Eine Wirtschaftlichkeitsanalyse einer VPSA-Sauerstoffanlage 6.000 Nm³/h, 100 % für unterstützende sauerstoffangereicherte Verbrennung in Stahlwerken

Vakuum-Druckwechseladsorptionsanlagen werden zur Erzeugung von Sauerstoff mit Reinheiten zwischen 80-94 % eingesetzt. Das technische Prinzip besteht darin, den Sauerstoff aus der Luft unter Nutzung der unterschiedlichen Selektivität von Adsorbentien für Sauerstoff und Stickstoff zu trennen. Anlagen, die diese Art des nichtkryogenen Sauerstofferzeugungsprozesses verwenden, können als VPSA- (Vakuum-Druckwechseladsorption), VSA- (Vakuumwechseladsorption) oder PVSA-Systeme (Druck-Vakuum-Wechseladsorption) bezeichnet werden. Die in diesem Artikel erwähnte Vakuum-Druckwechseladsorptionstechnologie wird alle durch VPSA repräsentiert.

Der Prozess der VPSA-Sauerstofferzeugungstechnologie ist nach jahrzehntelanger Entwicklung relativ ausgereift. Es wurde ein Wandel vom ursprünglichen Axialfluss-Bettadsorber mit calciumhaltigem Adsorbens zum Radialadsorptionsbehälter mit lithiumhaltigem Adsorbens vollzogen. Die maximale Kapazität von Doppelbehälter-Anlagen erreicht heute 6.000 Nm³/h für 100 % Sauerstoffprodukt. Diese Anlagen eignen sich aufgrund ihrer relativ geringen Kosten, hohen Sicherheit, kurzen Bauzeit und einfachen Wartung besonders gut zur Sauerstoffversorgung als unterstützende Ausrüstung von Hochöfen oder Elektroöfen in Eisen- und Stahlwerken. Gleichzeitig bietet die VPSA-Technologie für den Energiesektor mit ihrem einfachen Anfahren und der schnellen Lastanpassung große Vorteile bei der Regulierung des gesamten Sauerstoffbedarfs, der Reduzierung der Sauerstoffabgabe und der weiteren Senkung der Produktionskosten. Zusammenfassend ist die VPSA-Technologie die erste Wahl für Eisen- und Stahlunternehmen zur Sauerstoffergänzung, wenn Stickstoff ausreichend durch kryogene Luftzerlegung bereitgestellt wird.

Im Jahr 2008 schloss die Anshan Baode Iron and Steel Co., Ltd. einen Kaufvertrag über eine VPSA-Sauerstoffanlage (7.500 Nm³/h, 80%) mit der Beijing Peking University Pioneer Technology Co., Ltd. für einen Hochofen zur Eisenherstellung. Die Anlage wurde erfolgreich in Betrieb genommen und arbeitet seitdem stabil. Der Hochofen liefert eine Sauerstoffanreicherungsrate von 2,38%, eine Produktionssteigerung von etwa 8,5%, ein Kohleeinblasverhältnis von 145 kg/Tonne Eisen und eine Reduzierung des Koksverhältnisses um 5%. Im August 2017 und September 2018 wurde eine VPSA-Sauerstoffanlage mit einer Kapazität von 7.500 Nm³/h und einer Reinheit von 80%（6.000 Nm³/h, 100%）wurde nacheinander für den Hochofen bereitgestellt, während die Sauerstoffanreicherungsrate des Hochofens auf 4,38% anstieg und das Koksverhältnis um 10% reduziert wurde, wodurch beeindruckende wirtschaftliche Vorteile erzielt wurden.

In den letzten Jahren hat die VPSA-Sauerstofferzeugungstechnologie in China eine rasche Entwicklung durchlaufen und zeigt folgende offensichtliche Vorteile:

Zunächst einmal halten die Zuverlässigkeit und die lange Lebensdauer der VPSA-Sauerstofferzeugungstechnologie dem Test der Zeit stand. Die VPSA-Sauerstoffanlage, die die Anshan Baode Iron and Steel Co., Ltd. im Jahr 2008 eingesetzt hat, hat bislang nicht an Leistung verloren, und ihr Energieverbrauch ist auf dem ursprünglichen Niveau geblieben.

Zweitens erfordert die VPSA-Sauerstofferzeugungstechnologie nur Stromversorgungsgeräte wie ein Gebläse, eine Vakuumpumpe, einen Elektromotor und pneumatische Ventile, sodass kein zusätzliches Personal erforderlich ist, da die kosteneffizienten Komponenten relativ wartungsfreundlich sind.

Drittens ist eine hohe Sicherheit gewährleistet. Die VPSA-Sauerstoffanlage injiziert angereicherten Sauerstoff vor dem Gebläse ohne Druckbeaufschlagung in den Hochofen. Durch eine relativ großzügige Betriebsumgebung werden versteckte Sicherheitsrisiken vermieden und das Management vereinfacht.

