VPSA變壓吸附制氧機在紙漿企業(yè)的應用

VPSA變壓吸附制氧機在紙漿企業(yè)的應用

造紙工業(yè)是發(fā)達國家國民經(jīng)濟十大支柱性產(chǎn)業(yè)之一，而目前我國造紙行業(yè)發(fā)展步入快速增長期，紙業(yè)也已成為我國經(jīng)濟發(fā)展的一個熱門行業(yè)。造紙工業(yè)是一個產(chǎn)量大、用水多、污染嚴重的輕工業(yè)。采用氧漂白是為了環(huán)境保護。VPSA變壓吸附制氧機操作方便，維護簡單，投資相對少，運行費用低，在國內(nèi)越來越多的紙漿企業(yè)得以推廣。

◇ 氧漂白是清潔生產(chǎn)技術

造紙工業(yè)是發(fā)達國家國民經(jīng)濟十大支柱性產(chǎn)業(yè)之一，而目前我國造紙行業(yè)發(fā)展步入快速增長期，紙業(yè)也已成為我國經(jīng)濟發(fā)展的一個熱門行業(yè)。造紙工業(yè)是一個產(chǎn)量大、用水多、污染嚴重的輕工業(yè)；水污染在各種工業(yè)中，名列前茅；廢氣、固體廢棄物及噪聲等污染，也很嚴重。今后國家將繼續(xù)對造紙排污大戶實行關、停、并、轉(zhuǎn)、遷，對生產(chǎn)規(guī)模不經(jīng)濟、技術落后、經(jīng)營分散、污染嚴重而又無力治污或無法穩(wěn)定達標的造紙企業(yè)予以淘汰。造紙廠污染最嚴重的要算含氯漂白廢液的排放，廢液中不但含有COD和BOD，而且還含有其它劇毒物質(zhì)。用無氯漂白（TCF）或少氯漂白（ECF）紙漿的新技術取代CEH三段漂白紙漿的傳統(tǒng)方法，是解決制漿造紙工業(yè)對環(huán)境污染的清潔生產(chǎn)技術。氧漂白成為發(fā)展清潔漂白工藝的必需工藝段，采用氧漂白是為了環(huán)境保護。由于氧無毒，本身對環(huán)境沒有污染，經(jīng)氧脫木素后，后段的漂白劑和漂白廢水量可降低50%。近年來，鑒于對環(huán)境保護的要求，國內(nèi)外對氧漂白的興趣與日俱增。瑞典政府把氧脫木素作為新建漂白紙漿廠控制污染的一種措施。已證明氧漂白可大大降低漂白廢水中的BOD、COD色度和總有機氯的含量，它對減少現(xiàn)代紙漿漂白廢水的污染起了重要的作用。氧漂白還可以節(jié)省其他化學藥品的消耗，與有氯漂白劑漂白紙漿相比，可以提高紙漿得率。氧漂白廢液可合并到堿回收系統(tǒng)的黑液提取段，進入堿回收系統(tǒng)，或合并到后序工段的一般廢水處理。 
       ◇ 國內(nèi)紙漿企業(yè)制氧設備的應用

國內(nèi)氧氣漂白工藝由上世紀90年代才開始大量應用。最初的氧源選擇只有小型空分深冷設備，較為先進的工藝流程為中壓帶透平膨脹機的克勞特循環(huán)?？諝鈴拇髿庵形肟諌簷C，被壓縮到所需的壓力，再經(jīng)末級冷卻器冷卻后進入氟里昂預冷機組，被冷卻至5℃左右進入純化器，在其中除去水份、二氧化碳、碳氫化合物等物質(zhì)，進入分餾塔。經(jīng)純化后的壓縮空氣進入分餾塔的主換熱器（上），與主換熱器（下）來的氧、氮及餾份氣進行熱交換后經(jīng)節(jié)流閥與膨脹機出來的冷空氣會合于下塔底部的蒸發(fā)器，在下塔進行傳熱、傳質(zhì)過程。液空在下塔預分后，再節(jié)流到上塔進一步分餾，在塔頂?shù)玫郊兊獨猓纤胁砍槌鲋s份氣經(jīng)上換熱器回收冷量后作為純化器再生吹冷用，產(chǎn)品純氮氣通過管道輸往用戶。產(chǎn)品氧氣在輸氧管路旁接水封器后導入貯氣囊通往氧壓機。小深冷空分配套高壓氧氣壓縮機和氧氣灌充站作為標準配置，投資高、能耗高、運行維護量大，開車時間一般要十幾個小時，運行周期6-12個月。深冷設備越大技術越先進，能耗越低，而紙廠用氧規(guī)模都不大。對于紙漿企業(yè)來說，作為漂白配套用設備，深冷空分設備開停不便，運行維護成本高，并不是理想的氧氣源選擇。

