PSA 산소 발생 기술의 발전 현황 및 응용 혁신

1. 서문

지난 20년 동안 중국 경제는 안정적이고 빠른 발전 단계에 있었으며, 철강 제조, 비철 금속 야금, 화학 공업, 용광로 에너지 절약, 환경 보호, 유리 및 제지와 같은 산업의 생산 공정이 지속적으로 업그레이드되고 혁신되었습니다. 공정 최적화와 생산 능력 확장은 다양한 분야에서 산소에 대한 수요를 증가시켰고, 이는 결과적으로 산업용 산소 플랜트의 기술 발전을 촉진했습니다. 그 결과, 극저온 공기 분리, PSA 산소 발생 및 막 분리 공정을 포함한 전통적인 산소 발생 기술이 개선되었으며, 특히 PSA 산소 제조 기술이 큰 진전을 이루었습니다. 새로운 리튬 기반 흡착제와 방사형 흡수탑의 개발이 획기적으로 이루어진 후, PSA 산소 제조 기술은 널리 사용되며 최종 사용자로부터 큰 인정을 받았습니다.

2. PSA 산소 발생 기술의 발전

1960년대에 시작되었으며, 미국과 일본은 1980년대 초반에 연속적으로 산업화를 달성했습니다. PSA 산소 발생 기술 1990년대 초반, Praxair는 산소 발생용 리튬 분자체 흡착제와 이 흡착제의 특성에 기반한 VPSA 산소 발생 공정을 개발했습니다. 이중 용기 PSA 산소 장치의 최대 용량은 3000Nm³/h를 초과했으며,³전력 소비는 0.35kWh/m³로 감소하여 PSA 산소 생산 기술의 급속한 성장을 이끌었고, 그 광범위한 적용을 위한 견고한 기반을 마련했습니다.³최근 몇 년 동안, 영구 자석 모터의 개발과 산소 발생 공정의 최적화로 PSA 산소 플랜트의 최저 전력 소비는 0.3kWh/m³ 미만으로 낮아졌으며,

이중 흡수탑 장치의 최대 용량은 6000Nm³/h를 초과했습니다.³ PSA 산소 장비의 비용 절감과 제품 산소량 증가는 모두 PSA 산소 발생 공정의 응용 확대를 촉진했습니다.³중국은 1980년대 후반에 PSA 산소 발생 기술을 연구하기 시작했으며, 1990년대 초반에야 소규모 산업화 장비가 가능해졌습니다.

초기 PSA 산소 시스템은 CaA 분자체 흡착제를 사용했으며, 용량은 초기 20Nm³/h, 50Nm³/h, 100Nm³/h에서 1990년대 후반에 최대 1000Nm³/h에 도달했고,³전력 소비(순수 산소)는 0.5kWh/m³ 이상이었습니다.³많은 기업, 특히 철강 산업에서 PSA 산소 장비를 사용하는 기업들은 짧은 건설 기간, 안정적인 운영, 빠른 시동 및 정지의 장점에도 불구하고, PSA 장치 유지 보수의 과중한 작업량과 높은 비용으로 인해 극저온 분리 장비로 교체했습니다.³요약하면, 당시 PSA 장비는 장시간 운전을 견딜 수 없고 유지 보수가 너무 많으며 용량이 제한적이었기 때문에 동시대 국제 선진 수준과 뚜렷한 격차가 있었습니다.³2000년 초, PKU Pioneer가 대표하는 고효율 리튬 기반 흡착제 생산과 이 흡착제를 사용한 PSA 산소 생산 공정의 산업화 덕분에 PSA 산소 발생 기술은 빠르게 발전하고 널리 보급되었습니다.³현재 PKU Pioneer가 구축한 PSA 플랜트의 용량은 40,000Nm³/h에 도달했으며,

순수 산소 전력 소비는 0.3kWh/m³에 근접합니다.³고효율 리튬 기반 흡착제의 안정적인 생산, 방사형 흡수탑의 R&D, 높은 스위칭 주파수를 가진 신뢰할 수 있는 대구경 버터플라이 밸브와 같은 PSA 산소 발생 기술의 몇 가지 핵심 문제에 대한 솔루션을 통해 중국 PSA 산소 시스템의 용량은 매년 증가하는 반면 에너지 소비는 점차 감소하고 신뢰성은 꾸준히 향상되었습니다.³.

