セメント製造業における技術改善のためのVPSA酸素システムの応用

1985年以来、主要なセメント製造国である中国は、37年連続でセメント生産量において世界一を維持している。セメント産業は、その高いエネルギー消費特性から、省エネ・排出削減のための変革が求められる主要分野の一つとなっている。セメント製造工程において、セメントキルンは石炭燃焼による核心的な焼成設備であり、セメントプラントの総エネルギー消費量と炭素排出量の大部分を占めている。酸素富化燃焼技術は、セメント産業における省エネ・低炭素排出のための国家的な重点推進プロジェクトである。この技術を用いてセメントキルンの空気供給システムをアップグレードすることは、燃料の燃焼性能とクリンカ生産量に良い影響を与える。 VPSA（真空圧力スイング吸着） 及び PSA（圧力スイング吸着） 酸素発生システムは、その工期の短さ、規模への適応性、運用の柔軟性、起動・停止の容易さから、これらの技術改善プロジェクトにおいて優先的に選択されてきた。

1. セメント製造業における技術改善のためのVPSA酸素発生適用の方向性

セメント製造において、エネルギー消費は製造コスト全体の50%以上を占め、キルンは焼成の中核部品として、セメント製造プロセスで最も燃料を消費する設備でもあります。通常、微粉炭はバーナーに投入され、送風機からの空気中で燃料として燃焼します。酸素富化燃焼技術を採用すれば、空気よりも高い酸素濃度により燃料をより完全に燃焼させ、微粉炭の燃焼温度を上昇させ、燃え尽き時間を短縮することで、システム全体の燃料効率を向上させるという、より優れた燃焼助成効果が得られます。さらに、酸素富化燃焼は火炎温度を高め、燃焼雰囲気を安定させるため、クリンカの強度を高め、セメントクリンカの生産をさらに改善するのに役立ちます。

VPSAおよびPSA酸素生成技術は、さまざまな能力のセメントキルンに適用でき、1対1または1対多の用途が可能です。省エネ改修プロジェクトにおいて、建設サイクルが短く、運転がより柔軟で、ターンダウン比の調整適応性に優れるという明らかな利点があります。

2. 韓国のセメント工場における2塔式VPSA酸素プラントの適用

2021年、韓国のセメント工場はセメントキルンの改造を計画し、 酸素富化燃焼 技術を導入しました。地域のエネルギー構造上、石炭は主に輸入に依存しています。コストをさらに削減するため、代替燃料の推進と燃焼効率の一層の向上が喫緊の技術改善課題となりました。工場内のスペースが限られているため、酸素設備に利用可能な面積は21.6m×25.4mのみで、合計7箇所のガス消費ポイントは比較的分散しています。当該セメント工場は、深冷式、膜分離式、VPSA式の空気分離プロセスを徹底的に検討した結果、PKU PioneerのVPSA酸素生成技術を採用して現在のガス供給システムを改修することを決定しました。その酸素能力要件は5000Nm³/h、純度90%です。

この改造プロジェクトでは、2塔式VPSA酸素ユニットを採用して元のガス供給システムをアップグレードします。酸素システムから得られる製品酸素（圧力20～30kPa、流量5000Nm³/h、純度90%）は、150kPaに加圧された後、1対多の形式で7基のセメント炉に送られ、各ガス消費ポイントで実際の酸素需要に応じて制御・調整されます。

技術改善の完了に伴い、 キルンでの微粉炭の酸素富化燃焼は火炎温度と全体温度を大幅に上昇させることが証明されています。 酸素生成プラントの起動後、システムは安定して稼働しました。微粉炭のみを燃料としていた改善前と比較して、石炭消費量が削減され、代替燃料を使用する場合には、酸素豊富な雰囲気下でプラスチックがより完全に燃焼し、熱効率が向上しました。さらに、クリンカ生産量は前年比で10%以上増加しました。元の生産パラメータと比較して、改修後はキルンのすべての製造パフォーマンスがより安定しています。技術改造後、代替燃料（廃プラスチック）の使用比率が増加し、石炭コストの削減だけでなく、廃プラスチック処理に対する政府からの追加助成金の獲得にもつながり、燃料コスト全体が大幅に削減されました。VPSA酸素生成技術による酸素富化燃焼改造は、セメント製造システムの燃料コスト削減、クリンカ生産量の増加、キルン運転の安定化により、明確な経済的利益をもたらします。

