중국 VPSA 및 PSA 산소 발생 기술의 개발 및 응용 혁신

지난 20년 동안 중국 경제는 꾸준하고 빠르게 발전해 왔습니다. 철강, 비철 금속, 화학, 용광로, 환경 보호 등 산업의 생산 공정이 지속적으로 업그레이드되고 혁신되면서 산소에 대한 수요가 증가하여 극저온 공기 분리 공정, VPSA 산소 생산 및 멤브레인 분리 기술과 같은 산소 생산 기술의 발전을 촉진했습니다. 생성된 산소의 낮은 순도는 멤브레인 분리 공정의 적응성을 제한하는 반면, 극저온 및 VPSA 공정은 큰 발전을 이루었습니다. 새로운 리튬계 흡착제의 국산화와 방사형 흡착탑 개발의 돌파 이후, VPSA 산소 생산 공정은 중국에서 널리 사용되며 사용자들의 적극적인 인정을 받았습니다.

VPSA 및 PSA 산소 발생 기술의 발전

VPSA(진공 압력 스윙 흡착) 산소 발생 기술은 1960년대에 개발되었으며 1980년대 초에 미국과 일본에서 차례로 산업화되었습니다. 최근 몇 년 동안 영구 자석 모터의 개발과 산소 생산 공정의 최적화로 해외 최저 전력 소비는 0.3kWh/m 미만으로 감소했습니다.³, 그리고 이중탑 산소 시스템의 최대 용량은 6000Nm을 초과했습니다.³/h입니다. VPSA 산소 생산 비용이 더욱 낮아지고 용량이 매년 증가하고 있습니다.

중국은 1980년대 후반에 VPSA 산소 발생 기술을 탐구하기 시작했으며, 1990년대 초에야 소규모 산업화 산소 장치가 등장했습니다. 2000년대 초, PKU Pioneer를 대표로 하는 고효율 리튬계 흡착제 생산 및 리튬 흡착제를 사용한 VPSA 산소 발생 공정의 산업화는 이 기술이 빠른 진전과 광범위한 보급을 이루도록 만들었습니다. 현재 PKU Pioneer가 구축한 이중탑 산소 장치의 유량은 6000Nm에 도달했습니다.³/h이며, 전력 소비(순수 산소)는 0.3kWh/m에 근접하고 있습니다.³.

중국에서 VPSA 산소 플랜트의 용량은 매년 증가하고 신뢰성은 꾸준히 개선되는 동시에 고효율 리튬계 흡착제의 안정적 생산, 방사형 흡수기 개발, 신뢰할 수 있는 고주파 및 대구경 버터플라이 밸브 개발과 같은 몇 가지 핵심 문제의 해결로 에너지 소비가 점차 감소했습니다. 또한 사양도 초기 단일 세트 이중탑 산소 플랜트의 1,000 Nm 미만에서³/h에서 오늘날 6,000 Nm³/h로 향상되었으며, 다중 탑의 병렬 연결 후 총 용량은 70,000 Nm³/h에 도달하고 단위 전력 소비는 0.32 kWh/m 미만으로 감소했습니다.³ 그리고 산소 플랜트의 98% 이상이 매년 성공적이고 원활하게 운영되었습니다. 송풍기의 소음은 85dB 미만 요구 사항을 충족했으며 소음 제거 조치를 통해 공장 외부 1m에서 70dB 미만으로 낮아졌습니다. 대구경 버터플라이 밸브의 무고장률은 일반적으로 8000시간 이상에 도달했으며 리튬 분자체의 수명은 5년 이상으로 연장되었습니다. 사용자들은 중국 VPSA-O2 장비에 대한 새로운 이해를 갖게 되었고 그 응용을 확대했습니다. 2018년에만 1000 Nm 이상 용량의 VPSA 산소 장치가 70세트 이상 구축되었습니다.³/h.