단일 이중탑 PSA 산소 장치의 용량은 1000Nm³/h 미만에서 현재 6000Nm³/h로 증가했으며,³다중탑 연결 후에는 40,000Nm³/h 이상으로 증가했습니다.³동시에 단위 산소 전력 소비는 0.32kWh/m³ 미만으로 낮아졌으며,³연간 가동률은 98% 이상으로 상승했습니다. 송풍기 소음은 85dB 미만으로 낮아졌으며(소음 방지 조치를 통해 작업장 외부 1m에서 소음은 70dB 미만까지 가능), 대구경 버터플라이 밸브의 무고장률은 대부분 8000시간 이상에 도달했고, 분자체의 수명은 5년 이상으로 늘어났습니다.³최종 사용자는 PSA 산소 생산 장비에 대한 새로운 이해를 갖게 되었고 그 응용 분야가 확대되었습니다. 2018년에만 1000Nm³/h를 초과하는 70개 이상의 PSA 산소 장치가 중국에 설치되었습니다.³PKU Pioneer는 PSA 분자체의 수입 의존도를 바꾸기 위해 지속적으로 노력했으며, 동시에 리튬 분자체 및 기타 유사 제품에서 획기적인 발전을 이루었고, 이러한 새로운 분자체 제품의 산업적 적용을 달성했습니다.

PKU Pioneer는 PSA 분자체의 수입 의존도를 바꾸기 위해 지속적으로 노력해 왔으며, 동시에 리튬 분자체 및 기타 유사 제품에서 돌파구를 마련하여 이러한 새로운 분자체 제품의 산업적 적용을 달성했습니다.

우수한 개발 및 개선을 통해 PSA 산소 발생 기술은 극저온 기술에 비해 엄청난 고유 장점을 형성하여 다양한 산업 분야에서 PSA 기술의 광범위한 적용을 더욱 촉진했습니다.

3. PSA 산소 발생 기술의 특징

① 낮은 에너지 소비 및 운영 비용

산소 생산 공정에서 전력 소비는 총 운영 비용의 90% 이상을 차지합니다. PSA 산소 발생 기술의 지속적인 최적화로 순수 산소 에너지 소비는 1990년대 0.45kWh/m³에서³ 현재 0.32kWh/m³ 미만으로 감소했습니다. 비교적으로, 대규모 극저온 공기 분리 장치의 최저 순수 산소 전력 소비는 약 0.42kW·h/m³에 머물러 있어,³ 이는 고객이 질소 수요가 없고 산소 순도와 압력 요구 사항이 너무 높지 않은 조건에서 PSA 산소 발생이 명백히 더 낮은 비용 이점을 가짐을 의미합니다.³(해당 줄은 위에 통합됨)

② 단순한 공정, 유연한 운영, 빠른 시동 및 정지

극저온 공기 분리와 비교하여, -0.05~0.05MPa의 작동 압력을 가진 PSA 산소 발생 공정은 상대적으로 더 간단합니다. 주요 동력 장비는 루츠 송풍기와 루츠 진공 펌프로 구성되며, 둘 다 작동이 간단하고 유지보수가 쉽습니다. PSA 산소 발생기는 시동 또는 정지 시 냉각 및 가열 과정을 포함하지 않으므로 목표 산소를 생산하는 데 30분만 필요하며, 단기 중단 후 시스템은 단 몇 분 만에 산소 생성을 계속할 수 있습니다. 또한 정지는 동력 장비와 제어 프로그램을 끄는 것만으로 훨씬 더 쉽게 수행됩니다. 극저온 장비와 비교하여 PSA 산소 장치는 시동 및 정지가 더 편리하여 장치의 운영 비용을 크게 줄입니다.

③ 낮은 투자 및 짧은 건설 기간

PSA 산소 발생기는 주로 동력 시스템, 흡착 시스템 및 밸브 전환 시스템으로 구성됩니다. 적은 수의 구성 요소로 사용자는 일회성 비용을 절약할 수 있습니다. 또한 작은 부지 면적은 건설 및 토지 투자를 줄이는 데 도움이 됩니다. 게다가 주요 장치를 완공하는 데 4개월 미만이 소요되며, 일반적으로 6개월 이내에 산소 생산이 가능하므로 제조 및 설치 기간이 극저온 공기 분리 장치 건설에 비해 더 짧습니다.

