VPSA制氧在富氧曝氣上的應用
萬志國 楊海洋
昆山錦程氣體設備有限公司
摘要：本文介紹了變壓吸附制氧（VPSA制氧）的原理和特點，以及VPSA制氧技術在富氧曝氣上的使用情況。例舉了深圳某河流采用了富氧曝氣后，河流的溶解氧的數據變化，結果表明變壓吸附制氧具有經濟性，靈活性及安全性高的特點，是廣大黑臭河流富氧曝氣活性污泥的理想選擇。
關鍵錦工：變壓吸附制氧、VPSA制氧；富氧；曝氣
1.概述
富氧曝氣是VPSA制氧設備的最早應用，普萊克斯公司采用以鋰基分子篩的VPSA設備將氧氣充入本公司的水處理系統。富氧曝氣就是用富度為80%~93%的氧氣代替傳統使用的空氣為微生物提供氧氣。
富氧曝氣和空氣曝氣的比較
曝氣過程中氧的傳輸速率(即溶解氧濃度的變化率)和氧虧值成正比，如式(1)所示。所謂氧虧值是氧飽和濃度和實際達到的溶解氧濃度之差。Dc/dt=KLA/V（Cs-CT) (1)式中KL—氧傳遞系數，h-1 Cs—飽和溶解氧濃度，mg/LCT—實際溶解氧濃度，mg/L，氧虧值為（Cs-CT)在空氣曝氣時氧的分壓為21 kPa，而富氧曝氣時氧壓力可達101 kPa。于是，富氧曝氣時氧飽和濃度是43.74 mg/L(20 ℃),這是空氣曝氣時9.17 mg/L的4.8倍。如果實際要求達到溶解氧濃度5 mg/L,則空氣曝氣時氧虧值是4.17 mg/L,而富氧曝氣時氧虧值高達38.74mg/L。顯然，富氧曝氣時溶解氧的增長速率是空氣曝氣時的38.74/4.17=9.3倍。
富氧曝氣的優點是投資及運行費用低、處理能力強、占地面積小、系統穩定性高。隨著國家對污水處理的政策支持力度加大，作為一種先進污水處理手段的富氧曝氣技術將會越來越受到關注和重視。除了環保科技工作者在研究新技術新流程上加倍努力之外，昆山錦程氣體設備有限公司作為工業氣體設備供應商充分發揮自身的優勢，加快研究和開發適用的富氧曝氣系統和為之配套的制氧裝置，在推動環保技術發展的同時，開拓工業氣體的新市場。
2.氧氣制取的方法
目前工業化制氧技術主要有兩大類:一種工藝是深冷空氣分離制氧,所得的氧氣富度高,但是制氧成本高、投資大,只適用于大規模用氧場合;另一工藝是變壓吸附制氧 (簡稱PSA,VPSA制氧),氧氣富度只有80%~93%,但投資小、能耗低,適用于中小規模不需要高富度氧的場合。我國中石化公司引進富氧曝氣活性污泥工藝處理石化廢水,曝氣用氧采用深冷空氣分離制得。雖然深冷空氣分離制氧成本比較高,電耗大約為0.55~0.60 kW·h/m3, 但石化公司的富氧來自其制氮空分裝置,是副產品,石化公司以其處理污水是經濟的。對于絕大多數的污水處理廠, 如用深冷法制氧特別昂貴。用VPSA制氧卻便宜得多。國內變壓吸附制氧已有多年經驗, 但因所用吸附劑性能差,制氧成本仍很高。近10年來昆山錦程氣體采用上海恒業鋰基分子篩,其吸氮能力和氮氧分離系數比傳統分子篩高得多,利用此吸附劑及德國拜爾傳統工藝開發出新變壓吸附工程技術,使制氧電耗低達0.30kWh/m3, 達國際先進水平。裝置價格比進口設備低約60%,制氧規模可達5000Nm3/h富氧單套,吸附劑一次裝填可使用10年以上，氣動蝶閥300萬次無需更換密封件。目前昆山錦程已在國內及國外有色冶金、化工、高爐富氧、臭氧氧源等行業建成近三百套裝置,運行狀態良好。昆山錦程氣體變壓吸附制氧技術的突破, 為我國推廣富氧曝氣活性污泥工藝進行污水處理創造了有利條件并真正引領了變壓吸附制氧技術潮流。
