PSA酸素生成技術の発展現状と応用革新

1. はじめに

過去20年間、中国経済は安定かつ急速な発展段階にあり、鉄鋼製造、非鉄冶金、化学工業、炉の省エネルギー、環境保護、ガラス・製紙などの産業の生産プロセスは継続的にアップグレード・革新されてきました。プロセスの最適化と生産能力の拡大により、さまざまな分野での酸素需要が増加し、産業用酸素製造プラントの技術進歩を促進しました。その結果、深冷空気分離、PSA酸素生成、膜分離プロセスなどの従来の酸素生成技術が改善され、特にPSA酸素製造技術は大きな進歩を遂げました。新しいリチウム系吸着剤とラジアル吸着塔の開発が突破口となった後、PSA酸素製造技術は広く使用され、エンドユーザーから高い評価を得ています。

2. PSA酸素生成技術の進歩

開発は PSA酸素生成技術は、 1960年代に始まり、米国と日本は1980年代初頭に相次いで実用化を達成しました。1990年代初頭、プラクスエアは酸素生成用のリチウムモレキュラーシーブ吸着剤と、その吸着剤の特性に基づいたVPSA酸素生成プロセスを開発しました。その2塔式PSA酸素ユニットの最大能力は3000Nm³/hを超え、³消費電力は0.35kWh/m³に低減され、³PSA酸素製造技術の急速な成長をもたらし、その広範な応用のための強固な基盤を築きました。

近年、永久磁石モーターの開発と酸素生成プロセスの最適化により、PSA酸素プラントの最低消費電力は0.3kWh/m³未満に低下し、³ 2塔式ユニットの最大能力は6000Nm³/hを超えました。³PSA酸素装置のコスト低減と製品酸素量の増加は、ともにPSA酸素生成プロセスの応用拡大を促進しました。

中国は1980年代後半からPSA酸素生成技術の研究を開始し、1990年代初期に小型の産業用装置が利用可能になりました。初期のPSA酸素システムはCaAモレキュラーシーブ吸着剤を使用し、能力は当初の20Nm³/h、50Nm³/h、100Nm³/hから1990年代後半には最大1000Nm³/hに達しました。³消費電力（純酸素）は0.5kWh/m³以上でした。³多くの企業、特に鉄鋼業界では、建設期間が短く、安定運転、起動・停止が速いという利点からPSA酸素装置を使用していましたが、PSAユニットのメンテナンスの作業負荷が大きくコストが高いため、深冷分離装置に置き換えました。要するに、当時のPSA装置は長時間運転に耐えられず、メンテナンスが多すぎ、能力に限界があったため、同期間の国際先進レベルとの間に明確なギャップがありました。³/h、および100Nm³/h、消費電力（純酸素）は0.5 kWh/m以上でした³。多くの企業、特に建設期間が短く、安定した運転と迅速な起動・停止が可能なPSA酸素設備の利点からこれを採用していた鉄鋼業界の企業は、PSAユニットのメンテナンス負荷とコストの高さから、極低温分離設備に切り替えました。要約すると、当時のPSA設備は長時間運転に耐えられず、メンテナンスが多く、能力も限られていたため、同期間の国際的な先進レベルとの間に明確なギャップがありました。

2000年代初頭、PKU PIONEERに代表される高効率リチウム系吸着剤の生産と、その吸着剤を使用したPSA酸素製造プロセスの実用化により、PSA酸素生成技術は急速に進歩し、広く普及しました。現在、PKU PIONEERが建設したPSAプラントの能力は40,000Nm³/hに達し、³純酸素消費電力も0.3kWh/m³に近づいています。³.

高効率リチウム系吸着剤の安定生産、ラジアル吸着塔の研究開発、高い切替頻度で信頼性の高い大径バタフライバルブなど、PSA酸素生成技術のいくつかの重要課題に対する解決策により、中国のPSA酸素システムの能力は年々増加し、消費電力は徐々に低下し、信頼性は着実に向上しました。2塔式PSA酸素装置の単体能力も1000Nm³/h未満から現在の6000Nm³/hに成長し、³さらに多塔接続後は40,000Nm³/h以上に達しています。³同時に、単位酸素消費電力は0.32kWh/m³未満に低下し、³年間稼働率は98%以上に上昇しました。ブロワー騒音は85dB以下に低下し（消音対策により、 workshop外1mでの騒音は70dB未満に可能）、大径バタフライバルブの無故障率はほとんど8000時間以上に達し、モレキュラーシーブの寿命は5年以上に延長されました。エンドユーザーはPSA酸素製造装置に対する新たな理解を得て、その応用は拡大しました。2018年だけでも、中国では1000Nm³/hを超えるPSA酸素ユニットが70基以上設置されました。³、年間稼働率は98%以上にまで向上しました。ブロワーの騒音は85dB未満に低減され（防音対策により、工場外1mでの騒音は70dB未満に達します）、大口径バタフライバルブの無故障率は主に8000時間以上に達し、モレキュラーシーブの寿命は5年以上に延長されました。エンドユーザーはPSA酸素製造装置に対する新たな認識を持ち、その用途は拡大しました。2018年だけでも、中国では1000Nmを超えるPSA酸素ユニットが70基以上設置されました。³/h が中国で設置されました。