④ 간단한 장비 및 유지보수

PSA 산소 발생기의 구성 요소인 송풍기, 진공 펌프 및 프로그램 제어 밸브는 매우 성숙된 공급망을 가지고 있어 예비 부품 교체가 용이하고 비용 절감에 기여하며 건설 기간을 쉽게 관리할 수 있습니다. 또한 PSA 장비 유지보수는 간단하고 사후 서비스가 편리합니다. 극저온 공기 분리기의 대규모 원심 압축기 유지보수와 비교하여 PSA 산소 플랜트는 많은 유지보수 자금을 투자하거나 전문 직원을 고용할 필요가 없습니다.

⑤ 높은 턴다운 비율

극저온 액체 산소 기술과 비교하여 PSA 산소 시스템은 전력 소비(순수 산소)에 거의 변화가 없을 때 제품 가스량과 순도를 신속하게 조절할 수 있습니다. 일반적으로 용량은 30%~100% 범위 내에서, 순도는 70%~95% 범위 내에서 조정 가능하며, 특히 여러 세트의 PSA 산소 발생기를 병렬로 연결할 때 부하 조절이 훨씬 더 쉽습니다.

⑥ 높은 운영 안전성

PSA 산소 플랜트는 상압 및 상온에서 작동하며 액체 산소나 아세틸렌 농축 등이 없으므로 일반적으로 저온 및 고압에서 작동하는 극저온 장비보다 안전합니다.

4. PSA 산소 발생 기술의 주요 응용 분야

PSA 산소 장치의 용량이 증가하고 신뢰성이 향상되며 전력 소비가 점차 감소함에 따라, 또한 유연한 운영, 간단한 부하 조절, 낮은 전력 소비, 짧은 건설 기간 및 높은 안전성이라는 뛰어난 장점을 바탕으로 PSA 산소 생산 기술은 농축 산소의 유연한 활용이 필요한 산업에서 극저온 공기 분리의 대안 공정이 될 수 있습니다. PSA 산소 발생 공정은 최근 철강 제련, 비철 금속, 화학 산업, 노 에너지 절약, 시멘트 회전로, 환경 보호, 유리 및 제지 등에도 널리 사용되고 있습니다.

① 고로 산소 농축

기술의 발전으로 비용을 크게 절감했습니다. 기술 업그레이드는 에너지 절약 및 탄소 감축 목표를 지원하여 경제적 및 환경적 이점 모두에서 이중 개선을 제공합니다. 고로(BF)는 제철소의 주요 산소 공급원 중 하나가 되었으며, 따라서 고로 산소 농축 적용 초기 단계에서는 전체 제철소의 산소 공급 조절기 역할을 할 수 있습니다. 산소량이 많을 때는 고로 산소 농축율이 높고, 산소 흐름이 부족할 때는 낮습니다. 기업들이 제선 공정에서 고로 산소 농축의 중요성을 점차 인식함에 따라, 산소 농축율의 안정성은 저비용 및 효율적인 제선 작업을 위한 중요한 매개변수가 되었습니다. 제철소의 산소 공급은 많은 공정을 필요로 하며, 부하는 매주 또는 매일 변동합니다. 이 경우 부하 조절이 좋지 않고 시동 및 정지 시간이 긴 극저온 장치를 채택하면, 잉여 산소는 액화 후 저장하여 나중에 사용하거나 산소 소비가 너무 낮을 경우 상업용 제품으로 판매해야 하며, 때로는 산소를 방출해야 합니다. 고로 농축 산소의 저압 및 순도 요구 사항을 고려하여, 많은 철강 기업은 고로 근처에 PSA 산소 발생기를 설치하여 고로에 직접 산소를 공급하고 전체 제철소의 산소 공급 조절기 역할을 할 수 있습니다. 산소가 남거나 부족할 때 PSA 산소 발생기는 언제든지 시동 또는 정지하여 용량을 늘리거나 줄여 고로에 안정적인 산소를 공급할 수 있습니다. 현재 많은 철강 기업이 PSA 산소 발생 기술을 채택하여 고로에 산소를 공급하고 있으며, 상당한 산소 비용 절감을 달성했습니다. PSA 산소 시스템이 고로를 위한 신뢰할 수 있는 농축 산소 공급원이라는 것은 대부분의 철강 기업 간의 합의가 되었습니다.