VPSA制氧系統主要由鼓風機，真空泵，切換閥，吸附器和氧氣緩沖罐組成。原料空氣經入口緩沖罐除塵后，被羅茨風機增壓至0.45Kpa進入其中一吸附塔內，吸附塔內裝填吸附劑，其中水分，二氧化碳，以及其他少量其它其它組分在吸附塔底部的活性氧化鋁所吸附而氧氣為非吸附組分從吸附塔頂部出口作為產品氣排至氧氣緩沖罐。當該吸附塔吸附到一定程度，其中的吸附劑將達到飽和狀態，此時通過閥門切換，首先經過均壓降壓過程將吸附塔壓力將至微負壓，再利用真空泵對之進行抽真空（與吸附方向相反）真空度約為-50Kpa.已吸附的水分，二氧化碳，氮氣及少量其它氣體被抽出排至大氣，吸附劑得到再生。
VPSA的每個吸附塔都交替執行以下步驟：—吸附—解析—沖壓
3.VPSA制氧機在曝氣上的應用
由于富氧的壓力高于空氣中氧的分壓，富氧曝氣可顯著提高氧的轉移速率。昆山錦程氣體協助深圳某公司開發了微氣富氧曝氣技術，將微孔曝氣和富氧曝氣的優點結合起來,采用微孔軟管曝氣，在水深5m處的氧利用率高達80％，該工藝應用于敞開曝氣池。此外，該工藝還廣泛應用于污染河流的曝氣，由于設備簡單可靠、噪聲治理非常好和對流態不形成擾動等優點，尤其適合于具有旅游景觀功能的市區河道的治理。中試時是一條嚴重污染的河道，河水黑臭，COD高達100～200mg/L。由于受周邊居民的影響，河道流態變化復雜。試驗裝置由一個80Nm3/hVPSA制氧機、小型開放式曝氣池組成。軟管的供氣壓力為0.05MPa，氧氣流量在0～80Nm3/h范圍內可調。試驗結果表明，富氧曝氣可有效降低黑臭水體中的COD濃度。在三個月的連續運行中整個VPSA制氧機及曝氣系統的設備運行正常，無需任何維修。由于VPSA制氧降噪措施和對河道水體的流態不會形成任何明顯的擾動和障礙，故工藝尤其適用于非航運、具有旅游景觀功能的河道上進行全自動富氧曝氣。
中試效果非常好，深圳某公司一次性向昆山錦程定購三套大型VPSA制氧設備，三套設備采用模組化設計，動力設備擺放到集裝箱內部，吸附塔和其他靜設備露天布置，本條河流處理完畢后，可移至其他河流。
三套數據如下：第一套產量250M3/h （合同值230M3/h）,富度83%（合同值80%） ，壓力51kpa。第二套制氧設備參數：產量580M3/h（合同值560M3/h）,富度84%（合同值80%）,壓力52kpa，第三套制氧設備參數; 產量710M3/h（合同值680M3/h）,富度82%（合同值80%），壓力53kpa。當河水流速較平緩時，COD濃度降低30%～50%；經過曝氣區的BOD/COD值從0.46降至0.40，這表明在富氧曝氣過程中不僅發生了硫化物、亞鐵等還原物質的化學氧化（表現為水體黑色變淺，臭味減弱），而且發生了一定程度的生物降解作用。同時溶解氧的數據有一定變化，如下圖。由圖可知，連續進水曝氣在0~10min時，溶解氧含量迅速上升，10min之后上升趨勢變慢，在17min之后開始趨于平緩，說明溶解氧在水中達到飽和，飽和值在22mg/L左右。
4.結論
綜上所述，富氧曝氣活性污泥法具有氧轉移率高、剩余污泥量少、污水處理效率高、抗有機物沖擊性能高等特點。制氧技術的發展，制氧成本的降低，為這項技術的推廣應用提供了可能。昆山錦程氣體開發的變壓吸附制氧技術及微氣泡曝氣技術為我國推廣富氧氧曝氣活性污泥工藝進行污水及河道治理創造了條件。
錦程制氧、綠色中國
