وضع التطور والابتكار التطبيقي لتقنية توليد الأكسجين بالامتزاز بتغير الضغط

1. مقدمة

على مدى السنوات العشرين الماضية، كان الاقتصاد الصيني في مرحلة تطور مستقر وسريع حيث تم تحديث وابتكار عمليات الإنتاج في صناعات مثل تصنيع الحديد والصلب، وصهر المعادن غير الحديدية، والصناعة الكيميائية، وتوفير الطاقة في الأفران، وحماية البيئة، وصناعة الزجاج والورق بشكل مستمر. أدى تحسين العمليات وتوسيع القدرة الإنتاجية إلى زيادة الطلب على الأكسجين في مختلف المجالات، مما دفع بدوره إلى التقدم التكنولوجي لمصانع الأكسجين الصناعية، ونتيجة لذلك، تم إجراء تحسينات في تقنيات توليد الأكسجين التقليدية بما في ذلك فصل الهواء بالتبريد العميق، وتوليد الأكسجين بالامتزاز بتغير الضغط، وعمليات الفصل بالأغشية، وخاصة تقنية تصنيع الأكسجين بالامتزاز بتغير الضغط التي حققت تقدمًا كبيرًا. بعد تحقيق اختراق في تطوير الممتز الجديد القائم على الليثيوم والممتزات الشعاعية، تم استخدام تقنية تصنيع الأكسجين بالامتزاز بتغير الضغط على نطاق واسع وحظيت بتقدير كبير من قبل المستخدمين النهائيين.

2. التقدم في تقنية توليد الأكسجين بالامتزاز بتغير الضغط

بدأ تطور تقنية توليد الأكسجين PSA في الستينيات من القرن العشرين، وحققت الولايات المتحدة واليابان التصنيع بشكل متتالٍ في أوائل الثمانينيات. في أوائل التسعينيات، طورت شركة براكسير مادة ممتزة جزيئية من الليثيوم لتوليد الأكسجين وعملية توليد الأكسجين بالامتزاز بتغير ضغط الفراغ بناءً على خصائص المادة الممتزة. تجاوزت أقصى سعة لوحدة الامتزاز بتغير الضغط المزدوجة 3000 نيوتن متر مكعب³/ساعة، وانخفض استهلاك الطاقة إلى 0.35 كيلوواط ساعي/م³³، مما أدى إلى النمو السريع لتقنية إنتاج الأكسجين بالامتزاز بتغير الضغط ووضع أساس متين لتطبيقها على نطاق واسع.

في السنوات الأخيرة، مع تطور المحركات المغناطيسية الدائمة وتحسين عملية توليد الأكسجين، انخفض أدنى استهلاك للطاقة لمحطة الأكسجين بالامتزاز بتغير الضغط إلى أقل من 0.3 كيلوواط ساعي/م³³ بينما تجاوزت أقصى سعة للوحدة ذات الممتز المزدوج 6000 نيوتن متر مكعب³/ساعة. أدى انخفاض التكلفة وزيادة حجم الأكسجين المنتج لمعدات الأكسجين بالامتزاز بتغير الضغط إلى تعزيز توسع تطبيق عملية توليد الأكسجين بالامتزاز بتغير الضغط.

