Развитие и инновации в применении технологии производства кислорода VPSA и PSA в Китае

За последние 20 лет экономика Китая стабильно и быстро развивалась. Постоянное совершенствование и инновация производственных процессов в черной и цветной металлургии, химической промышленности, печном деле, охране окружающей среды и других отраслях стимулировали спрос на кислород, способствуя развитию технологий производства кислорода, таких как криогенный процесс разделения воздуха, VPSA-кислород и мембранная сепарация. Низкая чистота продуктового кислорода ограничивает адаптивность мембранного процесса сепарации, в то время как криогенный и VPSA-процессы добились значительного прогресса. После локализации производства нового литий-цеолитного адсорбента и прорыва в разработке радиального адсорбера процесс производства кислорода VPSA получил широкое распространение и активное признание пользователей в Китае.

Прогресс технологии генерации кислорода VPSA и PSA

Технология генерации кислорода VPSA (вакуумная короткоцикловая адсорбция) была разработана в 1960-х годах и была внедрена в промышленность в США и Японии в начале 1980-х годов. В последние годы, с развитием синхронного двигателя с постоянными магнитами и оптимизацией процесса производства кислорода, минимальное энергопотребление за рубежом снизилось до менее 0,3 кВтч/м³, а максимальная мощность двухбашенной кислородной системы превысила 6000 Нм³/ч. Стоимость производства кислорода VPSA еще больше снизилась, а мощность ежегодно растет.

Китай начал исследовать технологию генерации кислорода VPSA в конце 1980-х годов, и только в начале 1990-х годов появилась небольшая промышленная кислородная установка. В начале 2000 года, в лице компании PKU Pioneer, производство высокоэффективного литий-цеолитного адсорбента и промышленное внедрение процесса генерации кислорода VPSA с использованием литий-цеолита позволили технологии добиться быстрого прогресса и широкой популярности. В настоящее время производительность двухбашенных кислородных установок, построенных PKU Pioneer, достигла 6000 Нм³/ч, а энергопотребление (чистый кислород) приближается к 0,3 кВтч/м³.

В Китае мощность установок VPSA-кислорода ежегодно увеличивается, надежность постоянно улучшается, а энергопотребление постепенно снижается благодаря решению некоторых ключевых вопросов, таких как стабильное производство высокоэффективного литий-цеолитного адсорбента, разработка радиального адсорбера, надежная высокочастотная работа и разработка крупногабаритных дисковых затворов. Кроме того, спецификация также была повышена с менее 1000 Нм³/ч для первоначальной одинарной двухбашенной кислородной установки до 6000 Нм³/ч сегодня, а общая мощность достигает более 70 000 Нм³/ч после параллельного соединения нескольких башен, при этом удельное энергопотребление снижено до менее 0,32 кВтч/м³ и более 98% кислородных установок успешно и бесперебойно работают ежегодно. Шум воздуходувок соответствует требованию менее 85 дБ и даже ниже 70 дБ на расстоянии 1 м от завода благодаря мерам устранения. Безотказная работа крупногабаритных дисковых затворов в целом достигла более 8000 часов, а срок службы литий-цеолитного молекулярного сита продлен до более 5 лет. Пользователи по-новому оценили китайское оборудование VPSA-O2 и расширили его применение. Только в 2018 году было построено более 70 установок VPSA-кислорода мощностью более 1000 Нм³/ч.

Благодаря постоянным усилиям китайские предприятия, такие как PKU Pioneer, изменили зависимость от импортных молекулярных сит для производства кислорода VPSA, добились прорыва в области литий-цеолитных молекулярных сит и других связанных продуктов и реализовали промышленное применение новых продуктов молекулярных сит. С развитием и совершенствованием технологии генерации кислорода VPSA она постепенно продемонстрировала множество исключительных преимуществ по сравнению с криогенной технологией, что дополнительно способствовало применению этой технологии во многих отраслях Китая.

Преимущества технологии генерации кислорода VPSA и PSA

1. Низкое энергопотребление и эксплуатационные расходы

Энергопотребление составляет более 90% общих эксплуатационных расходов в процессе генерации кислорода. С постоянной оптимизацией технологии кислорода VPSA и PSA, энергопотребление чистого кислорода снизилось с 0,45 кВт·ч/м³ в 1990-х годах до менее 0,32 кВт·ч/м³ сегодня, в то время как даже самое низкое значение крупномасштабных криогенных установок разделения воздуха составляет около 0,42 кВт·ч/м³. По сравнению с криогенной технологией, технология кислорода VPSA и PSA имеет очевидные экономические преимущества в условиях работы, когда у пользователя нет потребности в азоте и процесс получения кислорода не предъявляет слишком высоких требований к чистоте и давлению кислорода.

