Die Entwicklung und Anwendungsinnovationen der chinesischen VPSA- & PSA-Sauerstofferzeugungstechnologie

In den letzten 20 Jahren hat sich Chinas Wirtschaft stetig und schnell entwickelt. Die kontinuierliche Modernisierung und Innovation der Produktionsprozesse der Eisen- und Stahl-, Nichteisenmetallurgie-, Chemie-, Ofen-, Umwelt- und anderer Industrien steigerten die Nachfrage nach Sauerstoff und förderten so die Entwicklung von Sauerstofferzeugungstechnologien wie kryogener Luftzerlegung, VPSA-Sauerstofferzeugung und Membrantrennungstechnologie. Die geringe Reinheit des Produktsauerstoffs begrenzt die Anpassungsfähigkeit des Membrantrennungsprozesses, während der kryogene und der VPSA-Prozess große Fortschritte machten. Nach der Lokalisierung des neuen Lithium-basierten Adsorptionsmittels und dem Durchbruch bei der Entwicklung des radialen Adsorptionsturms wurde der VPSA-Sauerstofferzeugungsprozess in China weit verbreitet und von den Anwendern aktiv anerkannt.

Fortschritt der VPSA- & PSA-Sauerstofferzeugungstechnologie

Die VPSA (Vacuum Pressure Swing Adsorption)-Sauerstofferzeugungstechnologie wurde in den 1960er Jahren entwickelt und in den frühen 1980er Jahren nacheinander in den USA und Japan industrialisiert. In den letzten Jahren, mit der Entwicklung des Permanentmagnetmotors und der Optimierung des Sauerstofferzeugungsprozesses, wurde der niedrigste Stromverbrauch im Ausland auf weniger als 0,3 kWh/m³und die größte Kapazität von Zweiturm-Sauerstoffsystemen hat 6000 Nm³/h überschritten. Die Kosten der VPSA-Sauerstofferzeugung wurden weiter gesenkt, und die Kapazität hat sich von Jahr zu Jahr erhöht.

China begann in den späten 1980er Jahren mit der Erforschung der VPSA-Sauerstofferzeugungstechnologie, und erst in den frühen 1990er Jahren wurde eine kleine, industrialisierte Sauerstoffeinheit verfügbar. Anfang 2000, vertreten durch PKU Pioneer, ermöglichten die Produktion des hocheffizienten Lithium-basierten Adsorptionsmittels und die Industrialisierung des VPSA-Sauerstofferzeugungsprozesses unter Verwendung des Lithium-Adsorptionsmittels schnelle Fortschritte und weite Verbreitung dieser Technologie. Derzeit hat die Durchflussrate von Zweiturm-Sauerstoffeinheiten, die von PKU Pioneer gebaut wurden, 6000 Nm³/h erreicht, und der Stromverbrauch (Reinsauerstoff) nähert sich 0,3 kWh/m³.

In China hat die Kapazität von VPSA-Sauerstoffanlagen jährlich zugenommen, und die Zuverlässigkeit hat sich stetig verbessert, während der Energieverbrauch allmählich gesenkt wurde, da einige Schlüsselprobleme wie die stabile Produktion von hocheffizientem Lithium-basiertem Adsorptionsmittel, die Entwicklung des radialen Adsorbers, zuverlässige Hochfrequenz- und die Entwicklung von Großdurchmesser-Drosselklappen gelöst wurden. Darüber hinaus wurde die Spezifikation von weniger als 1.000 Nm³/h der anfänglichen Einzelsatz-Zweiturm-Sauerstoffanlage auf heute 6.000 Nm³/h angehoben, und die Gesamtkapazität erreicht nach der Parallelschaltung mehrerer Türme mehr als 70.000 Nm³/h, während der spezifische Stromverbrauch auf weniger als 0,32 kWh/m³ gesenkt wurde und mehr als 98% der Sauerstoffanlagen jährlich erfolgreich und reibungslos betrieben wurden. Der Lärm des Gebläses hat die Anforderung von weniger als 85 dB erfüllt und durch Eliminationsmaßnahmen sogar unter 70 dB in 1 m Entfernung außerhalb des Werks. Die Ausfallrate von Großdurchmesser-Drosselklappen hat allgemein mehr als 8.000 h erreicht, und die Lebensdauer des Lithium-Molekularsiebs wurde auf mehr als 5 Jahre verlängert. Die Anwender haben ein neues Verständnis für chinesische VPSA-O2-Geräte gewonnen und deren Anwendung erweitert. Allein im Jahr 2018 wurden mehr als 70 VPSA-Sauerstoffeinheiten mit einer Kapazität von mehr als 1.000 Nm³/h gebaut.

