朱泓宇

0 引言

氮氣是一種惰性氣體，制氮裝置最初被廣泛應用于煤礦井下的防滅火，其原理主要就是利用氮氣的惰性。隨著制氮裝置逐步由煤炭行業(yè)向非煤領域的拓展，其應用領域日益擴大。不同行業(yè)對制氮裝置的氮氣濃度要求越來越高，氮氣純度要求達到99.99%，這就迫使企業(yè)必須與時俱進，通過研發(fā)高純度制氮裝置，來提高產(chǎn)品的性能指標，適應市場的需求。

1 基本原理

目前，一般的制氮方式主要有深冷分離、變壓吸附、膜分離[1]，變壓吸附法（簡稱PSA)制氮技術通常使用兩塔并聯(lián)，在常溫下以空氣為原料，以碳分子篩（CMS)為吸附劑，N2與O2在CMS上的擴散速率和吸附容量不同，O2直徑較小擴散較快，較多進入分子篩固相，使N2富集于氣相中。一段時間后，分子篩對O2的吸附達到平衡后，降壓，碳分子篩解除對氧的吸附。兩塔交替進行加壓吸附和減壓解吸，從空氣中吸附和釋放O2，從而分離出 N2[2]。

變壓吸附是一項非常有效的氣體分離新技術，目前已廣泛應用于工業(yè)氣體分離與凈化、氣體干燥和氫氣分離精制等領域。變壓吸附具有投資小、自動化程度高、操作維護簡單、常溫運行等優(yōu)點。

2 制氮裝置的組成及產(chǎn)品特點

2.1 組成

DT-495/40變壓吸附式碳分子篩制氮裝置是以碳分子篩為吸附劑制取氮氣。主要由空氣凈化組件、空氣罐、PSA氧氮分離組件、氮氣緩沖組件、電控系統(tǒng)五大部分組成[3]，見圖1。

圖1 制氮裝置系統(tǒng)構成

2.1.1 空氣凈化組件

空氣凈化組件的作用顧名思義就是除去壓縮空氣中的塵埃、水和油，為氧分高組件提供潔凈的原料—空氣。碳分子篩是變壓吸附制氮裝置的核心部分，由于空壓機排出的壓縮空氣通常含有油和水，所以必須在壓縮空氣(壓縮空氣見表1)進入氧氮分離組件之前采用空氣凈化組件進行除油、除水?？諝鈨艋M件一般由氣水分離器、預過濾器、冷凍干燥機、精過濾器、超精過濾器、活性炭除油器、自動排污閥、球閥等組成[4]。

表1 壓縮空氣

2.1.2 空氣罐

空氣罐配有安全閥、蝶閥、壓力表等，在系統(tǒng)切換時可以保證系統(tǒng)用氣平穩(wěn)，提高進入吸附器的壓縮空氣品質(zhì)，延長分子篩的壽命。

2.1.3 PSA氧氮分離組件

PSA制氮工藝，通過可編程序控制氣動閥的啟閉，完成A、B兩塔交替循環(huán)加壓吸附、減壓脫附的過程，使氧氮分離，最終得到所需的氮氣。碳分子篩對氧的吸附容量隨著壓力的增減而不同。在容積一定的條件下，產(chǎn)氮量下降，產(chǎn)氮濃度增加。利用這種特性，采用變壓吸附進行氧氣、氮氣分離，使所產(chǎn)氮氣濃度可調(diào)。

2.1.4 氮氣儲罐組件

氮氣儲罐組件的作用是根據(jù)N2緩沖在吸附過程中成品氣的壓力變化，相應程控閥門的頻繁開閉確保整個裝置按一定的程序運行，以確保輸出氮氣的純度和流量的穩(wěn)定性。

2.1.5 電氣控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用進口全自動PLC控制，可實現(xiàn)制氮裝置無人值守自動運行。

2.2 制氮裝置研制的創(chuàng)新點

2.2.1 閥門控制技術

共設置9個氣動閥門，可縮短加壓吸附、減壓脫附的過程，提高A、B兩塔間的交替循環(huán)速率。

2.2.2 實時壓緊技術

在保證系統(tǒng)各項環(huán)節(jié)穩(wěn)定運行的情況下，增加了分子篩自動壓緊補償功能，通過液壓氣缸的實時壓緊，可使分子篩始終處于壓緊狀態(tài)。

