变压吸附制氮技术在钎焊领域的应用

吴 雨* 周大鹤 张雪洪

（上海化工研究院有限公司）

随着新技术不断发展，新材料及新结构形式对连接技术提出了更高的要求，因此钎焊技术应用范围越来越广泛。

采用钎焊工艺焊接时，炉内气体的含氧量要求较高，氮气纯度一般需达到99.999 5%（体积分数，下同）以上。如果气体含氧量偏高，则工件焊接氧化现象严重，甚至会导致工件无法使用。因此，必须严格控制炉内气体的含氧量，钎焊工艺中，常规的方法是在炉内充氮气来保护工件[1]。

1 制氮工艺的选择

工业大规模制氮一般采用传统深冷法，即先将空气深冷液化，通过空气中各组分沸点不同，对氧、氮等组分进行精馏、分离、提取。深冷法的主要特点是制氮量大，氮气纯度高，但工艺流程复杂，设备制造、安装、调试、运行及维护成本高，占地面积大，适用于大规模集中制氮的场合，一般不常用于钎焊炉氮气制取。

变压吸附（PSA）制氮技术，具有自动化程度高，工艺流程简单，占地面积小，启动快，操作、维护便捷，运行成本低，投资少等特点[2]，当氮气产量小于4 000 m3/h 时，PSA 制氮技术的经济效益明显优于深冷法制氮。

由于液氮操作、维护便捷，目前在钎焊炉氮气制取中较为常用，但需定期进行添加，且液氮运输要求较高，长期运行成本高。结合某公司钎焊炉工艺，变压吸附制氮与液氮性能参数对比情况可见表1。综合考虑PSA 制氮与液氮工艺的特点及使用成本，最终选择了PSA 制氮工艺。

表1 PSA制氮与液氮性能参数表

2 PSA制氮工作原理及工艺流程

2.1 工作原理

PSA 制氮技术的基本原理如下：采用碳分子筛作为吸附剂，任何一种吸附剂在吸附同一气体时，气体压力越高，吸附剂的吸量就越大。反之，压力越低，则吸附量越小[3]，如图1 所示。

如上所述，当空气压力升高时，碳分子筛将大量吸附氧气、二氧化碳等杂质气体。当压力降至常压时，其对氧气、二氧化碳等杂质气体的吸附量非常小[4]，由此对碳分子筛进行解析。

当氮气纯度要求为99.999 5%时，常规的制氮机难以满足要求，必须对制氮机产出的氮气进行进一步纯化处理。该制氮系统采用碳载纯化的方式，其工作原理如下：以PSA制氮机制取的99.9%氮气为原料气，此时氮气中的主要杂质是水蒸气与氧气。原料气进入碳载纯化器后，氧气在脱氧催化剂的催化作用下与碳发生氧化还原反应生产二氧化碳，经冷却干燥后，得到高纯度的氮气[5]。

图1 变压吸附制氮原理

2.2 工艺流程

2.2.1 PSA变压吸附制氮工艺流程

经空压机压缩，空气压力达到0.8 MPa 后，进入SLAD-30NF 冷干机，除去空气中的大量水分，再经过精密过滤器进一步除尘、除油，进入KCG-3/10 空气缓冲罐稳压，作为PSA 制氮机的原料气。预处理后的空气进入装有分子筛的吸附塔，依次完成吸附、均压、解析、冲洗、充气过程，然后连续产出氮气。PSA 制氮工艺流程可见图2。

图2 PSA制氮工艺流程图

2.2.2 碳载纯化器工艺流程

原料普氮(纯度≥99.9%)先进入预热器(热交换器)，初步提高气体温度，随后进入加热器加热到250～350 ℃，然后进入脱氧器在脱氧催化剂的催化作用下，氮气中的残氧与碳反应生成二氧化碳后返回预热器，与新进料的原料氮气进行热交换，充分利用余热达到节能效果。

氮气经高效水冷却器冷却到常温后，通过精密过滤器和吸附式干燥器处理，除去其中的二氧化碳，再经精密过滤器进一步处理，得到纯度≥99.999 5%的洁净高纯度氮气。

3 制氮系统配置

根据工艺计算，该装置有效消耗压缩空气量为26.8 Nm3/min。设备在选型过程中充分考虑了节约成本、降低能耗及长期运转的可靠性等因素[6]，制氮系统布置情况可见图3。

