Die Entwicklungssituation und Anwendungsinnovation der PSA-Sauerstofferzeugungstechnologie

1. Vorwort

In den letzten 20 Jahren befand sich die chinesische Wirtschaft in einer stetigen und schnellen Entwicklungsphase, in der die Produktionsprozesse von Industrien wie der Eisen- und Stahlherstellung, der Nichteisenmetallurgie, der chemischen Industrie, der Ofenenergieeinsparung, dem Umweltschutz, der Glas- und Papierherstellung kontinuierlich verbessert und innoviert wurden. Die Prozessoptimierung und der Ausbau der Produktionskapazität führten zu einem erhöhten Sauerstoffbedarf in verschiedenen Bereichen, was wiederum den technologischen Fortschritt industrieller Sauerstoffanlagen vorantrieb. Infolgedessen wurden Verbesserungen bei den traditionellen Sauerstofferzeugungstechnologien erzielt, darunter die kryogene Luftzerlegung, die PSA-Sauerstofferzeugung und Membranverfahren, insbesondere die PSA-Sauerstoffherstellungstechnologie machte enorme Fortschritte. Nach dem Durchbruch bei der Entwicklung des neuen lithiumbasierten Adsorptionsmittels und radialer Adsorber wurde die PSA-Sauerstoffherstellungstechnologie weit verbreitet eingesetzt und von den Endnutzern sehr geschätzt.

2. Fortschritte in der PSA-Sauerstofferzeugungstechnologie

Die Entwicklung begann Die PSA-Sauerstofferzeugungstechnologie in den 1960er Jahren, und die USA und Japan erreichten Anfang der 1980er Jahre nacheinander die Industrialisierung. Anfang der 1990er Jahre entwickelte Praxair ein Lithium-Molekularsieb-Adsorptionsmittel zur Sauerstofferzeugung und das VPSA-Sauerstofferzeugungsverfahren basierend auf den Eigenschaften des Adsorptionsmittels. Die maximale Kapazität seiner Zweibehälter-PSA-Sauerstoffeinheit überstieg 3000 Nm³/h, und der Stromverbrauch wurde auf 0,35 kWh/m³gesenkt, was zu einem schnellen Wachstum der PSA-Sauerstoffproduktionstechnologie führte und eine solide Grundlage für ihre breite Anwendung legte.

In den letzten Jahren wurde mit der Entwicklung von Permanentmagnetmotoren und der Optimierung des Sauerstofferzeugungsprozesses der niedrigste Stromverbrauch von PSA-Sauerstoffanlagen auf unter 0,3 kWh/m³ gesenkt, während die maximale Kapazität von Zweiadsobereinheiten 6000 Nm³/h überschritten hat. Die gesenkten Kosten und das erhöhte Produkt-Sauerstoffvolumen von PSA-Sauerstoffgeräten haben beide die Anwendungsausweitung des PSA-Sauerstofferzeugungsprozesses gefördert.

China begann Ende der 1980er Jahre mit der Erforschung der PSA-Sauerstofferzeugungstechnologie, und erst Anfang der 1990er Jahre standen kleine industrialisierte Geräte zur Verfügung. Das anfängliche PSA-Sauerstoffsystem verwendete CaA-Molekularsieb-Adsorptionsmittel, und die Kapazität erreichte Ende der 1990er Jahre maximal 1000 Nm³/h, ausgehend von ursprünglich 20 Nm³/h, 50 Nm³/h und 100 Nm³/h, der Stromverbrauch (reiner Sauerstoff) betrug mehr als 0,5 kWh/m³Viele Unternehmen, insbesondere solche in der Eisen- und Stahlindustrie, die PSA-Sauerstoffgeräte aufgrund ihrer Vorteile einer kurzen Bauzeit, eines stabilen Betriebs und eines schnellen An- und Abfahrens nutzten, ersetzten diese aufgrund des hohen Arbeitsaufwands und der hohen Kosten für die Wartung der PSA-Einheit durch kryogene Trennanlagen. Zusammenfassend gab es eine deutliche Lücke zum internationalen Spitzenniveau der gleichen Zeit, da die PSA-Geräte damals keinen Langzeitbetrieb aushielten, zu viel Wartung erforderten und in ihrer Kapazität begrenzt waren.

