随着经济和社会的发展,人们对生活用水、工业用水和水环境的要求日益提高,这对给水排水中各类水处理工艺技术提出了更高要求。变压吸附（PSA）制氧工艺因制氧能耗低、开停机快捷、操作难度低、设备投资少等突出优点被广泛应用于给水和排水的各类实际工程中,尤其是消毒杀菌和污染物氧化处理。PSA制氧工艺已成为给水排水中各类水处理工艺的重要技术组成部分,也是水处理领域中新技术、新工艺的开发和应用研究中不可忽视的重要部分,PSA制氧工艺的相关研究成为给水排水领域科技工作者的一个新的研究方向。随着高氧氮分离系数的低硅铝比锂基沸石分子筛（Li LSX）的改进与应用,PSA制氧工艺已成为生产非高纯度氧气（纯度<95%）的最主要生产技术。当前PSA制氧工艺的研究主要集中在制氧分子筛的开发、吸附器结构设计的改进和工艺流程的优化。软件模拟和对小型实验装置的研究成为变压吸附制氧工艺优化研究的重要手段,通过工艺优化可以提高氧气回收率和纯度,并使氧气的生产能耗更低,此外智能化程度更高的自动控制系统也被应用于PSA制氧装置以降低能耗。通过软件模拟和小型实验装置进行PSA制氧工艺的优化研究一般周期相对较短,获取的数据有限,且与大型PSA制氧装置的实际运行有一定偏差。同时当前对大型PSA制氧装置的运行优化研究较少。本文以正在运行的大型变压吸附制氧装置为研究对象,通过Aspen Process Data获取装置一年以上的工艺运行数据,并根据工艺数据计算生产单位体积氧气的电耗。研究了装置运行中主要影响因素与氧气的生产电耗的关系。发现装置进气温度由-5℃升高至35℃过程中,初始制氧电耗先降低后升高,初始制氧电耗与进气温度存在明显的二次关系。进气温度过高或过低均会导致初始制氧电耗升高,使初始制氧电耗最低的进气温度为16.2℃,进气温度相对于16.2℃每升高或降低1℃,氧气的生产电耗增加约7.4463*10-5kwh/Nm3。氧气纯度在短时间内变化时,氧气纯度越高,初始制氧电耗越高,初始制氧电耗与氧气纯度存在线性关系,氧气纯度每升高1%,初始制氧电耗增加约0.0071～0.0074kwh/Nm3。同时,氧气纯度变化相同幅度时,氧气纯度由低向高的变化过程中由于纯度升高导致的初始制氧电耗的增加量大于氧气纯度由高向低的变化过程中由于纯度降低导致的初始制氧电耗的减小量。在进气过滤器的差压变化周期中,进行温度修正和纯度折算后的初始制氧电耗（即修正制氧电耗）与进气过滤器差压的线性关系明显,未进行温度修正和纯度折算时,初始制氧电耗与进气过滤器差压关系不明显,甚至出现与进气阻力增加能耗升高的基本原理相悖的情况,进一步说明进行进气温度修正和纯度折算是合理且必要的,而且能够满足分析计算的需要。进气过滤器的差压每升高1mbar,氧气的生产电耗（即修正制氧电耗）增加约0.0008kwh/Nm3。确定PSA制氧装置运行中其他主要影响因素对氧气的生产电耗的的影响后,采用Design Expert 10.0.4对PSA循环工艺步骤时间对最终制氧电耗的影响进行响应曲面分析。以“鼓风进气”、“进气/产氧”、“提供吹扫”三个工艺步骤的时间为影响因素,以最终制氧电耗和氧气流量为响应值设计中心组合实验,根据设计的实验方案调节装置并进行运行实验,计算不同工艺步骤时间参数条件下的初始制氧电耗,根据之前章节确定的初始制氧电耗与进气温度、氧气纯度和修正制氧电耗与进气过滤器差压的修正关系式,计算得到相同进气温度、产品纯度、进气过滤器差压基准条件下的氧气生产电耗（即最终制氧电耗）。回归得到最终制氧电耗的模型,通过方差分析发现得到的最终制氧电耗的回归模型高度显著（P≤0.0001）,且统计学上有意义,模型失拟不显著,在设计的影响因素取值范围内具有足够的辨别精度,拟合模型的残差分布大致为一条直线,进一步说明模型拟合效果较好,可以用作替代真实实验点进行结果分析。通过二维等高线图和三维响应面图分析,确定所研究的三个运行步骤时间对最终制氧电耗的影响显著程度顺序为:“鼓风进气”时间>“提供吹扫”时间>“进气/产氧”时间。求解使最终制氧电耗最低的最优工艺时间参数,最优工艺步骤时间为:步骤“鼓风进气”时间为7.8s,步骤“进气/产氧”时间为4.0s,步骤“提供吹扫”时间为3.6s。以最优工艺步骤时间参数实际运行装置并计算对应的最终制氧电耗,模型预测值与多次实际运行的最终制氧电耗平均值的相对偏差仅为3.02%,进一步说明最终制氧电耗的回归模型准确性和实用性都较好,此模型除可以用于分析PSA制氧工艺中工艺步骤时间对最终制氧电耗的影响外,还可用于估算不同工艺步骤时间下的最终制氧电耗。与装置初始设计的制氧电耗相比,优化工艺步骤时间后的每标准立方氧气生产电耗下降约5.42%,通过运行优化可以有效降低氧气生产电耗而产生明显的经济效益。文中所采用的分析制氧电耗影响因素和优化装置运行的方法可以实现降低PSA制氧装置氧气生产电耗的目的,能够为变压吸附制氧装置的能耗评估与运行优化提供依据和方法。