PKU Pioneerは、PSAモレキュラーシーブの輸入依存を変えるために継続的に努力し、同時にリチウムモレキュラーシーブおよびその他の類似製品で突破口を開き、それらの新しいモレキュラーシーブ製品の産業応用を達成しました。

優れた開発と改良により、PSA酸素生成技術は極低温技術と比較して大きな独自の利点を形成し、これにより様々な産業におけるPSA技術の幅広い応用がさらに促進されています。

3. PSA酸素生成技術の特徴

① 低エネルギー消費と低運転コスト

酸素製造プロセスにおいて、消費電力は総運転コストの90%以上を占めます。PSA酸素生成技術の継続的な最適化により、純酸素のエネルギー消費は、1990年代の0.45kWh/m³ から現在の0.32kWh/m未満に低減しました³ 、比較すると、大規模極低温空気分離装置の純酸素電力消費の最低値は約0.42kW·h/mに留まっています³、つまり、顧客が窒素を必要とせず、酸素純度や圧力に高い要求がない場合、PSA酸素生成は明らかに低コストの利点を持っています。

② シンプルなプロセス、柔軟な運転、迅速な起動・停止

極低温空気分離と比較して、運転圧力が-0.05～0.05MPaのPSA酸素生成プロセスは比較的シンプルです。主な動力設備はルーツブロワーとルーツ真空ポンプで構成され、どちらも操作が簡単でメンテナンスが容易です。PSA酸素発生装置は起動・停止時に冷却・加熱プロセスを含まないため、起動して目標酸素を生成するのに30分しか必要とせず、さらに短時間の中断後、システムは数分で酸素の生成を継続できます。さらに、停止は動力設備と制御プログラムをオフにするだけで完了するため、より簡単です。極低温設備と比較して、PSA酸素ユニットの起動・停止はより便利であり、これにより装置の運転コストが大幅に削減されます。

③ 低投資と短い建設期間

PSA酸素発生装置は主に動力システム、吸着システム、バルブ切替システムで構成されています。部品点数が少ないため、ユーザーは一度のコストを節約できます。同時に、設置面積が小さいため、建設・土地投資の削減にも役立ちます。さらに、主要ユニットの据え付け完了には4ヶ月未満で済み、通常の状況では6ヶ月以内に酸素製造が可能なため、極低温空気分離装置の建設と比較して製造・設置期間が短くなります。

④ シンプルな設備とメンテナンス

PSA酸素発生装置の構成部品、例えばブロワー、真空ポンプ、プログラム制御バルブなどは、サプライチェーンが高度に成熟しており、交換部品の入手が容易で、コスト削減と建設期間の管理を容易にします。さらに、PSA設備のメンテナンスはシンプルで、アフターサービスも便利です。極低温空気分離装置における大規模遠心圧縮機のメンテナンスと比較して、PSA酸素プラントは多額のメンテナンス資金を投資したり、専門の従業員を雇用する必要がありません。

⑤ 高いターンダウン比

極低温液体酸素技術と比較して、PSA酸素システムは消費電力（純酸素）にほとんど変化がない場合、製品ガス量と純度の迅速な調整を実現します。一般的に、能力は30%～100%の範囲で調整可能で、純度は70%～95%であり、特に複数セットのPSA酸素発生装置を並列接続した場合の負荷調整は非常に容易です。

⑥ 高い運転安全性

PSA酸素プラントの運転は常温常圧で行われ、液体酸素やアセチレンの濃縮などがないため、通常低温高圧で運転される極低温設備よりも安全です。

4. PSA酸素生成技術の主な用途

PSA酸素ユニットの容量が増加するにつれて信頼性が向上し、消費電力が徐々に減少すると同時に、柔軟な運転、簡単な負荷調整、低消費電力、短い建設期間、高い安全性といった顕著な利点により、PSA酸素製造技術は、酸素富化を柔軟に利用する必要がある産業において、極低温空気分離に代わるプロセスとなり得ます。PSA酸素生成プロセスは最近、鉄鋼製錬、非鉄金属冶金、化学工業、炉省エネ、セメントロータリーキルン、環境保護、ガラス・製紙などでも広く使用されています。

