การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการผลิตออกซิเจน VPSA ในการให้ความร้อนทัพพี

ในปี 2020 การผลิตเหล็กดิบ เหล็กถลุง และเหล็กของจีนอยู่ที่ 1,053 ล้านตัน 887.52 ล้านตัน และ 1,324.89 ล้านตันตามลำดับ คิดเป็นการเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบปีต่อปีที่ 5.2% 4.3% และ 7.7% การผลิตเหล็กดิบคิดเป็น 58% ของผลผลิตทั้งหมดของโลก ตั้งแต่ปี 2011 ถึง 2020 อุตสาหกรรมการผลิตและผลผลิตเหล็กดิบของจีนเพิ่มขึ้นเฉลี่ยปีละ 7.9% และ 5.1% ตามลำดับ ซึ่งสนับสนุนการพัฒนาคุณภาพสูงของเศรษฐกิจจีน แม้ว่าการใช้พลังงานโดยรวมต่อตันเหล็กของจีนจะลดลงจาก 920 kgce/t ในปี 2000 เหลือ 567 kgce/t ในปี 2017 แต่การใช้พลังงานของอุตสาหกรรมเหล็กยังคงคิดเป็น 20-25% ของภาคอุตสาหกรรมทั้งหมด และ 15% ของมูลค่ารวมของประเทศ การปล่อยคาร์บอนของอุตสาหกรรมเหล็กของจีนคิดเป็น 15% ของทั้งหมด ทำให้เป็นผู้ปล่อยคาร์บอนรายใหญ่ที่สุดในบรรดา 31 ประเภทของอุตสาหกรรมการผลิต

เนื่องจากปัญหาสิ่งแวดล้อมและสภาพภูมิอากาศโลกมีความเด่นชัดมากขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา จึงเกิดความท้าทายร้ายแรงต่อองค์กรเหล็กและโลหะวิทยาทั่วโลกในด้านการผลิตที่ประหยัดพลังงานและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม หลายองค์กรในจีนกำลังสำรวจมาตรการการผลิตใหม่ที่ประหยัดพลังงานและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมในบริบทของ "เป้าหมายคาร์บอนคู่" ของ "การปล่อยคาร์บอนสูงสุดและความเป็นกลางทางคาร์บอน" ได้มีการดำเนินการศึกษาทางทฤษฎีและการทดสอบทางอุตสาหกรรมจำนวนมากเกี่ยวกับ การเผาไหม้ที่เพิ่มออกซิเจนและการเผาไหม้ด้วยออกซิเจนบริสุทธิ์ซึ่งทำให้เกิดข้อกังวลเกี่ยวกับแหล่งที่มาและความคุ้มค่าของออกซิเจนสำหรับองค์กรต่างๆ

1. เทคโนโลยีการผลิตออกซิเจนแบบ VPSA

1.1 คำอธิบายกระบวนการ

VPSA เป็นกระบวนการผลิตออกซิเจนผ่านการดูดซับด้วยแรงดันและการคายซับด้วยสุญญากาศ ขึ้นอยู่กับความสามารถในการดูดซับของตะแกรงโมเลกุลออกซิเจนต่อก๊าซต่างๆ ในอากาศ N2 ในอากาศจะถูกดูดซับโดยการเพิ่มแรงดันเพื่อผลิต O2 ตัวดูดซับจะถูกสร้างใหม่หลังจากการคายซับ N2 ด้วยสุญญากาศ จึงทำให้เกิดการจ่ายออกซิเจนที่เสถียร เมื่ออากาศอัดผ่านตัวดูดซับ (ตะแกรงโมเลกุลซีโอไลต์) N2 จำนวนมากจะถูกจับและดูดซับ ในขณะที่โมเลกุลออกซิเจนจะถูกแยกออกจากโมเลกุลไนโตรเจน เมื่อความดันลดลง N2 ที่ถูกดูดซับโดยตะแกรงโมเลกุลซีโอไลต์จะถูกปล่อยออกมาเพื่อสร้างตะแกรงโมเลกุลขึ้นใหม่ ในการทำงานจริง เนื่องจากความสามารถในการดูดซับของตัวดูดซับสำหรับ Ar และ O2 โดยพื้นฐานแล้วเหมือนกัน ความบริสุทธิ์ของ O2 ที่รวบรวมได้จากกระบวนการ VPSA จึงต่ำกว่า 95% โดยที่ Ar และ N2 ไม่ได้ถูกดูดซับอย่างสมบูรณ์

