VPSA酸素生成技術の取鍋加熱への応用

2020年、中国の粗鋼、銑鉄、鋼材生産量はそれぞれ10億5300万トン、8億8752万トン、13億2489万トンであり、前年比でそれぞれ5.2%、4.3%、7.7%増加した。粗鋼生産量は世界総生産量の58%を占めた。2011年から2020年にかけて、中国の製造業と粗鋼生産量は年平均7.9%と5.1%で上昇し、中国経済の質の高い発展を支えた。中国のトン当たり鋼材総合エネルギー消費量は2000年の920kgce/tから2017年には567kgce/tに減少したものの、鉄鋼産業のエネルギー消費量は依然として全産業部門の20～25%、全国総消費量の15%を占めている。中国の鉄鋼産業の炭素排出量は全体の15%を占め、製造業31部門の中で最大の炭素排出源となっている。

近年、地球環境と気候問題がますます顕著になるにつれ、世界の鉄鋼・冶金企業は省エネ・環境配慮型生産において深刻な課題に直面している。中国の多くの企業は、「カーボンピークアウトとカーボンニュートラル」という「ダブルカーボン目標」の文脈において、新たな省エネ・環境配慮型生産対策を模索している。酸素富化燃焼および酸素燃料燃焼に関して、多数の理論研究と工業試験が実施されており、 酸素富化および酸素燃料燃焼企業にとっての酸素源と経済性への関心が高まっている。

1. VPSA酸素生成技術

1.1 プロセス説明

VPSAは、加圧吸着と真空脱着による酸素生成プロセスである。空気中の異なるガスに対する酸素モレキュラーシーブの吸着能力に依存し、加圧により空気中のN2を吸着してO2を生成する。N2の真空脱着後に吸着剤が再生され、安定した酸素供給が実現する。圧縮空気が吸着剤（ゼオライトモレキュラーシーブ）を通過する際、大量のN2が捕捉・吸着される一方、酸素分子が窒素分子から分離される。圧力が低下すると、ゼオライトモレキュラーシーブに吸着されたN2が放出され、モレキュラーシーブが再生される。実際の運転では、吸着剤のArとO2に対する吸着容量がほぼ同じであるため、VPSAプロセスで収集されるO2の純度は95%未満であり、ArとN2は完全には吸着されない。

1.2 技術フロー

真空圧力スイング吸着（VPSA） は、ブロワー、真空ポンプ、切替バルブ、吸着塔、バッファタンクで構成される。ルーツブロワーによる圧縮空気は、入口ゾーンのフィルターで塵埃粒子を除去した後、吸着容器に供給される。吸着器には吸着剤が充填されている。H2O、CO2および少量のその他のガス成分が最初に吸着され、N2は酸素モレキュラシーブに吸着される一方、O2（Arを含む）は非吸着成分として吸着器出口底部から流出し、製品ガスとしてバッファ容器に流入する。

吸着剤がN2で完全に飽和すると、切替バルブが真空ポンプを作動させて吸着器を（吸着とは逆方向に）排気し、吸着されたH2O、CO2、N2およびその他のガスを大気中に放出して吸着剤を再生する。

以上を要約すると、空気はブロワー前のフィルターを通して加圧下でラジアル吸着容器に送られ、2基のラジアル吸着器が交互に動作して吸着・脱着サイクルを完了する。生成されたO2はバッファタンクに入り圧力を安定させ、安定した低圧O2の外部供給を形成する。

1.3 技術的優位性

冶金産業におけるVPSA酸素生成の幅広い応用は、極低温空気分離プロセスに比べて独自の技術的・経済的優位性があることに起因する。

(1) プロセスがシンプルで安定しており、補機や可動機器が少なく、運転・保守コストが低い。

(2) 統合された独立完結型セットで、運転と生産の柔軟性が高く、50～100%の負荷調整が可能で生産変動に適応し、起動・停止が速く30分以内で完了する。

(3) 設置面積が小さく、投資コストが低い。流量2,000～15,000Nm³/hで様々なプロセスのニーズに十分対応できる。中国の産業分野では、20,000Nm³/hから50,000Nm³/hにわたる大規模VPSA酸素ユニットが既に一般的に応用されている。³/hは異なるプロセスのニーズをより満たすことができる。中国の工業部門では、20,000Nmから大規模なVPSA酸素ユニットが³/hから50,000Nm³³/hまでが既に一般的に応用されている。

(4) 低圧O2は、ほとんどの冶金企業における燃焼用低圧酸素需要に適しており、同時に高圧O2用圧縮機のエネルギー消費を節約する。

(5) 酸素生成コストが低い。酸素富化燃焼または酸素燃料燃焼技術により天然ガスを節約でき、企業の生産コストを効果的に削減できる。そのコストは約0.2～0.3元/Nm³であり、従来の極低温空気分離の0.5元/Nm³を大幅に下回る。³ は、従来の深冷空気分離の￥0.5/Nmよりもはるかに低い³.

