VPSAおよびPSA酸素製造技術のパルプ漂白への応用

多くの先進国では、製紙は国民経済の10大基幹産業の一つですが、その廃水処理は困難です。製紙工場からの塩素含有漂白廃液には、CODやBODだけでなく、他の高毒性物質も含まれています。従来のCEH三段パルプ漂白法を、新しい全無塩素（TCF）または元素状塩素フリー（ECF）漂白に置き換えることは、パルプ・製紙産業の環境汚染に対する有効な解決策です。酸素自体は環境に対して毒性や汚染物質ではないため、酸素脱リグニンを行った後、後段の漂白剤と廃水の量を50%削減できます。 酸素脱リグニンしたがって、酸素パルプ漂白は、クリーンな漂白プロセスの開発において不可欠な段階となっています。近年、環境保護に対するより厳しい要件を考慮して、世界的な製紙業界では酸素漂白への関心が高まっています。

一般的に使用される工業用酸素製造技術には、極低温空気分離法とVPSA（真空圧力スイング吸着）法があります。極低温空気分離装置は、投資額とエネルギー消費が高く、運転・保守の作業量も多いため、起動・停止が不便で全体的なコストが高いことから、パルプ企業の付帯漂白設備としての酸素源の選択肢としては理想的ではありません。 VPSA酸素プラント VPSAは、構成がより単純で、運転・保守が容易で、投資額と運転コストが比較的小さく、起動時間はわずか20分、酸素純度は93%であり、パルプ工場の酸素消費量は一般的に200～5000Nm³/hであり、これは中小規模のVPSA酸素製造能力とみなされるため、パルプ漂白プロセスの要件を十分に満たすことができます。さらに、VPSA酸素システムの消費エネルギーは0.29～0.32kWh/Nm³であり、極低温空気分離装置より30%低くなっています。現在、VPSA酸素製造技術は中国の30以上のパルプ工場で適用されており、Double A（タイ）PLCやベラルーシのパルプ工場などの世界的に有名な製紙企業にも拡大しています。³/hは、中小規模のVPSA酸素製造能力と見なされています。さらに、VPSA酸素システムのエネルギー消費量は0.29～0.32kWh/Nm³であり、³極低温空気分離装置よりも30%低くなっています。現在、VPSA酸素発生技術は中国国内の30以上のパルプ工場で採用されており、さらにDouble A（タイランド）PLCやベラルーシのパルプ工場といった世界的な有名製紙企業にも展開されています。

1. VPSA-O2システム技術プロセス

システムは VPSAおよびPSAユニットの技術原理は、固体吸着剤のガス成分に対する異なる吸着容量に基づいて酸素を分離することです。多孔質固体吸着剤がガスと接触すると、その内部または表面にガスを取り込む現象を固体吸着剤によるガスの吸着と呼び、吸着剤に吸着された原子または分子が空気中に戻ることを脱着と呼びます。 酸素ユニットは、固体吸着剤のガス成分に対する吸着能力の違いに基づいて酸素を分離します。多孔質の固体吸着剤がガスと接触すると、その内部または表面にガスを取り込む現象を固体吸着剤のガス吸着と呼び、吸着剤に吸着された原子や分子が空気中に戻ることを脱着と呼びます。

異なる圧力下での空気中の窒素と酸素に対するモレキュラーシーブの吸着容量の差を利用して、VPSAおよびPSA酸素発生装置の吸着器は、吸着、減圧、真空脱着、パージ、再加圧の各工程を循環的に切り替えることで、酸素と窒素の分離を実現します。空気がゼオライトモレキュラーシーブ吸着剤を充填した吸着床を一定圧力下で通過するとき、窒素はモレキュラーシーブに吸着され、酸素はガス相に濃縮され、吸着が少ないため吸着床から流出します。モレキュラーシーブが飽和に近づいたら、空気の供給を停止し、吸着床の圧力を下げると、モレキュラーシーブに吸着された窒素を脱着でき、モレキュラーシーブの再生と再利用が可能になります。2基以上の吸着床を交互に運転することで、連続的に酸素を生成できます。連続的に得られた製品酸素は、吸着器上部からバッファータンクに排出され、酸素昇圧機で加圧された後、酸素パルプ漂白工程に送られます。上記のプロセスにおいて、各吸着器は同時に異なる運転工程にあり、バルブはPLCシステムの制御下で一定間隔で切り替えられ、お客様の要件を満たす製品酸素を製造します。