Durch kontinuierliche Bemühungen haben chinesische Unternehmen wie PK

Vorteile der VPSA- & PSA-Sauerstofferzeugungstechnologie

1. Niedriger Energieverbrauch und niedrige Betriebskosten

Der Stromverbrauch macht mehr als 90 % der gesamten Betriebskosten im Sauerstofferzeugungsprozess aus. Mit der kontinuierlichen Optimierung der VPSA- & PSA-Sauerstofftechnologie ist der Reinsauerstoff-Stromverbrauch von 0,45 kW·h/m³ in den 1990er Jahren auf unter 0,32 kW·h/m³ heute gesunken, während der niedrigste Wert großtechnischer kryogener Luftzerlegungsanlagen bei etwa 0,42 kW·h/m³liegt. Im Vergleich zur kryogenen Technologie bietet die VPSA- & PSA-Sauerstofftechnologie unter Arbeitsbedingungen, bei denen der Benutzer keinen Stickstoffbedarf hat und der Sauerstoffprozess keine zu hohen Anforderungen an Sauerstoffreinheit und -druck stellt, offensichtliche wirtschaftliche Vorteile.

2. Einfacher Prozess, flexible Bedienung, einfaches An- und Abfahren

Im Vergleich zur kryogenen Sauerstofferzeugungstechnologie ist der VPSA-Prozess relativ einfach mit vergleichsweise kurzer Bedienung und einfacher Wartung, da die Hauptstromausrüstung aus dem Roots-Gebläse und der Roots-Vakuumpumpe besteht. Da es beim An- und Abfahren keinen Kühl- und Heizprozess gibt, benötigt die VPSA- und PSA-Sauerstoffausrüstung nur 30 Minuten, um von Beginn an qualifizierten Sauerstoff zu erzeugen, und nach einer kurzen Unterbrechung nur wenige Minuten, um wieder zu regenerieren. Das Abfahren ist noch einfacher – einfach die Stromausrüstung und das Steuerprogramm herunterfahren. Daher ist die VPSA- & PSA-Sauerstofferzeugungstechnologie einfacher als der kryogene Prozess, was auch die Betriebskosten für das An- und Abfahren der Sauerstoffanlage erheblich senkt.

3. Niedrigere Investitionen und kurze Bauzeit

Die VPSA-Sauerstoffeinheit besteht hauptsächlich aus einer geringen Anzahl von Komponenten, darunter das Stromversorgungssystem, das Adsorptionssystem und das Ventilschalt system, was die einmalige Investition erheblich sparen kann. Die Sauerstoffeinheit hat eine kleine Stellfläche und kann die Baukosten und die Baulandflächen reduzieren. Auch der Herstellungs- und Verarbeitungszyklus ist kurz; Hauptausrüstungskomponenten können innerhalb von nur 4 Monaten geliefert werden, um unter normalen Umständen innerhalb von 6 Monaten die Sauerstoffproduktionsanforderungen zu erreichen, wodurch die Bauzeit des Sauerstoffsystems im Vergleich zu fast einem Jahr bei kryogenen Luftzerlegungsanlagen deutlich verkürzt wird.

4. Einfache Gerätezusammensetzung und einfache Wartung

Die in VPSA-Sauerstoffanlagen verwendeten Geräte, wie Gebläse, Vakuumpumpen und programmierbare Steuerventile, können alle im Inland hergestellt werden, sodass Ersatzteile bequem ausgetauscht werden können, um Kosten zu senken und die Bauzeit unter Kontrolle zu halten. Mit einfacher Gerätewartung und pünktlichem Kundendienst benötigen Benutzer von VPSA-Sauerstoffanlagen im Vergleich zur Wartung großer Kreiselverdichter, die in kryogenen Luftzerlegern verwendet werden, nicht zu viel Kosten und Fachpersonal.

5. Einfaches Regelverhältnis für die Lastabsenkung

Im Vergleich zur kryogenen Flüssigsauerstofftechnologie kann der VPSA- & PSA-Sauerstofferzeugungsprozess eine schnelle Anpassung der Produkt-O2-Kapazität und -Reinheit bei geringen Schwankungen des Reinsauerstoff-Stromverbrauchs ermöglichen. Im Allgemeinen kann die Kapazität von 30 % bis 100 % und die Reinheit von 70 % bis 95 % eingestellt werden, insbesondere wenn mehrere Sätze von VPSA- & PSA-Sauerstofferzeugern parallel gebaut werden, ist die Lastanpassung noch einfacher.

