การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการผลิตออกซิเจนแบบ VPSA และ PSA ในการฟอกเยื่อกระดาษ

ในประเทศที่พัฒนาแล้วหลายประเทศ การทำกระดาษเป็นหนึ่งใน 10 อุตสาหกรรมหลักของเศรษฐกิจของประเทศ ในขณะที่การบำบัดน้ำเสียเป็นเรื่องที่ยาก น้ำเสียจากการฟอกที่มีคลอรีนจากโรงงานกระดาษไม่เพียงประกอบด้วย COD และ BOD แต่ยังมีสารพิษสูงอื่นๆ การแทนที่วิธีการฟอกเยื่อกระดาษแบบสามขั้นตอน CEH แบบดั้งเดิมด้วยการฟอกแบบปราศจากคลอรีนโดยสมบูรณ์ (TCF) หรือปราศจากคลอรีนธาตุ (ECF) แบบใหม่ เป็นวิธีแก้ปัญหาที่มีประสิทธิภาพต่อมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมของอุตสาหกรรมเยื่อและกระดาษ เนื่องจากออกซิเจนนั้นไม่เป็นพิษหรือก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม ปริมาณสารฟอกขาวและน้ำเสียในส่วนหลังจะลดลง 50% หลังจาก การกำจัดลิกนินด้วยออกซิเจนดังนั้น การฟอกเยื่อด้วยออกซิเจนจึงกลายเป็นขั้นตอนที่จำเป็นในการพัฒนากระบวนการฟอกที่สะอาด ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีความสนใจเพิ่มขึ้นในการฟอกด้วยออกซิเจนในอุตสาหกรรมกระดาษทั่วโลก เนื่องจากข้อกำหนดที่เข้มงวดยิ่งขึ้นด้านการปกป้องสิ่งแวดล้อม

เทคโนโลยีการผลิตออกซิเจนทางอุตสาหกรรมที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ วิธีการแยกอากาศด้วยความเย็นยิ่งยวด และวิธีการดูดซับด้วยการสวิงสุญญากาศ (VPSA) หน่วยแยกอากาศด้วยความเย็นยิ่งยวดมีการลงทุนและใช้พลังงานสูง รวมถึงมีงานปฏิบัติการและบำรุงรักษาจำนวนมาก ซึ่งไม่ใช่ตัวเลือกแหล่งออกซิเจนที่เหมาะสมสำหรับเป็นอุปกรณ์ฟอกเสริมสำหรับผู้ประกอบการเยื่อกระดาษ เนื่องจากความไม่สะดวกในการเริ่มต้นและหยุดระบบ และต้นทุนโดยรวมสูง โรงผลิตออกซิเจน VPSA มีข้อดีคือองค์ประกอบที่เรียบง่ายกว่า ปฏิบัติการและบำรุงรักษาง่ายกว่า การลงทุนค่อนข้างน้อยกว่า และต้นทุนการดำเนินงานต่ำกว่า โดยใช้เวลาเริ่มต้นเพียง 20 นาที และมีความบริสุทธิ์ของออกซิเจน 93% ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการของกระบวนการฟอกเยื่อได้อย่างเต็มที่ เนื่องจากช่วงการใช้ออกซิเจนของโรงงานเยื่อกระดาษโดยทั่วไปอยู่ที่ 200-5000 นิวตันเมตร³ต่อชั่วโมง ซึ่งถือเป็นกำลังการผลิตออกซิเจนแบบ VPSA ขนาดเล็กถึงกลาง นอกจากนี้ การใช้พลังงานของระบบออกซิเจน VPSA อยู่ที่ 0.29-0.32 kWh/นิวตันเมตร³ซึ่งต่ำกว่าหน่วยแยกอากาศด้วยความเย็นยิ่งยวดถึง 30% ปัจจุบัน เทคโนโลยีการผลิตออกซิเจนแบบ VPSA ถูกนำไปใช้ในโรงงานเยื่อกระดาษมากกว่า 30 แห่งในจีน และขยายไปถึงบริษัทกระดาษที่มีชื่อเสียงระดับโลก เช่น Double A (ประเทศไทย) จำกัด (มหาชน) และโรงงานเยื่อกระดาษในเบลารุส

