对工业氮提纯装置及工业氮提纯工艺方法的探究

黄毅斌

漳州旗滨玻璃有限公司 福建省漳州市363400

摘要：我国工业气体产业规模逐年增长，氮则是当仁不让的主角之一。氮气市场的趋势可能包括新技术的应用、环保要求的增加、行业合并和收购等。例如，随着可再生能源的发展，一些氮气供应商开始探索使用可再生能源来生产氮气，以减少对传统能源的依赖。这些都极大地促进了氮气行业的发展，但是现有的工业氮提纯装置及工业氮提纯工艺方法大多有，碳粉与氮气中的氧气和氢气反应会生成固体废料，后续处理困难，并且采用碳粉，工艺相对复杂，运行精密度难以控制，产品纯度不达标的问题。因此，本文将对一种能解决以上问题的工业氮提纯装置及工业氮提纯工艺方法进行探索研究。

关键词：工业氮、提纯装置、提纯工艺、纯度

引言：随着科学技术的进步和经济建设的发展，氮的应用越来越广泛，已经渗透到许多工业部门和日常生活领域。此外，随着相关技术领域的发展和政府政策的支持，氮气的应用及需求将会越来越广。

氮气是一种无色、无味、无毒的气体，化学式为N2。它是地球大气中最主要的成分之一，占据了大约78%的体积比例。氮气在自然界中广泛存在，主要通过空气中的氮气分子形式存在。氮气具有较低的化学活性，不易与其他元素或化合物发生反应。它在许多工业和实验室应用中被广泛使用，例如用作保护气体、气体灭火剂、气体推进剂等。此外，氮气还被用于食品包装、电子设备制造、冷冻保存等领域。

因此，氮的重要性更是不言而喻。现有市场上的工业氮提纯装置更是数不胜数，可是，现有的装置大多都不能满足消费者的期望，所以，我们要不断研究开发新技术新设备来提高氮气的纯度。

1、什么是氮气

氮气，是氮元素形成的一种单质，化学式N₂。常温常压下是一种无色无味的气体，只有在高温高压及催化剂条件下才能和氢气反应生成氨气，在放电的情况下能和氧气化合生成一氧化氮；即使Ca、Mg、Sr和Ba等活泼金属也只有在加热的情形下才能与其反应。氮是地球上第30丰富的元素。考虑到氮气占大气量的4/5，即占大气的78%以上，几乎可以使用无限量的氮气。工业常使用分馏液态空气的方法来获得大量氮气。

2、氮气的主要用途

2.1食品和饮料行业

氮气在食品和饮料行业中有重要的应用前景。氮气可以用于包装袋或罐头中，用于代替空气，减少氧气的存在，从而降低食品的氧化速度和细菌的生长速度，从而延长食品的保质期。在食品加工中，氮气可以用于喷雾干燥过程，通过降低空气中的湿度，使食品中的水分更容易挥发，从而生产出更加干燥的食品。氮气还可以用于起泡作用，如啤酒、可乐和奶油等产品中。

2.2防治储粮害虫

生物的生存需要氧气的供应，密封储存的粮仓内充入氮气，使得氨气的浓度达到95%以上，保持19天以上，能够使得诸粮害虫因长期得不到所需含氧量而窒息死亡。

与其他储粮技术比较，氮气储粮技术也具有明显的优势。传统的杀虫技术多采用熏蒸杀虫，但是大多数杀虫剂都具有一定的缺陷，更重要的是，这些杀虫剂对粮食存在药物残留，人体长时间与其接触，也会造成身体的危害，二氧化碳储粮技术同氮气储粮技术的原理相同，而且能够更快速地杀害害虫，但是费用却比氨气储粮技术高4倍。与此同时，多位专家对充氛气调对粮食的品质做了研究。结果表明，在低温下充氮气调与常规的储存对玉米和稻谷的品质影响相差不大。

2.3氮气保护对纳米复合涂层组织与性能的影响

大型燃煤发电厂锅炉管道的飞灰磨损是最典型的高温冲蚀磨损现象之一，在管道表面电弧喷涂各种抗冲蚀涂层是解决锅炉管道磨损的有效手段之一。对电弧喷涂设备进行改装，引入氮气保护，可以减轻喷涂过程中氧化对电弧喷涂层组织结构和性的影响，提高涂层的致密性和均匀性，达到进一步提高涂层冲蚀抗力的目的。

2.4防止爆胎和缺气碾行

爆胎是公路交通事故中的头号杀手。据统计，在高速公路上有46%的交通事故是由于轮胎发生故障引起的，其中爆胎一项就占轮胎事故总量的70%。汽车行驶时，轮胎温度会因与地面摩擦而升高，尤其在高速行驶及紧急刹车时，胎内气体温度会急速上升，胎压骤增，所以会有爆胎的可能。而高温导致抄胎橡胶老化，疲劳强度下降，胎面警损剧烈，又是可能案胎的重要因素。而与一般高乐空气相比，高纯度氨气因为无氧且几乎不含水分不含油，其热膨胀系数低，热传导性低，升温轻，降低了轮胎聚热的速度，不可燃也不助燃等特性，所以可大大地减少爆胎的概率。

