Состояние развития и инновации в применении технологии получения кислорода методом PSA

1. Введение

За последние 20 лет экономика Китая находилась на стадии стабильного и быстрого развития, когда производственные процессы в таких отраслях, как производство стали и чугуна, цветная металлургия, химическая промышленность, энергосбережение в печах, охрана окружающей среды, стекольная и бумажная промышленность, постоянно модернизировались и внедрялись инновации. Оптимизация процессов и расширение производственных мощностей привели к увеличению спроса на кислород в различных областях, что, в свою очередь, стимулировало технологический прогресс промышленных кислородных установок. В результате были усовершенствованы традиционные технологии получения кислорода, включая криогенное разделение воздуха, PSA-генерацию кислорода и мембранные процессы разделения, особенно технология производства кислорода методом PSA, которая добилась огромного прогресса. После прорыва в разработке нового литий-содержащего адсорбента и радиальных адсорберов технология получения кислорода методом PSA получила широкое распространение и высокую оценку конечных пользователей.

2. Прогресс в технологии получения кислорода методом PSA

Развитие Технология производства кислорода методом PSA началось в 1960-х годах, и США и Япония последовательно достигли индустриализации в начале 1980-х годов. В начале 1990-х годов компания Praxair разработала литиевый молекулярно-ситовый адсорбент для генерации кислорода и процесс VPSA-генерации кислорода, основанный на характеристиках этого адсорбента. Максимальная производительность её двухсосудистой PSA-кислородной установки превысила 3000 Нм³/ч, а энергопотребление снизилось до 0,35 кВт·ч/м³, что привело к быстрому росту технологии производства кислорода методом PSA и заложило прочную основу для её широкого применения.

В последние годы, с развитием синхронных двигателей с постоянными магнитами и оптимизацией процесса генерации кислорода, минимальное энергопотребление PSA-кислородных установок снизилось до менее 0,3 кВт·ч/м³ , а максимальная производительность двухадсорберной установки превысила 6000 Нм³/ч. Снижение стоимости и увеличение объема производимого кислорода в PSA-оборудовании способствовали расширению применения процесса генерации кислорода методом PSA.

Китай начал изучать технологию получения кислорода методом PSA в конце 1980-х годов, и лишь в начале 1990-х годов появилось мелкосерийное промышленное оборудование. Первоначальная система PSA-кислорода использовала цеолитовый адсорбент CaA, и производительность достигла максимума в 1000 Нм³/ч в конце 1990-х годов, начиная с исходных 20 Нм³/ч, 50 Нм³/ч и 100 Нм³/ч; энергопотребление (чистый кислород) составляло более 0,5 кВт·ч/м³. Многие предприятия, особенно в черной металлургии, использующие PSA-кислородное оборудование из-за его преимуществ, таких как короткий срок строительства, стабильная работа и быстрый пуск/остановка, заменяли его на криогенное разделительное оборудование из-за большого объема работ и высокой стоимости обслуживания PSA-установок. В целом, наблюдался явный разрыв с международным передовым уровнем того же периода, поскольку PSA-оборудование в то время не могло выдерживать длительную работу, а также имело слишком большие объемы обслуживания и ограниченную производительность.

В начале 2000-х годов технология получения кислорода методом PSA быстро прогрессировала и получила широкое распространение благодаря производству высокоэффективного литий-содержащего адсорбента, представленного компанией PKU Pioneer, и индустриализации процесса производства кислорода методом PSA с использованием этого адсорбента. В настоящее время производительность установок PSA, построенных PKU Pioneer, достигла 40 000 Нм³/ч, а энергопотребление чистого кислорода также приблизилось к 0,3 кВт·ч/м³.

