สถานการณ์การพัฒนาและนวัตกรรมการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการผลิตออกซิเจนแบบ PSA

1. บทนำ

ในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา เศรษฐกิจของจีนอยู่ในขั้นตอนการพัฒนาที่มั่นคงและรวดเร็ว ซึ่งกระบวนการผลิตในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น การผลิตเหล็กและเหล็กกล้า โลหะวิทยาที่ไม่ใช่เหล็ก อุตสาหกรรมเคมี การประหยัดพลังงานในเตาเผา การคุ้มครองสิ่งแวดล้อม แก้ว และการผลิตกระดาษ ได้รับการยกระดับและสร้างสรรค์นวัตกรรมอย่างต่อเนื่อง การปรับปรุงกระบวนการและการขยายกำลังการผลิตทำให้ความต้องการออกซิเจนในด้านต่างๆ เพิ่มขึ้น ซึ่งผลักดันให้เกิดความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีของโรงผลิต O2 ทางอุตสาหกรรม ส่งผลให้มีการปรับปรุงเทคโนโลยีการผลิตออกซิเจนแบบดั้งเดิม เช่น การแยกอากาศด้วยความเย็นยิ่งยวด การผลิตออกซิเจนแบบ PSA และกระบวนการแยกด้วยเมมเบรน โดยเฉพาะเทคโนโลยีการผลิตออกซิเจนแบบ PSA มีความก้าวหน้าอย่างมาก หลังจากที่ประสบความสำเร็จในการพัฒนาสารดูดซับชนิดลิเธียมชนิดใหม่และถังดูดซับแบบรัศมี เทคโนโลยีการผลิตออกซิเจนแบบ PSA ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายและได้รับการยอมรับอย่างมากจากผู้ใช้ปลายทาง

2. ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีการผลิตออกซิเจนแบบ PSA

การพัฒนาของ PSA制氧技术 เริ่มขึ้นในทศวรรษที่ 1960 และสหรัฐอเมริกาและญี่ปุ่นประสบความสำเร็จในการทำให้เป็นอุตสาหกรรมตามลำดับในช่วงต้นทศวรรษที่ 1980 ในช่วงต้นทศวรรษที่ 1990 Praxair ได้พัฒนาสารดูดซับตะแกรงโมเลกุลลิเธียมสำหรับการผลิตออกซิเจนและกระบวนการผลิตออกซิเจนแบบ VPSA ตามลักษณะของสารดูดซับ กำลังการผลิตสูงสุดของหน่วย PSA แบบสองถังเกิน 3000Nm³/h และการใช้พลังงานลดลงเหลือ 0.35 kWh/m³ซึ่งนำไปสู่การเติบโตอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีการผลิตออกซิเจนแบบ PSA และวางรากฐานที่มั่นคงสำหรับการประยุกต์ใช้ในวงกว้าง

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการพัฒนามอเตอร์แม่เหล็กถาวรและการปรับกระบวนการผลิตออกซิเจนให้เหมาะสม การใช้พลังงานต่ำสุดของโรงผลิตออกซิเจนแบบ PSA ลดลงเหลือน้อยกว่า 0.3kWh/m³ ในขณะที่กำลังการผลิตสูงสุดของหน่วยสองถังดูดซับเกิน 6000Nm³/h ต้นทุนที่ลดลงและปริมาณออกซิเจนของผลิตภัณฑ์ที่เพิ่มขึ้นของอุปกรณ์ผลิตออกซิเจนแบบ PSA ส่งเสริมการขยายการประยุกต์ใช้กระบวนการผลิตออกซิเจนแบบ PSA

จีนเริ่มศึกษาเทคโนโลยีการผลิตออกซิเจนแบบ PSA ในช่วงปลายทศวรรษที่ 1980 และไม่จนกระทั่งช่วงต้นทศวรรษที่ 1990 อุปกรณ์อุตสาหกรรมขนาดเล็กจึงพร้อมใช้งาน ระบบ PSA เริ่มแรกใช้สารดูดซับตะแกรงโมเลกุล CaA และกำลังการผลิตสูงถึง 1000Nm³/h ในช่วงปลายทศวรรษที่ 1990 จากเดิม 20Nm³/h, 50Nm³/h, และ 100Nm³/h การใช้พลังงาน (ออกซิเจนบริสุทธิ์) มากกว่า 0.5 kWh/m³. หลายองค์กร โดยเฉพาะในอุตสาหกรรมเหล็กและเหล็กกล้าที่ใช้อุปกรณ์ผลิตออกซิเจนแบบ PSA เนื่องจากข้อได้เปรียบในด้านระยะเวลาก่อสร้างสั้น การทำงานที่เสถียร และการเริ่มต้นและหยุดการทำงานที่รวดเร็ว ได้เปลี่ยนมาใช้อุปกรณ์แยกด้วยความเย็นยิ่งยวดเนื่องจากภาระงานหนักและค่าบำรุงรักษาหน่วย PSA ที่สูง โดยสรุป มีช่องว่างที่ชัดเจนกับระดับขั้นสูงระดับนานาชาติในเวลาเดียวกันเนื่องจากอุปกรณ์ PSA ในเวลานั้นไม่สามารถทนต่อการทำงานระยะยาวได้ และการบำรุงรักษาก็มากเกินไปและกำลังการผลิตมีจำกัด