بدأت الصين دراسة تقنية توليد الأكسجين بالامتزاز بتغير الضغط في أواخر الثمانينيات، ولم يتوفر معدات صناعية صغيرة حتى أوائل التسعينيات. استخدم نظام الأكسجين بالامتزاز بتغير الضغط الأولي مادة ممتزة جزيئية من الكالسيوم أ، ووصلت السعة القصوى إلى 1000 نيوتن متر مكعب³/ساعة في أواخر التسعينيات من 20 نيوتن متر مكعب³/ساعة، و50 نيوتن متر مكعب³/ساعة، و100 نيوتن متر مكعب³/ساعة، وكان استهلاك الطاقة (الأكسجين النقي) أكثر من 0.5 كيلوواط ساعي/م³³. استبدلت العديد من الشركات، خاصة تلك الموجودة في صناعة الحديد والصلب التي تستخدم معدات الأكسجين بالامتزاز بتغير الضغط بناءً على مزاياها من فترة البناء القصيرة والتشغيل المستقر والبدء والإيقاف السريع، بمعدات فصل التبريد العميق بسبب عبء العمل الثقيل والتكلفة العالية لصيانة وحدة الامتزاز بتغير الضغط. باختصار، هناك فجوة واضحة مع المستوى الدولي المتقدم في نفس الفترة لأن معدات الامتزاز بتغير الضغط في ذلك الوقت لم تكن قادرة على تحمل التشغيل الطويل، وأيضًا، كانت صيانتها كثيرة جدًا والقدرة محدودة.

في بداية عام 2000، حققت تقنية توليد الأكسجين بالامتزاز بتغير الضغط تقدمًا سريعًا وانتشرت على نطاق واسع بفضل إنتاج المادة الممتزة الفعالة القائمة على الليثيوم التي تمثلها شركة PKU PIONEER وتصنيع عملية إنتاج الأكسجين بالامتزاز بتغير الضغط باستخدام هذه المادة الممتزة. في الوقت الحاضر، وصلت سعة محطات الامتزاز بتغير الضغط التي بنتها PKU PIONEER إلى 40,000 نيوتن متر مكعب³/ساعة ويقترب استهلاك الطاقة للأكسجين النقي من 0.3 كيلوواط ساعي/م³³.

. مع الحلول مثل الإنتاج المستقر للمواد الممتزة الفعالة القائمة على الليثيوم، والبحث والتطوير للممتزات الشعاعية والصمامات الفراشية ذات القطر الكبير الموثوقة ذات تردد التبديل العالي لبعض القضايا الرئيسية لتقنية توليد الأكسجين بالامتزاز بتغير الضغط، زادت سعة أنظمة الأكسجين بالامتزاز بتغير الضغط في الصين عامًا بعد عام بينما انخفض استهلاك الطاقة تدريجيًا وتحسنت الموثوقية باستمرار. نمت سعة جهاز الأكسجين بالامتزاز بتغير الضغط المزدوج البرج الواحد من أقل من 1000 نيوتن متر مكعب³/ساعة إلى 6000 نيوتن متر مكعب حاليًا³/ساعة، وحتى أكثر من 40,000 نيوتن متر مكعب³/ساعة بعد توصيل أبراج متعددة. في الوقت نفسه، انخفض استهلاك الطاقة لوحدة الأكسجين إلى أقل من 0.32 كيلوواط ساعي/م³³، وارتفع معدل التشغيل السنوي إلى أكثر من 98%. انخفض ضوضاء المنفاخ إلى أقل من 85 ديسيبل (من خلال إجراءات كتم الصوت، يمكن أن يصل الضوضاء على بعد متر واحد خارج الورشة إلى أقل من 70 ديسيبل)، ووصل معدل عدم الفشل للصمامات الفراشية ذات القطر الكبير في الغالب إلى أكثر من 8000 ساعة، وتم إطالة عمر خدمة المنخل الجزيئي إلى أكثر من 5 سنوات. اكتسب المستخدمون النهائيون فهمًا جديدًا لمعدات إنتاج الأكسجين بالامتزاز بتغير الضغط وتوسع تطبيقها. في عام 2018 وحده، تم إنشاء أكثر من 70 وحدة أكسجين بالامتزاز بتغير الضغط تتجاوز 1000 نيوتن متر مكعب³/ساعة في الصين.

بذلت PKU PIONEER جهودًا مستمرة لتغيير اعتماد المناخل الجزيئية للامتزاز بتغير الضغط على الواردات وفي الوقت نفسه، حققت اختراقات في المناخل الجزيئية الليثيوم وغيرها من المنتجات المماثلة، وحققت التطبيق الصناعي لمنتجات المناخل الجزيئية الجديدة هذه.

