펄프 표백에서 VPSA 및 PSA 산소 생산 기술의 응용

많은 선진국에서 제지 산업은 국민 경제의 10대 기반 산업 중 하나이지만, 폐수 처리는 까다롭습니다. 제지 공장의 염소 함유 표백 폐액에는 COD와 BOD뿐만 아니라 다른 고독성 물질도 포함되어 있습니다. 기존의 CEH 3단계 펄프 표백 방법을 새로운 완전 염소 무함유(TCF) 또는 원소 염소 무함유(ECF) 표백으로 대체하는 것은 펄프 및 제지 산업의 환경 오염에 대한 효과적인 해결책입니다. 산소 자체는 환경에 독성이 없고 오염 물질이 아니기 때문에, 산소 탈리그닌후, 후속 공정에서 표백제 및 폐수 양을 50%까지 줄일 수 있습니다. 따라서 산소 펄프 표백은 청정 표백 공정 개발에 필수적인 단계가 되었습니다. 최근 몇 년간, 환경 보호에 대한 더 엄격한 요구로 인해 글로벌 제지 산업에서 산소 표백에 대한 관심이 증가하고 있습니다.

일반적으로 사용되는 산업용 산소 생산 기술에는 극저온 공기 분리 및 VPSA(진공 변압 흡착) 방법이 있습니다. 극저온 공기 분리 장치는 높은 투자 비용과 에너지 소비, 그리고 많은 운영 및 유지 관리 작업이 필요하며, 시작 및 중단이 불편하고 전체 비용이 높아 펄프 기업의 표백 장비 지원을 위한 이상적인 산소 공급원 옵션이 아닙니다. VPSA 산소 플랜트 더 간단한 구성, 더 쉬운 운영 및 유지 관리, 상대적으로 작은 투자 및 낮은 운영 비용, 단 20분의 시작 시간과 93%의 산소 순도라는 장점이 있으며, 펄프 공장의 산소 소비 범위가 일반적으로 200-5000Nm³³/h로 중소형 VPSA 산소 생산 용량에 해당하기 때문에 펄프 표백 공정의 요구 사항을 완전히 충족할 수 있습니다. 또한 VPSA 산소 시스템의 에너지 소비는 0.29-0.32kWh/Nm³³으로 극저온 공기 분리 장치보다 30% 낮습니다. 현재 VPSA 산소 발생 기술은 중국의 30개 이상의 펄프 공장에 적용되었으며, Double A(태국) PLC 및 벨로루시의 펄프 공장과 같은 글로벌 유명 제지 기업으로 확장되었습니다.

1. VPSA-O2 시스템 기술 프로세스

그 VPSA 및 PSA 산소 장치의 기술 원리는 고체 흡착제의 가스 성분에 대한 다양한 흡착 용량을 기반으로 산소를 분리하는 것입니다. 다공성 고체 흡착제가 가스와 접촉할 때, 가스가 내부 또는 표면에 수용되는 현상을 고체 흡착제의 가스 흡착이라고 하며, 흡착제에 의해 흡착된 원자 또는 분자가 공기로 돌아가는 것을 탈착이라고 합니다.

분자체가 다양한 압력에서 공기 중 질소와 산소에 대한 흡착 용량이 다르다는 원리를 이용하여, VPSA 및 PSA 산소 발생기의 흡착기는 흡착, 감압, 진공 탈착, 퍼지 및 재가압 단계의 주기적 전환을 통해 산소와 질소의 분리를 실현합니다. 특정 압력 하에서 제올라이트 분자체 흡착제가 장착된 흡착층을 공기가 통과할 때, 질소는 분자체에 흡착되는 반면 산소는 덜 흡착되어 기체 상에 농축되어 흡착층 밖으로 흘러나옵니다. 분자체가 포화 상태에 가까워지면 공기 공급을 중단하고 흡착층의 압력을 낮추면 분자체에 흡착된 질소가 탈착되어 분자체의 재생 및 재사용이 가능해집니다. 두 개 이상의 흡착층이 교대로 작동하면 산소를 연속적으로 생산할 수 있습니다. 연속적으로 얻어진 제품 산소는 흡착기 상단에서 버퍼 탱크로 배출된 후, 산소 부스터로 가압되어 산소 펄프 표백 공정으로 보내집니다. 위 과정에서 각 흡착기는 동시에 서로 다른 작동 단계에 있으며, PLC 시스템의 제어 하에 밸브가 정기적으로 전환되어 고객 요구 사항을 충족하는 제품 산소를 생산합니다.

2. 흡착기 (흡착탱크)

중국 최대 VPSA 산소 발생 장비 공급업체인 PKU Pioneer의 VPSA-O2 유닛은 병렬 2-흡착기 공정을 채택하여 고객 요구에 따라 산소 용량을 유연하게 맞춤 설정할 수 있습니다. PKU Pioneer의 최신 VPSA 산소 발생 공정은 수직 방사형 흡착탑을 사용하며, 기존 축류형에 비해 흡착층이 더 얇고 저항 및 기류 감압이 작아 동력 장비의 배기 압력과 에너지 소비를 10%~15% 줄여 뛰어난 에너지 절감 효율을 보여줍니다. 또한 원통형 베드 구조는 점유 면적이 작아 건설 비용도 효과적으로 절약할 수 있습니다.