2. Простой процесс, гибкая эксплуатация, легкий запуск и остановка

По сравнению с криогенной технологией получения кислорода, процесс VPSA относительно прост, отличается сравнительно коротким временем эксплуатации и простотой обслуживания, поскольку основное энергетическое оборудование состоит из воздуходувки Рутса и вакуумного насоса Рутса. Поскольку при запуске и остановке нет процессов охлаждения и нагрева, кислородному оборудованию VPSA и PSA требуется всего 30 минут для получения качественного кислорода с самого начала, и несколько минут для регенерации после короткой паузы. Остановка еще проще – достаточно выключить силовое оборудование и программу управления. Таким образом, технология получения кислорода VPSA и PSA проще криогенного процесса, что также значительно снижает эксплуатационные расходы на запуск и остановку кислородной установки.

3. Более низкие инвестиции и короткий срок строительства

Кислородная установка VPSA в основном состоит из небольшого количества компонентов, включая энергосистему, адсорбционную систему и систему переключения клапанов и т.д., что позволяет значительно сэкономить на единовременных вложениях. Кислородная установка занимает небольшую площадь, что позволяет снизить затраты на гражданское строительство и земельный участок. Кроме того, производственный цикл изготовления и обработки короткий: основные компоненты оборудования могут быть доставлены всего за 4 месяца, что позволяет достичь требуемых объемов производства кислорода в течение 6 месяцев в нормальных условиях, существенно сокращая срок строительства кислородной системы по сравнению с почти 1 годом для криогенных установок разделения воздуха.

4. Простой состав оборудования и легкое обслуживание

Оборудование, используемое в кислородных установках VPSA, такое как воздуходувки, вакуумные насосы и программные клапаны, может быть произведено внутри страны, поэтому запасные части можно легко заменить, снижая затраты и обеспечивая контроль над сроками строительства. Благодаря простому обслуживанию оборудования и своевременному послепродажному обслуживанию пользователям кислородных установок VPSA не требуются большие затраты и профессиональные работники по сравнению с обслуживанием крупных центробежных компрессоров, используемых в криогенных воздухоразделителях.

5. Легкое регулирование коэффициента снижения нагрузки

По сравнению с криогенной технологией получения жидкого кислорода, процесс получения кислорода VPSA и PSA позволяет быстро регулировать производительность и чистоту продукта O2 при незначительных колебаниях энергопотребления чистого кислорода. Как правило, производительность можно регулировать от 30% до 100%, а чистоту – от 70% до 95%, особенно при параллельном построении нескольких установок VPSA и PSA, регулировка нагрузки становится еще проще.

6. Более высокая эксплуатационная безопасность

Поскольку система VPSA работает при низком давлении и комнатной температуре, не происходит накопления жидкого кислорода, ацетилена и других явлений, что обеспечивает лучшую безопасность по сравнению с низкотемпературной и высоконапорной работой в криогенном процессе получения кислорода.

Основные области применения технологии получения кислорода VPSA и PSA

С увеличением производительности и надежности, постепенным снижением энергопотребления кислорода, а также преимуществами гибкой эксплуатации, простого регулирования коэффициента снижения нагрузки, низкого энергопотребления, короткого срока строительства и высокой безопасности, технология VPSA, несомненно, стала альтернативой криогенному получению кислорода для отраслей, которым необходимо гибко использовать кислород, и сфера ее применения расширяется с каждым годом. В последние годы процесс производства кислорода VPSA широко используется в черной металлургии, цветной металлургии, химической промышленности, печах и обжиговых установках, охране окружающей среды и других отраслях.

1. Обогащение доменной печи кислородом

С развитием технологии обогащения доменной печи кислородом доменная печь стала одним из основных потребителей кислорода на предприятиях черной металлургии. На начальном этапе применения технологии доменная печь может использоваться как регулятор подачи кислорода: при более высокой степени обогащения требуется относительно большой расход кислорода, при более низкой – наоборот. Поскольку важность технологии обогащения доменной печи кислородом в процессе производства чугуна стала очевидна для металлургических заводов, стабильная степень обогащения доменной печи кислородом стала важным фактором для низкозатратного и эффективного производства чугуна. Из-за множества процессов подачи кислорода на предприятиях черной металлургии коэффициент снижения нагрузки колеблется каждую неделю или даже каждый день. Учитывая слабое регулирование коэффициента снижения нагрузки у криогенного процесса и длительное время запуска и остановки, избыток кислорода при низком потреблении необходимо сжижать и хранить для последующего использования или продажи, а иногда даже сбрасывать в атмосферу. Учитывая низкое давление и относительно более низкие требования к чистоте кислорода для обогащения доменной печи, многие предприятия черной металлургии могут строить кислородные установки VPSA непосредственно рядом с доменной печью. В то же время, в качестве регулятора, когда объем кислорода при криогенном разделении воздуха избыточен или недостаточен, установки VPSA могут запускаться и останавливаться в любое время для увеличения или уменьшения подачи кислорода в доменную печь. В настоящее время после внедрения технологии VPSA для подачи кислорода многие производители стали существенно снизили свои затраты на кислород. Использование установки VPSA в качестве источника обогащения кислородом для доменной печи стало общепринятым пониманием на большинстве предприятий черной металлургии.