مع التطور والتحسين الممتازين، شكلت تقنية توليد الأكسجين بالامتزاز بتغير الضغط مزايا فريدة هائلة مقارنة بتقنية التبريد العميق، مما يعزز التطبيق الواسع لتقنية الامتزاز بتغير الضغط في مختلف الصناعات.

3. خصائص تقنية توليد الأكسجين بالامتزاز بتغير الضغط

① استهلاك طاقة منخفض وتكلفة تشغيل منخفضة

في عملية إنتاج الأكسجين، يمثل استهلاك الطاقة أكثر من 90% من إجمالي تكلفة التشغيل. مع التحسين المستمر لتقنية توليد الأكسجين بالامتزاز بتغير الضغط، انخفض استهلاك الطاقة للأكسجين النقي من 0.45 كيلوواط ساعي/م³³ في التسعينيات إلى أقل من 0.32 كيلوواط ساعي/م³³ اليوم، نسبيًا، يظل أدنى استهلاك للطاقة للأكسجين النقي لفاصل الهواء بالتبريد العميق واسع النطاق عند حوالي 0.42 كيلوواط ساعي/م³³، مما يعني أن توليد الأكسجين بالامتزاز بتغير الضغط يتمتع بميزة التكلفة المنخفضة بشكل واضح بشرط ألا يكون لدى العملاء طلب على النيتروجين ولا يتطلبون نقاء وضغط أكسجين عاليين جدًا.

② عملية بسيطة، تشغيل مرن، بدء وإيقاف سريع

مقارنة بفصل الهواء بالتبريد العميق، فإن عملية توليد الأكسجين بالامتزاز بتغير الضغط بضغط تشغيل يتراوح بين -0.05 إلى 0.05 ميجا باسكال أبسط نسبيًا. تتكون معدات الطاقة الرئيسية من منفاخ جذبي ومضخة تفريغ جذرية، وكلاهما بسيط في التشغيل وسهل الصيانة. نظرًا لأن مولد الأكسجين بالامتزاز بتغير الضغط لا يتضمن عملية التبريد والتدفئة عند بدء التشغيل أو الإيقاف، فإنه يحتاج فقط إلى 30 دقيقة للبدء وإنتاج الأكسجين المستهدف، علاوة على ذلك، بعد التوقفات القصيرة، يمكن للنظام الاستمرار في توليد الأكسجين في بضع دقائق فقط، بالإضافة إلى ذلك، والأسهل، يتم الإيقاف فقط عن طريق إيقاف تشغيل معدات الطاقة وبرنامج التحكم. مقارنة بمعدات التبريد العميق، فإن وحدة الأكسجين بالامتزاز بتغير الضغط أكثر ملاءمة للبدء والإيقاف، مما يقلل بشكل كبير من تكلفة تشغيل الجهاز.

③ استثمار منخفض وفترة بناء قصيرة

يتكون مولد الأكسجين بالامتزاز بتغير الضغط بشكل أساسي من نظام الطاقة ونظام الامتزاز ونظام تبديل الصمامات. عدد صغير من المكونات يمكن المستخدمين من توفير التكلفة لمرة واحدة. في الوقت نفسه، تساعد مساحة الأرض الصغيرة أيضًا في تقليل استثمار البناء والأرض. بالإضافة إلى ذلك، يستغرق إكمال تركيب وحداته الرئيسية أقل من 4 أشهر، وفي الظروف العادية، يمكن تحقيق إنتاج الأكسجين في غضون 6 أشهر، وبالتالي فإن فترة التصنيع والتركيب أقصر مقارنة ببناء فاصل الهواء بالتبريد العميق.