지속적인 노력을 통해 PKU Pioneer와 같은 중국 기업은 VPSA 산소 생산을 위한 수입 분자체 의존도를 바꾸고 리튬 분자체 및 기타 관련 제품에서 돌파구를 마련했으며 새로운 분자체 제품의 산업적 응용을 실현했습니다. VPSA 산소 발생 기술의 개발 및 개선을 통해 극저온 기술에 비해 많은 독점적 장점을 점차 보여주었으며, 이는 중국의 여러 산업에서 이 기술의 응용을 더욱 촉진했습니다.

VPSA 및 PSA 산소 발생 기술의 장점

1. 낮은 에너지 소비 및 운영 비용

전력 소비는 산소 발생 공정의 총 운영 비용의 90% 이상을 차지합니다. VPSA 및 PSA 산소 기술의 지속적인 최적화로 순수 산소 전력 소비는 0.45kW·h/m에서³ 1990년대의 0.32kW·h/m 미만에서³ 현재 대규모 극저온 ASU의 최저값이 약 0.42kW·h/m인 반면³극저온 기술과 비교하여 VPSA 및 PSA 산소 기술은 사용자가 질소를 필요로 하지 않고 산소 공정이 산소 순도 및 압력에 대한 요구사항이 높지 않은 작업 조건에서 명확한 경제적 이점을 제공합니다.

2. 간단한 공정, 유연한 운전, 쉬운 시동 및 정지

극저온 산소 발생 기술과 비교하여 VPSA 공정은 비교적 간단하며 작동 시간이 짧고 유지보수가 쉽습니다. 주요 동력 장비는 루츠 블로워와 루츠 진공 펌프로 구성되기 때문입니다. 시동 및 정지 중 냉각 및 가열 과정이 없으므로 VPSA 및 PSA 산소 장비가 시작부터 규격 산소를 생산하는 데 단 30분밖에 걸리지 않으며, 짧은 중단 후 재생하는 데는 몇 분밖에 걸리지 않습니다. 정지는 더욱 간단하여 동력 장비와 제어 프로그램만 끄면 됩니다. 따라서 VPSA 및 PSA 산소 발생 기술은 극저온 공정보다 더 쉬우며, 이는 산소 플랜트의 시동 및 정지 운전 비용을 크게 절감합니다.

3. 낮은 투자 및 짧은 건설 기간

VPSA 산소 유닛은 주로 동력 시스템, 흡착 시스템 및 밸브 전환 시스템 등을 포함한 소수의 구성 요소로 구성되어 일회성 투자를 크게 절약할 수 있습니다. 산소 유닛은 점유 면적이 작아 토목 공사 비용과 건설 부지를 줄일 수 있습니다. 또한 제조 및 가공 주기가 짧아 주요 장비 구성 요소는 단 4개월 이내에 납품될 수 있으며, 정상적인 상황에서는 6개월 이내에 산소 생산 요구 사항을 달성하여 극저온 공기 분리 장치의 거의 1년에 달하는 건설 기간에 비해 산소 시스템의 건설 기간을 크게 단축합니다.

4. 간단한 장비 구성 및 쉬운 유지보수

VPSA 산소 플랜트에 사용되는 블로워, 진공 펌프 및 프로그램 제어 밸브와 같은 장비는 모두 국내에서 생산 가능하므로 예비 부품을 편리하게 교체하여 비용을 절감하고 건설 기간을 통제할 수 있습니다. 간단한 장비 유지보수와 적시의 사후 서비스를 통해 VPSA 산소 플랜트 사용자는 극저온 공기 분리기에 사용되는 대형 원심 압축기의 유지보수에 비해 많은 비용과 전문 인력이 필요하지 않습니다.