. Благодаря таким решениям, как стабильное производство высокоэффективных литий-содержащих адсорбентов, разработка радиальных адсорберов и крупногабаритных дроссельных клапанов с высокой надежностью переключения для решения некоторых ключевых проблем технологии получения кислорода методом PSA, производительность китайских PSA-кислородных систем увеличивалась год от года, в то время как энергопотребление постепенно снижалось, а надежность неуклонно повышалась. Производительность одной двухбашенной PSA-кислородной установки также выросла с менее 1000 Нм³/ч до нынешних 6000 Нм³/ч и даже более 40 000 Нм³/ч при соединении нескольких башен. В то же время удельное энергопотребление на кислород снизилось до менее 0,32 кВт·ч/м³, а годовой коэффициент использования вырос до более 98%. Шум воздуходувок снизился до менее 85 дБ (при использовании мер глушения шума в 1 м за пределами цеха может достигаться менее 70 дБ), коэффициент безотказной работы крупногабаритных дроссельных клапанов в основном превысил 8000 ч, а срок службы молекулярных сит увеличился до более 5 лет. Конечные пользователи по-новому взглянули на PSA-кислородное оборудование и расширили сферу его применения. Только в 2018 году в Китае было установлено более 70 PSA-кислородных установок производительностью свыше 1000 Нм³/ч.

Компания PKU Pioneer постоянно прилагает усилия, чтобы изменить зависимость от импорта PSA-молекулярных сит, и одновременно добилась прорывов в области литиевых молекулярных сит и других аналогичных продуктов, а также достигла промышленного применения этих новых продуктов молекулярных сит.

Благодаря превосходной разработке и совершенствованию технология получения кислорода методом PSA сформировала огромные уникальные преимущества по сравнению с криогенной технологией, что еще больше способствует широкому применению технологии PSA в различных отраслях промышленности.

3. Характеристики технологии получения кислорода методом PSA

① Низкое энергопотребление и эксплуатационные расходы

В процессе производства кислорода на долю энергопотребления приходится более 90% от общих эксплуатационных расходов. С непрерывной оптимизацией технологии получения кислорода методом PSA энергопотребление чистого кислорода снизилось с 0,45 кВт·ч/м³ в 1990-х годах до менее 0,32 кВт·ч/м³ в настоящее время; сравнительно, минимальное энергопотребление чистого кислорода в крупномасштабных криогенных воздухоразделительных установках остается на уровне около 0,42 кВт·ч/м³, что означает, что генерация кислорода методом PSA имеет преимущество в виде более низкой стоимости при условии, что у заказчиков нет потребности в азоте и они не требуют слишком высокой чистоты и давления кислорода.

② Простой процесс, гибкая эксплуатация, быстрый пуск и остановка

По сравнению с криогенным разделением воздуха, процесс генерации кислорода методом PSA с рабочим давлением -0,05～0,05 МПа является относительно более простым. Основное силовое оборудование состоит из воздуходувок типа Рутс и вакуумных насосов типа Рутс, которые просты в эксплуатации и легки в обслуживании. Поскольку генератор кислорода PSA не включает процесс охлаждения и нагрева при пуске или остановке, ему требуется всего 30 минут для запуска и получения целевого кислорода; более того, после кратковременных перерывов система может продолжить генерацию кислорода всего через несколько минут; кроме того, остановка осуществляется еще проще, просто выключением силового оборудования и программы управления. По сравнению с криогенным оборудованием, PSA-кислородная установка более удобна для пуска и остановки, что значительно снижает эксплуатационные расходы устройства.

③ Низкие инвестиции и короткий срок строительства

Генератор кислорода PSA в основном состоит из силовой системы, адсорбционной системы и системы переключения клапанов. Небольшое количество компонентов позволяет пользователям экономить на единовременных затратах. В то же время малая площадь участка также помогает сократить инвестиции в строительство и землю. Кроме того, для завершения монтажа его основных узлов требуется менее 4 месяцев, и в нормальных условиях производство кислорода может быть достигнуто в течение 6 месяцев, поэтому период изготовления и установки короче по сравнению со строительством криогенных воздухоразделительных установок.

