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摘 要：随着科学技术的进步，促进了各行业的快速发展，在煤矿、化工行业中，氮气是非常常见的一种惰性气体，制氮装置最初被广泛应用于煤矿井下的防灭火，其原理主要就是利用氮气的惰性。随着制氮装置逐步由煤炭行业向非煤领域的拓展，其应用领域日益扩大。不同行业对制氮装置的氮气浓度要求越来越高，氮气纯度要求达到99.99%，这就迫使企业必须与时俱进，通过研发高纯度制氮装置，对制氮装置运行模式进行优化，来提高产品的性能指标，适应市场的需求。
关键词：制氮装置;运行模式;优化;节能
在石油天然气、工业气体分离中，氮气因为自身的优势有非常广泛的应用。目前，一般的制氮方式主要有深冷分离、变压吸附、膜分离，变压吸附法（简称PSA）制氮技术通常使用两塔并联，在常温下以空气为原料，以碳分子筛（CMS）为吸附剂，N2与02在CMS上的扩散速率和吸附容量不同，02直径较小扩散较快，较多进入分子筛固相，使N2富集于气相中。一段时间后，分子筛对02的吸附达到平衡后，降压，碳分子筛解除对氧的吸附。两塔交替进行加压吸附和减压解吸，从空气中吸附和释放02，从而分离出N2。变压吸附是一项非常有效的气体分离新技术，具有投资小、自动化程度高、操作维护简单、常温运行等优点。
一、制氮装置组成及技术简介
（一）组成部分
DT-495/40变压吸附式碳分子筛制氮装置是以碳分子筛为吸附剂制取氮气。主要由空气净化组件、空气罐，PSA氧氮分离组件、氮气缓冲组件、电控系统五大部分组成。
（1）空气净化组件。空气净化组件的作用顾名思义就是除去压缩空气中的尘埃、水和油，为氧分离组件提供洁净的原料——空气。碳分子筛是变压吸附制氮装置的核心部分，由于空压机排出的压缩空气通常含有油和水，所以必须在压缩空气进入氧氮分离组件之前采用空气净化组件进行除油、除水。空气净化组件一般由汽水分离器、预过滤器、冷冻干燥机、精过滤器、超精过滤器、活性炭除油器、自动排污阀、球阀等组成。
（2）空气罐。空气罐配有安全阀、蝶阀、压力表等，在系统切换时可以保证系统用气平稳，提高进入吸附器的压缩空气品质，延长分子筛的寿命。
（3）PSA氧氮分离组件。PSA制氮工艺，通过可编程序控制气动阀的启闭，完成A，B两塔交替循环加压吸附、减压脱附的过程，使氧氮分离，最终得到所需的氮气。碳分子筛对氧的吸附容量随着压力的增减而不同。在容积一定的条件下，产氮量下降，产氮浓度增加。利用这种特性，采用变压吸附进行氧气、氮气分离，使所产氮气浓度可调。
（4）氮气储罐组件。氮气储罐组件的作用是根据N2缓冲在吸附过程中成品气的压力变化，相应程控阀门的频繁开闭确保整个装置按一定的程序运行，以确保输出氮气的纯度和流量的稳定性。
（二）制氮装置研制技术
（1）阀门控制技术。共设置9个气动阀门，可缩短加压吸附、减压脱附的过程，提高A，B两塔间的交替循环速率。（2）实时压紧技术。在保证系统各项环节稳定运行的情况下，增加了分子筛自动压紧补偿功能，通过液压气缸的实时压紧，可使分子筛始终处于压紧状态。（3）超精度过滤技术。设有四级过滤器，过滤精度可达0.01μm。（4）人机界面。采用触摸屏/工控机，分别对氮气流量、纯度、设备进出口压力、故障信息等参数进行显示，也可实现在线修改设备运行参数。（5）终端显示功能。通过485的通讯方式，将现场采集的信号传送至监控中心，用户实时了解设备的运行情况。
二、制氮装置特点
DT-495/40变压吸附式碳分子制氮装置采用双塔流程，吸附压力设定为0.6 MPa-0.8 MPa，利用氮气冲洗和常压解吸流程，使气流分布更均匀，进气量、回吹量易于准确把握，大约40分钟便可产出合格的氮气。产氮能力以及浓度为：99.995%，40m3/h。与传统产品相比，其产氮方式更经济、高效，同时还具有能耗低、成本低、寿命长等特点。
（一）相关指标
氮气露点：≤-400C;氮气浓度：99.995%;氮气压力：≤0.7MPa;氮气温度：环境温度;环境温度：8℃-40℃;相对湿度：570%（25℃）;大气压力：80kPa-106kPa;安装环境：室内通风良好，防霜冻
（二）节能高效
工艺的改进将所产氮气精度提高到99.995%，在提高产氮速率和节省气源两方面上也有所提高，产氮量达到40m3/h，流量为600Nm3/h-3 000Nm3/h。