Anfang 2000 machte die PSA-Sauerstofferzeugungstechnologie rapide Fortschritte und wurde weit verbreitet, dank der Produktion von hocheffizienten lithiumbasierten Adsorptionsmitteln, die von PKU Pioneer repräsentiert wird, und der Industrialisierung des PSA-Sauerstofferzeugungsprozesses unter Verwendung dieser Adsorptionsmittel. Derzeit hat die Kapazität der von PKU Pioneer gebauten PSA-Anlagen 40.000 Nm³/h erreicht, und der Stromverbrauch für reinen Sauerstoff liegt ebenfalls nahe 0,3 kWh/m³.

Mit Lösungen wie der stabilen Produktion von hocheffizienten lithiumbasierten Adsorptionsmitteln, der Entwicklung von radialen Adsorbern und großdimensionierten Absperrklappen mit zuverlässiger hoher Schaltfrequenz für einige Schlüsselprobleme der PSA-Sauerstofferzeugungstechnologie stieg die Kapazität der chinesischen PSA-Sauerstoffsysteme Jahr für Jahr, während der Energieverbrauch allmählich gesenkt und die Zuverlässigkeit stetig verbessert wurde. Die Kapazität einer einzelnen Doppelturm-PSA-Sauerstoffeinheit ist ebenfalls von weniger als 1000 Nm³/h auf derzeit 6000 Nm³/h und sogar über 40.000 Nm³/h nach Mehrfachturmverbindung gestiegen. Gleichzeitig ist der spezifische Sauerstoff-Stromverbrauch auf unter 0,32 kWh/m³gesunken, und die jährliche Betriebsrate ist auf über 98% gestiegen. Der Gebläselärm ist auf unter 85 dB gesunken (durch Schalldämmmaßnahmen kann der Lärm 1 m außerhalb der Werkhalle unter 70 dB erreichen), die Ausfallrate von großdimensionierten Absperrklappen liegt meist bei über 8000 h, und die Lebensdauer des Molekularsiebs hat sich auf über 5 Jahre verlängert. Endnutzer haben ein neues Verständnis für PSA-Sauerstoffproduktionsgeräte gewonnen, und ihre Anwendung hat sich erweitert. Allein im Jahr 2018 wurden in China mehr als 70 PSA-Sauerstoffeinheiten mit einer Kapazität von über 1000 Nm³/h errichtet.

PKU Pioneer hat sich kontinuierlich bemüht, die Abhängigkeit von PSA-Molekularsieben von Importen zu ändern, gleichzeitig Durchbrüche bei Lithium-Molekularsieben und ähnlichen Produkten erzielt und die industrielle Anwendung dieser neuen Molekularsiebprodukte erreicht.

Durch hervorragende Entwicklung und Verbesserung hat die PSA-Sauerstofferzeugungstechnologie im Vergleich zur Kryotechnik enorme einzigartige Vorteile entwickelt, die die breite Anwendung der PSA-Technologie in verschiedenen Branchen weiter vorantreiben.

3. Eigenschaften der PSA-Sauerstofferzeugungstechnologie

① Geringer Energieverbrauch und niedrige Betriebskosten

Im Sauerstoffproduktionsprozess macht der Stromverbrauch mehr als 90 % der gesamten Betriebskosten aus. Mit der kontinuierlichen Optimierung der PSA-Sauerstofferzeugungstechnologie ist der Energieverbrauch für reinen Sauerstoff von 0,45 kWh/m³ in den 1990er Jahren auf weniger als 0,32 kWh/m³ heute gesunken. Im Vergleich dazu liegt der niedrigste Stromverbrauch für reinen Sauerstoff bei großen kryogenen Luftzerlegern bei etwa 0,42 kW·h/m³, was bedeutet, dass die PSA-Sauerstofferzeugung den Vorteil deutlich niedrigerer Kosten hat, sofern die Kunden keinen Stickstoffbedarf haben und keine zu hohe Sauerstoffreinheit und -druck fordern.

