تطبيق تقنية توليد الأكسجين بتقنية الامتزاز بالضغط المتأرجح الفراغي في تسخين المغرفة

في عام 2020، بلغ إنتاج الصين من الصلب الخام والحديد الغفل والصلب 1,053 مليون طن و887.52 مليون طن و1,324.89 مليون طن على التوالي، بزيادة سنوية قدرها 5.2% و4.3% و7.7%. وشكل إنتاج الصلب الخام 58% من الإنتاج العالمي الإجمالي. من عام 2011 إلى عام 2020، ارتفع إنتاج الصناعات التحويلية والصلب الخام في الصين سنويًا بمتوسط 7.9% و5.1%، مما دعم التنمية عالية الجودة للاقتصاد الصيني. على الرغم من انخفاض استهلاك الطاقة الإجمالي لكل طن من الصلب في الصين من 920 كجم معادل فحم/طن في عام 2000 إلى 567 كجم معادل فحم/طن في عام 2017، إلا أن استهلاك الطاقة في صناعة الصلب لا يزال يمثل 20~25% من استهلاك القطاعات الصناعية و15% من القيمة الإجمالية الوطنية. وتمثل انبعاثات الكربون لصناعة الصلب في الصين 15% من الإجمالي، مما يجعلها أكبر مصدر للكربون بين 31 فئة من الصناعات التحويلية

نظرًا لبروز القضايا البيئية والمناخية العالمية بشكل متزايد في السنوات الأخيرة، فقد شكلت تحديات خطيرة لمؤسسات الصلب والتعدين العالمية فيما يتعلق بالإنتاج الموفر للطاقة والصديق للبيئة. تستكشف العديد من المؤسسات في الصين إجراءات إنتاج جديدة موفرة للطاقة وصديقة للبيئة في سياق "هدف الكربون المزدوج" المتمثل في "ذروة الكربون والحياد الكربوني". تم إجراء عدد كبير من الدراسات النظرية والاختبارات الصناعية حول الاحتراق الغني بالأكسجين والاحتراق بالأكسجين النقيمما أثار الاهتمام بمصادر الأكسجين واقتصاديته للمؤسسات

1. تكنولوجيا توليد الأكسجين VPSA

1.1 وصف العملية

VPSA هي عملية توليد الأكسجين عن طريق الامتزاز بالضغط وامتصاص الفراغ. اعتمادًا على قدرة الامتزاز للمنخل الجزيئي للأكسجين على الغازات المختلفة في الهواء، يتم امتزاز N2 في الهواء عن طريق الضغط لتوليد O2. يتم تجديد المادة المازة بعد امتصاص N2 بالفراغ، مما يحقق إمدادًا مستقرًا بالأكسجين. عندما يمر الهواء المضغوط عبر المادة المازة (المنخل الجزيئي الزيوليت)، يتم التقاط وامتزاز كمية كبيرة من N2 بينما تنفصل جزيئات الأكسجين عن جزيئات النيتروجين. عندما ينخفض الضغط، يتم إطلاق N2 الممتز بواسطة المنخل الجزيئي الزيوليت لتجديد المنخل الجزيئي. في التشغيل العملي، نظرًا لأن سعة الامتزاز للمادة المازة لـ Ar و O2 متساوية بشكل أساسي، فإن نقاء O2 الذي تم جمعه بواسطة عملية VPSA أقل من 95% مع عدم امتزاز Ar و N2 بالكامل

1.2 المخطط التقني

الامتزاز بالضغط المتأرجح الفراغي يتكون من منفاخ، ومضخة تفريغ، وصمامات تحويل، وأبراج امتزاز، وخزانات تخزين. يتم تغذية الهواء المضغوط بواسطة منفاخ الجذور إلى وعاء الامتزاز بعد إزالة جزيئات الغبار بواسطة المرشحات في منطقة المدخل. يتم تحميل الممتزات بالمادة المازة. يتم امتزاز H2O و CO2 وكمية صغيرة من مكونات الغاز الأخرى أولاً ويتم امتزاز N2 بواسطة المنخل الجزيئي للأكسجين، بينما يتدفق O2 (بما في ذلك Ar)، كمكون غير ممتز، من المخرج في قاع الممتزات إلى أوعية التخزين كغاز منتج

عندما تكون المادة المازة مشبعة بالكامل بـ N2، تقوم صمامات التحويل بتنشيط مضخة التفريغ لتفريغ الممتز (في الاتجاه المعاكس للامتزاز) ويتم تنفيس H2O و CO2 و N2 والغازات الأخرى الممتزة إلى الغلاف الجوي لتجديد المادة المازة

