래들 가열에서 VPSA 산소 발생 기술의 응용

2020년 중국의 조강, 선철 및 철강 생산량은 각각 10억 5,300만 톤, 8억 8,752만 톤, 13억 2,489만 톤으로 전년 대비 각각 5.2%, 4.3%, 7.7% 증가했습니다. 조강 생산량은 세계 총 생산량의 58%를 차지했습니다. 2011년부터 2020년까지 중국의 제조업과 조강 생산량은 연평균 각각 7.9%와 5.1%씩 증가하며 중국 경제의 고품질 발전을 뒷받침했습니다. 중국의 철강 톤당 총 에너지 소비량은 2000년 920kgce/t에서 2017년 567kgce/t로 감소했지만, 철강 산업의 에너지 소비는 여전히 전체 산업 부문의 20~25%, 국가 전체의 15%를 차지합니다. 중국 철강 산업의 탄소 배출량은 전체의 15%를 차지하여 제조업 31개 업종 중 최대 탄소 배출원입니다.

최근 몇 년간 전 세계적인 환경 및 기후 문제가 점점 더 두드러짐에 따라, 전 세계 철강 및 제련 기업들은 에너지 절약 및 친환경 생산에 심각한 도전을 받고 있습니다. 중국의 많은 기업들은 '탄소 피크 및 탄소 중립'이라는 '이중 탄소 목표'의 맥락에서 새로운 에너지 절약 및 친환경 생산 조치를 모색하고 있습니다. 산소 농축 및 산소 연소에 대한많은 이론적 연구와 산업 시험이 수행되어 왔으며, 이는 기업들의 산소 공급원과 경제성에 대한 관심을 불러일으켰습니다.

1. VPSA 산소 발생 기술

1.1 공정 설명

VPSA는 가압 흡착 및 진공 탈착을 통한 산소 발생 공정입니다. 산소 분자체의 공기 중 서로 다른 가스에 대한 흡착 능력에 따라, 공기 중의 N2를 가압하여 흡착하여 O2를 생성합니다. 흡착제는 N2의 진공 탈착 후 재생되어 안정적인 산소 공급을 실현합니다. 압축 공기가 흡착제(제올라이트 분자체)를 통과할 때, 많은 양의 N2가 포집되어 흡착되고 산소 분자는 질소 분자로부터 분리됩니다. 압력이 떨어지면 제올라이트 분자체에 흡착된 N2가 방출되어 분자체를 재생합니다. 실제 작업에서는 흡착제의 Ar과 O2에 대한 흡착 용량이 기본적으로 동일하기 때문에, VPSA 공정으로 수집된 O2의 순도는 Ar과 N2가 완전히 흡착되지 않아 95% 미만입니다.

1.2 기술 흐름

진공 압력 스윙 흡착(VPSA)은 송풍기, 진공 펌프, 전환 밸브, 흡착탑 및 버퍼 탱크로 구성됩니다. Roots 송풍기에 의해 압축된 공기는 입구 영역의 필터에서 먼지 입자를 제거한 후 흡착 용기로 공급됩니다. 흡착기에는 흡착제가 충전됩니다. H2O, CO2 및 소량의 다른 가스 성분이 먼저 흡착되고 N2는 산소 분자체에 의해 흡착되는 반면, O2(Ar 포함)는 비흡착 성분으로서 흡착기 하단 출구에서 흘러나와 버퍼 용기로 제품 가스로 유입됩니다.

흡착제가 N2로 완전히 포화되면, 전환 밸브는 진공 펌프를 작동시켜 흡착기(흡착 반대 방향)를 배기하고 흡착된 H2O, CO2, N2 및 기타 가스를 대기로 배출하여 흡착제를 재생합니다.

요약하면, 공기는 송풍기 전 필터를 통해 가압된 상태로 방사형 흡착 용기로 보내지며, 두 개의 방사형 흡착기가 교대로 작동하여 흡착 및 탈착 사이클을 완료합니다. 생성된 O2는 버퍼 탱크로 유입되어 압력을 안정화시킴으로써 안정적인 저압 O2 외부 공급을 형성합니다.

1.3 기술적 장점

야금 산업에서 VPSA 산소 발생이 널리 적용되는 것은 심냉 공기 분리 공정에 비해 독특한 기술적, 경제적 이점 덕분입니다.

(1) 간단하고 안정적인 공정, 적은 보조 및 이동 장비, 낮은 운영 및 유지보수 비용.

(2) 독립적으로 통합된 완전 세트, 유연한 운영 및 생산, 50~100% 부하 조절로 생산 변동에 대응, 30분 이내의 빠른 시동 및 정지.

(3) 더 작은 설치 면적, 더 낮은 투자 비용. 2,000~15,000Nm³/h의 유량은³다양한 공정의 요구를 더 잘 충족할 수 있습니다. 중국의 산업 부문에서는 20,000Nm³/h에서³50,000Nm³/h에 이르는 대규모 VPSA 산소 유닛이³이미 일반적으로 적용되고 있습니다.

(4) 저압 O2는 대부분의 야금 기업에서 연소에 필요한 저압 산소 수요와 더 잘 일치하며 동시에 고압 O2에 사용되는 압축기의 에너지 소비를 절약합니다.

(5) 낮은 산소 생산 비용. 산소 농축 또는 산소 연소 기술을 통해 천연가스를 절약하여 기업의 생산 비용을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 약 ￥0.2~0.3/Nm³의 비용은³ 전통적인 심냉 공기 분리의 ￥0.5/Nm³보다 훨씬 낮습니다.³.