④ معدات وصيانة بسيطة

تتمتع مكونات مولد الأكسجين بالامتزاز بتغير الضغط مثل المنافاخ ومضخات التفريغ والصمامات المبرمجة بسلاسل توريد ناضجة للغاية، مما يؤدي إلى سهولة استبدال قطع الغيار الخاصة به ويساهم في تقليل التكلفة والتحكم بسهولة في فترة البناء. علاوة على ذلك، فإن صيانة معدات الامتزاز بتغير الضغط بسيطة مع خدمات ما بعد البيع المريحة. مقارنة بصيانة الضاغط الطارد المركزي واسع النطاق في فواصل الهواء بالتبريد العميق، لا تتطلب محطات الأكسجين بالامتزاز بتغير الضغط استثمار الكثير من أموال الصيانة أو توظيف موظفين محترفين.

⑤ نسبة تخفيض عالية

مقارنة بتقنية الأكسجين السائل بالتبريد العميق، تحقق أنظمة الأكسجين بالامتزاز بتغير الضغط

⑥ سلامة تشغيلية عالية

نظرًا لأن تشغيل مصنع الأكسجين PSA يتم تحت الضغط الجوي العادي ودرجة الحرارة العادية دون وجود أكسجين سائل أو إثراء الأسيتيلين، وما إلى ذلك، فهو أكثر أمانًا من المعدات المبردة التي تعمل عادةً في درجات حرارة منخفضة وضغط مرتفع.

4. التطبيقات الرئيسية لتقنية توليد الأكسجين PSA

مع زيادة سعة وحدات الأكسجين PSA، يتحسن الاعتمادية بينما ينخفض استهلاك الطاقة تدريجيًا، وفي الوقت نفسه، وبفضل المزايا البارزة للتشغيل المرن، وتنظيم الحمل البسيط، وانخفاض استهلاك الطاقة، وقصر فترة البناء، والسلامة العالية، يمكن لتقنية إنتاج الأكسجين PSA بلا شك أن تكون عملية بديلة لفصل الهواء المبرد للصناعات التي تتطلب استخدامًا مرنًا للأكسجين المخصب. وقد استُخدمت عملية توليد الأكسجين PSA مؤخرًا على نطاق واسع أيضًا في صهر الحديد والصلب، والمعادن غير الحديدية، والصناعات الكيماوية، وتوفير الطاقة في الأفران، وأفران الأسمنت الدوارة، وحماية البيئة، وصناعة الزجاج والورق، وغيرها.

① إثراء الأكسجين في الفرن العالي

مع تطور إثراء الأكسجين في الأفران العالية التكنولوجيا، أصبح الفرن العالي أحد المصادر الرئيسية للأكسجين في مصانع الصلب، لذلك يمكن اعتبارها منظمًا لإمداد الأكسجين لمصنع الصلب بأكمله في المرحلة المبكرة من تطبيق إثراء الأكسجين في الفرن العالي - يكون معدل إثراء الأكسجين في الفرن العالي مرتفعًا عندما يكون حجم الأكسجين كبيرًا، ومنخفضًا مع تدفق أكسجين غير كافٍ. نظرًا لأن المؤسسات أصبحت تدرك تدريجيًا أهمية إثراء الأكسجين في الفرن العالي في عمليات تصنيع الحديد، يصبح استقرار معدل الإثراء معلمة حاسمة لعمليات تصنيع الحديد منخفضة التكلفة والفعالة. يتطلب إمداد الأكسجين في مصانع الصلب العديد من الإجراءات، ويتقلب الحمل أسبوعيًا أو حتى يوميًا، في هذه الحالة، إذا تم اعتماد وحدة مبردة ذات تنظيم حمل ضعيف ووقت بدء وإيقاف طويل، يجب تخزين الأكسجين الزائد بعد التسييل للاستخدام لاحقًا أو بيعه كمنتج تجاري إذا كان استهلاك الأكسجين منخفضًا جدًا، مما يؤدي أحيانًا إلى إخلاء الأكسجين. نظرًا لمتطلبات الضغط المنخفض والنقاوة المنخفضة للأكسجين المخصب في الفرن العالي، يمكن للعديد من مؤسسات الحديد والصلب إنشاء مولدات أكسجين PSA بالقرب من الأفران العالية، وبالتالي توفير الأكسجين مباشرة للفرن العالي والعمل كمنظم لإمداد الأكسجين للمصنع بأكمله. عندما يكون هناك فائض أو نقص في الأكسجين، يمكن بدء تشغيل مولد الأكسجين PSA أو إيقاف تشغيله في أي وقت لزيادة أو تقليل الحجم لتوفير أكسجين مستقر للفرن العالي. حاليًا، تتبنى العديد من مؤسسات الحديد والصلب تقنية توليد الأكسجين PSA لتوفير الأكسجين للأفران العالية مع تحقيق تخفيض كبير في تكلفة الأكسجين. أصبح من الإجماع بين معظم شركات الحديد والصلب أن نظام الأكسجين PSA هو مصدر أكسجين مخصب موثوق للأفران العالية.