ในช่วงต้นปี 2000 เทคโนโลยีการผลิตออกซิเจนแบบ PSA มีความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วและเป็นที่นิยมอย่างกว้างขวาง ต้องขอบคุณการผลิตสารดูดซับชนิดลิเธียมประสิทธิภาพสูงที่เป็นตัวแทนโดย PKU Pioneer และการทำให้เป็นอุตสาหกรรมของกระบวนการผลิตออกซิเจนแบบ PSA โดยใช้สารดูดซับดังกล่าว ปัจจุบัน กำลังการผลิตของโรงงาน PSA ที่สร้างโดย PKU Pioneer สูงถึง 40,000Nm³/h และการใช้พลังงานของออกซิเจนบริสุทธิ์ก็ใกล้เคียงกับ 0.3kWh/m³.

ด้วยโซลูชันต่างๆ เช่น การผลิตสารดูดซับชนิดลิเธียมประสิทธิภาพสูงอย่างเสถียร การวิจัยและพัฒนาถังดูดซับแบบรัศมีและวาล์วผีเสื้อขนาดใหญ่ที่มีความถี่ในการสลับที่เชื่อถือได้สูงเพื่อแก้ไขปัญหาสำคัญบางประการของเทคโนโลยีการผลิตออกซิเจนแบบ PSA กำลังการผลิตของระบบ PSA ของจีนเพิ่มขึ้นปีต่อปี ในขณะที่การใช้พลังงานค่อยๆ ลดลงและความน่าเชื่อถือก็ดีขึ้นอย่างต่อเนื่อง กำลังการผลิตของอุปกรณ์ PSA แบบสองหอเดี่ยวก็เพิ่มขึ้นจากน้อยกว่า 1000Nm³/h เป็น 6000Nm³/h ในปัจจุบัน และแม้กระทั่งมากกว่า 40,000Nm³/h หลังจากเชื่อมต่อหลายหอ ในขณะเดียวกัน การใช้พลังงานต่อหน่วยของออกซิเจนก็ลดลงเหลือน้อยกว่า 0.32 kWh/m³，年运行率已提高到98%以上。风机噪音已降至85dB以下（经消声处理，车间外1米处噪音可低于70dB），大口径蝶阀的无故障率大多达到8000小时以上，分子筛使用寿命延长至5年以上。终端用户对PSA制氧设备有了全新认识，其应用领域也随之扩大。仅2018年，中国就安装了超过70套1000Nm³/h以上的PSA制氧设备。³/h规格的PSA制氧设备。

北大先锋持续努力，改变了PSA分子筛依赖进口的局面，同时在锂分子筛及其他同类产品上取得突破，并实现了这些新型分子筛产品的工业化应用。

通过卓越的研发与改进，PSA制氧技术与深冷技术相比形成了巨大的独特优势，进一步推动了PSA技术在各个行业的广泛应用。

3. PSA制氧技术的特点

① 能耗与运行成本低

在制氧过程中，电耗占运行总成本的90%以上。随着PSA制氧技术的不断优化，纯氧能耗已从1990年代的0.45kWh/m³³ 降至如今的0.32kWh/m³以下，³ 相比之下，大型深冷空分设备的最低纯氧电耗仍维持在约0.42kW·h/m³，³这意味着在用户无氮气需求且对氧气纯度和压力要求不高的情况下，PSA制氧具有明显的成本优势。

② 工艺简单、操作灵活、启停迅速

与深冷空分相比，PSA制氧工艺操作压力为-0.05～0.05MPa，相对更简单。主要动力设备包括罗茨风机和罗茨真空泵，两者操作简单且易于维护。由于PSA制氧机在启动或停机时不包含冷却和加热过程，仅需30分钟即可启动并产出目标纯度氧气；此外，短时间中断后，系统仅需几分钟即可继续产氧；停机操作更为简便，只需关闭动力设备和控制程序即可。与深冷设备相比，PSA制氧设备启停更为便捷，大大降低了装置的运行成本。