① 高炉酸素富化

技術の発展に伴い 高炉酸素富化 、高炉は製鉄所における主要な酸素源の一つとなり、高炉酸素富化適用の初期段階では、製鉄所全体の酸素供給調整役として扱うことができます。酸素量が多い場合は高炉酸素富化率が高く、酸素流量が不足している場合は低くなります。企業が製鉄プロセスにおける高炉酸素富化の重要性を徐々に認識するにつれて、酸素富化率の安定性は低コストで効率的な製鉄操業のための重要なパラメータとなります。製鉄所の酸素供給は多くの工程を必要とし、負荷は毎週あるいは毎日変動します。この場合、負荷調整が劣り起動・停止時間が長い極低温装置を採用すると、余剰酸素は液化後に貯蔵して後で使用するか、酸素消費が少なすぎる場合は市販品として販売する必要があり、時には酸素を排出することになります。高炉富化酸素の低圧力と低純度要件を考慮すると、多くの鉄鋼企業は高炉の近くにPSA酸素発生装置を設置し、高炉に直接酸素を供給するとともに、製鉄所全体の酸素供給の調整役として機能させることができます。酸素が余剰または不足している場合、PSA酸素発生装置はいつでも起動または停止して、酸素量を増減させ、高炉に安定した酸素を供給できます。現在、多くの鉄鋼企業はPSA酸素生成技術を採用して高炉に酸素を供給しており、大きな酸素コスト削減を達成しています。PSA酸素システムが高炉にとって信頼性の高い酸素富化源であることは、ほとんどの鉄鋼企業の間でコンセンサスとなっています。

② 電気炉製鋼

日本の電気炉製鋼 企業の約60%～70%が PSA技術を使用して製鋼用の93%酸素を製造しています。理論的には、電気炉製鋼は主にEAFに依存して溶解・製造を行い、酸素は補助的な効果しかないため、PSAプラントで製造された93%酸素は電気炉製鋼に使用できます。中国の企業、例えば池州貴航金属製品有限公司、遵義長嶺特殊鋼有限公司、瀘州益鑫鋼鉄有限公司などは、いずれもPSA酸素発生装置を使用して電気炉製鋼に酸素を供給し始めています。これらの企業からの実際のフィードバックによると、PSA酸素生成技術は鋼の品質に悪影響を与えないだけでなく、電気炉製鋼の生産コストを大幅に削減できます。この技術を採用した後、単位酸素コストは$0.0447未満に抑えることができます。

③ 非鉄金属冶金

過去10年間、PSA酸素生成技術は銅、鉛、亜鉛製錬企業から高い評価を得ています。負荷変動が大きいほとんどの非鉄金属製錬プロセスは、窒素をほとんど必要とせず、一般的に24%～90%の酸素を必要とします。操作が簡単で低消費電力であるという特徴から、PSA酸素生成技術は非鉄金属製錬に非常に適しています。現在、中国の非鉄金属製錬企業のほとんど、例えば銅陵有色金属集団、紫金鉱業集団、雲南銅業股份有限公司などは、酸素富化源としてPSA酸素プラントを選択しています。例えば、包頭華鼎銅業発展有限公司は、銅生産量の増加と銅製錬プロセスの改善により、4セットのPSA酸素ユニットを相次いで建設し、総酸素容量は25,000Nmを超えました。³/h。同様に、雲南楚雄銅製錬所は3セットのPSA酸素プラントを相次いで建設し、総酸素容量は30,000Nmに達しました。³/h増加させることになります。

④ 化学工業

現在、中小規模の窒素肥料工場における以前の断続的な酸素製造を改善するために、連続的な酸素富化生成プロセスが使用されており、酸素富化の供給源はほとんどがPSA酸素製造装置からです。酸素富化連続ガス化技術は石炭への適用性が高く、酸素製造装置の生産能力向上に寄与します。幅広い応用が期待されています。

⑤ 製紙

製紙において 製紙主に酸素脱リグニンや酸素漂白における白色化など、パルプ製造部門で酸素が使用されます。製紙工程では酸素純度が高くなくてもよく、窒素も不要なため、現在ほとんどの製紙工場がPSA技術を選択して酸素を生成しています。

⑥ その他の産業

現在、PSA酸素生成技術は他の分野でも広く使用されており、例えばガラス繊維製造、フロートガラスの酸素富化燃焼、セメントキルンや廃棄物焼却、下水処理における酸素富化曝気やオゾン発生装置などがあります。

5. PSA酸素生成技術開発の展望

PSA酸素製造技術は、過去20年間に急速に発展してきた新興技術であり、その技術的進歩と応用範囲の拡大により、多くの企業に徐々に認識されるようになりました。酸素製造のエネルギー消費を削減するため、新型吸着剤の開発や、膜分離や極低温プロセスとの連携を試みることにより、将来のPSA酸素製造技術のより広い応用分野を拡大することが重要な研究開発の方向性です。例えば、PSA酸素製造技術と膜分離技術を組み合わせることで、99%以上の酸素を得ることができ、遠隔地や一部の移動体需要において極低温空気分離に取って代わることができます。PKU Pioneerは、酸素発生業界の先駆的リーダーとして、効果的な投資を継続的に増やし、PSA技術の研究開発を重視することで、将来の発展において主導権を握りたいと考えています。PSA酸素生成技術がますます改良されるにつれて、将来においてより明るい応用展望を勝ち取るための複数の利点と大きな可能性を持つことは間違いありません。