5. 쉬운 부하 변동률 조절

극저온 액체 산소 기술과 비교하여 VPSA 및 PSA 산소 발생 공정은 순수 산소 전력 소비의 약간의 변동으로 제품 O2 용량 및 순도의 신속한 조정을 실현할 수 있습니다. 일반적으로 용량은 30%에서 100%까지, 순도는 70%에서 95%까지 조정 가능하며, 특히 여러 세트의 VPSA 및 PSA 산소 발생기가 병렬로 설치된 경우 부하 조정이 훨씬 더 쉽습니다.

6. 더 높은 운전 안전성

VPSA 산소 시스템은 저압 및 상온에서 작동하므로 액체 산소, 아세틸렌 농축 등의 현상이 발생하지 않아 극저온 산소 발생 공정의 저온 및 고압 작동과 비교하여 더 나은 안전성을 제공합니다.

VPSA 및 PSA 산소 발생 기술의 주요 적용 시나리오

용량 및 신뢰성 증가와 산소 전력 소비의 점진적 감소, 그리고 유연한 운전, 간단한 부하 변동률 조절, 낮은 전력 소비, 짧은 건설 기간 및 높은 안전성과 같은 장점으로 인해 VPSA 산소 발생 기술은 산소를 유연하게 활용해야 하는 산업에서 극저온 산소 발생의 대안이 되었으며 그 적용 범위는 해마다 확대되고 있습니다. 최근 몇 년 동안 VPSA 산소 생산 공정은 철강, 비철 금속, 화학 산업, 노 및 킬른, 환경 보호 등 다양한 산업에서 널리 사용되고 있습니다.

1. 고로 산소 부화

고로 산소 부화 기술의 발전에 따라 고로는 철강 기업의 주요 산소 소비원 중 하나가 되었습니다. 이 기술의 초기 적용 단계에서 고로는 산소 공급의 조절기 역할을 할 수 있으며, 산소 부화율이 높을수록 산소 유량이 상대적으로 많고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 고로 산소 부화 기술이 제철 공정에서 차지하는 중요성이 철강 공장에 분명해짐에 따라 안정적인 고로 산소 부화율은 저비용 및 효율적인 제철의 중요한 요소가 되었습니다. 철강 기업에는 많은 산소 공급 공정이 있기 때문에 부하 변동률은 매주 또는 매일 변동합니다. 극저온 공정의 약한 부하 변동률 조절과 긴 시동 및 정지 시간을 고려할 때, 산소 소비 유량이 낮을 때 과잉 산소는 액화되어 저장되어 나중에 사용하거나 판매되어야 하며 때로는 환기까지 발생합니다. 고로 산소 부화에 대한 저압 및 상대적으로 낮은 산소 순도 요구 사항을 고려하여 많은 철강 기업은 고로 근처에 직접 VPSA 산소 유닛을 구축할 수 있습니다. 한편, 조절기로서 극저온 공기 분리에 의한 산소량이 과잉 또는 부족할 때 VPSA 산소 유닛은 고로용 산소를 올리거나 내리기 위해 언제든지 시동 및 정지할 수 있습니다. 현재, 많은 철강 제조업체는 VPSA 산소 기술을 산소 공급에 채택한 후 산소 비용을 대폭 절감했습니다. 고로가 부화 산소 공급원으로 VPSA 산소 유닛을 채택하는 것은 대부분의 철강 기업에서 일반적인 인식이 되었습니다.

2. 전기로 제강

과거 대부분의 중국 철강 기업은 전기로 제강이 극저온 공기 분리 장치에서 생성된 순수 산소를 사용해야 한다고 믿었지만, 일본에서는 약 60%-70%의 제강업체가 VPSA-O2 시스템의 93% 산소를 사용하여 강철을 제조합니다. 이론적으로 전기로 제강은 주로 전기 아크 용해에 의존하며 산소는 보조적인 역할만 하므로 VPSA 산소 생산의 93% 산소는 전기로 제강에 완전히 적용될 수 있습니다. 현재까지 Luzhou Yixin Iron & Steel Co., Ltd., Zunyi Changling Special Steel Co., Ltd. 및 Chizhou Guihang Metal Products Co., Ltd.와 같은 중국 기업은 이미 전기로 제강용 산소 공급을 위해 VPSA 산소 플랜트를 채택하기 시작했습니다. 사용자 피드백에 따르면 VPSA 산소 시스템을 활용하면 강철 제품 품질에 부정적인 영향을 미치지 않으며 제강 생산 비용을 크게 절감할 수 있습니다.