③ 投资低、建设周期短

PSA制氧机主要由动力系统、吸附系统和阀门切换系统组成。组件数量少，用户可节省一次性投资。同时，占地面积小也有助于降低建设与土地投资。此外，完成主体设备安装通常不超过4个月，正常情况下6个月内即可实现产氧，因此与深冷空分设备建设相比，制造与安装周期更短。

④ 设备及维护简单

PSA制氧机的组件如风机、真空泵和程控阀等供应链高度成熟，备件更换方便，有助于降低成本并易于控制建设周期。此外，PSA设备维护简单，售后服务便捷。与深冷空分中的大型离心压缩机维护相比，PSA制氧厂无需投入过多维护资金或雇佣专业人员。

⑤ 高调节比

与深冷液氧技术相比，PSA制氧系统在电耗（纯氧）变化不大的情况下，可快速调节产品气量和纯度。通常，产能在30%-100%范围内可调，纯度在70%-95%之间可调，特别是多套PSA制氧机并联时，负荷调节更为便捷。

⑥ 运行安全性高

由于PSA制氧设备在常温常压下运行，无液氧或乙炔富集等问题，因此比通常在低温高压下运行的深冷设备更加安全。

4. PSA制氧技术的主要应用

随着PSA制氧设备产能的增加、可靠性的提高以及能耗的逐渐降低，加之其操作灵活、负荷调节简单、能耗低、建设周期短、安全性高等突出优势，PSA制氧技术无疑可成为需要灵活使用富氧的行业替代深冷空分的工艺。近年来，PSA制氧工艺也已广泛应用于钢铁冶炼、有色冶金、化工、炉窑节能、水泥回转窑、环保、玻璃及造纸等领域。

① 高炉富氧

随着技术的发展， 高炉富氧成本 高炉已成为钢厂的主要氧源之一，因此在富氧应用初期，PSA制氧设备可作为整个钢厂的供氧调节器——氧气量大时高炉富氧率高，氧气流量不足时富氧率低。随着企业日益认识到高炉富氧在炼铁过程中的重要性，富氧率的稳定性成为低成本高效炼铁操作的关键参数。钢厂供氧工序繁多，负荷每周甚至每天都有波动。此时，如果采用负荷调节性能差、启停时间长的深冷设备，多余的氧气需液化储存以备后用，或在氧耗过低时作为商品出售，有时甚至导致氧气放散。鉴于高炉富氧对低压力和纯度的要求，许多钢铁企业可在高炉附近建造PSA制氧设备，直接为高炉供氧，并作为全厂氧气供应的调节器。当氧气过剩或不足时，PSA制氧机可随时启停以增减气量，为高炉提供稳定的氧气。目前，许多钢铁企业采用PSA制氧技术为高炉供氧，大幅降低了氧气成本。PSA制氧系统作为高炉可靠的富氧来源已成为大多数钢铁企业的共识。

② 电炉炼钢

日本约60%至70%的电炉炼钢 企业使用PSA技术生产93%的氧气用于炼钢。理论上，电炉炼钢主要依靠电弧炉冶炼制造钢材，氧气仅起辅助作用，因此PSA设备生产的93%氧气可用于电炉炼钢。中国的池州贵航金属制品有限公司、遵义长岭特殊钢有限公司和泸州益鑫钢铁有限公司等企业均已开始使用PSA制氧机为电炉炼钢供氧。根据这些企业的实际反馈，PSA制氧技术不仅对钢材质量无害，还能显著降低电炉炼钢的生产成本。采用该技术后，单位氧气成本可控制在0.0447美元以下。 วิสาหกิจในญี่ปุ่นใช้เทคโนโลยี PSA ผลิตออกซิเจนความเข้มข้น 93% สำหรับการผลิตเหล็ก ในทางทฤษฎี การผลิตเหล็กด้วยเตาไฟฟ้าส่วนใหญ่อาศัยเตาอาร์คไฟฟ้า (EAF) ในการหลอมและผลิตเหล็ก ซึ่งออกซิเจนมีบทบาทเพียงเสริมเท่านั้น ดังนั้น ออกซิเจน 93% ที่ผลิตจากระบบ PSA จึงสามารถใช้ได้ในการผลิตเหล็กด้วยเตาไฟฟ้า วิสาหกิจในจีน เช่น บริษัทฉือโจว กุ้ยหัง ผลิตภัณฑ์โลหะ จำกัด บริษัทจุนอี้ ฉางหลิง เหล็กกล้าพิเศษ จำกัด และบริษัทหลูโจว อี้ซิน เหล็กและเหล็กกล้า จำกัด ได้เริ่มใช้เครื่องผลิตออกซิเจนด้วยระบบ PSA เพื่อจ่ายออกซิเจนสำหรับการผลิตเหล็กด้วยเตาไฟฟ้าแล้ว ตามผลตอบรับจริงจากวิสาหกิจเหล่านี้ เทคโนโลยีผลิตออกซิเจน PSA ไม่เพียงแต่ไม่เป็นอันตรายต่อคุณภาพเหล็ก แต่ยังช่วยลดต้นทุนการผลิตเหล็กด้วยเตาไฟฟ้าได้อย่างมาก หลังจากนำเทคโนโลยีนี้มาใช้ ต้นทุนออกซิเจนต่อหน่วยสามารถควบคุมให้ต่ำกว่า 0.0447 ดอลลาร์สหรัฐ