2.2.3 超精度過濾技術

設有四級過濾器，過濾精度可達0.01 μm。

2.2.4 人機界面

采用觸摸屏/工控機，分別對氮氣流量、純度、設備進出口壓力、故障信息等參數(shù)進行顯示，也可實現(xiàn)在線修改設備運行參數(shù)。

2.2.5 終端顯示功能

通過485的通訊方式，將現(xiàn)場采集的信號傳送至監(jiān)控中心，用戶實時了解設備的運行情況。

2.3 制氮裝置的特點

DT-495/40變壓吸附式碳分子制氮裝置采用雙塔流程，吸附壓力設定為0.6 MPa～0.8 MPa，利用氮氣沖洗和常壓解吸流程，使氣流分布更均勻，進氣量、回吹量易于準確把握，大約40分鐘便可產(chǎn)出合格的氮氣。產(chǎn)氮能力以及濃度為：99.995%，40 m3/h。與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，其產(chǎn)氮方式更經(jīng)濟、高效，同時還具有能耗低、成本低、壽命長等特點。

2.3.1 主要技術指標及使用環(huán)境條件

氮氣露點：≤-40℃

氮氣濃度：99.995%

氮氣壓力：≤0.7 MPa

氮氣溫度：環(huán)境溫度

環(huán)境溫度：8℃～40℃

相對濕度：≤70%（25℃）

大氣壓力：80 kPa～106 kPa

安裝環(huán)境：室內(nèi)（0～35℃，通風良好，防霜凍）

2.3.2 節(jié)能高效

工藝的改進將所產(chǎn)氮氣精度提高到99.995%，在提高產(chǎn)氮速率和節(jié)省氣源兩方面上也有所提高，產(chǎn)氮量達到40 m3/h，流量為600 Nm3/h～3 000 Nm3/h。

2.3.3后期維護

通過實時壓緊技術，減少生產(chǎn)過程中分子篩消耗所產(chǎn)生的空間，提高其性能，延長分子篩的更換時間及其使用壽命。

2.3.4 擴展功能

裝置可擴展I/0接口，進行更多的數(shù)據(jù)采集，可實現(xiàn)擴展的網(wǎng)絡通訊功能。

3 產(chǎn)品應用情況及推廣應用前景

3.1 在煤礦的應用

氮氣化學性質(zhì)不活潑，所以在煤礦、油田工業(yè)中常被用做的防滅火的介質(zhì)。按照《煤礦安全規(guī)程》要求，氮氣濃度一般不小于97%。DT-495/40變壓吸附式碳分子篩制氮裝置成功研制后，首臺便應用于塔山煤礦綜放工作面高溫、高濕生產(chǎn)條件下防滅火。工作時，將高純度氮氣注入火區(qū)內(nèi),使火區(qū)中氧含量濃度降低到5%以下,這樣便可達到滅火和防止瓦斯爆炸的目的。通過兩年多的工業(yè)性應用檢驗，高純度井下移動碳分子篩制氮裝置技術性能優(yōu)、運行穩(wěn)定可靠，制氮量多，達到了設計要求，保障了塔山煤礦安全高效生產(chǎn)。

3.2 在非煤領域應用

隨著低溫化學熱處理技術的迅速發(fā)展,大型精密齒輪、高性能齒輪的熱處理越來越多地應用深層離子滲氮技術，以提高其抗畸變、抗咬合性能。該產(chǎn)品在中國重汽大同齒輪公司熱處理車間用于齒輪的滲氮技術,經(jīng)批量測試，齒輪滲氮后,表面硬度、耐磨性、輪齒的彎曲疲勞強度均大幅提高。經(jīng)過兩年多的應用,產(chǎn)品很好地滿足了用戶的使用要求。

3.3 推廣應用前景

DT-495/40變壓吸附式碳分子制氮裝置氮氣純度可達到99.995%，通過進一步提高制氮機的產(chǎn)氮量、氮回收率、堆密度、抗壓強度等性能指標，其應用領域更加廣泛，從而適應市場的需求，提高設備的市場競爭力。

（1）高純度氮氣在冶金工業(yè)中主要用于退火保護氣氛、燒結(jié)保護氣氛、氮化處理、洗爐等。在金屬熱處理時氮氣可使金屬表面光潔；有色金屬冶煉時氮氣不僅可以提高產(chǎn)品純度，而且用氮氣吹掃鋼水,還可降低鋼中氫含量,提高鋼的強度。

（2）高純度氮氣在電子工業(yè)中主要用于大規(guī)模集成電路的燒結(jié)點焊、退火、封裝等生產(chǎn)工序。

（3）利用液氮的低溫特性，高純度的氮氣在氣相色譜分析、檢測中,常被用作載氣，保存和使用科學儀器。

（4）在食品、醫(yī)藥行業(yè),高純度的氮氣主要應用于食品與醫(yī)藥的包裝、保鮮、冷藏輸送等。生物和醫(yī)療領域中,高純氮在人體組織和外科手術等方面也得到普遍的應用。

4 結(jié)語

DT-495/40變壓吸附式碳分子篩制氮裝置所產(chǎn)氮氣純度從過去的98%提高到了99.995%以上，大大提高了分子篩的利用率，節(jié)省了材料的大量消耗，對保護資源、節(jié)能環(huán)保具有極大的推動作用。