6. Höhere Betriebssicherheit

Da das VPSA-Sauerstoffsystem bei niedrigem Druck und Raumtemperatur betrieben wird, treten keine Phänomene wie flüssiger Sauerstoff, Acetylenanreicherung usw. auf, was im Vergleich zum Niedertemperatur- und Hochdruckbetrieb im kryogenen Sauerstofferzeugungsprozess zu einer besseren Sicherheit führt.

Die Hauptanwendungsszenarien der VPSA- & PSA-Sauerstofferzeugungstechnologie

Mit der zunehmenden Kapazität und Zuverlässigkeit sowie der allmählichen Reduzierung des Sauerstoff-Stromverbrauchs und den Vorteilen flexibler Bedienung, einfacher Lastanpassung, geringem Stromverbrauch, kurzer Bauzeit und hoher Sicherheit ist die VPSA-Sauerstofferzeugungstechnologie zweifellos zu einer Alternative zur kryogenen Sauerstofferzeugung für Industrien geworden, die Sauerstoff flexibel nutzen müssen, und ihr Anwendungsbereich erweitert sich von Jahr zu Jahr. In den letzten Jahren wurde das VPSA-Sauerstoffproduktionsverfahren häufig in der Eisen- und Stahlindustrie, der Nichteisenmetallurgie, der chemischen Industrie, in Öfen und Brennkammern, im Umweltschutz und in anderen Industrien eingesetzt.

1. Hochofen-Sauerstoffanreicherung

Mit der Entwicklung der Hochofen-Sauerstoffanreicherungstechnologie ist der Hochofen zu einer der Hauptquellen für den Sauerstoffverbrauch in Eisen- und Stahlunternehmen geworden. In der anfänglichen Anwendungsphase der Technologie kann der Hochofen als Regler der Sauerstoffversorgung dienen, wobei die Sauerstoffanreicherungsrate höher ist, wenn der Sauerstoffdurchfluss relativ groß ist, und niedriger im gegenteiligen Fall. Als den Stahlwerken die Bedeutung der Hochofen-Sauerstoffanreicherungstechnologie im Eisenherstellungsprozess klar wurde, ist die stabile Hochofen-Sauerstoffanreicherungsrate zu einem wichtigen Faktor für die kostengünstige und effiziente Eisenherstellung geworden. Aufgrund vieler Sauerstoffversorgungsprozesse in Eisen- und Stahlunternehmen schwankt das Lastverhältnis wöchentlich oder sogar täglich. Angesichts der schwachen Lastanpassung des kryogenen Prozesses und der langen An- und Abfahrzeiten muss überschüssiger Sauerstoff bei niedrigem Sauerstoffverbrauch verflüssigt und für die spätere Verwendung oder den Verkauf gelagert werden, und manchmal kommt es sogar zur Belüftung. Angesichts des niedrigen Drucks und der relativ niedrigeren Sauerstoffreinigungsanforderungen für die Hochofen-Sauerstoffanreicherung können viele Eisen- und Stahlunternehmen VPSA-Sauerstoffeinheiten direkt in der Nähe des Hochofens bauen. Gleichzeitig können VPSA-Sauerstoffeinheiten als Regler jederzeit an- und abfahren, um den Sauerstoff für den Hochofen zu erhöhen oder zu verringern, wenn das Sauerstoffvolumen durch kryogene Luftzerlegung überschüssig oder unzureichend ist. Derzeit haben viele Stahlhersteller nach der Einführung der VPSA-Sauerstofftechnologie für die Sauerstoffversorgung ihre Sauerstoffkosten erheblich gesenkt. Die Verwendung einer VPSA-Sauerstoffeinheit als Sauerstoffanreicherungsquelle für den Hochofen ist in den meisten Eisen- und Stahlunternehmen allgemein anerkannt.

2. E-Stahlherstellung

In der Vergangenheit glaubten die meisten chinesischen Stahlunternehmen, dass die Elektroofen-Stahlherstellung reinen Sauerstoff aus kryogenen Luftzerlegungsanlagen benötigt, während in Japan etwa 60-70 % der Stahlhersteller 93 % Sauerstoff aus VPSA-O2-Systemen für die Stahlherstellung verwenden. Theoretisch basiert die Elektroofen-Stahlherstellung hauptsächlich auf dem Lichtbogenschmelzen, und Sauerstoff spielt nur eine unterstützende Rolle, sodass 93 % Sauerstoff aus der VPSA-Sauerstoffproduktion vollständig für die Elektroofen-Stahlherstellung verwendet werden kann. Bis heute haben chinesische Unternehmen wie Luzhou Yixin Iron & Steel Co., Ltd., Zunyi Changling Special Steel Co., Ltd. und Chizhou Guihang Metal Products Co., Ltd. begonnen, VPSA-Sauerstoffanlagen zur Sauerstoffversorgung für die E-Stahlherstellung einzusetzen. Laut Benutzerfeedback hat die Verwendung des VPSA-Sauerstoffsystems keine negativen Auswirkungen auf die Qualität der Stahlprodukte und kann die Stahlherstellungskosten erheblich senken.