② Einfacher Prozess, flexible Betriebsweise, schnelles An- und Abfahren

Im Vergleich zur kryogenen Luftzerlegung ist der PSA-Sauerstofferzeugungsprozess mit einem Betriebsdruck von -0,05 bis 0,05 MPa relativ einfacher. Die Hauptantriebsausrüstung besteht aus Roots-Gebläse und Roots-Vakuumpumpe, die beide einfach zu bedienen und leicht zu warten sind. Da der PSA-Sauerstoffgenerator beim An- und Abfahren keinen Kühl- und Heizprozess durchläuft, benötigt er nur 30 Minuten, um zu starten und den Ziel-Sauerstoff zu produzieren. Nach kurzen Unterbrechungen kann das System zudem in wenigen Minuten wieder Sauerstoff erzeugen. Darüber hinaus ist das Abfahren noch einfacher, da es nur durch das Ausschalten der Antriebsausrüstung und des Steuerprogramms erfolgt. Im Vergleich zur kryogenen Ausrüstung ist das An- und Abfahren der PSA-Sauerstoffanlage wesentlich bequemer, was die Betriebskosten der Vorrichtung erheblich senkt.

③ Geringe Investition und kurze Bauzeit

Der PSA-Sauerstoffgenerator besteht hauptsächlich aus dem Antriebssystem, dem Adsorptionssystem und dem Ventilumschaltsystem. Die geringe Anzahl an Komponenten ermöglicht es den Nutzern, ihre einmaligen Kosten zu sparen. Gleichzeitig trägt die geringe Stellfläche dazu bei, Bau- und Landinvestitionen zu reduzieren. Darüber hinaus dauert es weniger als 4 Monate, um die Hauptaggregate zu errichten, und unter normalen Umständen kann die Sauerstoffproduktion innerhalb von 6 Monaten erreicht werden, sodass die Herstellungs- und Aufstellungszeit im Vergleich zum Bau kryogener Luftzerleger kürzer ist.

④ Einfache Ausrüstung und Wartung

Komponenten des PSA-Sauerstoffgenerators wie Gebläse, Vakuumpumpen und programmgesteuerte Ventile haben hochreife Lieferketten, was den einfachen Austausch von Ersatzteilen ermöglicht und dazu beiträgt, die Kosten zu senken und die Bauzeit leicht zu kontrollieren. Darüber hinaus ist die Wartung der PSA-Ausrüstung einfach mit bequemen After-Sales-Services. Im Vergleich zur Wartung von großen Kreiselverdichtern in kryogenen Luftzerlegern müssen PSA-Sauerstoffanlagen nicht so viel Wartungsbudget investieren oder professionelle Mitarbeiter einstellen.

⑤ Hohes Regelverhältnis

Im Vergleich zur kryogenen Flüssigsauerstoff-Technologie ermöglichen PSA-Sauerstoffsysteme eine schnelle Regelung des Produktgasvolumens und der Reinheit bei geringer Änderung des Stromverbrauchs (reiner Sauerstoff). Im Allgemeinen kann die Kapazität im Bereich von 30 %–100 % und die Reinheit von 70 %–95 % eingestellt werden, insbesondere ist die Lastregelung einfacher, wenn mehrere PSA-Sauerstoffgeneratoren parallel geschaltet sind.

⑥ Hohe Betriebssicherheit

Da der Betrieb der PSA-Sauerstoffanlage unter normalem Atmosphärendruck und -temperatur ohne Anreicherung von flüssigem Sauerstoff oder Acetylen usw. erfolgt, ist sie sicherer als die kryogene Ausrüstung, die normalerweise bei niedrigen Temperaturen und hohem Druck betrieben wird.

4. Hauptanwendungen der PSA-Sauerstofferzeugungstechnologie

Mit zunehmender Kapazität der PSA-Sauerstoffanlagen steigt die Zuverlässigkeit, während der Stromverbrauch allmählich sinkt. Gleichzeitig kann die PSA-Sauerstoffproduktionstechnologie aufgrund der herausragenden Vorteile flexibler Betriebsweise, einfacher Lastregelung, geringem Stromverbrauch, kurzer Bauzeit und hoher Sicherheit zweifellos eine Alternative zur kryogenen Luftzerlegung für Branchen sein, die eine flexible Nutzung von Sauerstoffanreicherung benötigen. Der PSA-Sauerstofferzeugungsprozess wird in letzter Zeit auch häufig in der Eisen- und Stahlverhüttung, Nichteisenmetallurgie, chemischen Industrie, Ofenenergieeinsparung, Zementdrehrohröfen, Umweltschutz, Glas- und Papierherstellung usw. eingesetzt.