② صناعة الصلب بالفرن الكهربائي

حوالي 60٪ إلى 70٪ من شركات صناعة الصلب بالفرن الكهربائي في اليابان تستخدم تقنية PSA لإنتاج 93٪ أكسجين لصناعة الصلب. نظريًا، تعتمد صناعة الصلب بالفرن الكهربائي بشكل أساسي على فرن القوس الكهربائي لصهر وصنع الفولاذ، حيث يكون للأكسجين تأثير مساعد فقط، لذلك، يمكن استخدام أكسجين 93٪ المنتج بواسطة مصانع PSA في صناعة الصلب بالفرن الكهربائي. بدأت الشركات في الصين مثل شركة Chizhou Guihang Metal Products Co., Ltd. وشركة Zunyi Changling Special Steel Co., Ltd. وشركة Luzhou Yixin Iron & Steel Co., Ltd. في استخدام مولدات الأكسجين PSA لتوفير الأكسجين لصناعة الصلب بالفرن الكهربائي. وفقًا للملاحظات الفعلية من هذه الشركات، فإن تقنية توليد الأكسجين PSA لا تضر بجودة الفولاذ فحسب، بل يمكنها أيضًا خفض تكلفة إنتاج صناعة الصلب بالفرن الكهربائي بشكل كبير. بعد اعتماد التكنولوجيا، يمكن التحكم في تكلفة وحدة الأكسجين إلى أقل من 0.0447 دولار.

③ المعادن غير الحديدية

في السنوات العشر الماضية، حصلت تقنية توليد الأكسجين PSA على تقدير عالٍ من قبل شركات صهر النحاس والرصاص والزنك. معظم عمليات صهر المعادن غير الحديدية ذات التغيرات الكبيرة في الحمل لا تحتاج تقريبًا إلى النيتروجين وتتطلب عمومًا 24٪ -90٪ أكسجين. نظرًا لخصائص التشغيل البسيط وانخفاض استهلاك الطاقة، فإن تقنية توليد الأكسجين PSA مناسبة تمامًا لصهر المعادن غير الحديدية. الآن اختارت معظم شركات الصهر غير الحديدية في الصين مثل مجموعة Tongling Nonferrous Metals Group ومجموعة Zijin Mining Group وشركة Yunnan Copper Co., Ltd. مصانع الأكسجين PSA كمصادر للأكسجين المخصب. على سبيل المثال، قامت شركة Baotou Huading Copper Development Co., Ltd. ببناء 4 مجموعات من وحدات الأكسجين PSA على التوالي بسبب زيادة إنتاج النحاس وتحسين عمليات صهر النحاس، وبلغت سعة الأكسجين الإجمالية أكثر من 25,000 نيوتن متر مكعب في الساعة.³/ساعة. وبالمثل، قام مصهر Yunnan Chuxiong للنحاس ببناء 3 مجموعات من مصانع الأكسجين PSA على التوالي، بسعة أكسجين إجمالية تبلغ 30,000 نيوتن متر مكعب في الساعة.³إذا تم زيادة نسبة إنتاج الحديد إلى 3%، فإن إجمالي طاقة الحديد تزداد بمقدار 475 طن/يوم. مع الأخذ في الاعتبار 350 يوم عمل في السنة و 700 يوان صيني فائدة إضافية لكل طن حديد، ستكون الفائدة الإجمالية المضافة 116.42 مليون يوان صيني سنويًا.

