Применение технологии производства кислорода VPSA и PSA при отбеливании целлюлозы

Во многих развитых странах бумажная промышленность является одной из 10 ключевых отраслей национальной экономики, однако очистка ее сточных вод является сложной задачей. Хлорсодержащие отбельные сточные воды с бумажных фабрик содержат не только ХПК и БПК, но и другие высокотоксичные вещества. Замена традиционного трехстадийного метода отбеливания целлюлозы CEH новыми методами полностью бесхлорного (TCF) или элементарного бесхлорного (ECF) отбеливания является эффективным решением проблемы загрязнения окружающей среды в целлюлозно-бумажной промышленности. Поскольку сам кислород не токсичен и не загрязняет окружающую среду, количество отбеливающих реагентов и сточных вод на последующих стадиях может быть снижено на 50% после кислородной делигнификации. Следовательно, кислородное отбеливание целлюлозы стало важнейшим этапом в разработке чистых процессов отбеливания. В последние годы интерес к кислородному отбеливанию в мировой бумажной промышленности растет из-за ужесточения требований к охране окружающей среды.

К общеиспользуемым промышленным технологиям получения кислорода относятся криогенное разделение воздуха и методы VPSA (вакуумно-адсорбционная короткоцикловая адсорбция). Криогенная установка разделения воздуха требует высоких инвестиций и энергопотребления, а также большого объема работ по эксплуатации и техническому обслуживанию, что делает ее неидеальным источником кислорода в качестве вспомогательного отбельного оборудования для целлюлозных предприятий из-за неудобства пуска и остановки и высокой общей стоимости. Кислородная установка VPSA имеет преимущества более простого состава, более легкой эксплуатации и обслуживания, относительно меньших инвестиций и более низких эксплуатационных расходов, при этом запуск занимает всего 20 минут, а чистота кислорода составляет 93%, что полностью удовлетворяет требованиям процесса отбеливания целлюлозы, поскольку диапазон потребления кислорода целлюлозными заводами обычно составляет 200-5000 Нм³/ч, что считается малой и средней производительностью VPSA по кислороду. Более того, энергопотребление систем VPSA составляет 0.29-0.32 кВтч/Нм³, что на 30% ниже, чем у криогенных установок разделения воздуха. В настоящее время технология получения кислорода VPSA применяется на более чем 30 целлюлозных заводах в Китае и даже распространилась на всемирно известные бумажные предприятия, такие как Double A (Thailand) PLC и целлюлозный завод в Беларуси.

1. Технологический процесс системы VPSA-O2

Система VPSA технический принцип VPSA и PSA Кислородная установка предназначена для разделения кислорода на основе различной адсорбционной способности твердых адсорбентов по отношению к газовым компонентам. Когда пористые твердые адсорбенты контактируют с газами, явление размещения газов внутри или на их поверхности называется адсорбцией газа твердым адсорбентом, а возвращение атомов или молекул, адсорбированных адсорбентом, в воздух называется десорбцией.

Используя принцип, согласно которому адсорбционная способность молекулярного сита по отношению к азоту и кислороду в воздухе различается при различных давлениях, адсорберы генератора кислорода VPSA & PSA осуществляют разделение кислорода и азота за счет циклического переключения стадий адсорбции, сброса давления, вакуумной десорбции, продувки и повторного повышения давления. Когда воздух проходит через адсорбционную колонну, оснащенную адсорбентом из цеолитового молекулярного сита, при определенном давлении, азот адсорбируется молекулярным ситом, в то время как кислород обогащается в газовой фазе и вытекает из адсорбционной колонны из-за меньшей адсорбции. Когда молекулярное сито приближается к насыщению, подача воздуха прекращается, и давление в адсорбционной колонне снижается, тогда адсорбированный в молекулярном сите азот может быть десорбирован, таким образом достигается регенерация и повторное использование молекулярного сита. Кислород может вырабатываться непрерывно, когда две или более адсорбционных колонны работают поочередно. Непрерывно получаемый продукт-кислород выводится из верхней части адсорберов в буферные емкости, а затем после повышения давления с помощью кислородного компрессора подается на участок отбелки кислородом. В вышеуказанном процессе каждый адсорбер одновременно находится на разных стадиях работы, а клапаны переключаются через заданные интервалы времени под управлением системы ПЛК для производства продукта-кислорода, соответствующего требованиям заказчика.