2. Электродуговая сталеплавильная печь

В прошлом большинство китайских сталелитейных предприятий считали, что для электродуговой плавки стали необходимо использовать чистый кислород, полученный на криогенных установках разделения воздуха, в то время как в Японии около 60-70% сталепроизводителей используют 93% кислород, полученный с помощью системы VPSA-O2, для производства стали. Теоретически, электродуговая плавка стали в основном relies на выплавку электрической дугой, а кислород играет лишь вспомогательную роль, поэтому 93% кислород, полученный методом VPSA, может быть полностью применен для электродуговой плавки стали. На сегодняшний день китайские компании, такие как Luzhou Yixin Iron & Steel Co., Ltd., Zunyi Changling Special Steel Co., Ltd. и Chizhou Guihang Metal Products Co., Ltd., уже начали использовать установки VPSA для подачи кислорода в электродуговые печи. По отзывам пользователей, использование системы VPSA не оказывает негативного влияния на качество стальной продукции и позволяет значительно снизить производственные затраты на выплавку стали.

3. Цветная металлургия

За последние 10 лет технология получения кислорода VPSA получила высокое признание при выплавке меди, свинца и цинка. Большинство процессов выплавки цветных металлов обычно требуют кислорода чистотой 24-90% с большими колебаниями коэффициента снижения нагрузки, а предприятиям цветной металлургии азот практически не нужен, что делает технологию VPSA подходящей для выплавки цветных металлов благодаря более простой эксплуатации и более низкому энергопотреблению. В настоящее время большинство китайских производителей цветных металлов, такие как Tongling Nonferrous Metals Group Co., Ltd., Zijin Mining Group Co., Ltd. и Yunnan Copper Co., Ltd., выбрали установки VPSA в качестве источника обогащения кислородом. С увеличением производства меди и совершенствованием процесса медеплавильного производства компания Baotou Huading Copper Development Co., Ltd. последовательно построила 4 установки VPSA, общая производительность которых превысила 25 000 Нм³³/ч. Кроме того, плавильный завод Чусюн в провинции Юньнань построил 3 установки VPSA по мере увеличения производства меди, и общий объем потребления кислорода достиг 30 000 Нм³³/ч.

4. Химическая промышленность

В настоящее время некоторые китайские заводы по производству азотных удобрений среднего и малого размера используют процесс непрерывного обогащения кислородом для улучшения исходного прерывистого производства газа, в основном с помощью технологии VPSA. Кроме того, технология обогащенной кислородом непрерывной газификации хорошо применима к углю, повышая мощность газогенераторной установки. Более того, большинство предприятий целлюлозно-бумажной промышленности как в стране, так и за рубежом выбирают технологию VPSA для получения кислорода. Технология VPSA также широко используется в других областях, таких как кислородное сжигание для флоат-стекла в стекловолоконной промышленности, цементных печах и сжигании отходов, аэрационное обогащение кислородом сточных вод и озонирование.

Перспективы развития технологии получения кислорода VPSA и PSA

Как новая технология получения кислорода, которая быстро развивалась в последние 20 лет, технология VPSA постепенно получила признание многих пользователей благодаря постоянному технологическому прогрессу и расширению областей применения. Для снижения энергопотребления разработка новых адсорбционных материалов и попытки координации с мембранными или криогенными процессами для расширения областей применения за счет взаимодополнения являются важным направлением исследований и разработок технологии VPSA в будущем. Например, комбинация VPSA и мембранной технологии может давать кислород с чистотой >99%, что является альтернативой криогенным установкам разделения воздуха в удаленных районах или в некоторых условиях, требующих мобильного оборудования. Китайские предприятия, занимающиеся производством кислорода методом VPSA, такие как PKU Pioneer, уделяют большое внимание НИОКР, стремясь занять лидирующие позиции в будущем за счет увеличения инвестиций. По мере совершенствования технологии производства VPSA-O2 она будет иметь более широкие перспективы применения благодаря различным преимуществам и огромному потенциалу.