④ الصناعة الكيماوية

في الوقت الحاضر، تُستخدم عملية التوليد المستمرة المخصبة بالأكسجين لتحسين إنتاج الأكسجين المتقطع السابق في مصانع الأسمدة النيتروجينية الصغيرة والمتوسطة، ويكون مصدر الأكسجين المخصب في الغالب من معدات إنتاج الأكسجين PSA. تقنية التغويز المستمر المخصبة بالأكسجين لها قابلية تطبيق عالية على الفحم، مما يساعد على تحسين القدرة الإنتاجية لجهاز إنتاج الأكسجين. ولها آفاق تطبيق واسعة.

⑤ صناعة الورق

في صناعة الورقيُستخدم الأكسجين بشكل أساسي في قسم تصنيع اللب مثل إزالة اللجنين وتبييض الأكسجين في التبييض بالأكسجين. نظرًا لأن عملية صناعة الورق لا تتطلب نقاوة عالية للأكسجين ولا تحتاج إلى نيتروجين، فإن معظم مصانع الورق تختار حاليًا تقنية PSA لتوليد الأكسجين.

⑥ صناعات أخرى

حاليًا، تُستخدم تقنية توليد الأكسجين PSA أيضًا على نطاق واسع في مجالات أخرى، على سبيل المثال، تصنيع الألياف الزجاجية، والاحتراق المخصب بالأكسجين في الزجاج المسطح، وأفران الأسمنت وحرق النفايات، والتهوية الغنية بالأكسجين ومولد الأوزون في معالجة مياه الصرف الصحي، وما إلى ذلك.

5. رؤية لتطوير تقنية توليد الأكسجين PSA

تقنية إنتاج الأكسجين PSA، وهي تقنية ناشئة حديثًا تطورت بسرعة في السنوات العشرين الماضية، وقد تم التعرف عليها تدريجيًا من قبل العديد من الشركات مع تقدمها التكنولوجي وتوسع حدود تطبيقها. لتقليل استهلاك الطاقة لإنتاج الأكسجين، فإن اتجاه البحث والتطوير المهم هو توسيع مجالات تطبيق أكبر لتقنية إنتاج الأكسجين PSA المستقبلية من خلال تطوير مواد ماصة جديدة ومحاولة الاقتران بعمليات الفصل الغشائي أو المبردة. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي الجمع بين تقنية إنتاج الأكسجين PSA وتقنية الفصل الغشائي إلى الحصول على أكسجين بنسبة 99٪+، والذي يمكن أن يحل محل فصل الهواء بدرجة حرارة منخفضة في المناطق النائية أو في بعض الطلبات المتنقلة. تأمل شركة PKU Pioneer، باعتبارها رائدة طليعية في صناعة توليد الأكسجين، في أخذ زمام المبادرة في التطوير المستقبلي من خلال زيادة الاستثمار الفعال باستمرار وإيلاء أهمية كبيرة للبحث والتطوير لتقنية PSA. نظرًا لأن تقنية توليد الأكسجين PSA تتحسن بشكل متزايد، فمن المؤكد أن لديها مزايا متعددة وإمكانات هائلة للفوز بآفاق تطبيق أكثر إشراقًا في المستقبل.