1. กระบวนการทางเทคนิคของระบบ VPSA-O2

ระบบ หลักการทางเทคนิคของหน่วยออกซิเจนแบบ VPSA และ PSA คือการแยกออกซิเจนโดยอาศัยความสามารถในการดูดซับที่แตกต่างกันของสารดูดซับที่เป็นของแข็งต่อองค์ประกอบของก๊าซ เมื่อสารดูดซับที่เป็นของแข็งที่มีรูพรุนสัมผัสกับก๊าซ ปรากฏการณ์ของการกักเก็บก๊าซไว้ภายในหรือบนพื้นผิวเรียกว่าการดูดซับของสารดูดซับที่เป็นของแข็งต่อก๊าซ ในขณะที่การคืนอะตอมหรือโมเลกุลที่ถูกดูดซับโดยสารดูดซับกลับสู่อากาศเรียกว่าการคายซับ

โดยใช้หลักการที่ความสามารถในการดูดซับของตะแกรงโมเลกุลต่อไนโตรเจนและออกซิเจนในอากาศแตกต่างกันภายใต้ความดันต่างๆ เครื่องดูดซับของเครื่องผลิตออกซิเจน VPSA และ PSA จะแยกออกซิเจนและไนโตรเจนผ่านการสลับวงจรของขั้นตอนการดูดซับ การลดความดัน การคายซับด้วยสุญญากาศ การไล่ล้าง และการเพิ่มความดันใหม่ เมื่ออากาศผ่านเตียงดูดซับที่ติดตั้งสารดูดซับตะแกรงโมเลกุลซีโอไลต์ภายใต้ความดันที่กำหนด ไนโตรเจนจะถูกดูดซับโดยตะแกรงโมเลกุลในขณะที่ออกซิเจนจะเข้มข้นในสถานะก๊าซและไหลออกจากเตียงดูดซับเนื่องจากการดูดซับน้อยกว่า เมื่อตะแกรงโมเลกุลใกล้จะอิ่มตัว ให้หยุดป้อนอากาศและลดความดันของเตียงดูดซับ จากนั้นไนโตรเจนที่ถูกดูดซับในตะแกรงโมเลกุลสามารถถูกคายซับได้ จึงทำให้เกิดการฟื้นฟูและการนำตะแกรงโมเลกุลกลับมาใช้ใหม่ สามารถผลิตออกซิเจนได้อย่างต่อเนื่องเมื่อใช้เตียงดูดซับมากกว่าสองเตียงสลับกัน ออกซิเจนที่เป็นผลิตภัณฑ์ที่ได้อย่างต่อเนื่องจะถูกปล่อยจากด้านบนของเครื่องดูดซับลงในถังพัก และจากนั้นจะถูกส่งไปยังส่วนฟอกเยื่อด้วยออกซิเจนหลังจากถูกเพิ่มความดันโดยเครื่องเพิ่มแรงดันออกซิเจน ในกระบวนการข้างต้น เครื่องดูดซับแต่ละเครื่องจะอยู่ในขั้นตอนการทำงานที่แตกต่างกันในเวลาเดียวกัน และวาล์วจะถูกสลับตามช่วงเวลาที่กำหนดภายใต้การควบคุมของระบบ PLC เพื่อผลิตออกซิเจนที่เป็นผลิตภัณฑ์ที่ตรงตามความต้องการของลูกค้า

2. เครื่องดูดซับ (ภาชนะดูดซับ)

หน่วย VPSA-O2 ของ PKU Pioneer ซึ่งเป็นผู้ให้บริการอุปกรณ์ผลิตออกซิเจน VPSA รายใหญ่ที่สุดในจีน ใช้กระบวนการเครื่องดูดซับคู่ขนาน ทำให้สามารถปรับแต่งกำลังการผลิตออกซิเจนได้อย่างยืดหยุ่นตามความต้องการของลูกค้า กระบวนการผลิตออกซิเจน VPSA ล่าสุดของ PKU Pioneer ใช้หอคอยดูดซับแนวรัศมีแนวตั้ง เมื่อเทียบกับแบบแนวแกนเริ่มต้น มีเตียงดูดซับที่บางกว่า ความต้านทานน้อยกว่า และการลดความดันการไหลของอากาศ จึงช่วยลดความดันไอเสียของอุปกรณ์กำลังและลดการใช้พลังงานลง 10%-15% โดยมีประสิทธิภาพการประหยัดพลังงานอย่างโดดเด่น นอกจากนี้ โครงสร้างทรงกระบอกยังใช้พื้นที่น้อยกว่า ซึ่งช่วยประหยัดต้นทุนการก่อสร้างได้อย่างมีประสิทธิภาพเช่นกัน

