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（昆山锦湖工程技术有限公司） 摘要：
目前，氧气的制取工业上主要有两种方法：深冷空分法和变压吸附法。本文就两种方
法进行了比较说明。介绍了真空变压吸附VPSA制氧机能耗的计算，阐述了VPSA制氧机在一
些现场供气领域的经济性优势。可作为投资的参考。
关键词：VPSA 深冷法 能耗计算 经济性
氧气的应用
氧气是气体工业中数量最大的品种，广泛应用于化学工业、冶金工业等部门中。在过
去十几年间，已经开发了各种各样的氧气应用技术，且成功地应用于许多工业生产中。氧
的化学性质非常活泼，很容易与其他物质化合而成氧化物，在氧化反应中会产生热量，因
此氧可以助燃。随着氧气浓度的提高，氧气反应将加剧，利用这一性质，可以强化生产工
艺。
冶金工业消耗大量氧气，富氧炼铁、富氧炼钢、炼铅、炼钨、炼锌等在发达国家已被
广泛采用。
在炼钢过程中吹以高纯度的氧气，氧便和碳及磷、硫、硅等起氧化反应。这不单降低
了钢的含碳量，还有利于清除磷、硫、硅等杂质。而且，氧化过程中产生的热量足以维持
炼钢过程所需的温度。因此，吹氧不但缩短了冶炼的时间，同时提高了钢的质量。
工艺用氧中，纯氧顶吹转炉用氧纯度要求在99.5%以上。因为氧纯度降低，将增加钢中
的含氮量，影响钢的质量。平炉用氧在炉头吹氧的作用是增加空气中的氧浓度，提高燃料
燃烧温度。它对氧纯度无严格要求，供氧压力为６～８公斤／厘米２，用氧量为３０标立
方米／吨钢左右。炉门吹氧是从炉门插入吹氧管向熔池吹氧，用氧条件无严格要求，用氧
量５～２０标立方米／吨钢。炉顶吹氧是从炉顶插入氧枪向熔池吹氧，氧纯度要求不小于
９３％，用氧压力８～１０公斤／厘米２，吹氧量１５～３０标立方米／吨钢。平炉用氧
对供氧连续性的要求不像顶吹转炉那麽严格，只是影响冶炼时间。
电炉炼钢原有工艺用氧，要求氧纯度大于９８％，含水量低于３克／标立方米，用氧
压力在５～１０公斤／厘米２，耗氧量对普通钢为１０～１５标立方米／吨钢，合金钢为
２０～３０标立方米／吨钢。而现今，发展短流程电炉钢已成为趋势，用氧量一般为３０
～４０标立方米／吨钢，氧气质量要求降低，逐步推广现场PSA制氧装置已成为潮流。
对高炉炼铁，提高鼓风中的氧浓度可以降焦比，提高产量。根据经验，每增加１％Ｏ
２，焦比降低１％，产量提高３～４％。高炉富氧鼓风一般要求氧浓度为２４～２５％Ｏ
２，因此对氧纯度并无要求。如果氧气加在鼓风机後，要求氧压略高于鼓风压力即可。由
于高炉的鼓风量很大，因此氧气消耗量不小。例如，对１５００Ｍ３的高炉，空气增浓到
２４.５％Ｏ２，每小时就需消耗１００００标立方纯氧。现高炉开发了氧煤直接燃烧工
艺，用90%或98%的氧去直接烧煤，消除了把氧加入鼓风这种老办法的附带缺点，即氧的鼓
风漏损和高温富氧条件下热风炉阀门的讯速腐蚀，使氧的应用更为合理。
对于其他工业窑炉，由于富氧显著的助燃功能，若能增加氧含量４～５％，火焰温度
便可以升高２００～３００℃。鉴于这一点，国外已纷纷启用富氧助燃技术。日本政府已
决定，从１９９０年起，工业用大、中型锅炉，船舶动力装置的锅炉以及取暖锅炉都不得
用普通空气燃烧，而要用富氧空气。目前，采用富氧熔炼金属，加热助燃已成为国际节能
的热点之一。
在合成氨工业中富氧块煤连续气化，简化了操作，减少了系统阻力，提高单炉生产能
力２.５倍左右，同时降低了能耗，吨氨节约原料煤２２５ＫＧ（以标煤计）。蒸汽完全自
给，且还能输送蒸汽１９６ＫＧ／吨氨，造气系统综合能好可以降低约５×１０ＫＪ／吨
氨，煤种和粒度的适应性强。化工工艺中对氧气纯度的要求通常取决于生产何种化工产
品，以及在化工生产流程中采用何中气体净化技术，更取决于经济分析。例如，生产合成
氨采用液氮洗净化时，可以采用９２％和９８.５％纯度的氧气。
在造纸行业中，氧气萃取漂白（Ｅ+Ｆ）和中等浓度氧气脱木工艺（ＭＣＯＤ）正在备
用来降低化学成本，同时用来减少氯化有机物和生物氧用量，以及废液中的染料。与全氯
或氯基生产相比较，氧气漂白及脱木是一种更为节能的一种工艺。由于纸浆是一种连续的
需要稳定供氧的工艺，根据其氧气的需求量，通常采用变压吸附作为理想的供气方式。
富氧还被广泛应用于医疗保健。在医院原本一直采用钢瓶供氧，而今先进的集中供氧系统
已被广泛采用。集中供氧系统采用集中供气（一般是液氧或钢瓶气），使PSA制氧在医院的
应用成为现实。由于PSA制氧机的方便性和经济性，很多医院已经接受。
氧气的制取
空气中的氧氮等分别以单独的分子状态存在。分子是保持它原有性质的最小颗粒，且