图3 制氮系统布置图

3.1 冷冻式干燥机

采用杭州山立净化设备股份有限公司的SLAD-30NF 型冷干机，该冷干机为风冷型，可处理的气体量为33 Nm3/min，装机功率为7.5 kW，压缩空气的带压露点为3 ℃。

冷干机的主要部件（如冷媒压缩机等）为进口原件，其性能可靠、运转平稳、能耗小、噪音低、安装方便。采用微电脑程序控制，对冷干机的进气温度、露点温度、冷媒压力等参数进行实时数据采集、分析及处理，同时也可实现远程测量和控制，确保进入吸附塔的空气含水量满足要求。

3.2 高效过滤器

过滤器集螺旋分离、预过滤、精过滤三级过滤为一体，高效除水、除油及除尘，经过处理后的压缩空气，过滤精度达到0.01μm，残油质量含量可小于0.01×10-6。

3.3 PSA变压吸附制氮分离系统

PSA 制氮分离系统主要由2 台填装碳分子筛的吸附塔及1 台氮气缓冲罐组成。碳分子筛选用日本岩谷公司产品，总装填量超过2.85 t。岩谷分子筛具有较高的产氮率及回收率，同时具有机械强度较高、使用寿命长等特点。

PSA 制氮分离系统还包括了1 套气动截止阀，该阀具有启动速度快，切换寿命长等特点。其开启时间仅需0.015 s，切换寿命可达300 万次以上，特别适用于频繁启闭的变压吸附工艺。

PSA 制氮分离系统由可编程的控制器（PLC）控制，并可以修改变压吸附各工艺流程，最大程度满足现场工艺要求。

3.4 碳载纯化装置

该氮气纯化装置是为用户专门设计制造的，能够直接制取高纯度氮气（≥99.999 5%），纯氮的露点≤-70 ℃。该装置具有国内先进水平，碳载纯化装置无须传统的氢气源，仅采用脱氧催化剂即可脱除氧气。该装置运行平稳、性能安全可靠、操作方便、耗能少，且其在碳载纯化装置上增设了2 个预热器(热交换器)，用脱氧器返回的余热对原料普氮进行预热，可较大幅度地降低能源消耗。

4 运行分析

PSA 制氮系统经过试运行结果可见表2。从表2可以看出，除产品压力与设计参数存在一定偏差外，设备其他参数均达到设计要求，但压力依旧能达到钎焊炉对氮气的使用要求。氮气压力低的主要原因是现场用气点距离变压吸附系统较远，氮气在管道输送中压降大于设计值。

表2 变压吸附制氮系统调试参数与设计值对比

4.1 氮气压力、流量与纯度的关系

从现场试运行情况来看，粗氮（制氮机产出氮气）压力、纯度随气体流量变化而变化，气体流量变化主要是由现场需求波动引起的。当压力和流量同时变化时，氮气纯度变化会滞后流量变化1～3 min，总体表现为：当氮气流量升高时，其纯度下降；当氮气流量下降时，其纯度升高[7]。

（1）吸附压力（即空气进入吸附塔时的压力）高时，有利于碳分子筛吸附氧气，压力是影响吸附效果的重要因素。制氮机吸附压力＞0.7 MPa，氮气流量为300 Nm3/h，纯度为99.999 5%时，氮气纯度可在运行1.5 h 之后达到设计要求，且氮气压力满足现场需求。

（2）氮气纯度与产量可根据现场需求来调节。粗氮（即PSA 制氮机产出氮气）产量小时，氮气纯度将升高，反之则会下降。当氮气纯度达到99.9%以上时，氮气的回收率下降显著，单位能耗大。因此，对氮气纯度要求较高时，可以通过提高吸附压力和降低产量来实现。

（3）产品氮气纯度的主要影响因素包括了以下几个方面。

a）原料空气质量

碳分子筛为亲油性，其吸附油后一般条件下是不能再生的，油在分子筛内积累将导致其微孔堵塞，使碳分子筛丧失氧氮分离能力。采用优良的过滤设备且保证良好的空气环境更有利于吸附。

b）吸附塔再生反吹气量

若再生气量小，碳分子筛无法彻底再生，会导致吸附效率降低，氮气纯度下降。若再生气量过大，则会影响产品氮气流量。因此，再生气量必须根据现场实际运行状况进行调节。

c）吸附塔吸附周期

碳分子筛吸附氧可在短时间内达到平衡，适当延长吸附周期，可以降低PSA 制氮机阀门的切换频率，提高装置的稳定性。但吸附周期不宜过长，否则易造成压缩空气穿透吸附床层，使氮气纯度下降。该套装置的单个吸附塔吸附周期为45 s。