2.5制药行业

氮气在制药行业中的应用前景也很重要。它可以用于药品的生产和包装过程中，提供惰性气氛和保护药品的稳定性。

3、现有技术的缺陷

锡槽在浮法玻璃生产中是玻璃成型的关键热工设备，因为玻璃液是在熔融的锡液表面摊薄或堆厚成各种厚度的产品；因此，锡槽工况的好坏对玻璃的质量、产量都起到至关重要的作用；而氮气作为锡槽的惰性保护气，又是还原气，对锡槽的正常运行工况起着决定性的作用；对锡槽内输送氮气时，必须要求连续、稳定，尽量减少氧含量；一旦供气产生波动 （或供气中断）都将使得外界的氧分大量渗入锡槽内部，引起锡氧化，生成的氧化锡和氧化亚锡大量挥发，造成锡槽内一片混浊，生产无法进行。

现有技术中，工业氮的制作采用常温收集加压，通过电加热加温550℃，加入碳粉，燃烧气氛中的微量氧气，再冷却至常温，通过纯化处理，达到高纯氮指标，输送至生产线，完成工业氮再生工作。

但是通过碳粉与氮气中的氧气和氢气反应会生成固体废料，后续处理困难，并且采用碳粉，工艺相对复杂，运行精密度难以控制，产品纯度不达标。

4、对本种提纯装置及技术的介绍

4.1对工业氮提纯装置的概述

工业氮提纯装置包括进气管、出气管、缓冲组件、反应组件和吸附组件，进气管的一端用于与锡槽放气口连通，进气管的另一端与缓冲组件连通，出气管的一端与吸附组件连通，出气管的另一端用于与外界收集设备连通，反应组件包括反应罐，反应罐内填装有氢氧催化剂层，反应罐分别与缓冲组件和吸附组件连通，将进气管与锡槽放气口连通，气体通过进气管进入缓冲组件，然后进入至反应管内，气体中的氧气氢氧催化剂层作用下与氢气发生反应，生成水蒸气，继续流动至吸附组件，吸附组件吸收水蒸气，然后通过出气管输送至锡槽的高温反应区，这样能够将使用过的废气进行提纯然后继续输送至锡槽继续使用。缓冲组件还包括滤网，滤网设置于低压缓冲罐与压缩机之间的连通管内，滤网用于过滤气体中的固体杂质阻止固体杂质进入压缩机。

4.2对工业氮提纯工艺方法的概述

   控制废气从进气管经过缓冲组件后进入反应罐，以使得废气中的氧气与氢气经过氢氧催化剂层催化结合形成水蒸气，控制废气从反应罐流动至吸附罐中，其中，吸附罐内的碳分子筛填料层吸附废气中的杂质，经除杂后的废气经出气管流动至外界收集设备。

锡槽在浮法玻璃生产中是玻璃成型的关键热工设备，锡槽设置有锡槽放气口，往锡槽中通入氮气，然后从锡槽放气口排出，锡槽放气口排出的氮气和反应后的废气通过锡槽放气口进入进气管中，废气中含有氧气、氢气、二氧化碳和二氧化硫等杂质，在玻璃生成中，锡槽保持高温，锡槽放气口处的温度也基本保持在200℃，因此输入进气管中的气体也基本保持在200℃；气体通过进气管进入缓冲组件，然后进入至反应罐内，气体中的氧气的含量小于氢气，氢气的含量至少为氧气的两倍，保证能够将氧气完全反应，生成水蒸气，防止后续收集的氮气中存在氧气影响后续锡槽的正常运行；例如气体含有 3 .4％的氢气，含氧20PPM（百万分浓度） ，这样就能够可以保证在氢氧催化剂层及氢气作用下，氧气被完全清除，生成水蒸气，气体完成反应后，继续流动至吸附组件，通过吸附组件吸收水蒸气，然后通过出气管输送至锡槽的高温反应区，这样就能够通过使用过的废气进行提纯然后继续输送至锡槽继续使用。

4.3工业氮提纯工艺方法较现有技术的优势

相较于现有技术，通过将气体输送至提纯装置，需要先进行加热，然后与碳粉反应再将生成的氮气收集起来再输送至锡槽，并且采用碳粉高温燃烧，碳粉加入比例难以控制，加少了氧气处理不完全，导致氮气纯度不高，加多了碳粉残留堵塞装置通道，增加处理成本，并且碳粉高温烧结形成固体废料，清理困难，每一次都需要进行清理，无法保证连续运行，生成效率大大降低；而本方案中通过在反应罐填充氢氧催化剂层，将氧气与氢气进行反应生成水蒸气，然后通过吸附组件将水蒸气吸收，不需要每一次停机都进行固体废料的处理，大大提高了作业效率；并且通过这样的设置可以将固体废料转变为水蒸气处理更加方便，并且不需要考虑催化剂的添加量，保证氮气的纯度。

结语：氮气由于其特殊的性质，以及本身独特的优势，在化肥工业、机械工业、浮法玻璃生产、石油开采等多个领域都有重要的作用。因此，未来工业氮的市场前景也是十分广阔的，同时，随着科学技术的快速发展，氮气的用途将会继续增加扩大，为此，改善工业氮提纯装置及工业氮提纯工艺方法迫在眉睫。我们相关企业应当树立创新意识、发展技术，不断地提高自己的技术水平，带动相关产业发展，促进我国在氮气资源上的一大进步。

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