لتلخيص ما سبق، يتم إرسال الهواء إلى أوعية الامتزاز الشعاعية تحت الضغط عبر المرشحات قبل المنفاخ، ويعمل الممتزان الشعاعيان بالتناوب لإكمال دورة الامتزاز والامتصاص. يدخل O2 الناتج إلى خزانات التخزين لتثبيت الضغط، مما يشكل إمدادًا خارجيًا مستقرًا ومنخفض الضغط بـ O2

1.3 المزايا التقنية

يعود التطبيق الواسع لتوليد الأكسجين بتقنية VPSA في صناعة التعدين إلى مزاياه التقنية والاقتصادية الفريدة مقارنة بعملية فصل الهواء بالتبريد

(1) عملية بسيطة ومستقرة، عدد أقل من المعدات الداعمة والمتحركة، انخفاض تكاليف التشغيل والصيانة

(2) مجموعة كاملة متكاملة بشكل مستقل، تشغيل وإنتاج مرن، تنظيم حمولة 50~100% للتكيف مع تقلبات الإنتاج، بدء تشغيل وإيقاف سريع لا يتجاوز 30 دقيقة

(3) مساحة أصغر، استثمار أقل. يمكن لمعدل التدفق من 2,000-15,000 نانومتر مكعب³/ساعة تلبية احتياجات العمليات المختلفة بشكل أفضل. في القطاعات الصناعية الصينية، تم تطبيق وحدات الأكسجين VPSA الكبيرة التي تتراوح من 20,000 نانومتر مكعب³/ساعة إلى 50,000 نانومتر مكعب³/ساعة بشكل شائع بالفعل

(4) الأكسجين منخفض الضغط يتوافق بشكل أفضل مع الطلب على الأكسجين منخفض الضغط للاحتراق في معظم مؤسسات التعدين ويوفر استهلاك الطاقة للضواغط المستخدمة للأكسجين عالي الضغط في نفس الوقت

(5) انخفاض تكلفة إنتاج الأكسجين. يمكن توفير الغاز الطبيعي بواسطة تقنيات الاحتراق الغني بالأكسجين أو الاحتراق بالأكسجين النقي لتقليل تكلفة الإنتاج للمؤسسة بشكل فعال. تكلفته التي تبلغ حوالي ￥0.2～0.3/ نانومتر مكعب³ أقل بكثير من تكلفة فصل الهواء بالتبريد التقليدية البالغة ￥0.5/ نانومتر مكعب³.

2. حالة تطبيقية

قامت شركة صلب صينية بإصلاح أنظمة تسخين المغرفة لديها 3 أنظمة (120 طن). تم ترقية احتراق الغاز الطبيعي السابق المدعوم بالهواء إلى احتراق بالأكسجين النقي، أي أن الغاز الطبيعي مدعوم بغاز أكسجين بنسبة 91% يتم توفيره بواسطة وحدة أكسجين VPSA. سعة الأكسجين لنظام توليد الأكسجين VPSA هي 800 نانومتر مكعب³/ساعة بنقاء ≥91% مع الأخذ في الاعتبار الاستخدام المتزامن لـ 3 سخانات مغرفة وتوافر الأكسجين المتبقي في مصنع الصلب

3. التعديلات الرئيسية

(1) تجديد الموقد ونظام الاحتراق

يستخدم الموقد فوهات غاز طبيعي وأكسجين عالية السرعة. يتم اعتماد إمداد أكسجين متدرج، بما في ذلك فوهة غاز طبيعي مركزية، إمداد أكسجين أولي مركزي، وإمداد أكسجين ثانوي لامركزي. يتم تركيب الموقد بشكل متكامل بسعة تسخين 2 ميجاوات، ومعدل تدفق غاز طبيعي اسمي 200 نانومتر مكعب³/ساعة وقيمة حرارية 33,440 كيلوجول/ نانومتر مكعب³.

تم إعادة تشكيل نظام الاحتراق الأصلي عن طريق إزالة المنفاخ الأصلي ونظام الأنابيب لبناء مجموعة جديدة من صمامات التحكم في إمداد الأكسجين تحتوي على صمامات تنظيم التدفق وصمامات إغلاق طارئة لضمان سلامة إمداد الأكسجين

(2) ترقيات التحكم الآلي

تم ترقية نظام التحكم الأصلي لتحقيق التحذير الطارئ، والإغلاق التلقائي أو التسخين بناءً على التحكم في نسبة حجم الغاز الطبيعي والأكسجين

(3) تعديلات أخرى

من خلال تعديل حجم ومتطلبات الحمولة للموقد، تم تجديد هيكل غطاء المغرفة، وآلية الرفع بالونش، والمواد الحرارية داخل غطاء المغرفة، والأذرع الدوارة وفقًا لذلك