d）均压时间

当1 个吸附塔吸附结束后，另1 个塔刚好完成解吸过程，此时1 个塔对另1 个塔进行气流输送，这一过程称为均压。合理选择均压时间可以达到能量回收的目的，均压时间过长会增加运行成本，时间过短则容易造成分子筛粉化。该套装置的均压时间为2 s。

e）碳分子筛的选择

选择性能良好的碳分子筛不仅可以提高氮的回收率，还能提高设备运行可靠性。该套设备采用日本岩谷分子筛，其较好地满足了生产要求。

4.2 杂质气体对钎焊效果的影响

从制氮机的试运行情况来看，虽然氧含量、氮气露点及压力达到设计要求，但产品氮气并不能满足钎焊炉对氮气的使用要求。产品焊件表面发黑，不仅影响美观，而且对工件的换热效果影响很大，甚至导致工件不能使用，而液氮焊接得到的产品不会出现表面发黑的情况，经制氮机和液氮焊接得到的工件对比情况如图4 所示。

图4 焊接工件对比

由图4 可以看出，相比于制氮机焊接得到的工件，液氮焊接得到的工件表面光泽度更好。钎焊炉对氮气的成分要求如表3 所示。

表3 钎焊炉中氮气成分要求（体积分数）

通过对氮气成分进行逐一排查后可知，在超过500 ℃的环境下，母材会与氮气中微量的二氧化碳发生反应：因此必须降低氮气成分中二氧化碳的含量，二氧化碳主要是碳载纯化器中的碳与氮气中的氧气反应生成。降低二氧化碳的含量可以通过以下2 个途径来实现：（1）提高普氮的纯度，从而降低普氮中的氧气含量；（2）提高碳载纯化器干燥塔的吸附能力。

在实际工程中，较大幅度提高普氮纯度主要通过提高吸附压力或增加碳分子筛来实现，综合考虑现场实际情况，选择从提高纯化器干燥塔吸附能力着手。

增强干燥塔吸附能力主要通过以下两种方法实现：（1）缩短干燥塔的运行切换周期，在保证氮气纯度的前提下，增加单位时间干燥塔吸附二氧化碳的量；（2）更换更强的吸附能力的分子筛。

通过对纯化装置干燥塔进行改选，焊接得到的工件产品在外观上基本与液氮产品相似，表面光泽度较高，对工件进行氦检检漏及换热效果试验，该工件质量完全合格。工件产品及与液氮产品对比情况如图5所示。

图5 焊接工件对比

4.3 注意事项

开车前应检查吸附塔各气动阀门，阀门动作应与PLC控制系统指令一致。在向制氮机输送原料气之前，必须先开冷干机，保障原料空气质量，并避免设备长期在低流量下运行导致冷干机停车。在调节流量时应注意观察氮气纯度的变化情况，调节应具有一定的预见性。长期停车后再开，应先排出储罐及管道内的积水。碳载纯化装置运行时必须保证前端PSA 制氮机工况稳定，包括氮气流量及氮气纯度，否则容易引起纯化装置产生波动。

4.4 制氮机运行费用分析

NGN-450D+SGM-300 型制氮机主要为钎焊炉提供氮气保护，防止焊件氧化，该设备投用至今，运行稳定，且能够满足钎焊炉对氮气的要求。与传统液氮相比，变压吸附制氮技术具有较好的经济效益，PSA制氮装置的氮气生产成本仅为0.6 元/m3左右，而液氮工艺的生产成本不低于1.5 元/m3，每年可节约300余万元操作成本，投资成本回收期仅需半年，经济效益显著。

5 结论

PSA 制氮机是投资少、见效快、设备简单、性能可靠的新一代制氮装置，目前国内已有数千套变压吸附制氮设备投入运行。在中小规模装置中，变压吸附制氮技术具有明显的优势，在氮气纯度要求不高、氮气用量波动较大的场合中，其优势更为突出。若能将变压吸附制氮与液氮装置并联运行，将其优势互补，并采用一套自动切换控制系统，可大大节省操作成本，对企业长周期安全运行意义重大。