2.1 การเลือกและการประยุกต์ใช้ตะแกรงโมเลกุล

สารดูดซับตะแกรงโมเลกุลที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ 5A, 10X, 13X, N-2, CaA, NaX, CaX, LiX, CNA-198, Li.X.RE, HX5A-980 เป็นต้น ตัวอย่างเช่น ตะแกรงโมเลกุล CaA ทั่วไป เมื่ออากาศผ่านหอคอยดูดซับที่ติดตั้งตะแกรงโมเลกุล CaA N2 จะถูกดูดซับเป็นพิเศษ ดังนั้นออกซิเจนจึงไหลออกจากหอคอยดูดซับเป็นก๊าซผลิตภัณฑ์ เนื่องจากโมเมนต์สี่ขั้วของไนโตรเจนมีขนาดใหญ่กว่าออกซิเจนมาก และ Ca2+ บนพื้นผิวของรูพรุนขนาดเล็กของตะแกรงโมเลกุล CaA มีประสิทธิภาพในการดูดซับ N2 มากกว่าการดูดซับ O2

อย่างไรก็ตาม ความสามารถในการดูดซับและการเลือกสรรของสารดูดซับตะแกรงโมเลกุล CaA ต่อไนโตรเจนยังไม่สูงพอ ส่งผลให้ผลผลิตออกซิเจนต่ำและใช้พลังงานสูงของหน่วยผลิตออกซิเจน VPSA เมื่อเทียบกับสารดูดซับตะแกรงโมเลกุล CaA และ NaX ตะแกรงโมเลกุล LiX มีประสิทธิภาพการผลิตออกซิเจนสูงกว่า สามารถใช้ตะแกรงโมเลกุล LiX น้อยลงสำหรับกำลังการผลิตออกซิเจนที่เท่ากัน จึงช่วยลดการใช้พลังงานและขนาดของเครื่องผลิตออกซิเจน VPSA และ PSA ความสามารถของตะแกรงโมเลกุล LiLSX ในการดูดซับไนโตรเจนมีมากกว่าความสามารถในการดูดซับองค์ประกอบออกซิเจนของอากาศ โดยมีการแลกเปลี่ยนไอออน Li ในระดับที่สูงกว่าและรัศมีของ Li+ ที่เล็กกว่า จำนวน Li+ ในตะแกรงโมเลกุล LiLSX เป็นสองเท่าของ Ca2+ ในสารดูดซับตะแกรงโมเลกุล CaA และค่าสัมประสิทธิ์การแยกไนโตรเจนและออกซิเจนเป็น 2- ไลโอไซต์โมเลกุลสุญญากาศ LiLSX มีน้ำหนักเพียง 1/4-1/5 ของ CaA โมเลกุลสุญญากาศ ซึ่งช่วยลดต้นทุนรวม เพิ่มผลผลิตออกซิเจน และลดการใช้พลังงานลงอย่างมาก

ตัวดูดซับออกซิเจนประสิทธิภาพสูงลิเธียมเบสสำหรับอุตสาหกรรมและการแพทย์ PKU Pioneer PU-8

2.2 โครงสร้างภายในของถังดูดซับ

การออกแบบโครงสร้างภายในของถังดูดซับออกซิเจน VPSA ที่ไม่เหมาะสมอาจทำให้เกิดการเคลื่อนย้ายหรือแม้กระทั่งการบดละเอียดของโมเลกุลสุญญากาศที่บรรจุอยู่ในถังเนื่องจากการกระทบของกระแสลม โดยเฉพาะอย่างยิ่งหลังจากใช้งานโมเลกุลสุญญากาศเป็นเวลานาน ช่องว่างระหว่างโมเลกุลสุญญากาศจะค่อยๆ ลดลงและชั้นดูดซับจะยุบตัว PKU Pioneer ได้ทำการปรับปรุงและพัฒนาโครงสร้างของถังดูดซับอย่างมากจากประสบการณ์ทางวิศวกรรมกว่า 20 ปี และคิดค้นระบบกระจายกระแสลมที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งสามารถลดพื้นที่ที่ไม่มีประโยชน์ในชั้นดูดซับ หลีกเลี่ยงการกระทบโดยตรงของกระแสลมต่อโมเลกุลสุญญากาศและยืดอายุการใช้งานของโมเลกุลสุญญากาศ