2. 응용 사례

중국의 한 철강 회사는 3기의 레들 가열 시스템(120t)을 개조했습니다. 기존의 공기 지원 천연가스 연소를 산소 연소로 업그레이드하여, 즉 천연가스가 VPSA 산소 유닛에서 공급되는 91% 산소 가스의 지원을 받도록 했습니다. VPSA 산소 발생 시스템의 산소 용량은 800Nm³/h이며,³순도는 ≥91%로, 3기의 레들 히터 동시 사용과 제철소 내 이용 가능한 잔여 O2 보충을 고려한 것입니다.

3. 주요 개조 사항

(1) 버너 및 연소 시스템 개조

버너는 고속 천연가스 및 산소 노즐을 사용합니다. 중앙 천연가스 노즐, 중앙 1차 산소 공급 및 편심 2차 산소 공급을 포함한 단계적 산소 공급이 채택됩니다. 버너는 일체형으로 장착되며 가열 용량은 2MW, 정격 천연가스 유량은 200Nm³/h,³발열량은 33,440 kJ/Nm³입니다.³.

기존 연소 시스템은 개조되어 기존 송풍기 및 배관 시스템을 제거하고 유량 조절 밸브와 비상 차단 밸브를 포함한 새로운 산소 공급 제어 밸브 세트를 구축하여 산소 공급의 안전을 보장했습니다.

(2) 자동 제어 업그레이드

원래 제어 시스템을 업그레이드하여 천연가스와 산소 부피비 제어를 기반으로 긴급 경보, 자동 차단 또는 가열을 구현합니다.

(3) 기타 개조

버너의 크기와 부하 요구 사항을 수정하여 레이들 커버의 구조, 윈치 권양 장치, 레이들 커버 내부의 내화물 및 회전 암을 그에 맞게 개조했습니다.

4. 효과 분석

4.1 에너지 절감 및 배출 감소

개조 전 120t 레이들의 평균 천연가스 소비량은 227Nm³/h였습니다.³업그레이드 후 131.6Nm³/h로 감소하여 평균 95.4Nm³/h(42%)를 절약했으며,³315.84Nm³/h의 O₂ 소비도 동시에 절감되었습니다.³각 레이들 가열 장치의 사용 빈도를 연간 6,000시간으로 고려하면,³연간 572,400Nm³의 천연가스를 절약할 수 있습니다. 또한 천연가스의 발열량을 33,440 kJ/m³으로 잡으면,³ 사용자는 연간 654.1 tce를 절약하고 21,124.4 t/a의 CO₂ 배출을 줄일 수 있습니다. 즉, 레이들 히터에 유입되는 1Nm³의 O₂당³0.3Nm³의 천연가스를 절약하고,³ 1.96 kg의 CO₂ 배출을 줄일 수 있습니다.³ 4.2 경제적 이점

파이프라인으로 공급되는 천연가스의 연평균 가격은 ￥3.5/Nm³이며,

VPSA-O₂ 플랜트에서 공급하는 산소는 운영, 유지보수 및 인건비를 고려할 때 ￥0.4/Nm³에 불과합니다.³ VPSA 기술로 생산된 산소의 순도는 ≥91%입니다. 천연가스를 완전 연소시키기 위해 산소 함량은 약 3%로 제어되며, 산소 대 천연가스 비율은 2.4로 유지됩니다. 따라서 개조 후 평균 O₂ 소비량은 131.6 m³/h × 2.4 = 315.84 m³/h입니다.³ 다른 요소를 고려하지 않을 경우, 히터 하나의 산소 비용 = 315.84 × 6,000 × 0.4 = ￥758,016/년, 절약된 천연가스 = 95.4 × 6,000 × 3.5 = ￥2,003,400/년이므로, 개조 후 히터 하나의 직접적인 경제적 이점 = 절약된 천연가스 비용 - 산소 비용 = ￥1,245,000/년입니다.³5. 결론³/h 증가합니다.

(1) VPSA 산소 생산은 심냉 공정에 비해 고유한 기술적 장점이 있으며, 야금 산업의 가변 부하를 동반한 낮은 산소 소비 요구에 더 잘 적응합니다. 이는 투자, 건설 토지, 운영 및 유지보수 등의 비용과 위험을 줄이는 데 도움이 되며, 사용자가 기존 생산 공정을 최적화하고 업그레이드하는 데 도움이 됩니다.

(2) VPSA 산소 생산의 총 비용이 약 ￥0.4/Nm³일 때, 순산소 연소를 적용한 후 1Nm³의 산소는 0.3Nm³의 천연가스를 절약하고 약 1.96 kg의 CO₂ 배출을 줄입니다. 종합적으로 연간 약 ￥1,245,000의 생산 비용을 절약할 수 있어 상당한 경제적 및 환경적 이점을 제공합니다.

(3) 현재 히터의 공기 대 가스 비율은 2.4이며, 연도 가스 내 잔류 산소 함량은 약 3%로 측정됩니다. 산소 농축 연소의 연소율과 화염 전파 속도를 고려할 때, 산소 대 연료 비율은 여전히 추가 최적화 가능성이 있습니다.

(4) 본 논문은 VPSA 산소 장비와 레이들 가열 시스템의 동시 생산을 분석하며, VPSA 산소 발생 기술은 고로 산소 농축 연소 및 전기로 제강과 같은 다른 공정에도 널리 적용됩니다. 이는 사용자의 효율성과 수익성을 개선하는 데 중요합니다.³2020년 중국의 조강, 선철 및 철강 생산량은 각각 10억 5,300만 톤, 8억 8,752만 톤, 13억 2,489만 톤이었습니다.³ 산소 0.3Nm³ 절감³ 천연가스 절약 및 약 1.96kg의 CO₂ 배출 감축. 종합적으로 연간 약 1,245,000위안의 생산 비용을 절감할 수 있어 상당한 경제적·환경적 이점을 제공함.

2026년 4월 21일 화요일 09:06:21 +0000

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