2. Адсорбер (адсорбционный сосуд)

Установка VPSA-O2 компании PKU Pioneer, крупнейшего производителя оборудования для получения кислорода VPSA в Китае, использует параллельный двухадсорберный процесс, что позволяет гибко настраивать производительность по кислороду в соответствии с потребностями заказчика. В новейшем процессе получения кислорода VPSA компании PKU Pioneer используются вертикальные радиальные адсорбционные колонны, которые по сравнению с исходными аксиальными имеют более тонкие адсорбционные слои, меньшее сопротивление и падение давления воздушного потока, что способствует снижению давления на выходе силового оборудования и энергопотребления на 10%-15% с заметной эффективностью энергосбережения. Кроме того, цилиндрическая конструкция колонн занимает меньшую площадь, что также позволяет эффективно экономить затраты на строительство.

2.1 Выбор и применение молекулярного сита

Обычно используемыми адсорбентами-молекулярными ситами являются 5A, 10X, 13X, N-2, CaA, NaX, CaX, LiX, CNA-198, Li.X.RE, HX5A-980 и другие. Взяв в качестве примера распространенное молекулярное сито CaA, когда воздух проходит через адсорбционную колонну, заполненную молекулярным ситом CaA, N2 адсорбируется преимущественно, так что кислород вытекает из адсорбционной колонны в качестве продукта-газа, поскольку квадрупольный момент азота намного больше, чем у кислорода, а ионы Ca2+ на поверхности микропор молекулярного сита CaA более эффективно адсорбируют N2, чем O2.

Однако адсорбционная способность и селективность адсорбента из молекулярного сита CaA по отношению к азоту все еще недостаточно высоки, что приводит к низкому выходу кислорода и высокому энергопотреблению установок VPSA. По сравнению с адсорбентами CaA и NaX, молекулярное сито LiX имеет более высокую эффективность производства кислорода. Для той же производительности по кислороду можно использовать меньшее количество молекулярного сита LiX, что снижает энергопотребление и размеры генератора кислорода VPSA и PSA. Емкость молекулярного сита LiLSX по адсорбции азота выше, чем по адсорбции кислорода, из-за более высокой степени обмена ионов Li и меньшего радиуса Li+. Количество ионов Li+ в молекулярном сите LiLSX в два раза превышает количество Ca2+ в адсорбенте CaA, а коэффициент разделения азота и кислорода в 2-5 раз выше, чем у традиционных кислородных молекулярных сит, что позволяет литиевому молекулярному ситу адсорбировать больше азота. При применении в установках VPSA & PSA для производства кислорода потребление молекулярного сита LiLSX составляет лишь 1/4-1/5 от потребления CaA, что способствует снижению общих капиталовложений, увеличению выхода кислорода и значительному снижению энергопотребления.

Высокоэффективный литий-кислородный адсорбент на основе молекулярного сита PU-8 от PKU Pioneer для промышленного и медицинского применения

2.2 Внутренняя конструкция адсорберов

Нерациональная конструкция внутреннего устройства адсорберов VPSA может привести к чрезмерному смещению или даже истиранию в пыль загруженного в адсорберы молекулярного сита под воздействием воздушного потока. Особенно после длительной эксплуатации молекулярного сита зазор между гранулами сита постепенно уменьшается, и слой адсорбента проседает. Компания PKU Pioneer, имея более чем 20-летний инженерный опыт, провела значительную оптимизацию и улучшение конструктивного оформления адсорбера и разработала более рациональную систему распределения воздушного потока, которая позволяет уменьшить нерабочую зону в адсорбционном слое, избежать прямого удара воздушной струи по молекулярному ситу и продлить срок службы молекулярных сит.

В адсорбер загружается молекулярное сито, на адсорбцию и десорбцию которого напрямую влияет скорость воздушного потока. Чем медленнее воздушный поток, тем более благоприятны условия для адсорбции и десорбции молекулярного сита. По сравнению с аксиальным потоком снизу вверх в аксиальном адсорбционном сосуде, адсорбент в радиальном адсорбере находится в полном контакте с воздушным потоком, направление которого более благоприятствует адсорбции и десорбции. На стадии адсорбции N2 постепенно поглощается, и объем газа уменьшается по мере движения воздушного потока снаружи внутрь. Поперечное сечение потока в радиальной адсорбционной колонне также прогрессивно сужается снаружи внутрь. Такая конструкция повышает комплексную эффективность использования адсорбента и улучшает стабильность адсорбционного слоя. Направление воздуха перпендикулярно направлению силы тяжести, что эффективно уменьшает вымывание молекулярного сита и увеличивает срок его службы.