ถังดูดซับบรรจุโมเลกุลสุญญากาศซึ่งการดูดซับและคายซับได้รับอิทธิพลโดยตรงจากความเร็วกระแสลม ยิ่งกระแสลมช้าเท่าใดก็ยิ่งเอื้อต่อการดูดซับและคายซับของโมเลกุลสุญญากาศมากขึ้นเท่านั้น เมื่อเปรียบเทียบกับการไหลตามแนวแกนจากล่างขึ้นบนในถังดูดซับตามแนวแกน ตัวดูดซับใน ถังดูดซับแบบรัศมี จะสัมผัสกับกระแสลมอย่างเต็มที่ ซึ่งทิศทางของมันเอื้อต่อการดูดซับและคายซับมากกว่า ในขั้นตอนการดูดซับ N2 จะถูกดูดซับอย่างค่อยเป็นค่อยไปและปริมาณก๊าซจะลดลงเมื่อกระแสลมไหลจากภายนอกสู่ภายใน หน้าตัดการไหลของหอคอยดูดซับแบบรัศมียังแคบลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปจากภายนอกสู่ภายใน โครงสร้างนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้ประโยชน์โดยรวมของตัวดูดซับและปรับปรุงความเสถียรของชั้นดูดซับ ทิศทางของอากาศตั้งฉากกับทิศทางของแรงโน้มถ่วง ซึ่งช่วยลดการชะล้างโมเลกุลสุญญากาศได้อย่างมีประสิทธิภาพและเพิ่มอายุการใช้งาน

อุปกรณ์อัดแน่นที่เหมาะสมสามารถป้องกันไม่ให้โมเลกุลสุญญากาศบดละเอียดเนื่องจากการชนกัน เทคโนโลยีสิทธิบัตรของ PKU Pioneer คือระบบบรรจุโมเลกุลสุญญากาศแบบหมุนสม่ำเสมอทางกลและระบบอัดแน่นด้วยเมมเบรนอัตโนมัติ ช่วยให้แรงบนตัวดูดซับสม่ำเสมอ เพื่อให้โมเลกุลสุญญากาศถูกอัดแน่นและเรียบเสมอกัน และส่วนบนของชั้นดูดซับไม่บดละเอียดง่าย ซึ่งสามารถหลีกเลี่ยงการลดลงของความบริสุทธิ์ของออกซิเจนหรือผลกระทบต่อกำลังการผลิตของ เครื่องผลิตออกซิเจน ที่เกิดจากผงตัวดูดซับที่ถูกสูบออกโดยปั๊มสุญญากาศ เพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานที่เสถียรของอุปกรณ์ออกซิเจน VPSA และเพิ่มประสิทธิภาพการใช้ประโยชน์ของโมเลกุลสุญญากาศดูดซับอีกด้วย ปัจจุบัน PKU Pioneer มีโครงการผลิตออกซิเจนที่ดำเนินการมามากกว่า 10 ปีมากที่สุดในจีนด้วยดัชนีที่ยอดเยี่ยม ให้การรับประกันที่มั่นคงสำหรับการจ่ายออกซิเจนที่เสถียรของลูกค้า

3. อุปกรณ์และส่วนประกอบอื่นๆ ในกระบวนการ

3.1 เครื่องเป่าลม

เครื่องเป่าลมแบบแรงเหวี่ยงที่มีความดันคงที่ทำให้อัตราการไหลของออกซิเจนเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องตามความดัน แม้ว่าจะปรับกำลังการผลิตได้ แต่ประสิทธิภาพจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อใดก็ตามที่เบี่ยงเบนจากค่าการออกแบบที่เหมาะสมที่สุด ในโรงงาน VPSA-O2 เพื่อให้อากาศที่มีแรงดันแก่ถังดูดซับ โดยทั่วไปจะใช้เครื่องเป่าลมแบบ Roots ที่มีกระแสลมคงที่เพื่อเพิ่มแรงดันอากาศ ส่งผลให้กำลังการผลิตออกซิเจนมีเสถียรภาพเมื่อความดันเปลี่ยนแปลง ซึ่งส่งผลกระทบต่อชั้นดูดซับน้อยกว่าและเป็นประโยชน์ต่อการดูดซับของโมเลกุลสุญญากาศ ในระบบออกซิเจน VPSA ประสิทธิภาพของเครื่องเป่าลมแบบ Roots สูงกว่าเครื่องเป่าลมแบบแรงเหวี่ยง และการปฏิบัติงานจริงได้พิสูจน์ว่าดัชนีการใช้พลังงานก็ต่ำที่สุดเช่นกัน

3.2 ปั๊มสุญญากาศ

ปั๊มสุญญากาศแบบ Roots เริ่มต้นเร็วและมีสุญญากาศสูงสุดสูง ส่วนประกอบส่งกำลังของปั๊มมีโครงสร้างป้องกันการเคลื่อนกลับที่แข็งแรง ช่วยให้ถึงระดับสุญญากาศที่เหมาะสมที่สุดในเวลาอันสั้น ไม่มีชิ้นส่วนเลื่อนในห้องปั๊มและไม่จำเป็นต้องหล่อลื่นด้วยน้ำมัน ป้องกันการปนเปื้อนของระบบด้วยไอน้ำมัน นอกจากนี้ยังมีข้อได้เปรียบที่สำคัญ เช่น การใช้พลังงานต่ำ ต้นทุนการดำเนินงานและบำรุงรักษาน้อย ความเร็วและประสิทธิภาพในการสูบสูง การทำงานที่เสถียรมากขึ้น เป็นต้น