目前國內(nèi)用于紙漿漂白的最大深冷設備是海南金海漿紙業(yè)有限公司KDON(Ar)-2770／3200／60型空分設備，氧氣產(chǎn)量2770Nm3/h，投產(chǎn)日期2004年。選擇深冷設備，除了適用年產(chǎn)100萬噸漂白木漿的規(guī)模，當?shù)貧怏w市場空白，對氧氮氬有大量需求也是主要原因。我國變壓吸附法制氧的研究始于20世紀70年代初，到20世紀90年代初才實現(xiàn)了小型裝置的工業(yè)化。變壓吸附制氧的基本原理是利用空氣中的氮氣和氧氣在沸石分子篩（ZMS）上因壓力不同而吸附性能的差異來進行氧氮分離。最初用于國內(nèi)紙漿漂白的變壓吸附制氧機都為加壓吸附（PSA）型小設備，產(chǎn)量在100Nm3/h以下，能耗和小深冷相當，大約0.9～1.3 KWh/ Nm3，而且工藝并不成熟，大多為實驗型設備。產(chǎn)量和純度不能長期穩(wěn)定，分子篩性能和裝填工藝不合格，在產(chǎn)品氣中常有粉末，大多設備投而未用或是用而不久，影響了氧漂在國內(nèi)造紙行業(yè)的推廣。VPSA流程是國外普遍采用的較為先進的變壓吸附制氧流程。國內(nèi)正式投于工業(yè)化應用是上世紀90年代后期，并很快應用于國內(nèi)紙漿漂白領域。其氧氣純度93%，能完全滿足紙漿漂白工藝要求，能耗0.38～0.45KWh/ Nm3 ，比全低壓大深冷空分低，開車時間只要幾分鐘，能隨時開停車，無論在設備投資，還是在操作成本方面都具有很強的競爭力。云景林紙股份有限公司是國內(nèi)第一家林紙一體化的企業(yè)和國內(nèi)第一家采用 ECF四段無元素氯漂白工藝生產(chǎn)的制漿企業(yè)，所生產(chǎn)的紙漿具有白度高、潔凈度高、綠色環(huán)保等優(yōu)點。采用芬蘭AHLSTROM三段壓力篩、氧脫木素、C/D-E/O-D1-D2四段漂工藝，配套國產(chǎn)VPSAO-360型變壓吸附制氧機,年產(chǎn)10萬噸漂白木漿。四川永豐紙業(yè)股份有限公司擁有先進的無氯漂白制漿生產(chǎn)線，年制漿能力8萬噸，是竹漿全無氯漂白的代表，配套VPSAO-260型變壓吸附制氧機。目前國內(nèi)最大的用于紙漿漂白的變壓吸附制氧設備，目前國內(nèi)草漿比重還很大，但氧漂在草漿上的應用還是空白。草漿進行氧脫木質(zhì)素，在技術上是可行的，在經(jīng)濟上是合理的。由于草漿木素含量紙，麥草漿的含氧漂白具有更好的選擇性，紙漿粘度高、強度好，比木漿更容易實現(xiàn)TCF漂白。據(jù)相關研究，采用（XQ）Pht、EApPht、ApPhtY、Ap(PO)等漂序可漿麥草本色漿漂至80%SBD白度以上，是實現(xiàn)Soda- AQ麥草漿短流程高白度TCF漂白的可行漂白流程。利用工廠現(xiàn)有的降流式堿處理塔或次氯酸鹽漂白塔，僅需增加少量輔助設備，即可實施，對我國傳統(tǒng)漂白工藝的改造和減少環(huán)境污染具有重要的現(xiàn)實意義。

◇ 氧漂用VPSA制氧設備的介紹

VPSA制氧系統(tǒng)主要由鼓風機、真空泵、切換閥、吸附器和氧氣緩沖罐組成。原料空氣經(jīng)吸入口過濾器除掉灰塵顆粒后,被羅茨鼓風機增壓至0.5barg而進入其中一只吸附器內(nèi)。吸附器內(nèi)裝填吸附劑,其中水分、二氧化碳、及少量其它氣體組分在吸附器入口處被裝填于底部的活性氧化鋁所吸附,隨后氮氣被裝填于活性氧化鋁上部的沸石分子篩所吸附。而氧氣(包括氬氣)為非吸附組分從吸附器頂部出口處作為產(chǎn)品氣排至氧氣緩沖罐。當該吸附器吸附到一定程度,其中的吸附劑將達到飽和狀態(tài),此時通過切換閥利用真空泵對之進行抽真空 (與吸附方向相反),真空度為0.55barg。已吸附的水分、二氧化碳、氮氣及少量其它氣體組分被抽出并排至大氣,吸附劑得到再生。