① Hochofen-Sauerstoffanreicherung

Mit der Entwicklung der Sauerstoffanreicherung im Hochofen Technologie ist der Hochofen zu einer der Hauptsauerstoffquellen in Stahlwerken geworden, sodass sie in der frühen Phase der Hochofen-Sauerstoffanreicherung als Sauerstoffversorgungsregler für das gesamte Stahlwerk behandelt werden können – die Hochofen-Sauerstoffanreicherungsrate ist hoch, wenn das Sauerstoffvolumen groß ist, und niedrig bei unzureichendem Sauerstoffdurchfluss. Da Unternehmen sich zunehmend der Bedeutung der Hochofen-Sauerstoffanreicherung in Eisenherstellungsprozessen bewusst werden, wird die Stabilität der Sauerstoffanreicherungsrate zu einem entscheidenden Parameter für kostengünstige und effiziente Eisenherstellungsvorgänge. Die Sauerstoffversorgung in Stahlwerken erfordert viele Verfahren, und die Last schwankt wöchentlich oder sogar täglich. In diesem Fall muss, wenn eine kryogene Anlage mit schlechter Lastregelung und langer An- und Abfahrzeit eingesetzt wird, überschüssiger Sauerstoff nach Verflüssigung gelagert werden, um später verwendet oder als Handelsprodukt verkauft zu werden, wenn der Sauerstoffverbrauch zu niedrig ist, was manchmal zu Sauerstoffabblasung führt. Angesichts der niedrigen Druck- und Reinheitsanforderungen von Hochofen-Sauerstoffanreicherung können viele Eisen- und Stahlunternehmen PSA-Sauerstoffgeneratoren in der Nähe der Hochöfen errichten, um den Hochöfen direkt Sauerstoff zu liefern und als Regler für die gesamte Sauerstoffversorgung des Werks zu dienen. Bei Überschuss oder Mangel an Sauerstoff kann der PSA-Sauerstoffgenerator jederzeit gestartet oder gestoppt werden, um das Volumen zu erhöhen oder zu verringern und dem Hochofen stabilen Sauerstoff zu liefern. Derzeit setzen viele Eisen- und Stahlunternehmen PSA-Sauerstofferzeugungstechnologie ein, um Hochöfen mit Sauerstoff zu versorgen, wodurch erhebliche Kosteneinsparungen erzielt werden. Es ist unter den meisten Eisen- und Stahlunternehmen ein Konsens, dass das PSA-Sauerstoffsystem eine zuverlässige Sauerstoffanreicherungsquelle für Hochöfen ist.

② Elektroofen-Stahlherstellung

Etwa 60 % bis 70 % der Elektroofen-Stahlherstellungs- Unternehmen in Japan verwenden PSA-Technologie, um 93 % Sauerstoff für die Stahlherstellung zu produzieren. Theoretisch basiert die Elektroofen-Stahlherstellung hauptsächlich auf dem EAF-Schmelzen und der Stahlherstellung, bei der Sauerstoff nur eine unterstützende Wirkung hat. Daher kann der von PSA-Anlagen produzierte 93 %-Sauerstoff in der Elektroofen-Stahlherstellung eingesetzt werden. Unternehmen in China wie die Chizhou Guihang Metal Products Co., Ltd., die Zunyi Changling Special Steel Co., Ltd. und die Luzhou Yixin Iron & Steel Co., Ltd. haben alle begonnen, PSA-Sauerstoffgeneratoren zur Sauerstoffversorgung für die Elektroofen-Stahlherstellung zu verwenden. Laut tatsächlichem Feedback dieser Unternehmen schadet die PSA-Sauerstofferzeugungstechnologie nicht nur nicht der Stahlqualität, sondern kann auch die Produktionskosten der Elektroofen-Stahlherstellung erheblich senken. Nach Einführung der Technologie können die Sauerstoffstückkosten unter 0,0447 $ gehalten werden.