三、制氮装置应用情况
（一）煤礦方面的应用
氮气化学性质不活泼，所以在煤矿、油田工业中常被用做的防灭火的介质。按照《煤矿安全规程》要求，氮气浓度一般不小于97%。DT-495/40变压吸附式碳分子筛制氮装置成功研制后，首台便应用于塔山煤矿综放工作面高温、高湿生产条件下防灭火。工作时，将高纯度氮气注入火区内，使火区中氧含量浓度降低到5%以下，这样便可达到灭火和防止瓦斯爆炸的目的。通过两年多的工业性应用检验，高纯度井下移动碳分子筛制氮装置技术性能优、运行稳定可靠，制氮量多，达到了设计要求，保障了塔山煤矿安全高效生产。
（二）其他领域的应用
随着低温化学热处理技术的迅速发展，大型精密齿轮、高性能齿轮的热处理越来越多地应用深层离子渗氮技术，以提高其抗畸变、抗咬合性能。该产品在中国重汽大同齿轮公司热处理车间用于齿轮的渗氮技术，经批量测试，齿轮渗氮后，表面硬度、耐磨性、轮齿的弯曲疲劳强度均大幅提高。经过两年多的应用，产品很好地满足了用户的使用要求。
（四）未来发展前景
高纯度氮气在冶金工业中主要用于退火保护气氛、烧结保护气氛、氮化处理、洗炉等。在金属热处理时氮气可使金属表面光洁;有色金属冶炼时氮气不仅可以提高产品纯度，而且用氮气吹扫钢水，还可降低钢中氢含量，提高钢的强度。利用液氮的低温特性，高纯度的氮气在气相色谱分析、检测中，常被用作载气，保存和使用科学仪器。在食品、医药行业，高纯度的氮气主要应用于食品与医药的包装、保鲜、冷藏输送等。生物和医疗领域中，高纯氮在人体组织和外科手术等方面也得到普遍的应用。
四、结束语
综上所述，现阶段，虽然我国的科学技术有了很大的进步，各行业也实现了飞速的发展，但相比较发达国家还存在一定的差距。目前针对碳分子筛制氮装置纯度不足以满足市场需求的现状，自主研制一种纯度高达99.995%的变压吸附式碳分子筛制氮装置，不仅满足煤矿防灭火的需求，还可应用于食品医药、冶金化工、电子等其它非煤领域，能够有效提高企业的核心竞争力，确保在激烈的市场竞争中有序快速发展。
参考文献
[1]陈顺杭.PSA变压吸附制氮技术与低温法制氮技术比较[J].现代化工.2013（02）.
[2]左正丹.制备高纯度硝酸钠的工艺研究及生产实践[J].广东化工.2018（16）.
[3]吴卫，石绍军.变压吸附分离技术在氮气生产中的应用[J].化工设计通讯.2010（03）.
关键词：制氮装置;运行模式;优化;节能
在石油天然气、工业气体分离中，氮气因为自身的优势有非常广泛的应用。目前，一般的制氮方式主要有深冷分离、变压吸附、膜分离，变压吸附法（简称PSA）制氮技术通常使用两塔并联，在常温下以空气为原料，以碳分子筛（CMS）为吸附剂，N2与02在CMS上的扩散速率和吸附容量不同，02直径较小扩散较快，较多进入分子筛固相，使N2富集于气相中。一段时间后，分子筛对02的吸附达到平衡后，降压，碳分子筛解除对氧的吸附。两塔交替进行加压吸附和减压解吸，从空气中吸附和释放02，从而分离出N2。变压吸附是一项非常有效的气体分离新技术，具有投资小、自动化程度高、操作维护简单、常温运行等优点。
一、制氮装置组成及技术简介
（一）组成部分
DT-495/40变压吸附式碳分子筛制氮装置是以碳分子筛为吸附剂制取氮气。主要由空气净化组件、空气罐，PSA氧氮分离组件、氮气缓冲组件、电控系统五大部分组成。
（1）空气净化组件。空气净化组件的作用顾名思义就是除去压缩空气中的尘埃、水和油，为氧分离组件提供洁净的原料——空气。碳分子筛是变压吸附制氮装置的核心部分，由于空压机排出的压缩空气通常含有油和水，所以必须在压缩空气进入氧氮分离组件之前采用空气净化组件进行除油、除水。空气净化组件一般由汽水分离器、预过滤器、冷冻干燥机、精过滤器、超精过滤器、活性炭除油器、自动排污阀、球阀等组成。
（2）空气罐。空气罐配有安全阀、蝶阀、压力表等，在系统切换时可以保证系统用气平稳，提高进入吸附器的压缩空气品质，延长分子筛的寿命。
（3）PSA氧氮分离组件。PSA制氮工艺，通过可编程序控制气动阀的启闭，完成A，B两塔交替循环加压吸附、减压脱附的过程，使氧氮分离，最终得到所需的氮气。碳分子筛对氧的吸附容量随着压力的增减而不同。在容积一定的条件下，产氮量下降，产氮浓度增加。利用这种特性，采用变压吸附进行氧气、氮气分离，使所产氮气浓度可调。