3. Nichteisenmetallurgie

In den letzten 10 Jahren wurde die VPSA-Sauerstofferzeugungstechnologie beim Schmelzen von Kupfer, Blei und Zink hoch anerkannt. Die meisten Nichteisenmetall-Schmelzprozesse erfordern im Allgemeinen Sauerstoff von 24 % bis 90 % mit großen Lastverhältnisschwankungen, und N2 wird von Nichteisenmetall-Schmelzunternehmen kaum benötigt, was die VPSA-Sauerstoffproduktionstechnologie für das Nichteisenmetallschmelzen geeignet macht, mit den Merkmalen einfacherer Bedienung und geringerem Stromverbrauch. Derzeit haben die meisten chinesischen Nichteisenmetallhütten wie Tongling Nonferrous Metals Group Co., Ltd., Zijin Mining Group Co., Ltd. und Yunnan Copper Co., Ltd. VPSA-Sauerstoffanlagen als Quelle der Sauerstoffanreicherung gewählt. Mit der Steigerung der Kupferproduktion und der Verbesserung des Kupferschmelzprozesses hat Baotou Huading Copper Development Co., Ltd. nacheinander 4 Sätze von VPSA-Sauerstoffeinheiten gebaut, und die Gesamtkapazität erreichte über 25.000 Nm³/h. Darüber hinaus hat das Chuxiong Smelting Works in Yunnan mit der Steigerung der Kupferproduktion 3 Sätze von VPSA-Sauerstofferzeugungseinheiten gebaut, und das gesamte Sauerstoffverbrauchsvolumen hat 30.000 Nm³/h.

4. Chemie

Derzeit verwenden einige kleine und mittlere chinesische Stickstoffdüngemittelfabriken kontinuierliche Sauerstoffanreicherungsprozesse, um die ursprüngliche diskontinuierliche Gasproduktion zu verbessern, meist mittels VPSA-Technologie. Auch die sauerstoffreiche kontinuierliche Vergasungstechnologie ist auf Kohle hoch anwendbar, indem sie die Kapazität der Gasproduktionseinheit verbessert. Darüber hinaus entscheiden sich die meisten Papierunternehmen im In- und Ausland für die VPSA-Technologie zur Sauerstofferzeugung. Die VPSA-Sauerstofferzeugungstechnologie wird auch in anderen Bereichen weit verbreitet eingesetzt, wie z. B. sauerstoffangereicherte Verbrennung für Floatglas in der Glasfaserindustrie, Zementöfen und Abfallverbrennung, sauerstoffangereicherte Belüftungsbehandlung von Abwasser und Ozon.

Vision der Entwicklung der VPSA- & PSA-Sauerstofferzeugungstechnologie

Als eine neue Sauerstofferzeugungstechnologie, die sich in den letzten 20 Jahren rasant entwickelt hat, hat die VPSA-Sauerstofferzeugungstechnologie allmählich die Anerkennung vieler Benutzer gewonnen, da sie technologisch kontinuierlich Fortschritte gemacht und ihre Anwendungsfelder erweitert hat. Um den Energieverbrauch zu senken, ist die Entwicklung neuer Adsorptionsmaterialien und der Versuch, mit Membran- oder kryogenen Prozessen zu kooperieren, um durch gegenseitige Ergänzung mehr Anwendungsbereiche zu erschließen, eine wichtige Forschungs- und Entwicklungsrichtung für die VPSA-Sauerstofferzeugungstechnologie in der Zukunft. Beispielsweise kann die Kombination von VPSA- und Membran-Sauerstofftechnologie Sauerstoff >99 % produzieren, was eine Alternative zu kryogenen Luftzerlegungsanlagen in abgelegenen Gebieten oder unter bestimmten Bedingungen, die mobile Ausrüstung erfordern, darstellt. Chinesische Unternehmen, die sich mit der VPSA-Sauerstoffproduktion befassen, wie PKU Pioneer, legen großen Wert auf Forschung und Entwicklung und bemühen sich, durch verstärkte Investitionen in Zukunft führend zu sein. Da die VPSA-O2-Produktionstechnologie zunehmend verbessert wird, wird sie mit verschiedenen Vorteilen und einem enormen Potenzial eine umfangreichere Anwendungsperspektive haben.