Die beiden VPSA-Sauerstoffgeneratoren von vor etwa zehn Jahren haben, wie aus dem tatsächlichen Betrieb ersichtlich, Konfigurationsanpassungen und andere wesentliche Änderungen erfahren. Die spezifischen Parameter sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Mit seiner mehr als zehnjährigen schnellen Entwicklung hat die VPSA-Sauerstofferzeugungstechnologie erhebliche Verbesserungen in ihrer Konfiguration und ihrem Verfahren erfahren. Gemäß der Analyse der obigen Tabelle zeigt sich die Verfahrensverbesserung wie folgt:

1. Reduzierung der Anzahl rotierender Anlagen

Im Vergleich zu früheren Anlagen gleicher Kapazität enthält sie wesentlich weniger Antriebsgeräte, Elektromotoren und Ventile, was den Wartungsaufwand erheblich reduziert und indirekt auch die Arbeits- und Wartungskosten senkt. Durch die verbesserte Leistung des Adsorptionsmittels wurde die Kapazität pro Tonne um über 20 % erhöht. Zudem wurde der axiale Absorptionsbehälter zu einem Radialströmungsbehälter umgebaut, sodass sich die gesamte innere Raumstruktur grundlegend verändert hat. Die Herstellung von Adsorptionsmittel und Adsorbern hat international Spitzenniveau erreicht, und all diese Optimierungen führen zu einer vereinfachten Konfigurationsauswahl und geringeren Investitionen.

2. Verringerung der Ausfallrate und Erhöhung der Lebensdauer

In der gesamten Anlage ist der normale Betrieb der Ventile eine wichtige Voraussetzung für den kontinuierlichen Systembetrieb, während die Ventile die Hauptkomponenten sind, die leicht ausfallen. Die Kernwartungsarbeit für die 2008 hergestellte VPSA-Sauerstoffanlage lag bei den Ventilen. Im Durchschnitt müssen die Dichtringe etwa einmal pro Jahr ausgetauscht werden. Die Anzahl der Ventile in Sauerstoffanlagen aus dem Jahr 2017 wurde um 30 % reduziert, wobei der Durchmesser vergrößert wurde, was die Gesamtwartung erheblich verringert. Nicht zuletzt wird die Ausfallrate weiter gesenkt. Gleichzeitig verlängerte das verbesserte Material der Dichtringe die Austauschhäufigkeit der Ventile auf durchschnittlich etwa 18 Monate (d. h., obwohl die Laufzeit der Dichtringe verdoppelt wurde, wird der Absorptionszyklus verkürzt und die Schalthäufigkeit erhöht).

3. Senkung des Stromverbrauchs

Der Stromverbrauch ist der wichtigste Indikator zur Bewertung der fortschrittlichen Leistung von VPSA-Sauerstofferzeugern. Durch den Einsatz neuer Adsorptionsmittel und radialer Adsorber wurde der Stromverbrauch um 10 % gesenkt. 1 Nm³ Reinsauerstoff kann etwa 0,04 kWh Strom einsparen, berechnet auf Basis von 6.000 Nm³/h. Bei einer angenommenen jährlichen Betriebsdauer von 8.400 Stunden können erhebliche Kosteneinsparungen von etwa 29 Millionen Dollar erzielt werden.

4. Fernwartung

Die Forderung nach „intelligenter Fertigung“ hat die Integration von Chinas fortschrittlicher Fertigungstechnologie mit der Informatisierung vorangetrieben. Das Remote-Datenanalysesystem Pioneer Cloud Service ist eine neue praktische Funktion, die in die Sauerstoffanlage integriert ist. Die Betriebsdaten werden in Echtzeit über das spezifische System an den Kunden übertragen, dann vergleicht das System diese Daten mit der Standardkurve unter normalen Betriebsbedingungen und präsentiert einen visualisierten Ergebnisbericht. Bei Abweichungen wird sofort ein Alarm ausgelöst, um die Bediener bei der Durchführung von Justierungen und Wartungsarbeiten zu leiten, wodurch die Stabilität weiter erhöht, unbekannte Risiken vermieden und versteckte Probleme so schnell wie möglich beseitigt werden.

5. Sonstiges

Auch bei den Absorptionsbehältern, der Fläche und dem Adsorptionsmittel werden Reduzierungen erzielt. Die Lastanpassung wird einfacher und schneller.

Kurz gesagt, die Vakuum-Druckwechsel-Adsorptions-Sauerstofferzeugungstechnologie hat die Vorteile eines niedrigen Stromverbrauchs, hoher Zuverlässigkeit, einfacher Bedienung und Wartung sowie schneller Lastanpassung. Daher wird ihr Anwendungsbereich erheblich erweitert. Ein umfassender Bezug auf die VPSA-Technologieanwendungen in Stahlwerken verschiedener Länder hilft der chinesischen Stahlindustrie, die Produktionskosten besser zu senken und die Unternehmensgewinne zu verbessern, wodurch die Marktwettbewerbsfähigkeit der Stahlunternehmen gefestigt und gesteigert wird.