本實用新型涉及制氧領域，具體地涉及一種變壓吸附制氧用羅茨鼓風機。
背景技術：
羅茨鼓風機廣泛運用于各行各業，它是一種雙轉子壓縮機械，兩轉子由原動機通過一對同步齒輪驅動，作方向相反的等速旋轉，兩轉子的軸線平行，鼓風機進、排氣口不直接相通，轉子與機殼及墻板圍成封閉的內腔，內腔在運轉過程中基本不發生變化，在內腔開啟的瞬間，來自排氣腔的高壓氣體迅速回流，使內腔內的氣體壓力突然升高，由此形成氣體壓縮并產生氣流沖擊噪聲。羅茨鼓風機運行中強度最高、影響最大的正是氣動噪聲，它在風機內形成噪聲聲源并經鼓風機進、出風口向外輻射，嚴重污染環境。
技術實現要素：
為了解決上述現有技術的不足，本實用新型提供一種變壓吸附制氧用羅茨鼓風機。其結構簡單，能夠有效的消除噪音。
具體地，本實用新型提供一種變壓吸附制氧用羅茨鼓風機，包括殼體，所述殼體具有進風口和出風口，所述進風口和所述出風口分別位于所述殼體的上下端，所述進風口與所述殼體的內腔之間設有第一消音單元，所述出風口與所述殼體的內腔之間設有第二消音單元，
所述第一消音單元為圓管狀結構，所述圓管狀結構包括第一圓管以及第二圓管，所述第一圓管套設在所述第二圓管內部，所述第一圓管與所述第二圓管之間形成一空腔，所述空腔內填充有消音材料，所述第一圓管內部設置有一個或多個消音槽，消音槽為一個或多個錐形結構，
所述第二消音單元為長方體凹槽，所述長方體凹槽的內部上包覆有消音層，所述消音層內填充有消音材料，
所述殼體外部設置有手柄、風機組件以及閥門，所述風機組件連接有電機，所述電機驅動所述風機組件的運動，所述電機電連接有控制組件。
優選地，所述消音材料為阻燃隔音面。
優選地，所述進風口為圓形，所述出風口為方形。
優選地，所述長方體凹槽內部設置有多個導流槽。
優選地，所述錐形結構包括第一錐形結構和第二錐形結構，所述第一錐形結構的底面面積和所述第二錐形結構的頂面面積一致。
優選的，所述進風口附近設置有風扇。
與現有技術相比，本實用新型具有以下有益效果：
本實用新型提供一種變壓吸附制氧用羅茨鼓風機。其結構簡單，能夠有效的消除噪音，在使用過程中，風由進風口進入，并依次通過第一消音單元和第二消音單元進行消音后，從鼓風機殼體的出風口吹出。通過設置的消音槽，能夠將聲音消除到最小，從而提高變壓吸附制氧用羅茨鼓風機的使用壽命并減少聲音污染。
附圖說明
圖1為本實用新型的結構示意圖；
圖2為本實用新型的第一消音單元的結構示意圖；
圖3為本實用新型的第三消音單元的結構示意圖；
圖4為本實用新型的長方體凹槽的側壁的結構示意圖。
具體實施方式
以下將參考附圖詳細說明本實用新型的示例性實施例、特征和方面。附圖中相同的附圖標記表示功能相同或相似的元件。盡管在附圖中示出了實施例的各種方面，但是除非特別指出，不必按比例繪制附圖。
具體地，本實用新型提供一種變壓吸附制氧用羅茨鼓風機，如圖1所示，包括殼體1，所述殼體1具有進風口2和出風口3，所述進風口2和所述出風口3分別位于所述殼體的上下端，所述進風口2與所述殼體1的內腔之間設有第一消音單元4，所述出風口3與所述殼體1的內腔之間設有第二消音單元5。進風口2附近設置有進風裝置21。殼體1的一側設置有安裝部11。
如圖2所示，所述第一消音單元4為圓管狀結構，所述圓管狀結構包括第一圓管41以及第二圓管42，所述第一圓管41套設在所述第二圓管內部42，所述第一圓管41與所述第二圓管42之間形成一空腔43，所述空腔內填充有消音材料，所述第一圓41管內部設置有一個或多個消音槽44，消音槽44為錐形結構。