2. 吸着器（吸着容器）

中国最大のVPSA酸素発生装置メーカーであるPKUパイオニアのVPSA-O2ユニットは、並列二塔方式を採用しており、顧客のニーズに応じて酸素能力を柔軟にカスタマイズすることが可能です。PKUパイオニアの最新VPSA酸素発生プロセスは、垂直ラジアル吸着塔を採用しており、初期の軸流式と比較して、吸着層が薄く、抵抗と気流の減圧が小さいため、動力機器の排気圧力とエネルギー消費を10％～15％削減し、顕著な省エネ効果を発揮します。さらに、円筒形ベッド構造は設置面積が小さく、建設コストも効果的に削減できます。

2.1 モレキュラーシーブの選定と応用

一般的に使用されるモレキュラーシーブ吸着剤は、5A、10X、13X、N-2、CaA、NaX、CaX、LiX、CNA-198、Li.X.RE、HX5A-980などです。一般的なCaAモレキュラーシーブを例にとると、CaAモレキュラーシーブを充填した吸着塔に空気が通過する際、窒素の四重極モーメントが酸素よりもはるかに大きく、CaAモレキュラーシーブミクロ孔表面のCa2+がO2よりもN2を吸着するのに効果的であるため、N2が優先的に吸着され、酸素が製品ガスとして吸着塔から流出します。

しかし、CaAモレキュラーシーブ吸着剤の窒素に対する吸着容量と選択性は依然として十分ではなく、VPSA酸素発生ユニットの酸素収率が低く、エネルギー消費が高くなります。CaAやNaXモレキュラーシーブ吸着剤と比較して、LiXモレキュラーシーブはより高い酸素製造効率を持ちます。同じ酸素能力に対して、より少ないLiXモレキュラーシーブで済むため、VPSAおよびPSA酸素発生器のエネルギー消費とサイズを削減できます。LiLSXモレキュラーシーブの窒素吸着能力は、より高度なLiイオン交換とより小さいLi+半径により、空気中の酸素成分を吸着する能力よりも優れています。LiLSXモレキュラーシーブ中のLi+の数は、CaAモレキュラーシーブ吸着剤中のCa2+の2倍であり、窒素・酸素分離係数は従来の酸素モレキュラーシーブの2～5倍であり、これによりリチウムモレキュラーシーブはより多くの窒素を吸着できます。VPSA＆PSA酸素ユニットに適用した場合、 LiLSXモレキュラーシーブ の消費量は、CaAモレキュラーシーブの1/4～1/5に過ぎず、総投資額の低減、酸素収率の向上、および消費電力の大幅な削減に寄与します。

産業用および医療用PKUパイオナー高効率リチウム系酸素モレキュラーシーブ吸着剤PU-8

2.2 吸着塔の内部構造

VPSA酸素吸着塔の内部構造の不合理な設計は、気流の影響により、吸着塔に充填されたモレキュラーシーブの過度な移動や粉砕を引き起こす可能性があります。特に、モレキュラーシーブが長期間使用されると、モレキュラーシーブ間の隙間が徐々に減少し、吸着層が沈下します。PKUパイオニアは、20年以上のエンジニアリング経験を通じて、吸着塔の構造設計において多くの最適化と改良を行い、より合理的な気流分配システムを考案しました。これにより、吸着層内の不活性領域を低減し、気流のモレキュラーシーブへの直接的な衝撃を回避し、モレキュラーシーブの寿命を延ばします。

吸着塔にはモレキュラーシーブが充填されており、その吸着と脱着は気流速度に直接影響されます。気流が遅いほど、モレキュラーシーブの吸着と脱着に有利です。軸流式吸着容器における下から上への軸流と比較して、 ラジアル吸着塔 内の吸着剤は気流と完全に接触し、その方向は吸着と脱着により適しています。吸着段階では、気流が外側から内側に流れるにつれて、N2が徐々に吸収され、ガス容積が減少します。ラジアル吸着塔の流路断面積も外側から内側に向かって徐々に狭くなります。この構造により、吸着剤の総合利用効率が向上し、吸着層の安定性が向上します。気流の方向は重力の方向と垂直であり、モレキュラーシーブの洗い流しを効果的に低減し、その寿命を延ばします。