1.2 ขั้นตอนทางเทคนิค

การดูดซับด้วยแรงดันสูญญากาศ (VPSA) ประกอบด้วยเครื่องเป่าลม ปั๊มสุญญากาศ วาล์วสลับ ถังดูดซับ และถังบัฟเฟอร์ อากาศที่อัดโดยเครื่องเป่าลม Roots จะถูกป้อนเข้าสู่ถังดูดซับหลังจากกำจัดอนุภาคฝุ่นโดยตัวกรองที่บริเวณทางเข้า ถังดูดซับจะบรรจุด้วยตัวดูดซับ H2O, CO2 และก๊าซส่วนประกอบอื่นๆ จำนวนเล็กน้อยจะถูกดูดซับก่อน และ N2 จะถูกดูดซับโดยตะแกรงโมเลกุลออกซิเจน ในขณะที่ O2 (รวมถึง Ar) ซึ่งเป็นส่วนประกอบที่ไม่ถูกดูดซับ จะไหลออกจากทางออกที่ด้านล่างของถังดูดซับเข้าสู่ถังบัฟเฟอร์เป็นก๊าซผลิตภัณฑ์

เมื่อตัวดูดซับอิ่มตัวด้วย N2 อย่างเต็มที่ วาล์วสลับจะเปิดใช้งานปั๊มสุญญากาศเพื่อไล่อากาศออกจากถังดูดซับ (ในทิศทางตรงกันข้ามกับการดูดซับ) และ H2O, CO2, N2 และก๊าซอื่นๆ ที่ถูกดูดซับจะถูกระบายออกสู่บรรยากาศเพื่อสร้างตัวดูดซับใหม่

สรุปจากข้างต้น อากาศจะถูกส่งไปยังถังดูดซับแนวรัศมีภายใต้แรงดันผ่านตัวกรองก่อนเครื่องเป่าลม และเครื่องดูดซับแนวรัศมีทั้งสองจะทำงานสลับกันเพื่อทำให้วงจรการดูดซับและการคายซับสมบูรณ์ O2 ที่ผลิตได้จะเข้าสู่ถังบัฟเฟอร์เพื่อรักษาเสถียรภาพของความดัน ทำให้เกิดการจ่าย O2 ภายนอกที่เสถียรและความดันต่ำ

1.3 ข้อได้เปรียบทางเทคนิค

การประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางของการผลิตออกซิเจน VPSA ในอุตสาหกรรมโลหะวิทยาได้รับประโยชน์จากข้อได้เปรียบทางเทคนิคและเศรษฐกิจที่เป็นเอกลักษณ์เมื่อเทียบกับกระบวนการแยกอากาศแบบไครโอเจนิก

(1) กระบวนการที่เรียบง่ายและเสถียร อุปกรณ์สนับสนุนและเคลื่อนที่น้อยลง ค่าดำเนินการและบำรุงรักษาต่ำกว่า

(2) ชุดสมบูรณ์แบบบูรณาการอิสระ การทำงานและการผลิตที่ยืดหยุ่น การควบคุมโหลด 50-100% เพื่อปรับให้เข้ากับความผันผวนของการผลิต การเริ่มต้นและหยุดเครื่องอย่างรวดเร็วไม่เกิน 30 นาที

(3) รอยเท้าขนาดเล็ก เงินลงทุนต่ำ อัตราการไหล 2,000-15,000Nm³/h³สามารถตอบสนองความต้องการของกระบวนการต่างๆ ได้ดียิ่งขึ้น ในภาคอุตสาหกรรมของจีน หน่วยผลิตออกซิเจน VPSA ขนาดใหญ่ตั้งแต่ 20,000Nm³/h³ถึง 50,000Nm³/h³ได้ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายแล้ว

(4) O2 ความดันต่ำสอดคล้องกับความต้องการออกซิเจนความดันต่ำสำหรับการเผาไหม้ในองค์กรโลหะวิทยาส่วนใหญ่ได้ดีกว่า และช่วยประหยัดการใช้พลังงานของคอมเพรสเซอร์ที่ใช้สำหรับ O2 ความดันสูงในเวลาเดียวกัน

(5) ต้นทุนการผลิตออกซิเจนต่ำกว่า สามารถประหยัดก๊าซธรรมชาติได้โดยใช้เทคโนโลยีการเผาไหม้ที่เพิ่มออกซิเจนหรือการเผาไหม้ด้วยออกซิเจนบริสุทธิ์เพื่อลดต้นทุนการผลิตขององค์กรได้อย่างมีประสิทธิภาพ ต้นทุนประมาณ ￥0.2～0.3/Nm³³ ต่ำกว่าราคาของการแยกอากาศด้วยความเย็นจัดแบบดั้งเดิมที่ 0.5 หยวน/ลูกบาศก์เมตรอย่างมาก³.