Разумное уплотняющее устройство может предотвратить истирание молекулярного сита в результате взаимного соударения. Патентная технология PKU Pioneer, а именно система механического равномерного вращательного наполнения молекулярного сита и автоматического мембранного уплотнения, обеспечивает равномерное усилие на адсорбент, так что молекулярное сито равномерно уплотняется и выравнивается, а верхняя часть адсорбционного слоя не склонна к истиранию, что позволяет избежать снижения чистоты кислорода или влияния на производительность генератора кислорода из-за откачивания порошка адсорбента вакуумным насосом, тем самым гарантируя стабильную работу кислородного оборудования VPSA и дополнительно повышая эффективность использования адсорбента-молекулярного сита. В настоящее время PKU Pioneer имеет наибольшее количество проектов по производству кислорода в Китае, находящихся в эксплуатации более 10 лет с отличными показателями, что обеспечивает надежную гарантию стабильной подачи кислорода для заказчиков.

3. Другое оборудование и компоненты процесса

3.1 Воздуходувка

Центробежная воздуходувка с постоянным давлением обеспечивает непрерывное изменение расхода кислорода в зависимости от давления. Хотя производительность можно регулировать, эффективность быстро падает при любом отклонении от оптимального расчетного значения. На установке VPSA-O2 для подачи сжатого воздуха в адсорбер обычно используется воздуходувка Рутса с постоянным расходом воздуха, в результате чего производительность по кислороду остается практически стабильной при изменении давления, что оказывает меньшее влияние на адсорбционный слой и благоприятно для адсорбции молекулярным ситом. В системе VPSA эффективность воздуходувки Рутса выше, чем центробежной, и практическая эксплуатация доказала, что ее показатель энергопотребления также является самым низким.

3.2 Вакуумный насос

Вакуумные насосы Рутса отличаются быстрым запуском и высоким предельным вакуумом. Элементы трансмиссии насоса имеют надежную конструкцию с защитой от обратного хода, что позволяет достичь оптимального уровня вакуума за короткое время. В рабочей камере насоса отсутствуют скользящие части, и не требуется масляная смазка, что предотвращает загрязнение системы масляным паром. Они также имеют такие значительные преимущества, как более низкое энергопотребление, меньшие эксплуатационные затраты и затраты на техническое обслуживание, более высокая скорость откачки и эффективность, более стабильная работа и т.д.

3.3 Кислородный компрессор

В системе получения кислорода VPSA применяются поршневые, роторные (типа Рутс) и центробежные кислородные компрессоры, среди которых обычно используется поршневой кислородный компрессор. Кислород чувствителен к температуре, маслу и искрам, поэтому отказ кислородного компрессора может повлиять на работу адсорберов. При использовании поршневого кислородного компрессора необходимо предотвращать резкое повышение температуры выхлопных газов цилиндра, а также аварийную остановку по блокировке, вызванную смешиванием смазочного масла и кислорода. При использовании роторного кислородного компрессора может быть реализовано неуравновешенное двойное механическое уплотнение как в радиальном, так и в осевом направлениях.

4. Система управления

4.1 Переключающие клапаны

Переключающие клапаны также называются клапанами с управлением от ПЛК. Клапаны на выходе воздуходувки, клапаны на входе вакуумной воздуходувки, клапаны на выходе продукта-кислорода, продувочные клапаны, балансировочные клапаны (клапаны выравнивания давления) и т.д. обеспечивают нормальное прохождение адсорберами стадий адсорбции, сброса давления, прямой и обратной десорбции и продувки. Они, как правило, пневматические и могут управляться компьютерными программами при подключении к DCS или ПЛК, имеют не только короткий цикл переключения, но и длительный срок службы до 15 лет, и могут совершать миллионы переключений после непрерывной работы в течение года.

4.2 Контрольно-измерительные приборы (КИП)

Система управления КИП кислородного оборудования VPSA управляется системой ПЛК. Безопасные, надежные и современные приборы имеют решающее значение для удовлетворения требований мониторинга и управления бесперебойной работой.

5. Заключение

С развитием и совершенствованием технологии производства кислорода VPSA установки VPSA-O2 постепенно получают признание на многих целлюлозно-бумажных комбинатах благодаря меньшим капиталовложениям, более низкому энергопотреблению, более надежной и стабильной работе, эффективной выгоде и более высокой экономичности. Являясь крупнейшим в мире поставщиком оборудования для производства кислорода VPSA и PSA компания PKU Pioneer предоставила экономичные и надежные решения для получения кислорода ведущим мировым предприятиям бумажной промышленности, таким как Sun Paper Group и Double A PLC, помогая клиентам значительно экономить энергию и снижать затраты для повышения эффективности всего процесса производства бумаги, что имеет большое практическое значение для содействия рециклингу ресурсов и устойчивому развитию бумажной промышленности отрасли.