② 전기로 제강

일본 전기로 제강 기업의 약 60%~70%가 PSA 기술을 사용하여 93% 산소를 생산하여 제강에 사용합니다. 이론적으로 전기로 제강은 주로 전기 아크로(EAF)에 의존하여 강을 제련 및 제조하며, 산소는 보조적인 역할만 합니다. 따라서 PSA 플랜트에서 생산된 93% 산소는 전기로 제강에 사용될 수 있습니다. 중국의 지추이 구이항 금속 제품 유한공사, 쭌이 창링 특수강 유한공사, 루저우 이신 철강 유한공사와 같은 기업들은 모두 전기로 제강에 산소를 공급하기 위해 PSA 산소 발생기를 사용하기 시작했습니다. 이들 기업의 실제 피드백에 따르면, PSA 산소 발생 기술은 강철 품질에 해를 끼치지 않을 뿐만 아니라 전기로 제강의 생산 비용을 크게 줄일 수 있습니다. 이 기술을 채택한 후 단위 산소 비용은 0.0447달러 미만으로 제어할 수 있습니다. (해당 줄은 위에 통합됨)

③ 비철 금속

지난 10년 동안 PSA 산소 발생 기술은 구리, 납 및 아연 제련 기업으로부터 높은 인정을 받았습니다. 부하 변동이 큰 대부분의 비철 금속 제련 공정은 질소를 거의 필요로 하지 않으며 일반적으로 24%~90% 산소를 필요로 합니다. 간단한 운영 및 낮은 전력 소비의 특성으로 인해 PSA 산소 발생 기술은 비철 금속 제련에 매우 적합합니다. 현재 중국의 통링 비철 금속 그룹, 쯔진 광업 그룹, 윈난 구리 유한공사와 같은 대부분의 비철 제련 기업들은 PSA 산소 플랜트를 농축 산소 공급원으로 선택했습니다. 예를 들어, 바오터우 화딩 구리 개발 유한공사는 구리 생산량 증가와 구리 제련 공정 개선으로 인해 연속적으로 4세트의 PSA 산소 장치를 구축했으며, 총 산소 용량은 25,000Nm³/h를 초과했습니다.³/h. 마찬가지로, 윈난 추슝 구리 제련소는 연속적으로 3세트의 PSA 산소 플랜트를 구축했으며, 총 산소 용량은 30,000Nm³/h입니다.³/h 증가합니다.

④ 화학 산업

현재, 중소형 질소 비료 공장의 이전 간헐적 산소 생산을 개선하기 위해 연속적인 산소 농축 생산 공정이 사용되며, 농축 산소의 공급원은 대부분 PSA 산소 생산 장비에서 비롯됩니다. 산소 농축 연속 가스화 기술은 석탄에 대한 적용성이 높아 산소 생산 장치의 생산 능력 향상에 유리하며, 광범위한 적용 전망을 가지고 있습니다.

⑤ 제지

제지에서 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.(해당 줄은 위에 통합됨)

⑥ 기타 산업

현재 PSA 산소 발생 기술은 유리 섬유 제조, 플로트 유리의 산소 농축 연소, 시멘트 킬른 및 폐기물 소각, 폐수 처리에서의 산소 농축 폭기 및 오존 발생기 등 다른 분야에서도 널리 사용되고 있습니다.

5. PSA 산소 발생 기술 발전에 대한 비전

PSA 산소 생산 기술은 지난 20년 동안 빠르게 발전해 온 신생 기술로, 기술 발전과 응용 분야 확장을 통해 점차 많은 기업의 인정을 받고 있습니다. 산소 생산의 에너지 소비를 줄이기 위해, 새로운 유형의 흡착제를 개발하고 막 분리 또는 극저온 공정과의 결합을 시도함으로써 미래 PSA 산소 생산 기술의 더 큰 응용 분야를 확장하는 것이 중요한 연구 개발 방향입니다. 예를 들어, PSA 산소 생산 기술과 막 분리 기술을 결합하면 99%+ 산소를 얻을 수 있어, 원격 지역이나 일부 이동 요구 사항에서 저온 공기 분리를 대체할 수 있습니다. 산소 발생 산업의 선구적인 리더로서 PKU Pioneer는 지속적인 효과적인 투자 증가와 PSA 기술의 연구 개발에 대한 높은 중요성을 통해 미래 발전에서 주도권을 잡기를 희망합니다. PSA 산소 발생 기술이 점점 더 개선됨에 따라, 미래에 더 밝은 응용 전망을 얻을 수 있는 여러 장점과 엄청난 잠재력을 가질 것이 확실합니다.