③ Nichteisenmetallurgie

In den letzten 10 Jahren hat die PSA-Sauerstofferzeugungstechnologie hohe Anerkennung von Kupfer-, Blei- und Zinkhütten erhalten. Die meisten Nichteisenmetallschmelzprozesse mit großen Lastschwankungen benötigen kaum Stickstoff und erfordern in der Regel 24 %–90 % Sauerstoff. Aufgrund der Eigenschaften einfacher Betriebsweise und geringem Stromverbrauch ist die PSA-Sauerstofferzeugungstechnologie gut für die Nichteisenmetallverhüttung geeignet. Jetzt haben die meisten Nichteisenhütten in China, wie die Tongling Nonferrous Metals Group, die Zijin Mining Group und die Yunnan Copper Co., Ltd., PSA-Sauerstoffanlagen als ihre Sauerstoffanreicherungsquellen gewählt. Beispielsweise hat die Baotou Huading Copper Development Co., Ltd. aufgrund der steigenden Kupferproduktion und der Verbesserung der Kupferschmelzprozesse nacheinander 4 PSA-Sauerstoffanlagen gebaut, wobei die Gesamtsauerstoffkapazität mehr als 25.000 Nm³/h erreichte. Ebenso hat die Yunnan Chuxiong Copper Smelter nacheinander 3 PSA-Sauerstoffanlagen gebaut, mit einer Gesamtsauerstoffkapazität von 30.000 Nm³/h.

④ Chemische Industrie

Heutzutage wird der kontinuierliche sauerstoffangereicherte Erzeugungsprozess verwendet, um die frühere diskontinuierliche Sauerstoffproduktion in kleinen und mittleren Stickstoffdüngerfabriken zu verbessern, und die Quelle des angereicherten Sauerstoffs stammt meist aus PSA-Sauerstoffproduktionsanlagen. Die sauerstoffangereicherte kontinuierliche Vergasungstechnologie hat eine hohe Anwendbarkeit auf Kohle, was zur Verbesserung der Produktionskapazität der Sauerstoffproduktionsvorrichtung beiträgt. Sie hat ein breites Anwendungspotenzial.

⑤ Papierherstellung

In der Papierherstellungwird Sauerstoff hauptsächlich in der Zellstoffherstellungssektion verwendet, wie Sauerstoff-Delignifizierung und Aufhellung beim Sauerstoffbleichen. Da der Papierherstellungsprozess weder eine hohe Sauerstoffreinheit verlangt noch Stickstoff benötigt, wählen die meisten Papierfabriken derzeit die PSA-Technologie zur Sauerstofferzeugung.

⑥ Andere Branchen

Derzeit wird die PSA-Sauerstofferzeugungstechnologie auch in anderen Bereichen weit verbreitet eingesetzt, zum Beispiel in der Glasfaserherstellung, der sauerstoffangereicherten Verbrennung in Floatglas, Zementöfen und Müllverbrennung, sauerstoffreicher Belüftung und Ozongeneratoren in der Abwasserbehandlung usw.

5. Vision für die Entwicklung der PSA-Sauerstofferzeugungstechnologie

Die PSA-Sauerstoffproduktionstechnologie, eine neu entstandene Technologie, die sich in den letzten 20 Jahren rasant entwickelt hat, wurde allmählich von vielen Unternehmen aufgrund ihres technologischen Fortschritts und der Erweiterung ihrer Anwendungsgrenzen anerkannt. Um den Energieverbrauch der Sauerstoffproduktion zu senken, ist die Entwicklung neuer Adsorptionsmittel und der Versuch der Kopplung mit Membrantrennung oder kryogenen Prozessen eine wichtige F&E-Richtung zur Erweiterung größerer Anwendungsbereiche der zukünftigen PSA-Sauerstoffproduktionstechnologie. Beispielsweise kann die Kombination von PSA-Sauerstoffproduktionstechnologie mit Membrantrennungstechnologie 99 %+ Sauerstoff liefern, der in abgelegenen Gebieten oder bei mobilen Anforderungen die Tieftemperatur-Luftzerlegung ersetzen kann. PKU Pioneer, ein führendes Unternehmen in der Sauerstofferzeugungsindustrie, hofft, durch kontinuierliche Erhöhung effektiver Investitionen und große Bedeutung der F&E der PSA-Technologie die Initiative in der zukünftigen Entwicklung zu ergreifen. Da die PSA-Sauerstofferzeugungstechnologie zunehmend verbessert wird, hat sie zweifellos mehrere Vorteile und ein enormes Potenzial, um eine hellere Anwendungsperspektive in der Zukunft zu gewinnen.