如圖3所示，所述第二消音單元5為長方體凹槽，所述長方體凹槽的內部上包覆有消音層51，所述消音層51內填充有消音材料。
優選地，所述消音材料為阻燃隔音面。
優選地，所述進風口2為圓形，所述出風口3為方形。
優選地，如圖4所示，長方體凹槽的側壁53上設置有多個導流槽52，導流槽的設置用于使風沿導流槽前進，以降低聲音。
優選地，所述錐形結構包括第一錐形結構441和第二錐形結構442，所述第一錐形結構441的底面面積和所述第二錐形結構442的頂面面積一致。
優選的，所述進風口3附近設置有風扇。
在具體實施例中，殼體1具有進風口2和出風口3，所述進風口2和所述出風口3分別位于所述殼體的上下端，所述進風口2與所述殼體1的內腔之間設有第一消音單元4，所述出風口3與所述殼體1的內腔之間設有第二消音單元5。進風口2附近設置有進風裝置21。殼體1的一側設置有安裝部11。
所述第一消音單元4為圓管狀結構，所述圓管狀結構包括第一圓管41以及第二圓管42，所述第一圓管41套設在所述第二圓管內部42，所述第一圓管41與所述第二圓管42之間形成一空腔43，所述空腔內填充有消音材料，所述第一圓41管內部設置有一個或多個消音槽44，消音槽44為錐形結構。錐形結構的數量可以根據需要進行設置。
如圖3所示，所述第二消音單元5為長方體凹槽，所述長方體凹槽的內部上包覆有消音層51，所述消音層51內填充有消音材料。
在使用過程中，風由進風口2進入，并依次通過第一消音單元和第二消音單元進行消音后，從鼓風機殼體的出風口吹出。
本實用新型提供一種變壓吸附制氧用羅茨鼓風機。其結構簡單，能夠有效的消除噪音。
最后應說明的是：以上所述的各實施例僅用于說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或全部技術特征進行等同替換；而這些修改或替換，并不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術方案的范圍。
變壓吸附又稱PSA在制氧較傳統的深冷制氧在許多方面具有獨特的優勢，因此在氧氣純度要求不太高的場合，使用日益廣泛，具有裝置逐步擴大的趨勢，其裝置示意圖見圖1。羅茨風機先將原料空氣送入塔內，塔中分子篩吸附空氣中的氮氣、二氧化碳及水份等，在塔內獲得一定純度的氧氣，吸附劑飽和后切換空氣進入塔B，同時利用真空泵抽氣，使塔A的壓力下降，將氮氣等從分子篩中脫離出來，這樣循環，則可獲得氧氣，氧氣再經過壓縮機的加壓進入兩個緩沖罐，由緩沖罐向用氧單位供氣。變壓吸附裝置中的關鍵動力設備，原料空氣的正壓輸送一般采用羅茨鼓風機，真空解吸過程中廢氣的抽除，通常也采用羅茨真空泵。關于向用戶加壓供氣的壓縮機，以前一般采用螺桿或活塞式壓縮機，但這兩種機器的壓力比較高，適合高壓氣體的輸送，但隨著工藝水平的不斷改進，對于低壓小流量產品的氣體輸送也開始轉向使用羅茨鼓風機，簡稱氧壓羅茨鼓風機，本文針對氧壓羅茨鼓風機的市場、結構特點、設計制造關鍵及使用運行作簡單的說明，進一步推進羅茨鼓風機在制氧行業的應用。
原標題：氧壓羅茨風機在制氧行業的應用
山東錦工有限公司是一家專業生產羅茨鼓風機、 羅茨風機、回轉式鼓風機等機械設備公司，位于有“鐵匠之鄉”之稱的山東省章丘市相公鎮，近年來，錦工致力于新產品的研發，新產品雙油箱羅茨鼓風機、水冷羅茨鼓風機、油驅羅茨鼓風機、低噪音羅茨鼓風機，贏得了市場好評和認可。產品和服務遠銷全國各地及東南亞，深受客戶好評。