VPSA的每個吸附器都交替執(zhí)行以下步驟:---吸附---解吸---沖壓。

上述三個基本的工藝步驟由PLC和切換閥系統(tǒng)來實現(xiàn)自動控制。VPSA制氧裝置流程簡單，設備數(shù)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%。VPSA裝置能全自動無負荷的運轉(zhuǎn)，且停車后，吸附塔內(nèi)氣氛穩(wěn)定，重新開車后幾分種就能出產(chǎn)品。簡單的起動及停車能避開用電高峰運行，降低生產(chǎn)成本。VPSA裝置本身很簡單，運轉(zhuǎn)機器的數(shù)量少，動設備為羅茨鼓風機和羅茨真空泵，因其工作原理都為容積式、無油，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%以上，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，切換閥門閥座三年才更換一次，真空泵軸承及油封在正常使用條件下壽命為五到拾年。紙漿企業(yè)的工作重點應是紙漿的產(chǎn)量和質(zhì)量，作為漂白的輔助設備----制氧機，工作的穩(wěn)定可靠能長期保證供應滿足工藝要求的氧氣是關鍵，并且操作要方便，維護要簡單，投資相對要少，運行費用要低。VPSA變壓吸附制氧機正好滿足了各方面要求，所以在國內(nèi)越來越多的紙漿企業(yè)得以推廣。

◇ VPSA制氧設備是廉價適用的氧氣源

VPSA制氧設備工藝成熟，目前國內(nèi)兩塔流程水平已和國際同步，一般能耗在0.38-0.45 KWh/Nm3，純度93%，全自動控制，單位氧成本0.4元左右（因當?shù)赜秒妰r格差異），而目前市場單位氧氣價格為大約1元（因附近氧產(chǎn)量和需求差異）。深冷空分目前國內(nèi)最先進的是第六代產(chǎn)品，除采用規(guī)整填料塔和全精餾制氬這兩項核心技術外，并應用高效率高壓增壓透平膨脹機、液體內(nèi)壓縮流程、大截面大規(guī)格板式換熱器和常溫分子篩凈化等技術，空分裝置氧提取率達到97%—99%，氬提取率達到75%—88%，制氧單位電耗降至0.40—0.42kWh/m3。但自動化控制，停留在80年代中期的水平上且設備產(chǎn)量一般在6000Nm3/h以上，目前國內(nèi)紙廠規(guī)模都不適用。深冷設備一般可產(chǎn)氧氮兩種產(chǎn)品，紙漿企業(yè)氮氣是間隙用氣，且用量不大，以其規(guī)模，如果儲運銷售，市場競爭力不強，大部分都是放空浪費。氧氣產(chǎn)量調(diào)節(jié)也較為困難，調(diào)節(jié)時間要一個小時，配置灌充平臺，產(chǎn)量不大，市場銷售也不經(jīng)濟。加工處理的原料空氣中的氧氣并不能被完全提取。PSA加壓吸附制氧機，原料空氣先加壓0.4MPa吸附制取氧氣，再靠常壓放空解吸。其特點是分子篩要求低，設備相對簡單，但能耗較高。一般產(chǎn)量100Nm3/h以下，較為經(jīng)濟。因其較高的產(chǎn)品出口壓力，目前較多應用于污水純氧曝氣、富氧水產(chǎn)養(yǎng)殖等領域。目前國內(nèi)制漿企業(yè)用氧規(guī)模在幾百立方，紙漿氧漂壓力一般為0.8MPa。VPSA變壓吸附制氧設備，低壓吸附制氧，抽真空解吸，產(chǎn)品氧氣根據(jù)用戶需要配置增壓氧壓機，再送用戶使用，能耗低，制漿企業(yè)配置更為經(jīng)濟。

         ◇ 響應中國綠色紙業(yè)倡議

中國紙業(yè)環(huán)保高層論壇上專家指出，中國造紙行業(yè)污染防治工作已初見成效。

近年來，經(jīng)過各方的努力，造紙行業(yè)污染防治工作已初見成效。造紙業(yè)萬元產(chǎn)值化學需氧量排放強度近七年大幅降低。由于制漿造紙企業(yè)環(huán)境治理力度加大，造紙工業(yè)環(huán)境污染得到初步緩解，正朝良性方向發(fā)展。國家環(huán)境保護總局將一直將造紙污染防治作為重中之重的工作。

以金東紙業(yè)、昆山鈔票紙廠等為首的中國優(yōu)秀造紙企業(yè)的代表們聯(lián)合發(fā)起“中國綠色紙業(yè)倡議”，號召全國的紙業(yè)企業(yè)走可持續(xù)發(fā)展和保護環(huán)境之路，在發(fā)展生產(chǎn)的同時，肩負起崇高的社會責任，實現(xiàn)企業(yè)、環(huán)境‘多贏’的綜合目標，促進人與自然的和諧發(fā)展。

根據(jù)國際漂白技術在環(huán)保方面取得的新成就，以及國內(nèi)造紙環(huán)保政策的發(fā)展方向，對造紙行業(yè)廢水實施更為嚴格的排放標準是大勢所趨。同時，化工產(chǎn)品價格大幅度上揚使傳統(tǒng)的漂白工藝成本增加。因此利用廉價的氧氣進一步脫除紙漿中的木質(zhì)素，對后續(xù)漂白工藝節(jié)省化學藥品、減少廢水污染負荷，對企業(yè)三個效益的同步提升具有積極的促進作用。