数目多并不停地作无规则运动，因此氧、氮分子是均匀地相互搀混在一起，要将它们分离
需要采取一定的措施，目前主要有两种方法：
１、深冷空气分离法
深冷法是先将空气压缩，再膨胀降温，冷却後液化。然後利用氧氮的沸点温度不同
（在大气压下氧的沸点为－１８２.９８℃，氮的沸点为－１９５.８℃），在一定的设
备—-精馏塔内，通过温度较高的蒸气和温度较低的液体的相互接触，蒸气中有较多的氧被
冷凝，液体中有较多的氮被蒸发，通过多次接触，以实现把空气分离为氧、氮的目
的。
２、变压吸附制氧技术
性能良好的吸附剂是实现ＰＳＡ分离的前提和条件。吸附剂是一种多孔结构的固体颗
粒，因此高孔隙率和高比表面积是它的重要特征。此外，吸附剂还具有选择吸附性能，即
对混合气体的各组分有不同的吸附容量。
在物理吸附过程中，改变压力或改变温度都可以改变吸附的动吸附容量。对于等温条
件下的气体混合物，吸附剂对被吸附组分的吸附量，因其分压升高而增加，其分压下降而
减少。这样，吸附剂在高压下吸附，达到吸附平衡後，再降压解吸，释放出被吸附的气体
组分，吸附剂被再生。这就是变压吸附过程。
变压吸附制氧就是将空气通过分子筛（通常为泡沸石），利用氧、氮分子的直径差差
异来分离氧、氮以制取氧。这种吸附法为平衡型吸附，也有利用速度不一样来进行分离的
速度型吸附。这种吸附制氧法必需有多塔切换流程（压力升高时吸附，压力降低时解
吸），可以实现全自动控制。
３、VPSA与深冷法的比较
深冷法空气分离制氧以有近百年的历史，工艺流程不断改进，现代化生产装置使用了
分子筛纯化、高效透平、填料塔、内增压等流程和工艺，能耗和基建费用有所降低。PSA制
氧装置是近２０多年中发展起来并被市场广泛接受的技术，VPSA技术开发时间更短。
VPSA与深冷法比较各有特点：
ａ、流程比较
VPSA制氧装置流程简单，设备数量少，主要设备仅鼓风机、吸附塔、储气罐、真空泵
和一些阀门，而深冷制氧机流程复杂，主要设备包括空压机、过滤器、膨胀机、精馏塔、
净化装置、一组换热器等许多装置。
ｂ、基建费用
VPSA装置设备数量少，基建费用少，对厂房要求也不高。深冷制氧机装置设备复杂，
安装要求高且周期长，基建投资高，其保冷箱和保冷材料（珠光砂）就需要大量资金。
ｃ、运行控制
VPSA装置能自动无负荷的运转，且停车１２小时内，吸附塔内气氛稳定，重新开车後
几分种就能出产品。简单的起动及停车能避开用电高峰运行，降低生产成本。而深冷法分
离装置的操作就比较复杂，不是简单的起动、停车。
ｄ、维修费用
VPSA装置本身很简单，运转机器的数量少，近似常温常压下操作，维修保养工作量
少，费用低。而深冷装置在低温下运行，运转机器较复杂，所以维修费用及保养时间均比
VPSA装置多。
ｅ、产品用途
VPSA法与深冷法比较，其产品气单一，氧气纯度低。而深冷法可以同时生产出高纯度的
氧、氮产品，所需气量越大，经济性越好，而且深冷法产品便于经济地储存和运输。但两
者的取舍完全取决于工艺要求及投资策略。
VPSA能耗计算
制氧机的产品是氧气，消耗的是电能。为了衡量制氧机的经济性，用生产每１ＮＭ３
氧气需消耗多少度电来表示制氧机的能耗。
决定其能耗的一个重要因素是流程压力，即它的能耗与流程压力的对数成正比。目
前，大型的空分装置通常采用全低压流程，即带有透平膨胀机的卡皮查循环的空分流程，
而小型空分设备则采用带膨胀的中压流程。
表１ 深冷流程压力能耗表
|
流程压力 |
流程名称 |
压力范围Mpa |
能耗Kwh/Nm3O2 |
|
高压 |
林德型 |
6-10 |
1.5-1.7 |
|
中压 |
克劳特型 |
1.2-2.5 |
0.9-1.3 |
|
高低压 |
林德-弗兰型 |
15;0.6 |
0.6-0.9 |
|
低压 |
卡皮查型 |
0.456 |
0.45-0.7 |
目前国内深冷现状是，小机组能耗高，大机祖闲置或放空，设备综合利用率低。大多
数上马的空分设备为配套设备，主导产品多为一种气体，如果只需要氧的话，则氮气就是
多余产品，国内做法大多为放空，浪费严重。
初期的变压吸附制氧装置大多为正压变压吸附，即高压吸附，常压解吸，能耗很高约
为０.７ＫＷＨ／ＮＭ３Ｏ２。随着分子筛技术的发展，流程更为合理，国内现已开始广泛
采用真空变压吸附，即稍高常压吸附，真空解吸，使能耗大为降低。
真空变压吸附（VPSA）制氧流程能耗主要有两部分，及鼓风机鼓风和真空泵解吸。
鼓风机能耗取决于工艺流程的需要进气量，依据进气量选定鼓风机型号，则鼓风机能耗：
N 轴功率 Kw
ηe 传动效率
Q 产品气量 Nm3O2/h
|