2. 応用事例

中国のある鉄鋼企業は、3基の取鍋加熱システム（120t）を改造した。従来の空気燃焼による天然ガス燃焼を酸素燃料燃焼にアップグレードし、天然ガスをVPSA酸素ユニットから供給される91%酸素ガスで補助する方式とした。VPSA酸素生成システムの酸素能力は800Nm³/h、純度は91%以上であり、3基の取鍋加熱器の同時使用と製鉄所内で利用可能な残留O2補充を考慮している。³/h、純度≥91%で、3基の取鍋加熱器の同時使用と製鋼所内の利用可能な残留酸素補充を考慮している。

3. 主な改造内容

(1) バーナー及び燃焼システムの改造

バーナーは高速天然ガス及び酸素ノズルを使用する。中心天然ガスノズル、中心一次酸素供給、偏心二次酸素供給を含む段階的酸素供給を採用している。バーナーは一体型で取り付けられ、加熱能力2 MW、定格天然ガス流量200Nm³/h、発熱量33,440 kJ/Nm³.

元の燃焼システムは、元の送風機と配管システムを取り外し、流量調整弁と緊急遮断弁を含む新しい酸素供給制御弁セットを構築して改造され、酸素供給の安全性を確保している。

(2) 自動制御のアップグレード

元の制御システムはアップグレードされ、天然ガスと酸素の体積比制御に基づく緊急警告、自動遮断または加熱を実現する。

(3) その他の改造

バーナーのサイズと負荷要件を変更することにより、取鍋カバーの構造、ウインチ巻上機構、取鍋カバー内の耐火物、及び回転アームがそれに応じて改造された。

4. 効果分析

4.1 省エネルギーと排出削減

改造前の120t取鍋の平均天然ガス消費量は227Nm³/hである。アップグレード後、131.6Nmに減少した。³/h、平均95.4Nmの節約³/h（42%）、および315.84Nm³/hの酸素消費量も同時に節約された。取鍋加熱装置1基あたりの使用頻度を年間6,000時間とすると、572,400Nm³ の天然ガスが年間節約できる。さらに、天然ガスの発熱量を33,440 kJ/mとすると、³、ユーザーは654.1 tce/年を節約し、21,124.4 t/年のCO排出を削減できる。すなわち、0.3Nm³ の天然ガスが1Nmの酸素導入あたり節約され、³ 取鍋加熱器に導入される酸素に対して、1.96 kgのCO2排出を削減できる。

4.2 経済的効果

パイプライン供給の場合、天然ガスの平均価格は￥3.5/Nm³ であるのに対し、VPSA-O2プラントから供給される酸素はわずか￥0.4/Nm³ （運転、保守、人件費を考慮した場合）である。VPSA技術で生成される酸素は≥91%である。天然ガスを完全燃焼させるため、酸素濃度は約3%に制御され、酸素と天然ガスの比率は2.4に維持される。したがって、改造後の平均酸素消費量は131.6 m³/h×2.4=315.84 m³/h増加させることになります。

他の要因を考慮しない場合、加熱器1基の酸素コスト=315.84×6,000×0.4=￥758,016/年、節約された天然ガス=95.4×6,000×3.5=￥2,003,400/年、改造後の加熱器1基あたりの直接経済効果=節約された天然ガスコスト-酸素コスト=￥1,245,000/年となる。

5. 結論

(1) VPSA酸素製造は深冷プロセスに比べて独自の技術的優位性を持ち、冶金産業における低酸素消費と変動負荷の要求に適応しやすい。投資、建設用地、運転・保守などのコストとリスクを低減し、ユーザーが既存の生産プロセスを最適化・アップグレードするのに役立つ。

(2) VPSA酸素製造の総コストは約￥0.4/Nmであり、³、酸素燃焼を適用した後、1Nmの酸素で³ 0.3Nmの天然ガスを節約し、³ 約1.96 kgのCO2排出を削減する。総合的に、年間約￥1,

(3) 現在、ヒーター内の空気対ガス比は2.4であり、煙道ガス中の残留酸素濃度は約3％と測定されている。酸素富化燃焼の燃焼速度と火炎伝播速度を考慮すると、酸素対燃料比にはまだ最適化の余地がある。

(4) 本稿ではVPSA酸素設備と取鍋加熱システムの併産について分析しており、VPSA酸素生成技術は高炉酸素富化燃焼や電気炉製鋼などの他の工程でも広く応用されている。ユーザーの効率向上と利益向上に貢献することが期待される。