（4）氮气储罐组件。氮气储罐组件的作用是根据N2缓冲在吸附过程中成品气的压力变化，相应程控阀门的频繁开闭确保整个装置按一定的程序运行，以确保输出氮气的纯度和流量的稳定性。
（二）制氮装置研制技术
（1）阀门控制技术。共设置9个气动阀门，可缩短加压吸附、减压脱附的过程，提高A，B两塔间的交替循环速率。（2）实时压紧技术。在保证系统各项环节稳定运行的情况下，增加了分子筛自动压紧补偿功能，通过液压气缸的实时压紧，可使分子筛始终处于压紧状态。（3）超精度过滤技术。设有四级过滤器，过滤精度可达0.01μm。（4）人机界面。采用触摸屏/工控机，分别对氮气流量、纯度、设备进出口压力、故障信息等参数进行显示，也可实现在线修改设备运行参数。（5）终端显示功能。通过485的通讯方式，将现场采集的信号传送至监控中心，用户实时了解设备的运行情况。
二、制氮装置特点
DT-495/40变压吸附式碳分子制氮装置采用双塔流程，吸附压力设定为0.6 MPa-0.8 MPa，利用氮气冲洗和常压解吸流程，使气流分布更均匀，进气量、回吹量易于准确把握，大约40分钟便可产出合格的氮气。产氮能力以及浓度为：99.995%，40m3/h。与传统产品相比，其产氮方式更经济、高效，同时还具有能耗低、成本低、寿命长等特点。
（一）相关指标
氮气露点：≤-400C;氮气浓度：99.995%;氮气压力：≤0.7MPa;氮气温度：环境温度;环境温度：8℃-40℃;相对湿度：570%（25℃）;大气压力：80kPa-106kPa;安装环境：室内通风良好，防霜冻
（二）节能高效
工艺的改进将所产氮气精度提高到99.995%，在提高产氮速率和节省气源两方面上也有所提高，产氮量达到40m3/h，流量为600Nm3/h-3 000Nm3/h。
三、制氮装置应用情况
（一）煤礦方面的应用
氮气化学性质不活泼，所以在煤矿、油田工业中常被用做的防灭火的介质。按照《煤矿安全规程》要求，氮气浓度一般不小于97%。DT-495/40变压吸附式碳分子筛制氮装置成功研制后，首台便应用于塔山煤矿综放工作面高温、高湿生产条件下防灭火。工作时，将高纯度氮气注入火区内，使火区中氧含量浓度降低到5%以下，这样便可达到灭火和防止瓦斯爆炸的目的。通过两年多的工业性应用检验，高纯度井下移动碳分子筛制氮装置技术性能优、运行稳定可靠，制氮量多，达到了设计要求，保障了塔山煤矿安全高效生产。
（二）其他领域的应用
随着低温化学热处理技术的迅速发展，大型精密齿轮、高性能齿轮的热处理越来越多地应用深层离子渗氮技术，以提高其抗畸变、抗咬合性能。该产品在中国重汽大同齿轮公司热处理车间用于齿轮的渗氮技术，经批量测试，齿轮渗氮后，表面硬度、耐磨性、轮齿的弯曲疲劳强度均大幅提高。经过两年多的应用，产品很好地满足了用户的使用要求。
（四）未来发展前景
高纯度氮气在冶金工业中主要用于退火保护气氛、烧结保护气氛、氮化处理、洗炉等。在金属热处理时氮气可使金属表面光洁;有色金属冶炼时氮气不仅可以提高产品纯度，而且用氮气吹扫钢水，还可降低钢中氢含量，提高钢的强度。利用液氮的低温特性，高纯度的氮气在气相色谱分析、检测中，常被用作载气，保存和使用科学仪器。在食品、医药行业，高纯度的氮气主要应用于食品与医药的包装、保鲜、冷藏输送等。生物和医疗领域中，高纯氮在人体组织和外科手术等方面也得到普遍的应用。
四、结束语
综上所述，现阶段，虽然我国的科学技术有了很大的进步，各行业也实现了飞速的发展，但相比较发达国家还存在一定的差距。目前针对碳分子筛制氮装置纯度不足以满足市场需求的现状，自主研制一种纯度高达99.995%的变压吸附式碳分子筛制氮装置，不仅满足煤矿防灭火的需求，还可应用于食品医药、冶金化工、电子等其它非煤领域，能够有效提高企业的核心竞争力，确保在激烈的市场竞争中有序快速发展。
参考文献
[1]陈顺杭.PSA变压吸附制氮技术与低温法制氮技术比较[J].现代化工.2013（02）.
[2]左正丹.制备高纯度硝酸钠的工艺研究及生产实践[J].广东化工.2018（16）.
[3]吴卫，石绍军.变压吸附分离技术在氮气生产中的应用[J].化工设计通讯.2010（03）.