3. 비철 금속

지난 10년 동안 VPSA 산소 발생 기술은 구리, 납 및 아연 제련 분야에서 높은 인정을 받았습니다. 대부분의 비철 금속 제련 공정은 일반적으로 24%~90%의 산소와 큰 부하 변동률 변동을 필요로 하며, N2는 비철 금속 제련 기업에 거의 필요하지 않으므로 VPSA 산소 생산 기술은 더 간단한 운전과 낮은 전력 소비 특성으로 비철 금속 제련에 적합합니다. 현재 Tongling Nonferrous Metals Group Co., Ltd., Zijin Mining Group Co., Ltd. 및 Yunnan Copper Co., Ltd.와 같은 대부분의 중국 비철 제련소는 부화 산소 공급원으로 VPSA 산소 플랜트를 선택했습니다. 구리 생산량 증가와 구리 제련 공정 개선으로 Baotou Huading Copper Development Co., Ltd.는 4세트의 VPSA 산소 유닛을 연속적으로 구축했으며 총 용량은 25,000Nm³/h를 초과했습니다. 또한 Yunnan의 Chuxiong Smelting Works는 구리 생산량 증가에 따라 3세트의 VPSA 산소 발생 유닛을 구축했으며 총 산소 소비량은 30,000Nm에 도달했습니다.³/h 증가합니다.

4. 화학

현재 일부 중국 중소 질소 비료 공장은 기존의 간헐적 가스 생산을 개선하기 위해 연속 부화 산소 발생 공정을 사용하며, 대부분 VPSA 기술을 사용합니다. 또한 산소 부화 연속 가스화 기술은 가스 생산 유닛의 능력을 향상시켜 석탄에 높은 적용성을 제공합니다. 또한 국내외 대부분의 제지 기업은 산소를 발생시키기 위해 VPSA 기술을 선택합니다. VPSA 산소 발생 기술은 유리 섬유 산업의 플로트 유리, 시멘트 킬른 및 폐기물 소각을 위한 산소 부화 연소, 폐수 산소 부화 폭기 처리 및 오존과 같은 다른 영역에서도 널리 사용됩니다.

VPSA 및 PSA 산소 발생 기술 개발의 비전

지난 20년 동안 빠르게 발전해 온 새로운 산소 발생 기술로서 VPSA 산소 발생 기술은 지속적인 기술 발전과 적용 분야 확장으로 많은 사용자에게 점차 인정받고 있습니다. 에너지 소비를 줄이기 위해 새로운 흡착 재료를 개발하고 멤브레인 또는 극저온 공정과 조정하여 상호 보완을 통해 더 많은 적용 분야를 확장하는 것은 미래 VPSA 산소 발생 기술의 중요한 연구 및 개발 방향입니다. 예를 들어, VPSA와 멤브레인 산소 기술의 결합은 99% 이상의 산소를 생산할 수 있으며, 이는 원격 지역이나 이동 장비가 필요한 일부 조건에서 극저온 공기 분리 장치의 대안이 됩니다. PKU Pioneer와 같은 VPSA 산소 생산에 종사하는 중국 기업은 R&D에 큰 중요성을 부여하고 투자를 강화하여 미래에 선도적인 위치를 차지하기 위해 노력하고 있습니다. VPSA-O2 생산 기술이 점점 더 개선됨에 따라 다양한 장점과 엄청난 잠재력을 가진 더 광범위한 적용 전망을 가지게 될 것입니다.