氧压罗茨鼓风机已完工下线，并成功实现了与PSA装置的顺利对接。
3 设计要点
罗次鼓风机作为输送氧气这种特殊介质的机械，保证它的安全性、可靠性则是首要任务，因此从忌温、忌油、忌火花及忌振等方面入手，在以下几个方面对罗茨鼓风机作了特殊处理。
3.1 密封结构
首先要保证氧气能够密封在机壳与墙板所形成的密封腔内，不会由于轴封泄漏到两端的油箱内与油接触，致使在达到一定的温度、浓度时发生爆炸而酿成事故。为达此目的，选用了合肥通用机械研究所的机械密封结构（见图2），该结构为非平衡式双端面机械密封，具有结构简单、装配方便、密封可靠等特点，端面配以衬套上的两组“O”型圈1和2，可以从径向、轴向两个方向实现气体的可靠密封，以保证气体不外漏，端面配以“O”型圈3和4，可以保证机械密封的密封冷却液不向内、外泄漏。
考虑到万一有少量氧气泄露的特殊情况下，会在墙板间形成的氧气聚积，将风机墙板改为开式结构，确保漏出的氧气不产生聚积，能在低浓度下立即向外扩散，从而可减少事故发生。
3.2 润滑油（脂）与封液
普通的油（脂）在有氧气的条件下，极易燃烧而产生气体膨胀爆炸，同时，由于油脂的氧化变质，还会使其失去润滑功能，因此对于任何有可能与氧气接触的油和脂均必须采取特殊处理，选用抗氧化性，阻燃性、润滑性及稳定性俱佳的特种合成油，一般有合成硅基压缩机油、氟基硅油两种，它们均具有优异的热稳定性和化学稳定性，不易形成残碳和胶质，可防止由于气体的稀释导致的油品粘度下降而引起润滑不良，以适合氧压罗茨鼓风机的需要。
如果同时采用润滑油作为封液，那么势必会采用循环使用的方式，从而导致油池温度升高，增加了安全隐患，而且一旦密封失效，产生内漏，将会对系统介质产生严重污染，因此经过与厂家协商，决定用软水作为封液（系统压力低时可用自来水，系统压力高时可采用加压泵加压），对机封密封端面进行冷却与润滑，充分消除了用油作为封液可能存在的隐患。密封材质必须考虑与氧气的适应性，机封座采用不锈钢，密封面动环采用硬质合金，静环采用石墨。既有良好的抗磨性，又有充分的抗氧化性。
3.3 冷却
为进一步降低油箱内润滑油的油温，保证风机轴承与齿轮的可靠运行，减少由于机械故障产生的擦机壳、擦墙板，以避免引起火花，对主、副油箱均采用了水冷结构。，
3.4 油污
机械设备的所有零部件（包括标准件、外购件），无论是在加工过程中，还是在防锈保存过程中均有油污的粘染，通常装配前的清洗均不能满足深度除油的要求，根据HG20202-2000《脱脂工程施工及验收规范》的要求，按以下工艺过程对所有零部件（部件散体）进行脱脂：（1）用香蕉水全面清洗两遍，后用四氯化碳浸泡（小件）或局部逐渐淋洗抹擦（大件）至材料本色，直至抹布无锈迹、油污为止；（2）油除干净后，立即用无油的干热空气（50～60℃）对各表面进行吹除，以达到深度除油和防锈的作用；（3）管道系统由用户按标准进行除油处理。
3.5 主机零部件的精度
为避免风机在运行中出现危险，除了零部件加工精度外，机械密封的密封性能也对零部件的精度，特别是几何精度、形位公差特别敏感，稍有不慎就会密封失效，因此装配前必须按照图纸对主机的各零部件进行细致的检验，采用选优的办法选定所需的零件。
同时机壳、叶轮、墙板部位的间隙可适当放大0.05mm左右，以保证风机在运行过程中不出现磕碰。
3.6 装配
首先要求必须绝对的干净，包括吊索、抹布等均不能粘油，工作场地做初步除油处理后也需要用干净的塑料或抹布与零部件隔开。
在机械密封的装配过程中，轴承不能采用敲击的方法强行打入，只能采用热套或用锁母锁紧的方法压入，否则，由于敲击时产生强烈的振动会使机封的静环产生跳动且不复位，在动静环的密封面间也可能产生一个小间隙，最后导致密封失效而返工；同样在主机装好后，联轴器或皮带轮的装配也只能采用热装的方式装配到位，不能敲击，以免震碎机封。
最后在装配过程中，所有“O”型圈、骨架油封以及所有有垫的地方均可涂上少量的特种润滑脂，这对密封及润滑均有好处；同时所有联接螺栓在装配前均需粘取少量这种特种油，以免由于除油过净，在拧紧的过程中由于润滑程度不够而将螺丝拧坏。
3.7 试验
先对机封通水进行密封试验，通水压力比系统介质压力高0.1MPa左右即可，30min后，以每分钟漏水不超过5滴为合格。
密封合格后，对整机进行气密封试验，通入洁净氮气，压力为1.5倍系统压力，浸水保压15min，无气泡外冒为合格。
按JB/T 8941.2-1999《一般用途罗茨鼓风机性能试验方法》进行性能试验。
按HG 20202-2000《脱脂工程施工及验收规范》进行脱脂验收。
4 实际效果
根据以上工艺方案及技术要求，已成功地为北大先锋、包头、杭州项目以及四川天一科技配套了锦工牌JGR-200H、JGR-200AJGR-125A共3种机型4台氧压罗茨鼓风机，均已投入正常使用，为这些企业节约了大量的资金，并在售后服务和配件供应上提供了一条更为便捷的渠道，解决了使用单位的后顾之忧，成为国产罗茨鼓风机在制氧行业成功应用的良好范列，为国产罗茨鼓风机开创了一个新的应用领域。
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