2. กรณีการประยุกต์ใช้

บริษัทเหล็กแห่งหนึ่งในประเทศจีนได้ปรับปรุงระบบทำความร้อนถ้วยหลอมเหล็ก 3 ระบบ (120 ตัน) จากการเผาไหม้ด้วยก๊าซธรรมชาติที่ใช้อากาศเดิม ได้ยกระดับเป็นการเผาไหม้ด้วยออกซิเจนและเชื้อเพลิง (oxyfuel combustion) กล่าวคือ ก๊าซธรรมชาติจะได้รับการช่วยเหลือจากออกซิเจนความบริสุทธิ์ 91% ที่จ่ายโดยหน่วยผลิตออกซิเจน VPSA กำลังการผลิตออกซิเจนของระบบผลิตออกซิเจน VPSA คือ 800 ลูกบาศก์เมตร³ต่อชั่วโมง โดยมีความบริสุทธิ์ ≥91% โดยคำนึงถึงการใช้งานพร้อมกันของเครื่องทำความร้อนถ้วยหลอม 3 ตัว และการเติมออกซิเจนตกค้างที่มีอยู่ในโรงงานเหล็ก

3. การปรับปรุงหลัก

(1) การปรับปรุงหัวเผาและระบบการเผาไหม้

หัวเผาใช้หัวฉีดก๊าซธรรมชาติและออกซิเจนความเร็วสูง มีการจ่ายออกซิเจนแบบแบ่งระดับ ซึ่งรวมถึงหัวฉีดก๊าซธรรมชาติตรงกลาง การจ่ายออกซิเจนหลักตรงกลาง และการจ่ายออกซิเจนรองแบบเยื้องศูนย์ หัวเผาติดตั้งเป็นชิ้นเดียว มีกำลังทำความร้อน 2 เมกะวัตต์ อัตราการไหลของก๊าซธรรมชาติที่กำหนด 200 ลูกบาศก์เมตร³ต่อชั่วโมง และค่าความร้อน 33,440 กิโลจูล/ลูกบาศก์เมตร³.

ระบบการเผาไหม้เดิมถูกปรับปรุงใหม่โดยการถอดพัดลมและระบบท่อเดิมออก เพื่อสร้างชุดวาล์วควบคุมการจ่ายออกซิเจนชุดใหม่ ซึ่งประกอบด้วยวาล์วควบคุมการไหลและวาล์วปิดฉุกเฉิน เพื่อความปลอดภัยในการจ่ายออกซิเจน

(2) การยกระดับระบบควบคุมอัตโนมัติ

ระบบควบคุมเดิมได้รับการยกระดับเพื่อให้สามารถแจ้งเตือนเหตุฉุกเฉิน ตัดการทำงานอัตโนมัติ หรือให้ความร้อนตามการควบคุมอัตราส่วนปริมาตรของก๊าซธรรมชาติและออกซิเจน

(3) การปรับเปลี่ยนอื่นๆ

โดยการปรับเปลี่ยนขนาดและข้อกำหนดโหลดของหัวเผา โครงสร้างของฝาครอบถ้วยหลอม กลไกการยกด้วยรอก วัสดุทนไฟภายในฝาครอบถ้วยหลอม และแขนหมุน ได้รับการปรับปรุงตามนั้น

4. การวิเคราะห์ผลลัพธ์

4.1 การประหยัดพลังงานและการลดการปล่อยมลพิษ

ปริมาณการใช้ก๊าซธรรมชาติเฉลี่ยของถ้วยหลอมขนาด 120 ตันก่อนการปรับปรุงคือ 227 ลูกบาศก์เมตร³ต่อชั่วโมง หลังการยกระดับ ลดลงเหลือ 131.6 ลูกบาศก์เมตร³ต่อชั่วโมง ประหยัดได้เฉลี่ย 95.4 ลูกบาศก์เมตร³ต่อชั่วโมง (42%) และประหยัดการใช้ออกซิเจน 315.84 ลูกบาศก์เมตร³ต่อชั่วโมงพร้อมกัน เมื่อพิจารณาความถี่การใช้งานของอุปกรณ์ทำความร้อนถ้วยหลอมแต่ละเครื่องที่ 6,000 ชั่วโมงต่อปี จะประหยัดก๊าซธรรมชาติได้ 572,400 ลูกบาศก์เมตร³ ต่อปี นอกจากนี้ เมื่อพิจารณาค่าความร้อนของก๊าซธรรมชาติที่ 33,440 กิโลจูล/ลูกบาศก์เมตร³ผู้ใช้สามารถประหยัดพลังงานเทียบเท่าได้ 654.1 ตันของถ่านหินมาตรฐานต่อปี และลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ 21,124.4 ตันต่อปี กล่าวคือ ประหยัดก๊าซธรรมชาติได้ 0.3 ลูกบาศก์เมตร³ ต่อการนำออกซิเจน 1 ลูกบาศก์เมตร³ เข้าสู่เครื่องทำความร้อนถ้วยหลอม และลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ 1.96 กิโลกรัม