變壓吸附又稱PSA在制氧較傳統的深冷制氧在許多方面具有獨特的優勢，因此在氧氣純度要求不太高的場合，使用日益廣泛，具有裝置逐步擴大的趨勢，其裝置示意圖見圖1。羅茨風機先將原料空氣送入塔內，塔中分子篩吸附空氣中的氮氣、二氧化碳及水份等，在塔內獲得一定純度的氧氣，吸附劑飽和后切換空氣進入塔B，同時利用真空泵抽氣，使塔A的壓力下降，將氮氣等從分子篩中脫離出來，這樣循環，則可獲得氧氣，氧氣再經過壓縮機的加壓進入兩個緩沖罐，由緩沖罐向用氧單位供氣。變壓吸附裝置中的關鍵動力設備，原料空氣的正壓輸送一般采用羅茨鼓風機，真空解吸過程中廢氣的抽除，通常也采用羅茨真空泵。關于向用戶加壓供氣的壓縮機，以前一般采用螺桿或活塞式壓縮機，但這兩種機器的壓力比較高，適合高壓氣體的輸送，但隨著工藝水平的不斷改進，對于低壓小流量產品的氣體輸送也開始轉向使用羅茨鼓風機，簡稱氧壓羅茨鼓風機，本文針對氧壓羅茨鼓風機的市場、結構特點、設計制造關鍵及使用運行作簡單的說明，進一步推進羅茨鼓風機在制氧行業的應用。
2 應用范圍
目前，作為50000 t/a的銅廠所需氧氣量為50～75m3/min，壓力29.4～39.2kPa，它與空氣混合后送入冶金爐助燃，從性能來說剛好落在羅茨風機的型譜范圍內，但因輸送的介質為氧氣，它是一種對溫度、油料、火花特別敏感的助燃、易爆性氣體，因此很多廠家一直以來也十分謹慎，使得國內羅茨鼓風機在這一領域的運用受到限制，氧壓機多采用國外進口配套產品。
最近，在北大先鋒及四川天一科技等制氧行業廠家的要求與配合下，我公司首制的第一批共4臺氧壓羅茨鼓風機已完工下線，并成功實現了與PSA裝置的順利對接。
3 設計要點
羅次鼓風機作為輸送氧氣這種特殊介質的機械，保證它的安全性、可靠性則是首要任務，因此從忌溫、忌油、忌火花及忌振等方面入手，在以下幾個方面對羅茨鼓風機作了特殊處理。
3.1 密封結構
首先要保證氧氣能夠密封在機殼與墻板所形成的密封腔內，不會由于軸封泄漏到兩端的油箱內與油接觸，致使在達到一定的溫度、濃度時發生爆炸而釀成事故。為達此目的，選用了合肥通用機械研究所的機械密封結構（見圖2），該結構為非平衡式雙端面機械密封，具有結構簡單、裝配方便、密封可靠等特點，端面配以襯套上的兩組“O”型圈1和2，可以從徑向、軸向兩個方向實現氣體的可靠密封，以保證氣體不外漏，端面配以“O”型圈3和4，可以保證機械密封的密封冷卻液不向內、外泄漏。
考慮到萬一有少量氧氣泄露的特殊情況下，會在墻板間形成的氧氣聚積，將風機墻板改為開式結構，確保漏出的氧氣不產生聚積，能在低濃度下立即向外擴散，從而可減少事故發生。
3.2 潤滑油（脂）與封液
普通的油（脂）在有氧氣的條件下，極易燃燒而產生氣體膨脹爆炸，同時，由于油脂的氧化變質，還會使其失去潤滑功能，因此對于任何有可能與氧氣接觸的油和脂均必須采取特殊處理，選用抗氧化性，阻燃性、潤滑性及穩定性俱佳的特種合成油，一般有合成硅基壓縮機油、氟基硅油兩種，它們均具有優異的熱穩定性和化學穩定性，不易形成殘碳和膠質，可防止由于氣體的稀釋導致的油品粘度下降而引起潤滑不良，以適合氧壓羅茨鼓風機的需要。