④ Простое оборудование и обслуживание

Компоненты генератора кислорода PSA, такие как воздуходувки, вакуумные насосы и программно-управляемые клапаны, имеют высокоразвитые цепочки поставок, что приводит к легкой замене запасных частей и способствует снижению затрат и легкому контролю сроков строительства. Кроме того, обслуживание PSA-оборудования простое, с удобным послепродажным сервисом. По сравнению с обслуживанием крупногабаритных центробежных компрессоров в криогенных воздухоразделительных установках, заводы PSA-кислорода не требуют вложения слишком больших средств на обслуживание или найма профессиональных сотрудников.

⑤ Высокий коэффициент регулирования производительности

По сравнению с технологией криогенного жидкого кислорода, системы PSA позволяют быстро регулировать объем и чистоту продукционного газа при незначительном изменении энергопотребления (чистый кислород). Обычно производительность можно регулировать в диапазоне 30–100%, а чистоту — 70–95%. Особенно легко регулировать нагрузку при параллельном подключении нескольких установок PSA.

⑥ Высокая эксплуатационная безопасность

Поскольку работа кислородной установки PSA происходит при нормальном атмосферном давлении и температуре, без обогащения жидким кислородом или ацетиленом, она безопаснее криогенного оборудования, которое обычно работает при низкой температуре и высоком давлении.

4. Основные области применения технологии получения кислорода методом PSA

С увеличением производительности установок PSA, повышением надежности и постепенным снижением энергопотребления, а также благодаря выдающимся преимуществам, таким как гибкость эксплуатации, простота регулировки нагрузки, низкое энергопотребление, короткие сроки строительства и высокая безопасность, технология производства кислорода методом PSA, несомненно, может стать альтернативой криогенному разделению воздуха для отраслей, требующих гибкого использования обогащенного кислорода. В последнее время процесс получения кислорода методом PSA также широко применяется в черной металлургии, цветной металлургии, химической промышленности, энергосбережении печей, цементных вращающихся печах, охране окружающей среды, стекольной и бумажной промышленности и т.д.

① Кислородное дутье доменных печей

С развитием обогащение доменного дутья кислородом технологии доменная печь стала одним из основных источников кислорода на металлургических заводах, поэтому на начальном этапе применения кислородного дутья в доменной печи они могут служить регулятором подачи кислорода для всего завода — степень обогащения доменного дутья высока при большом объеме кислорода и низка при его недостатке. По мере того как предприятия все больше осознают важность обогащения дутья доменной печи в процессах доменного производства, стабильность степени обогащения становится ключевым параметром для низкозатратного и эффективного доменного производства. Подача кислорода на металлургических заводах требует множества процедур, и нагрузка колеблется еженедельно или даже ежедневно. В этом случае, если используется криогенная установка с плохой регулировкой нагрузки и длительным временем запуска и остановки, избыточный кислород необходимо хранить после сжижения для последующего использования или продавать в качестве товарного продукта, если потребление кислорода слишком низкое, что иногда приводит к его сбросу. Учитывая низкие требования к давлению и чистоте обогащенного кислорода для доменных печей, многие предприятия черной металлургии могут устанавливать генераторы кислорода PSA рядом с доменными печами, напрямую обеспечивая доменную печь кислородом и служа регулятором подачи кислорода на всем заводе. При избытке или недостатке кислорода генератор PSA можно в любой момент запустить или остановить для увеличения или уменьшения объема, обеспечивая стабильную подачу кислорода для доменной печи. В настоящее время многие предприятия черной металлургии используют технологию получения кислорода методом PSA для подачи кислорода в доменные печи, что позволяет значительно снизить затраты на кислород. Среди большинства металлургических компаний уже сложился консенсус, что система PSA является надежным источником обогащенного кислорода для доменных печей.

