基于节能减排的绿色制氮工艺效果分析探讨

王跃平

深圳市友效技术有限公司  广东 深圳 518000

摘要：为减少破坏环境污染物的排放量和节约资源，本文以节能减排为目的，以深冷空分法、膜空分法及分子筛空分法（PSA）为研究对象，介绍了氮气的组成和用途，分析了不同制氮工艺的工作原理及工艺流程，并且比较了三种制氮工艺的能耗情况，得出分子筛空分法（PSA）为最佳制氮工艺。

关键词：节能减排；深冷空分法；膜空分法；分子筛空分法

1.引言

目前，我国氮气用途十分广泛，主要用于金属热处理、电子工业、粉末冶金、石油化工等行业。例如：电灯泡里充满氮气，可以减缓钨丝氧化的速度，从而延长灯泡的使用寿命；焊接金属时，可利用氮气代替惰性气体作为保护气；氮气还可作为制造炸药的原材料、低温粉碎等的制冷剂、冷却剂及用作化肥、氨、硝酸等化合物的制造[1]。

节能减排主要是指节约资源，利用最佳生产工艺或设备等减少污染物（包括废气、废水、固体废物及噪声）的排放，简而言之，节能减排是指节约资源和减少破坏环境有害物的排放[2,3]。随着我国经济快速发展，能源消耗也快速增长，造成破坏环境有害物的排放量逐渐增加的现象，因此，本文通过不同行业对的氮气需求，对不同的制氮工艺效果进行比较，以节能减排为基础，以降低生产成本为目标，筛选出最佳节能减排的绿色制氮工艺。

2.氮气的组成

大气中约有4000万亿吨气体，其中氮气占78%。氮和其他物质一样，具有气、液和固三态，在常温常压下呈气态。在标准大气压下，氮被冷凝至-196℃即会变为液态，氧和氮的沸点相差13 ℃，氩和氮的沸点相差10 ℃，空气的分离就是充分利用其沸点的不同来将其进行分离[2,4]。

表1  空气的组成

组分	氮	氧	氩	氖	氦	氪	氙	二氧化碳	其他
分子式	N2	O2	Ar	Ne	He	Kr	Xe	CO2	氮氧化物水
体积含量	78.03	20.93	0.932	1.5-1.8×10-3	4.6-5.3×10-4	1.08×10-4	8×10-6	0.03
重量含量	75.6	23.1	1.286	1.2-10×10-3	7×10-3	3×10-4	4×10-5	0.046
气体密度	1.250	1.429	1.734	0.9	0.178	3.743	5.896	1.977
沸点	-195.79	-182.97	-185.86	-246.08	-268.94	-153.4	108.11	-78.44（升）

3.绿色制氮工艺效果比较

节能减排的绿色制氮工艺有三种，即深冷空分法、分子筛空分法（PSA）和膜空分法。

3.1深冷空分法

3.1.1制氮工艺原理

深冷空分法又称为低温精馏法，作为传统的制氮方法，已有近百年的历史。深冷空分制氮主要是以空气作为原辅材料，通过压缩、冷却、净化工序后，利用热交换功能将空气液化转换为液空。在标准大气压下，氮被冷凝至-196℃即会变为液态，根据液氧和液氮的沸点差13 ℃，通过对液空的精馏，使它们分离来获得氮气，氧气位于精馏塔底部，氮气位于精馏塔顶部[1,3]。

3.1.2制氮工艺流程

空分制氮系统由压缩、冷却、分子筛吸附、净化与精馏等构成，空气首先进入压缩机经加压至0.7-0.9MPa时，经冷却处理后，排入双向连接的分子筛安全吸附器中，可将空气中的二氧化碳、水分子及其碳氢化合物进行净化处理，净化后的空气随着密闭管道进入缓冲罐，其中富氧空气待冷却后位于罐底部参与精馏，罐顶为高纯度的氮气，净化的一部分氮气经加压后作为产品送出，另一部分被冷凝为液氮。其中，大部分液氮参与精馏，少量液氮于液氮储罐贮存，空分制氮方法液氮产量约为气氮产量的8%[1]。

深冷分离制氨工艺流程见图1。

图1    深冷分离制氨工艺流程图

注：1压缩机；2,3 A、B分子筛；4缓冲罐；5空压机；6储气罐；7真空泵

3.2膜空分法

3.2.1制氮工艺原理

八十年代，膜空分制氮作为新型制氮技术在国外迅速发展，近几年我国逐渐利用此技术制氮。膜空分制氮是以空气为原料，利用特殊薄膜对空气中氮和氧等气体分子具有不同的渗透速率，将氮跟氧等气体进行分离而制取高纯度氮气，其氮气纯度可高达99.99%。膜空分制氮技术操作简单，占用体积小，维护量少，产气速率快，有最佳的性价比，适用于氮气纯度小于98%的用户[1,5]。