4. تحليل التأثير

4.1 توفير الطاقة وتقليل الانبعاثات

متوسط استهلاك الغاز الطبيعي لمغرفة 120 طن قبل التحويل هو 227 نانومتر مكعب³/ساعة. بعد الترقية، انخفض إلى 131.6 نانومتر مكعب³/ساعة، مما يوفر متوسط 95.4 نانومتر مكعب³/ساعة (42%)، و315.84 نيوتن متر³/ساعة من استهلاك O₂ تم توفيرها بالتزامن. بالنظر إلى تكرار استخدام كل معدات تسخين المغرفة بـ 6000 ساعة سنويًا، تم توفير 572,400 نانومتر³ من الغاز الطبيعي سنويًا. علاوة على ذلك، مع الأخذ في الاعتبار القيمة الحرارية للغاز الطبيعي البالغة 33,440 كيلو جول/م³³، يمكن للمستخدم توفير 654.1 طن نفط مكافئ/سنويًا وتقليل 21,124.4 طن/سنويًا من انبعاثات CO، أي 0.3 نانومتر³ من الغاز الطبيعي يمكن توفيره لكل 1 نانومتر³ من O₂ الذي يتم إدخاله إلى سخان المغرفة، ويمكن تقليل 1.96 كجم من انبعاثات CO₂.

4.2 الفوائد الاقتصادية

يتم توفير الغاز الطبيعي عبر خطوط الأنابيب، بمتوسط سعر 3.5 يوان/نانومتر³ للعام بأكمله، بينما يبلغ سعر الأكسجين المورد من محطة VPSA-O₂ 0.4 يوان/نانومتر فقط³ بالنظر إلى تكاليف التشغيل والصيانة والموظفين بالمقارنة. يبلغ نقاء الأكسجين المولد بتقنية VPSA ≥91%. ولحرق الغاز الطبيعي بالكامل، يتم التحكم في محتوى الأكسجين عند حوالي 3%، وتُحفظ نسبة الأكسجين إلى الغاز الطبيعي عند 2.4. لذلك، يبلغ متوسط استهلاك O₂ بعد التعديل 131.6 م³/ساعة × 2.4 = 315.84 م³/ساعة³/ساعة × 2.4 = 315.84 م³/ساعة³إذا 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.

بدون النظر إلى العوامل الأخرى، تكلفة الأكسجين لسخان واحد = 315.84 × 6,000 × 0.4 = 758,016 يوان/سنويًا، الغاز الطبيعي الموفر = 95.4 × 6,000 × 3.5 = 2,003,400 يوان/سنويًا، والفوائد الاقتصادية المباشرة لسخان واحد بعد التجديد = تكلفة الغاز الطبيعي الموفرة - تكلفة الأكسجين = 1,245,000 يوان/سنويًا.

5. الخاتمة

(1) يتمتع إنتاج الأكسجين بتقنية VPSA بمزايا تقنية فريدة مقارنة بعملية التبريد العميق، وهو أكثر تكيفًا مع متطلبات استهلاك الأكسجين المنخفض مع الأحمال المتغيرة في الصناعة المعدنية. يساهم ذلك في تقليل تكاليف ومخاطر الاستثمار، ومساحة البناء، والتشغيل والصيانة، وغيرها، ويساعد المستخدمين على تحسين وتطوير عملية الإنتاج الحالية.

(2) بتكلفة إجمالية لإنتاج الأكسجين بتقنية VPSA تبلغ حوالي 0.4 يوان/نانومتر³، بعد تطبيق الاحتراق بالأكسجين، يوفر 1 نانومتر³ من الأكسجين 0.3 نانومتر³ من الغاز الطبيعي ويخفض حوالي 1.96 كجم من انبعاثات CO₂. بشكل شامل، يمكن توفير تكلفة إنتاج سنوية تبلغ حوالي 1,245,000 يوان، مما يؤدي إلى فوائد اقتصادية وبيئية كبيرة.

(3) حاليًا، نسبة الهواء إلى الغاز في السخان هي 2.4، ويتم قياس محتوى الأكسجين المتبقي في غاز المداخن بحوالي 3%. بالنظر إلى معدل الاحتراق وسرعة انتشار اللهب للاحتراق بالأكسجين المخصب، فإن نسبة الأكسجين إلى الوقود لا تزال لديها إمكانية لمزيد من التحسين.

(4) يحلل المقال الإنتاج المشترك لمعدات الأكسجين VPSA ونظام تسخين المغرفة، وتقنية توليد الأكسجين VPSA تُطبق أيضًا على نطاق واسع في عمليات أخرى مثل الاحتراق بالأكسجين المخصب في الأفران العالية وصناعة الفولاذ في الأفران الكهربائية. من المهم تحسين الكفاءة والأرباح للمستخدمين.