3. VPSA酸素生成技術の特徴と利点

本技術改造では、PKU Pioneerのラジアルベッド吸着器と第3世代酸素モレキュラーシーブを採用しており、プロセスには以下の特徴があります。

3.1 シンプルなプロセス、迅速な起動・停止

VPSA酸素プラントは、送風機と真空ポンプをそれぞれ空気の供給と吸引に使用します。吸着塔は2塔以上を並列に結合でき、通常2塔で最大7500Nm³/hの酸素を生成できます。不純物の吸着と製品酸素の排出は、均圧、酸素パージ、加圧・吸着によって達成され、不純物の脱着と吸着剤の再生は、減圧、真空抽出、パージによって達成されます。全体のプロセスはシンプルで、自動化の度合いが高く、バルブは時系列制御によって開閉されます。起動から酸素要件を満たすまでわずか15分で、柔軟な運転と便利な起動・停止が可能です。

3.2 容易な操作と柔軟なターンダウン比調整

VPSA酸素ユニットは、シーケンスステップの設定とバルブパラメータの制御により、ターンダウン比と酸素純度の調整が可能です。負荷は30%～100%、純度は70%～94%の範囲で調整でき、純酸素の消費電力の変動はわずかです。

3.3 安定した運転と低メンテナンスコスト

酸素システムの動力機器（ルーツブロワ、真空ポンプ、およびブースタブロワ）により、運転がより安定し、日常のメンテナンスが少なくて済みます。さらに、PKU Pioneerの高度な自動化制御システムにより、生産企業は運転・維持資本や土木コストに過剰な投資をする必要がありません。

3.4 常温運転と高い安全性

VPSA酸素ユニットは常温・低圧で運転されるため、深冷式ASUと比較して液体酸素やアセチレンの濃縮が生じず、したがって安全性が高くなります。

3.5 低運転コスト

VPSAおよびPSA酸素プラントの純酸素全体の消費電力は低く（0.29～0.33kWh/Nm³）、総運転コストが少なくなります。

3.6 短い建設期間と低騒音

防音壁を備えた一体型鉄骨構造ミルを使用でき、建設サイクルは従来のコンクリート工場よりも短くなります。複合防音材を適用して騒音低減処理を行い、工場外1mでの騒音は85dB以下です。

便利で効率的な酸素生成システムとして、VPSAおよびPSA酸素プラントは、建設期間が短く運転がより柔軟であるため、セメント工場の技術改造プロジェクトにおいてより有利です。VPSAおよびPSA酸素生成法を中核とする酸素富化燃焼技術による工業用キルンガス供給システムの改修後は、微粉炭の燃焼効率とクリンカ生産の向上を総合的に達成できます。省エネ・排出削減が急務となる中、工業炉ガス供給システムへの酸素富化燃焼技術の適用をさらに推進することで、より優れた省エネ・炭素削減効果が得られます。

世界最大のVPSAおよびPSA酸素プラントメーカー兼サプライヤーとして、PKU Pioneerは10か国以上の顧客向けに300以上の酸素システムを構築してきました。最高容量は80,000Nm³/hに達し、当社の高性能酸素ユニットは、鉄鋼、非鉄冶金、ガラス製造、廃棄物焼却、エネルギーバッテリーなど10以上の産業分野で適用されています。優れた信頼性、安定性、安全性、そして誠実なサービスにより、各分野のリーディングカンパニーから高い評価をいただいています。