2.1 분자체의 선정 및 적용

일반적으로 사용되는 분자체 흡착제로는 5A, 10X, 13X, N-2, CaA, NaX, CaX, LiX, CNA-198, Li.X.RE, HX5A-980 등이 있습니다. 일반적인 CaA 분자체를 예로 들면, CaA 분자체가 충진된 흡착탑에 공기가 통과할 때 질소의 사중극자 모멘트가 산소보다 훨씬 크고 CaA 분자체 미세기공 표면의 Ca2+가 O2보다 N2를 더 효과적으로 흡착하기 때문에 N2가 우선적으로 흡착되어 산소가 생성 가스로 흡착탑 밖으로 나옵니다.

그러나 CaA 분자체 흡착제의 질소에 대한 흡착 용량과 선택성은 여전히 충분히 높지 않아 VPSA 산소 발생 유닛의 산소 수율이 낮고 에너지 소비가 높습니다. CaA 및 NaX 분자체 흡착제와 비교하여 LiX 분자체는 산소 생산 효율이 더 높습니다. 동일한 산소 용량에 더 적은 양의 LiX 분자체를 사용할 수 있어 VPSA 및 PSA 산소 발생기의 에너지 소비와 크기를 줄일 수 있습니다. LiLSX 분자체의 질소 흡착 능력은 공기 중 산소 성분에 대한 흡착 능력보다 크며, 이는 더 높은 리튬 이온 교환도와 더 작은 Li+ 반경 때문입니다. LiLSX 분자체의 Li+ 수는 CaA 분자체 흡착제의 Ca2+ 수의 두 배이며, 질소 및 산소 분리 계수는 기존 산소 분자체의 2~5배이므로 리튬 분자체가 더 많은 질소를 흡착할 수 있습니다. VPSA 및 PSA 산소 유닛에 적용될 때, LiLSX 분자체 소비량은 CaA 분자체의 1/4~1/5에 불과하여 총 투자 비용을 낮추고 산소 수율을 높이며 전력 소비를 크게 줄이는 데 도움이 됩니다.

산업용 및 의료용 PKU Pioneer 고효율 리튬계 산소 분자체 흡착제 PU-8

2.2 흡착기 내부 구조

VPSA 산소 흡착기의 내부 구조가 비합리적으로 설계되면 기류의 충격으로 인해 흡착기에 충진된 분자체가 과도하게 이동하거나 심지어 분쇄될 수 있습니다. 특히 분자체를 장기간 사용하면 분자체 사이의 간격이 점차 줄어들고 흡착층이 하강합니다. PKU Pioneer는 20년 이상의 엔지니어링 경험을 통해 흡착기 구조 설계에 많은 최적화 및 개선을 이루었으며, 흡착층 내 비활성 영역을 줄이고 기류가 분자체에 직접 충돌하는 것을 방지하며 분자체 수명을 연장할 수 있는 보다 합리적인 기류 분배 시스템을 개발했습니다.

흡착기에는 분자체가 충진되어 있으며, 분자체의 흡착 및 탈착은 기류 속도에 직접적인 영향을 받습니다. 기류가 느릴수록 분자체 흡착 및 탈착에 유리합니다. 축류 흡착탱크에서 하단에서 상단으로 흐르는 축류와 비교하여, 방사형 흡착기에서는 흡착제가 기류와 완전히 접촉하며, 기류 방향이 흡착 및 탈착에 더 유리합니다. 흡착 단계에서 기류가 외부에서 내부로 흐름에 따라 N2가 점차 흡수되고 가스량이 감소합니다. 방사형 흡착탑 유로의 단면적도 외부에서 내부로 점차 좁아집니다. 이 구조는 흡착제의 종합 활용 효율을 높이고 흡착층의 안정성을 향상시킵니다. 기류 방향은 중력 방향과 수직이어서 분자체에 대한 세척 효과를 효과적으로 줄이고 수명을 연장합니다.

합리적인 압축 장비는 분자체가 상호 충돌로 인해 분쇄되는 것을 방지할 수 있습니다. PKU Pioneer의 특허 기술, 즉 분자체 기계적 균질 회전 충진 및 자동 멤브레인 압축 시스템은 흡착제에 균일한 힘이 가해지도록 하여 분자체가 고르게 압축되고 평탄화되며 흡착층 상단이 쉽게 분쇄되지 않아, 산소 발생기의 생산 능력에 영향을 주거나 진공 펌프로 배출되는 흡착제 분말로 인한 산소 순도 저하를 방지하여 VPSA 산소 장비의 안정적인 운영을 보장하고 분자체 흡착제의 활용 효율을 더욱 향상시킵니다. 현재 PKU Pioneer는 중국에서 10년 이상 운영 중인 산소 생산 프로젝트를 가장 많이 보유하고 있으며 우수한 지표를 자랑하여 고객의 안정적인 산소 공급을 위한 확실한 보증을 제공합니다.