③ 有色冶金

过去10年间，PSA制氧技术获得了铜、铅、锌冶炼企业的高度认可。大多数有色金属冶炼工艺负荷变化大，几乎不需要氮气，通常需要24%-90%的氧气。由于操作简单、能耗低的特点，PSA制氧技术非常适合有色金属冶炼。目前，中国大多数有色金属冶炼企业如铜陵有色金属集团、紫金矿业集团和云南铜业股份有限公司等，都已选择PSA制氧设备作为富氧源。例如，包头华鼎铜业发展有限公司因铜产量增加和铜冶炼工艺改进，先后建设了4套PSA制氧设备，总氧气产能达到25,000Nm³/h以上。³类似地，云南楚雄铜冶炼厂先后建设了3套PSA制氧设备，总氧气产能为30,000Nm³/h。³/h.

④ อุตสาหกรรมเคมี

④ 化工行业

如今，连续富氧生产工艺用于改进中小型氮肥厂过去间歇式制氧方式，富氧来源多来自PSA制氧设备。富氧连续气化技术对煤种适应性强，有利于提高制氧装置的生产能力，具有广阔的应用前景。

⑤ 造纸行业 在造纸过程中，氧气主要用于纸浆制造环节，如氧脱木素和氧漂白中的增白。由于造纸工艺对氧气纯度要求不高且不需要氮气，目前大多数造纸厂选择PSA技术制氧。

⑥ 其他行业

目前，PSA制氧技术还广泛应用于其他领域，例如玻璃纤维制造、浮法玻璃富氧燃烧、水泥窑和垃圾焚烧、污水处理中的富氧曝气和臭氧发生等。

5. วิสัยทัศน์การพัฒนาเทคโนโลยีผลิตออกซิเจน PSA

เทคโนโลยีผลิตออกซิเจน PSA เป็นเทคโนโลยีที่เกิดขึ้นใหม่และพัฒนาเร็วในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา ได้รับการยอมรับจากองค์กรธุรกิจหลายแห่งอย่างค่อยเป็นค่อยไปด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและการขยายขอบเขตการประยุกต์ใช้ การลดการใช้พลังงานในการผลิตออกซิเจนเป็นทิศทางสำคัญของการวิจัยและพัฒนา โดยการพัฒนาวัสดุดูดซับชนิดใหม่และพยายามเชื่อมโยงกับกระบวนการแยกเมมเบรนหรือกระบวนการความเย็นจัด เพื่อขยายพื้นที่การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีผลิตออกซิเจน PSA ในอนาคตให้กว้างขึ้น ตัวอย่างเช่น การรวมเทคโนโลยีผลิตออกซิเจน PSA กับเทคโนโลยีแยกเมมเบรนสามารถผลิตออกซิเจนที่มีความเข้มข้น 99%+ ซึ่งสามารถทดแทนการแยกอากาศด้วยความเย็นจัดในพื้นที่ห่างไกลหรือตามความต้องการเคลื่อนที่บางประเภท PKU Pioneer ในฐานะผู้นำแนวหน้าในอุตสาหกรรมการผลิตออกซิเจน หวังที่จะครองความคิดริเริ่มในการพัฒนาในอนาคตโดยเพิ่มการลงทุนที่มีประสิทธิภาพอย่างต่อเนื่องและให้ความสำคัญอย่างยิ่งกับการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยี PSA เมื่อเทคโนโลยีผลิตออกซิเจน PSA ได้รับการปรับปรุงเพิ่มขึ้น ก็จะมีข้อได้เปรียบหลายประการและมีศักยภาพมหาศาลที่จะได้รับโอกาสการประยุกต์ใช้ที่สดใสยิ่งขึ้นในอนาคต