3.2.2制氮工艺流程

空分制氮系统由压缩、冷却、干燥、净化与膜分离构成，空气首先进入压缩机经加压至1.2-1.4MPa时，经冷却处理后，排入双向连接的干燥器中，可将空气中的PM2.5、PM10、水分子及油物进行干燥过滤处理，由于膜的特性，空气需进入电加热器进行净化处理，当空气温度稳定后进入膜分离单元，是利用特殊薄膜对空气中的某些成分进行选择性透过，当氮气满足纯度要求时排入氮气缓冲罐。

膜分离制氮工艺流程见图2。

图2  膜分离制氮工艺流程图

注：1压缩机；2,5过滤器；3,4 A、B干燥器；6电加热器；7,8膜组件；9真空泵

3.3分子筛空分法（PSA）

3.3.1制氮工艺原理

分子筛空分法（PSA）的工作原理非常简单，实际上就是吸附和再生的过程，实现连续运行。PSA空分制氮装置是以空气为原料，制氮前首先将分子筛用热空气或氮气进行活化处理，活化后的分子筛具有较强的吸附能力，运用变压吸附原理，使分子筛具有选择性的吸附气体分子，以此达到筛选出氮气的目的。整个运行过程“吸附-切换-再生（包括冷吹）-切换-吸附”全部按照预先设定的程序运行的

[1,6]。

3.3.2制氮工艺流程

分子筛空系统由压缩、冷却、过滤、净化与吸附构成，空气首先进入空气压缩机经加压至0.75-0.9MPa时，整个制氮系统中气体均是带压的，排入空气储罐中，经精密过滤处理后，采用冷干机进行脱除水分处理，随后进入两台吸附塔组成的PSA制氮装置，可将空气中的O2、CO等杂质气体吸附掉，随后氮气由吸附塔塔顶排出，其排出的氮气纯度高达99%[7]。

分子筛空分法（PSA）工艺流程见图3。

图3  分子筛空分法（PSA）制氮工艺流程图

注：1空气压缩机；2空气储罐；3,5,6精密过滤器；4冷干机；7,8,A、B吸附塔；9氮气储罐；10减压阀；进口阀门。

3.制氮工艺的节能减排分析

分子筛空分法（PSA）作为一种新的制氮技术，与传统制氮法相比，具有产品性能稳定、节能高效、其能耗相对采用传统制氮法制氮流程要低、操作便捷、成本低等特点。

通过分析和比较分子筛空分法（PSA）与传统制氮法的实际运行能源消耗计算，得出不同制氮工艺的能量消耗情况（见表2 ）。

表2    不同制氮工艺能源消耗对比

项目	消耗设备	传统制氮工艺		分子筛空分法（PSA）
		深冷空分法	膜空分法
产品种类		气氮、液氮	气氮	气氮
氮气纯度，φ/%		99-99.99%	＜99.9%	≤99.99%
操作压力/MPa		0.7-0.9MPa	1.2-1.4MPa	0.75-0.9MPa
制氮工艺 主要设备		空气压缩机、冷干机、分子筛吸附器、电加热器、精馏塔、冷凝蒸发器	空气压缩机、过滤器、干燥机、吸附塔、缓冲罐	空气压缩机、过滤器、干燥机、电加热器、膜组件
耗电量 kW·h·h-1	空气压缩机	2135	1850	1250
	冰机	180	165	135
循环水量 t·h-1	空气压缩机	300	280	220
	冰机	160	135	110
占地面积		大	小	小
相对投资		1．2-1．5	1	＞1.5

5.结论与建议

本文通过分析和比较深冷空分法、膜空分法及分子筛空分法（PSA）的制氮原理、工艺及能源消耗，得出耗能量低的制氮工艺为分子筛空分法（PSA），并且此工艺不仅降低了生产成本，还达到了节能降耗的目的，为需氮行业提高经济效益和生态效益提供了理论意义。

参考文献：

[1]张琼, 马天娇. 深冷制氮工艺流程的比较与选择[J]. 深冷技术, 2013(06): 30-32.

[2]余化, 冯天照. 制氮工艺技术的比较与选择[J]. 化肥设计, 2012, 50(01): 13-15+19.

[3]王松. 高效制氮工艺研究应用[J]. 化工设备与管道, 2019, 56(05): 43-46.

[4]郑黎, 林冰. 单高制氮节能新工艺技术改造[J]. 河南化工, 2015, 32(04): 47-49.

[5]李绍林. 浅谈5万吨级石化码头制氮系统施工工艺及质量控制[J]. 珠江水运, 2021(11): 49-51.

[6]薛鹏, 张引弟, 杨建平, 等. 基于变压吸附制氮系统的BOG再冷凝工艺[J]. 天然气工业, 2017, 37(12): 92-98.

[7]王伟, 刘德清. 空分分子筛运行分析及保护措施[J]. 中氮肥, 2021(06): 75-77.