3. 공정 내 기타 장비 및 구성 요소

3.1 송풍기

정압 원심 송풍기는 산소 유량이 압력에 따라 지속적으로 변합니다. 용량을 조정할 수는 있지만 최적 설계 값에서 벗어나면 효율이 급격히 저하됩니다. VPSA-O2 플랜트에서는 흡착기에 가압 공기를 공급하기 위해 일반적으로 정풍량 루츠 송풍기를 사용하여 공기를 가압하며, 그 결과 압력이 변해도 산소 용량이 기본적으로 안정적으로 유지되어 흡착층에 미치는 영향이 적고 분자체 흡착에 유리합니다. VPSA 산소 시스템에서 루츠 송풍기의 효율은 원심 송풍기보다 높으며, 실제 운영을 통해 에너지 소비 지표도 가장 낮은 것으로 입증되었습니다.

3.2 진공 펌프

루츠 진공 펌프는 시동이 빠르고 최종 진공도가 높습니다. 펌프 전동 부품은 강력한 백래시 방지 구조로 되어 있어 짧은 시간 내에 최적의 진공 레벨을 달성할 수 있습니다. 펌프 챔버 내에는 슬라이딩 부품이 없고 오일 윤활이 필요하지 않아 오일 증기에 의한 시스템 오염을 방지합니다. 또한 낮은 전력 소비, 낮은 운영 및 유지 보수 비용, 더 빠른 펌핑 속도 및 효율성, 더 안정적인 작동 등과 같은 중요한 장점이 있습니다.

3.3 산소 부스터

VPSA 산소 발생 시스템에서는 피스톤형, 루츠형 및 원심형 산소 부스터가 사용되며, 그중 피스톤형 산소 부스터가 일반적으로 사용됩니다. 산소는 온도, 오일 및 불꽃에 민감하므로 산소 부스터 고장은 흡착기 작동에 영향을 줄 수 있습니다. 피스톤형 산소 부스터를 사용하는 경우 실린더 배기 온도의 급격한 상승과 윤활유와 산소의 혼합으로 인한 인터록 정지를 방지해야 합니다. 루츠형 산소 부스터를 사용하는 경우 반경 방향 및 축 방향 모두에서 불평형 더블 메카니컬 씰을 구현할 수 있습니다.

4. 제어 시스템

4.1 전환 밸브

전환 밸브는 PLC 제어 밸브라고도 합니다. 송풍기 출구 밸브, 진공 송풍기 입구 밸브, 제품 산소 출구 밸브, 퍼지 밸브, 평형 밸브 (압력 균등화 밸브) 등은 흡착기가 흡착, 감압, 정방향 및 역방향 탈착 및 퍼지 구간을 정상적으로 진행할 수 있도록 합니다. 일반적으로 공압식이며 DCS 또는 PLC에 연결할 때 컴퓨터 프로그램으로 제어할 수 있어 전환 주기가 짧을 뿐만 아니라 최대 15년의 긴 수명을 가지며 1년 동안 연속 작동 후 수백만 번 전환할 수 있습니다.

4.2 계측 장비

VPSA 산소 장비의 계측 제어 시스템은 PLC 시스템으로 제어됩니다. 안전하고 신뢰할 수 있으며 고급 계측 장비는 원활한 운영의 모니터링 및 제어 요구 사항을 충족하는 데 중요합니다.

(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.

VPSA 산소 생산 기술의 발전과 함께 VPSA-O2 유닛은 투자 비용이 적고, 전력 소비가 낮으며, 더 안정적이고 신뢰할 수 있는 운영, 효과적인 이점 및 더 높은 경제성으로 인해 많은 제지 공장에서 점차 인정받고 있습니다. VPSA 및 PSA 산소 생산 장비의 글로벌 최대 공급업체인 PKU Pioneer는 Sun Paper Group, Double A PLC와 같은 세계적인 제지 기업에 경제적이고 신뢰할 수 있는 산소 발생 솔루션을 제공하여 고객이 에너지를 절약하고 비용을 대폭 절감하여 전체 제지 제조 공정의 효율성을 향상시키도록 돕고 있으며, 이는 업계의 자원 재활용 및 지속 가능한 발전을 촉진하는 데 산소는 주로 펄프 제조 부문, 예를 들어 산소 탈리그닌 및 산소 표백에서의 백색화에 사용됩니다. 제지 공정은 높은 산소 순도를 요구하지 않으며 질소도 필요하지 않기 때문에 대부분의 제지 공장은 현재 PSA 기술을 선택하여 산소를 생산합니다. 중요한 실질적 의미를 가집니다.