3.3 เครื่องเพิ่มแรงดันออกซิเจน

ในระบบผลิตออกซิเจน VPSA มีการใช้เครื่องเพิ่มแรงดันออกซิเจนแบบลูกสูบ แบบ Roots และแบบแรงเหวี่ยง โดยทั่วไปจะใช้เครื่องเพิ่มแรงดันออกซิเจนแบบลูกสูบ ออกซิเจนไวต่ออุณหภูมิ น้ำมัน และประกายไฟ ดังนั้นความล้มเหลวของเครื่องเพิ่มแรงดันออกซิเจนจะส่งผลต่อการทำงานของถังดูดซับ หากใช้เครื่องเพิ่มแรงดันออกซิเจนแบบลูกสูบ จำเป็นต้องป้องกันการเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหันของอุณหภูมิไอเสียของกระบอกสูบ รวมถึงการหยุดทำงานแบบล็อคที่เกิดจากการผสมของน้ำมันหล่อลื่นและออกซิเจน หากใช้เครื่องเพิ่มแรงดันออกซิเจนแบบ Roots สามารถใช้ซีลเชิงกลคู่ที่ไม่สมดุลทั้งในแนวรัศมีและแนวแกนได้

4. ระบบควบคุม

4.1 วาล์วสลับ

วาล์วสลับเรียกอีกอย่างว่าวาล์วควบคุม PLC วาล์วทางออกของเครื่องเป่าลม วาล์วทางเข้าของเครื่องเป่าสุญญากาศ วาล์วทางออกของผลิตภัณฑ์ออกซิเจน วาล์วฟอก วาล์วสมดุล (วาล์วปรับความดันให้เท่ากัน) เป็นต้น ช่วยให้ถังดูดซับทำงานในส่วนต่างๆ เช่น การดูดซับ การลดความดัน การคายซับไปข้างหน้าและย้อนกลับ และการฟอกได้ตามปกติ โดยทั่วไปแล้วจะเป็นแบบนิวเมติกและสามารถควบคุมด้วยโปรแกรมคอมพิวเตอร์เมื่อเชื่อมต่อกับ DCS หรือ PLC ไม่เพียงแต่วงจรสลับสั้นเท่านั้น แต่ยังมีอายุการใช้งานยาวนานถึง 15 ปี และสามารถสลับได้นับล้านครั้งหลังจากทำงานต่อเนื่องเป็นเวลาหนึ่งปี

4.2 เครื่องมือวัด

ระบบควบคุมเครื่องมือวัดของอุปกรณ์ออกซิเจน VPSA ถูกควบคุมโดยระบบ PLC เครื่องมือวัดที่ปลอดภัย เชื่อถือได้ และทันสมัยมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการตอบสนองความต้องการในการตรวจสอบและควบคุมการทำงานที่ราบรื่น

5. บทสรุป

ด้วยความก้าวหน้าและพัฒนาการของเทคโนโลยีการผลิตออกซิเจน VPSA หน่วย VPSA-O2 ได้รับการยอมรับจากโรงงานกระดาษหลายแห่งมากขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากการลงทุนที่น้อยกว่า การใช้พลังงานต่ำ การทำงานที่เชื่อถือได้และเสถียรกว่า ผลประโยชน์ที่มีประสิทธิภาพ และประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจที่สูงขึ้น ในฐานะซัพพลายเออร์รายใหญ่ที่สุดของโลกด้าน อุปกรณ์ผลิตออกซิเจน VPSA และ PSA PKU Pioneer ได้ให้โซลูชันการผลิตออกซิเจนที่ประหยัดและเชื่อถือได้แก่บริษัทกระดาษชั้นนำของโลก เช่น Sun Paper Group และ Double A PLC เพื่อช่วยให้ลูกค้าประหยัดพลังงานและลดต้นทุนอย่างมากเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการผลิตกระดาษโดยรวม ซึ่งมีความสำคัญในทางปฏิบัติอย่างยิ่งต่อการส่งเสริมการรีไซเคิลทรัพยากรและการพัฒนาที่ยั่งยืนของ 在造纸过程中， อุตสาหกรรม