合理的な圧縮装置は、モレキュラーシーブの相互衝突による粉砕を防ぐことができます。PKUパイオニアの特許技術であるモレキュラーシーブ機械式均一スピン充填および自動膜圧縮システムは、吸着剤に均一な力を加え、モレキュラーシーブが均一に圧縮され平坦化され、吸着層上端が粉砕されにくくなり、酸素純度の低下や 酸素発生器 の生産能力に影響を与える吸着剤粉末の真空ポンプによる排出を回避し、VPSA酸素装置の安定運転を保証し、モレキュラーシーブ吸着剤の利用効率をさらに向上させます。現在、PKUパイオニアは中国国内で10年以上運転実績のある酸素製造プロジェクトを最も多く有し、優れた指標を維持しており、顧客の安定した酸素供給を確実に保証しています。

3. プロセスにおけるその他の機器およびコンポーネント

3.1 ブロワー

定圧遠心ブロワーは、酸素流量が圧力に応じて連続的に変化します。容量調整は可能ですが、最適設計値から逸脱すると効率が急速に低下します。VPSA-O2プラントでは、吸着塔に加圧空気を供給するために、通常、定流量ルーツブロワーを使用して空気を加圧します。その結果、圧力が変化しても酸素能力は基本的に安定し、吸着層への影響が少なく、モレキュラーシーブの吸着に有利です。VPSA酸素システムでは、ルーツブロワーの効率は遠心ブロワーよりも高く、実際の運転でもそのエネルギー消費指標が最も低いことが実証されています。

3.2 真空ポンプ

ルーツ真空ポンプは、起動が速く、到達真空度が高いです。ポンプの伝達部品は強固なバックラッシュ防止構造を採用しており、短時間で最適な真空レベルを達成できます。ポンプ室内に摺動部品はなく、オイル潤滑は不要であり、オイル蒸気によるシステムの汚染を防ぎます。また、消費電力の低減、運用および保守コストの削減、高い排気速度と効率、より安定した運転などの顕著な利点もあります。

3.3 酸素ブースター

VPSA酸素発生システムでは、ピストン式、ルーツ式、遠心式の酸素ブースターが使用され、その中でもピストン式酸素ブースターが一般的に使用されます。酸素は温度、油、火花に敏感であるため、酸素ブースターの故障は吸着塔の運転に影響を与える可能性があります。ピストン式酸素ブースターを使用する場合、シリンダー排気温度の急上昇や、潤滑油と酸素の混合によるインターロック停止を防ぐ必要があります。ルーツ式酸素ブースターを使用する場合、ラジアル方向とアキシャル方向の両方からアンバランスなダブルメカニカルシールを実現できます。

4. 制御システム

4.1 切替バルブ

切替バルブはPLC制御バルブとも呼ばれます。送風機出口バルブ、真空ブロワー入口バルブ、製品酸素出口バルブ、パージバルブ、バランスバルブ（均圧バルブ）などにより、吸着塔が吸着、減圧、正方向・逆方向脱着、パージセクションを正常に経ることができます。これらは一般に空気圧式であり、DCSまたはPLCに接続することでコンピュータプログラムによって制御でき、短い切替サイクルだけでなく、最大15年の長い寿命を持ち、1年間連続運転した後でも数百万回の切替が可能です。

4.2 計装

VPSA酸素装置の計装制御システムは、PLCシステムによって制御されます。スムーズな運転の監視および制御要件を満たすためには、安全で信頼性が高く先進的な計装が不可欠です。

5. 結論

VPSA酸素製造技術の進歩と発展に伴い、VPSA-O2ユニットは、投資が少なく、消費電力が低く、より信頼性が高く安定した運転、効果的なメリット、および高い経済性により、多くの製紙工場で徐々に認識されるようになりました。世界最大の VPSAおよびPSA酸素製造 装置サプライヤーとして、PKUパイオニアは、サンペーパーグループやダブルA PLCなどの世界的な大手製紙企業に対して、経済的で信頼性の高い酸素発生ソリューションを提供し、顧客が大幅にエネルギーを節約しコストを削減して、製紙プロセス全体の効率を向上させることを支援しています。これは、 製紙 業界の資源リサイクルと持続可能な発展を促進する上で非常に実用的な意義を持っています。