船用制氮装置及制氮方法研究

氮气是一种无色无味化学性质很不活泼的气体， 占大气总量的 78. 08% ( 体积分数) ，是空气的主要成 分之一。氮气是一种理想的惰性气体，它作为一种保 护气被广泛应用于工业、海洋工程等各大领域，在船舶领域氮气的应用日趋广泛。船舶行业所用的氮气往往都是通过安装北京中惠普制氮发生装置从空气中直接提取。船用制氮装置主要分为两类，即膜分离制氮装置、PSA 变压 吸附制氮装置。这两种制氮方式各有利弊，介绍了 船舶领域中两种常用的制氮装置及其工作原理，并对其优缺点进行对比研究。

1 船用制氮装置工作原理
1. 1 膜分离制氮装置 膜分离技术利用不同气体透过膜的速度不同这一 特性对空气进行分离。氧气、二氧化碳和水蒸汽等能 迅速透过膜，通过富氧排气口排出到膜组外部，不易透过膜的氮气则在压力作用下，在膜丝内部从一端流向 另一端并被收集，从而在出口端得到氮气。

1. 2 PSA 变压吸附制氮装置
PSA 变压吸附制氮装置根据变压吸附原理，利用 吸附剂在相同压力下对不同组分的吸附能力不同以及 在不同压力下对同一组分的吸附能力不同这一特性进行气体分离。设备一般由 2 个以上吸附塔组成，以实 现连续不间断产气。吸附塔内填充分子筛，分子筛是 变压吸附的核心组件，氮氧分离就是通过分子筛吸附 氧气及其他活泼性小分子而实现的。

2 船用制氮方法对比
2. 1 膜分离制氮装置的特点
优点: 其一，故障率低、性能可靠。相较于 PSA 制 氮装置，膜分离制氮装置结构简单，需要操作的阀门、 仪表等较少，因此膜分离制氮装置的故障率会更低。 其二，排气压力较高。膜组一般采用高分子材料制作 而成，耐压可达 20 bar，产出的氮气压力最高可达 18 bar。其三，压力稳定。膜丝内部是空腔结构，压缩空 气直接通过膜丝，因此只要空压机供气稳定，膜分离制 氮装置产出的氮气就不会有太大的压力波动。其四， 体积小。膜分离制氮装置不需要使用较大体积的压力 容器作为缓冲，因此与 PSA 制氮装置相比较，膜分离 制氮装置最大的优势为体积小、重量轻，这也是膜分离 制氮装置能够在船舶行业应用较为广泛的重要因素。
缺点: 其一，使用寿命短。膜管一般采用的都是高 分子材料( 比如聚酰胺膜) ，且长期在 50℃左右环境中 工作，容易老化，一般正常使用 4 ～ 5 年就需要更换。 其二，维护成本高。膜管对于空气质量要求比较高，若 油污进入膜管将全部报废，因此日常维护保养需要定 期频繁更换空气处理组件。其三，运行成本高。由于 膜分离制氮装置需要将空气温度维持在 50℃ 左右才 能使分离效率最高，因此设备运行时需要电加热器持 续加热，运行功耗会比 PSA 制氮设备高 50% 左右。

2. 2 PSA 制氮装置的特点
优点: 其一，运行成本低。PSA 制氮装置的运行功 耗基本为 0. 2 KW / h ～ 0. 22 KW / h，与膜分离制氮方式 相比，运行功耗较小，运行成本较低。其二，维护成本 低。PSA 制氮装置核心部件是分子筛，对空气质量的 要求比较低，无需频繁更换空气处理组件。其三，使用 寿命长。PSA 制氮设备在正常保养情况下，使用寿命 可以达到 15 年以上。膜分离制氮设备由于使用的是 高分子材料，即使闲置也容易老化，使用寿命普遍在 10 年以下。其四，产品纯度范围宽。PSA 制氮装置产 品纯度范围可以达到 90% ～ 99. 999% 。膜分离制氮 方式一般为 95% ～ 99. 9% ，因此 PSA 制氮装置产品纯 度范围相对较宽。
缺点: 其一，体积大。由于 PSA 制氮装置有缓冲 罐等压力容器，与膜分离制氮装置相比体积稍大。其 二，压力波动大。PSA 制氮装置在均压时不输出产品 气，因此产品气压力波动较大，装置前后需要配备缓冲 罐作为压力缓冲。其三，产氮气速度慢。PSA 制氮装 置需要 20 ～ 30 min 才能达到设定纯度，产氮气速度相 较于膜分离制氮装置要慢。

3 结语
膜分离制氮和 PSA 变压吸附制氮是目前在船舶 行业应用最为广泛的两种制氮方式，因为其各有优缺 点，在船舶领域主要的应用范围也不尽相同。北京中惠普氮气发生器制氮设备由于其体积小、产氮快、压力高等优点，被广 泛应用于气体船以及其他氮气量小、需要高压吹扫等 工艺的船型。PSA 变压吸附制氮设备产量及纯度范围 较宽、功耗低，大流量高纯度时较膜分离能耗有优势， 因此在化学品船、油化船等船舶上应用最为广泛。通 过介绍两种制氮方式的工作原理并对其优缺点进行对 比，希望为船用制氮设备的选取提供一定的参考依据。