4.2 ผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจ

ก๊าซธรรมชาติที่จ่ายผ่านท่อส่งมีราคาเฉลี่ยทั้งปีที่ 3.5 หยวน/ลูกบาศก์เมตร³ ในขณะที่ออกซิเจนที่จ่ายโดยโรงผลิตออกซิเจน VPSA มีราคาเพียง 0.4 หยวน/ลูกบาศก์เมตร³ เมื่อเปรียบเทียบโดยคิดรวมค่าใช้จ่ายในการดำเนินงาน บำรุงรักษา และบุคลากร ออกซิเจนที่ผลิตด้วยเทคโนโลยี VPSA มีความบริสุทธิ์ ≥91% ในการเผาไหม้ก๊าซธรรมชาติอย่างสมบูรณ์ ปริมาณออกซิเจนถูกควบคุมที่ประมาณ 3% และรักษาอัตราส่วนออกซิเจนต่อก๊าซธรรมชาติไว้ที่ 2.4 ดังนั้น ปริมาณการใช้ออกซิเจนเฉลี่ยหลังการปรับเปลี่ยนคือ 131.6 ลูกบาศก์เมตร³ต่อชั่วโมง × 2.4 = 315.84 ลูกบาศก์เมตร³/h.

โดยไม่พิจารณาปัจจัยอื่น ค่าใช้จ่ายออกซิเจนของเครื่องทำความร้อนหนึ่งเครื่อง = 315.84 × 6,000 × 0.4 = 758,016 หยวน/ปี ก๊าซธรรมชาติที่ประหยัดได้ = 95.4 × 6,000 × 3.5 = 2,003,400 หยวน/ปี และผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจโดยตรงของเครื่องทำความร้อนหนึ่งเครื่องหลังการปรับปรุง = ค่าใช้จ่ายก๊าซธรรมชาติที่ประหยัดได้ - ค่าใช้จ่ายออกซิเจน = 1,245,000 หยวน/ปี

5. บทสรุป

(1) การผลิตออกซิเจนด้วย VPSA มีข้อได้เปรียบทางเทคนิคที่เหนือกว่าเมื่อเทียบกับกระบวนการแยกอากาศด้วยความเย็นจัด และสามารถปรับตัวให้เข้ากับความต้องการการใช้พลังงานต่ำและโหลดที่แปรผันในอุตสาหกรรมโลหะวิทยาได้ดีกว่า ซึ่งเอื้อต่อการลดต้นทุนและความเสี่ยงด้านการลงทุน พื้นที่ก่อสร้าง การดำเนินงานและบำรุงรักษา เป็นต้น และช่วยให้ผู้ใช้สามารถปรับปรุงและยกระดับกระบวนการผลิตที่มีอยู่

(2) ด้วยต้นทุนรวมของการผลิตออกซิเจนด้วย VPSA ประมาณ 0.4 หยวน/ลูกบาศก์เมตร³หลังจากการประยุกต์ใช้การเผาไหม้ด้วยออกซิเจนและเชื้อเพลิง ออกซิเจน 1 ลูกบาศก์เมตร³ ช่วยประหยัดก๊าซธรรมชาติ 0.3 ลูกบาศก์เมตร³ และลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ประมาณ 1.96 กิโลกรัม โดยรวมแล้ว สามารถประหยัดต้นทุนการผลิตต่อปีประมาณ 1,245,000 หยวน ซึ่งให้ผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจและสิ่งแวดล้อมอย่างมีนัยสำคัญ

(3) ในปัจจุบัน อัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงในเครื่องทำความร้อนคือ 2.4 และปริมาณออกซิเจนตกค้างในควันไอเสียวัดได้ประมาณ 3% เมื่อพิจารณาถึงอัตราการเผาไหม้และความเร็วการแพร่กระจายของเปลวไฟจากการเผาไหม้ที่เสริมออกซิเจน อัตราส่วนออกซิเจนต่อเชื้อเพลิงยังมีศักยภาพในการปรับปรุงให้เหมาะสมยิ่งขึ้น

(4) บทความนี้วิเคราะห์การผลิตร่วมของอุปกรณ์ออกซิเจน VPSA และระบบทำความร้อนถ้วยหลอม และเทคโนโลยีการผลิตออกซิเจน VPSA ยังถูกนำไปประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางในกระบวนการอื่นๆ เช่น การเผาไหม้ที่เสริมออกซิเจนในเตาหลอม และการผลิตเหล็กในเตาไฟฟ้า ซึ่งมีความสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพและผลกำไรให้กับผู้ใช้