② Выплавка стали в электропечах

Около 60–70% предприятий по выплавке стали в электропечах в Японии используют технологию PSA для получения 93% кислорода для сталеплавильного производства. Теоретически, выплавка стали в электропечах в основном relies на ДСП для плавки и производства стали, где кислород играет лишь вспомогательную роль, поэтому 93% кислород, полученный на установках PSA, может использоваться в электропечном сталеплавильном производстве. Предприятия в Китае, такие как Chizhou Guihang Metal Products Co., Ltd., Zunyi Changling Special Steel Co., Ltd. и Luzhou Yixin Iron & Steel Co., Ltd., начали использовать генераторы кислорода PSA для обеспечения кислородом электропечного сталеплавильного производства. Согласно фактическим отзывам этих предприятий, технология получения кислорода методом PSA не только не вредит качеству стали, но и позволяет значительно снизить производственные затраты на электропечную выплавку стали. После внедрения этой технологии удельная стоимость кислорода может быть снижена до $0,0447.

③ Цветная металлургия

За последние 10 лет технология получения кислорода методом PSA получила высокое признание на предприятиях по выплавке меди, свинца и цинка. Большинство процессов цветной металлургии с большими колебаниями нагрузки почти не требуют азота и обычно нуждаются в кислороде с чистотой 24–90%. Благодаря простоте эксплуатации и низкому энергопотреблению технология PSA хорошо подходит для цветной металлургии. В настоящее время большинство китайских компаний цветной металлургии, такие как Tongling Nonferrous Metals Group, Zijin Mining Group и Yunnan Copper Co., Ltd., выбрали установки PSA в качестве источников обогащенного кислорода. Например, Baotou Huading Copper Development Co., Ltd. последовательно построила 4 установки PSA из-за увеличения выпуска меди и совершенствования процессов медеплавильного производства, общая производительность по кислороду достигла более 25 000 Нм³/ч. Аналогично, Yunnan Chuxiong Copper Smelter последовательно построил 3 установки PSA, общая производительность которых составила 30 000 Нм³/ч.³/ч.³/ч.

④ Химическая промышленность

В настоящее время непрерывный процесс генерации обогащенного кислорода используется для замены прежнего прерывистого производства кислорода на средних и малых азотных заводах, причем источником обогащенного кислорода в основном служит оборудование для производства кислорода методом PSA. Технология непрерывной газификации с обогащением кислородом имеет высокую применимость к углю, что способствует повышению производительности кислородных установок. Она имеет широкие перспективы применения.

⑤ Бумажная промышленность

В бумажной промышленностикислород в основном используется на участке производства целлюлозы, например, для делигнификации и отбелки кислородом. Поскольку процесс бумажного производства не предъявляет высоких требований к чистоте кислорода и не нуждается в азоте, большинство целлюлозно-бумажных комбинатов в настоящее время выбирают технологию PSA для получения кислорода.

⑥ Другие отрасли

В настоящее время технология получения кислорода методом PSA также широко используется в других областях, например, в производстве стекловолокна, кислородно-обогащенном сжигании в флоат-стекле, цементных печах и мусоросжигательных заводах, а также в обогащенной кислородом аэрации и озонаторах при очистке сточных вод и т.д.

5. Перспективы развития технологии получения кислорода методом PSA

Технология производства кислорода методом PSA, новая технология, быстро развивающаяся за последние 20 лет, постепенно получила признание многих компаний благодаря своему технологическому прогрессу и расширению областей применения. Для снижения энергопотребления при производстве кислорода важным направлением НИОКР является расширение более широких областей применения будущей технологии PSA путем разработки новых адсорбентов и попыток сочетания с мембранным разделением или криогенными процессами. Например, сочетание технологии PSA с мембранным разделением позволяет получить кислород с чистотой 99%+, что может заменить низкотемпературное разделение воздуха в удаленных районах или при некоторых мобильных запросах. PKU Pioneer, как пионер и лидер в отрасли производства кислорода, надеется захватить инициативу в будущем развитии, постоянно увеличивая эффективные инвестиции и уделяя большое внимание НИОКР в области технологии PSA. По мере того как технология получения кислорода методом PSA будет все более совершенствоваться, она, несомненно, будет обладать множеством преимуществ и огромным потенциалом, чтобы завоевать еще более блестящие перспективы применения в будущем.