碳分子筛是20世纪七十年代发展起来的一种新型吸附剂,是一种优良的非极性碳素材料,制氮碳分子筛(Carbon Molecular Sieves,CMS)用于分离空气富集氮气,采用常温低压制氮工艺,比传统的深冷高压制氮工艺具有投资费用少,产氮速度快、氮气成本低等优点。因此,它是工程界的变压吸附(简称P.S.A)空分富氮吸附剂,这种氮气在化学工业、石油天然气工业、电子工业、食品工业、煤炭工业、医药工业、电缆行业、金属热处理、运输及储存等方面广泛应用。
碳分子筛是利用筛分的特性来达到分离氧气、氮气的目的。在分子筛吸附杂质气体时,大孔和中孔只起到通道的作用,将被吸附的分子运送到微孔和亚微孔中,微孔和亚微孔才是真正起吸附作用的容积。如前图所示,碳分子筛内部包含有大量的微孔,这些微孔允许动力学尺寸小的分子快速扩散到孔内,同时限制大直径分子的进入。由于不同尺寸的气体分子相对扩散速率存在差异,气体混合物的组分可以被有效的分离。因此,在制造碳分子筛时,根据分子尺寸的大小,碳分子筛内部微孔分布应在0.28~0.38nm。在该微孔尺寸范围内,氧气可以快速通过微孔孔口扩散到孔内,而氮气却很难通过微孔孔口,从而达到氧、氮分离。微孔孔径大小是碳分子筛分离氧、氮的基础,如果孔径过大,氧气、氮气分子筛都很容易进入微孔中,也起不到分离的作用;而孔径过小,氧气、氮气都不能进入微孔中,也起不到分离的作用。
未来几年,碳分子筛产品将向高指标、高强度、高堆密度方向发展,低指标低档次的产品将会被淘汰,空分设备将趋向小型化,对分子筛行业提出了更高的要求,因此如抓住当前的良好时机,扩大生产,逐步改变国际国内对于中国产碳分子筛低质的认识,迅速抢占国内国际市场,将有可能在两到三年内成为行业排头兵。
国际市场
随着变压吸附技术的不断成熟,制氮机的应用领域越来越宽阔,国际上对碳分子筛的需求也越来越大,欧美等发达国家的需求量每年都稳步增长,近几年发展中国家的需求量更是突飞猛进,每年以成倍的速度增长,保守估计,2013年国际上碳分子筛总需求量在数十万吨以上。
行业发展
根据国际国内的分析,碳分子筛行业呈现以下发展趋势:,随着变压吸附制氮机的使用范围不断扩大,对碳分子筛的需求不断增加,这将进一步促进行业发展,未来几年,这一行业将从一个生僻的行业变得众所周知。其次,随着应用深度的提高,对碳分子筛的产氮量、氮回收率、堆密度、抗压强度等指标的要求越来越高,进一步提高产品性能指标将是这一行业今后发展的大趋势。第三,由于碳分子筛是变压吸附制氮机的主要构成要素,成本占整个设备的70%以上,因此,降低成本将是促进本行业发展的重要条件。今后一个时期,各企业将会在采用新材料新工艺方面不断探索,争取用低成本达到高水平。
在国产碳分子筛以质优的同时,碳分子筛及制氮装置还有很多工作要做。一是积极研制环保型碳分子筛生产工艺,以为碳分子筛企业向大中型规模化企业发展创造基础;二是碳分子筛品牌针对不同的用氮场所的工艺要求,可再细分为以节能型、普氮型及长周期型等;再者,在行业方面,积极探索同行间友好竞争发展模式,如强强联合和资本联合等,以创造国际品牌企业。