Anwendung der Vakuum-Druckwechseladsorptions-Sauerstofferzeugung (VPSA) in der Natriumsilikatindustrie

Derzeit basiert die Produktion von Natriumsilikat (auch bekannt als Wasserglas) in China hauptsächlich auf 2 Methoden:

1.Festphasenmethode: Verwendet Soda und Quarzsand als Rohstoffe, die bei hohen Temperaturen in einem Ofen geschmolzen werden, um festes Natriumsilikat herzustellen.

2. Flüssigphasenmethode: Verwendet Natronlauge und Quarzsand als Rohstoffe, die unter hoher Hitze und Druck in einem Reaktor reagieren, um flüssiges Natriumsilikat herzustellen. Die Flüssigphasenmethode kann jedoch kein Natriumsilikat mit hohem Modul herstellen, weshalb die Festphasenmethode das vorherrschende Verfahren ist.

In China erfolgt die festphasige Natriumsilikat-Produktion hauptsächlich in speicherbeheizten, vollgasbetriebenen Hufeisenflammen-Wannenöfen. Im Jahr 2020 markierte die erfolgreiche Inbetriebnahme des ersten 80 m² Sauerstoff-Brennstoff-Ofens durch ein in Shandong ansässiges Unternehmen, der 200 Tonnen Natriumsilikat pro Tag produziert, den Wandel hin zu einem neuen Modell, bei dem Erdgas als Brennstoff verwendet und sauerstoffangereicherte Verbrennung integriert wird.

Traditionelle Hufeisenflammen-Wannenöfen verwenden hauptsächlich Kohlegas oder Erdgas als Brennstoff. In diesen Systemen wird die Verbrennung durch den in den Ofen geblasenen Luftsauerstoff unterstützt. Allerdings enthält Luft nur 20,95 % Sauerstoff, der Großteil ist Stickstoff, der nicht zur Verbrennung beiträgt. Bei ausschließlicher Verwendung von Luft muss die Ofenkonstruktion den Raum berücksichtigen, der für die N2-Ausdehnung während der Verbrennung benötigt wird. Zusätzlich entzieht Stickstoff dem Abgas erhebliche Wärmeenergie, erhöht das Rauchgasvolumen und führt zu mehr NOx-Schadstoffen. Aufgrund der globalen Energieverknappung, steigender Preise für petrochemische Brennstoffe und strengerer Umweltauflagen sind zudem kontinuierliche Verbesserungen der Natriumsilikat-Produktionsprozesse erforderlich. Die sauerstoffangereicherte Schmelztechnologie, die Luft durch Sauerstoff ersetzt, begegnet diesen Herausforderungen wirksam.

Sauerstoffangereichertes Schmelzen hilft, die Innentemperatur des Ofens zu erhöhen, die Verarbeitungskapazität der Anlage zu verbessern, den Energieverbrauch zu senken und die Rauchgasemissionen zu reduzieren. Wirtschaftlich gesehen steigert der Einsatz von sauerstoffangereichertem Schmelzen die Produktionskapazität von Öfen gleicher Größe um etwa 30 %. Der Schmelzenergieverbrauch wird gesenkt, wobei der Erdgasverbrauch pro Tonne Natriumsilikat um rund 30 % sinkt. Zudem verringert sich der für die Abgasbehandlung erforderliche Stromverbrauch. Die gesamtwirtschaftlichen Vorteile aus diesen Einsparungen – nach Abzug der Bau-, Betriebs- und Wartungskosten der Sauerstofferzeugungsanlage – sind erheblich. Basierend auf aktuellen Betriebsdaten sind die wirtschaftlichen Vorteile äußerst günstig. Im Vergleich zu herkömmlichen luftgeblasenen Verfahren bietet sauerstoffangereichertes Schmelzen daher eine höhere Schmelzintensität, einen geringeren Brennstoffverbrauch und eine verbesserte Umweltverträglichkeit, was ein erhebliches Potenzial für eine breite Anwendung in der Natriumsilikat-Produktion zeigt.

Im Vergleich zur herkömmlichen kryogenen Luftzerlegung bietet die VPSA (Vakuum-Druckwechseladsorption)-Sauerstofferzeugung viele Vorteile wie ein einfacheres Verfahren, höhere Sicherheit, geringere Investitions- und Stromkosten, reduzierte Betriebskosten und einen höheren Automatisierungsgrad. Ihre Einschränkungen liegen im Fehlen von Nebenprodukten (N2 und Ar) und niedrigeren Reinheitsgraden (≤95 %). Bei der Natriumsilikat-Produktion werden N2 und Ar in der Regel nicht für die Reaktion benötigt, und es wird allgemein Sauerstoff mit 24% bis 90 % Anreicherung benötigt, was gut mit den Fähigkeiten von VPSA übereinstimmt. Beispielsweise verwendet das Unternehmen in Shandong vollständig sauerstoffbefeuerte Öfen, um jährlich etwa 73.000 Tonnen Natriumsilikat zu produzieren. Im Jahr 2020 installierte es eine VPSA-Sauerstofferzeugungseinheit (2.200 Nm³/h, 93 %), die von PKU Pioneer entwickelt wurde. Die Sauerstoffanlage zeichnet sich durch eine kurze Bauzeit, eine geringe Stellfläche und niedrige Investitionskosten aus und läuft stabil.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die VPSA-Sauerstofferzeugungstechnologie eng mit den Sauerstoffanforderungen der in der Natriumsilikatindustrie verwendeten Sauerstoff-Brennstoff-Öfen übereinstimmt. Durch den Einsatz der VPSA-Technologie zur sauerstoffangereicherten Verbrennung anstelle von Umgebungsluft können Festphasen-Natriumsilikat-Hersteller die Produktionseffizienz erheblich steigern und beträchtliche wirtschaftliche Vorteile erzielen.

Mit 25 Jahren umfangreicher Erfahrung in der VPSA/PSA-Sauerstofferzeugung hat PKU Pioneer auch bemerkenswerte Erfolge in der sauerstoffangereicherte Verbrennung für Branchen wie Stahl, Nichteisenmetallurgie, Zement, Abfallverbrennung, Lithiumbatterien usw. erzielt. Wir haben professionelle und fortschrittliche Sauerstoffanlagenlösungen für fast 150 große Stahl- und Metallurgieunternehmen im In- und Ausland bereitgestellt und Kunden dabei geholfen, mehrere Ziele zu erreichen, darunter Produktionsausweitung, Kostenkontrolle und Umweltschutz. Bis heute hat PKU Pioneer als weltweit größter Sauerstoffanlagenlieferant über 300 effiziente und zuverlässige VPSA/PSA-Sauerstofferzeugungseinheiten in mehr als 20 Industriesektoren geliefert, mit Präsenz in Regionen wie Asien, Europa, Südamerika, Afrika usw.