如果同時采用潤滑油作為封液，那么勢必會采用循環使用的方式，從而導致油池溫度升高，增加了安全隱患，而且一旦密封失效，產生內漏，將會對系統介質產生嚴重污染，因此經過與廠家協商，決定用軟水作為封液（系統壓力低時可用自來水，系統壓力高時可采用加壓泵加壓），對機封密封端面進行冷卻與潤滑，充分消除了用油作為封液可能存在的隱患。密封材質必須考慮與氧氣的適應性，機封座采用不銹鋼，密封面動環采用硬質合金，靜環采用石墨。既有良好的抗磨性，又有充分的抗氧化性。
3.3 冷卻
為進一步降低油箱內潤滑油的油溫，保證風機軸承與齒輪的可靠運行，減少由于機械故障產生的擦機殼、擦墻板，以避免引起火花，對主、副油箱均采用了水冷結構。，
3.4 油污
機械設備的所有零部件（包括標準件、外購件），無論是在加工過程中，還是在防銹保存過程中均有油污的粘染，通常裝配前的清洗均不能滿足深度除油的要求，根據HG20202-2000《脫脂工程施工及驗收規范》的要求，按以下工藝過程對所有零部件（部件散體）進行脫脂：（1）用香蕉水全面清洗兩遍，后用四氯化碳浸泡（小件）或局部逐漸淋洗抹擦（大件）至材料本色，直至抹布無銹跡、油污為止；（2）油除干凈后，立即用無油的干熱空氣（50～60℃）對各表面進行吹除，以達到深度除油和防銹的作用；（3）管道系統由用戶按標準進行除油處理。
3.5 主機零部件的精度
為避免風機在運行中出現危險，除了零部件加工精度外，機械密封的密封性能也對零部件的精度，特別是幾何精度、形位公差特別敏感，稍有不慎就會密封失效，因此裝配前必須按照圖紙對主機的各零部件進行細致的檢驗，采用選優的辦法選定所需的零件。
同時機殼、葉輪、墻板部位的間隙可適當放大0.05mm左右，以保證風機在運行過程中不出現磕碰。
3.6 裝配
首先要求必須絕對的干凈，包括吊索、抹布等均不能粘油，工作場地做初步除油處理后也需要用干凈的塑料或抹布與零部件隔開。
在機械密封的裝配過程中，軸承不能采用敲擊的方法強行打入，只能采用熱套或用鎖母鎖緊的方法壓入，否則，由于敲擊時產生強烈的振動會使機封的靜環產生跳動且不復位，在動靜環的密封面間也可能產生一個小間隙，最后導致密封失效而返工；同樣在主機裝好后，聯軸器或皮帶輪的裝配也只能采用熱裝的方式裝配到位，不能敲擊，以免震碎機封。
最后在裝配過程中，所有“O”型圈、骨架油封以及所有有墊的地方均可涂上少量的特種潤滑脂，這對密封及潤滑均有好處；同時所有聯接螺栓在裝配前均需粘取少量這種特種油，以免由于除油過凈，在擰緊的過程中由于潤滑程度不夠而將螺絲擰壞。
3.7 試驗
先對機封通水進行密封試驗，通水壓力比系統介質壓力高0.1MPa左右即可，30min后，以每分鐘漏水不超過5滴為合格。
密封合格后，對整機進行氣密封試驗，通入潔凈氮氣，壓力為1.5倍系統壓力，浸水保壓15min，無氣泡外冒為合格。
按JB/T 8941.2-1999《一般用途羅茨鼓風機性能試驗方法》進行性能試驗。
按HG 20202-2000《脫脂工程施工及驗收規范》進行脫脂驗收。
4 實際效果
根據以上工藝方案及技術要求，已成功地為北大先鋒、包頭、杭州項目以及四川天一科技配套了錦工牌JGR-200H、JGR-200AJGR-125A共3種機型4臺氧壓羅茨鼓風機，均已投入正常使用，為這些企業節約了大量的資金，并在售后服務和配件供應上提供了一條更為便捷的渠道，解決了使用單位的后顧之憂，成為國產羅茨鼓風機在制氧行業成功應用的良好范列，為國產羅茨鼓風機開創了一個新的應用領域。
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