真空泵能耗取决于解吸所需抽取的气量及解吸真空度。不同的解吸时间，真空泵的瞬时抽气量和功率不同，则某一微量时间段内真空泵能耗：
真空泵能耗：
式中： Q(t) t 时刻真空泵抽气量 m3/h
N(t) t时刻真空泵能耗 Kw
T 解吸时间 s
用ＫＷＨ／ＮＭ３Ｏ２作单位表示，则真空泵能耗为：
式中： t1 流程循环时间 s
Q 产品气量 Nm3O2/h
则VPSA流程总能耗为：
国内VPSA流程，采用先进流程，能耗已达到０.４２ＫＷＨ／ＮＭ３Ｏ２水平。
VPSA氧气成本计算
工艺需氧可以通过几种方式满足，购买氧气或制氧机现场供气。对于大气量用户如果
不是制氧机现场供气，就是使用液氧贮槽通过汽化器进行供气。VPSA制氧和市场购买氧气
成本差异很大，而与深冷制氧相比，其投资小，能耗小，成本也低。
VPSA制氧机可实现全自动控制，其产品氧气成本主要为电耗和设备投资。
现以１０００ＮＭ３Ｏ２／Ｈ VPSA制氧机为例，进行成本和预期利润率计算。
表2 氧气成本计算：
|
A |
单位产气电耗 |
0.45
|
KWH/Nm3O2
|
|
B |
辅助设备能耗=A×0.1（包括水冷） |
0.045
|
KWH/Nm3O2
|
|
C |
电价 |
0.5
|
RMB/KWH
|
|
可变成本：VC=C×(A+B) |
0.2475
|
RMB/Nm3O2
|
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D |
总投资 |
|
|
|
设备投资 |
8,000,000
|
RMB
|
|
共用工程 |
500,000
|
RMB
|
|
总计 |
8,500,000
|
RMB
|
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E |
氧气年产量：=1000Nm3/H×24H×350天
|
8,400,000
|
Nm3
|
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F |
10年后设备折旧=D×10%
|
850,000
|
RMB
|
|
G |
设备折旧（年）=(D-F)/10
|
765,000
|
RMB
|
|
H |
年息=D×8%×1/2
|
340,000
|
RMB
|
|
I |
年维修费=D×0.025
|
212,500
|
RMB
|
|
固定成本：FC=(G+H+I)/E
|
0.1568
|
RMB
|
|
氧气成本=VC+FC
|
0.4043
|
RMB
|
表3 预期利润率计算：
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J |
氧气市场价格
|
1.5
|
RMB/Nm3O2
|
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K |
每消耗单位氧节省费用=氧气市场价格-氧气生产成本
|
1.0957
|
RMB/Nm3O2
|
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L |
每年节省费用= K×E
|
9,203,880
|
RMB
|
|
M |
投资回收期=D/(L+G)
|
0.853
|
年
|
通过计算可以看出，作为辅助设备的VPSA制氧机，其投资少，见效快，投资回收期短，只
要工艺能满足要求，VPSA制氧机是非常经济的选择。
结语
随着我国市场经济的不断发展和完善，工业企业作为自负盈亏、独立核算的商品生产者和
经营者，不尽需参与市场竞争，而且还要不断地创造价值和使用价值。成本费用是一项综
合反应企业管理质量的重要指标，也是企业进行决策的重要依据。变压吸附制氧机工艺日
趋成熟，能耗也达到了相当水平，其在中小型现场供气领域已逐步取代了深冷装置，和液
氧贮槽供气相比优势更是明显。
参考文献：
[1]张祉佑 石秉三 主编 <<低温技术原理与装置>> 机械工业出版社
[2]李化治 <<制氧技术>> 冶金工业出版社
[3]叶振华 <<化工吸附分离过程>> 中国石化出版社
[4]R.T.杨 <<吸附法气体分离>>王树森等译 化学工业出版社
[5]刘述临 刘应书 苍大强 <<高炉“氧煤”辨析>> <<炼铁>>1998，6
[6]J.Smolarek M.J.Campbell <<Advanced PSA Oxygen Production>>Gas Sepra&Puri 1989 |
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