A naponta oxigént fogyasztó gyárak esetében a szállított palackok és a helyszíni oxigéntermelés közötti költségkülönbség többtől függ, mint a feltüntetett gázár. A henger alapú rendszer az oxigéntermelést, a kompressziót, a tárolást és a szállítást a gyáron kívülre helyezi, míg a helyszíni PSA rendszer e funkciók többségét a gyártóüzembe helyezi át. Az így létrejövő költségstruktúra beszerzési-szállítási modellről villamosenergia-, kompresszor-, karbantartási és berendezés-használati modellre változik.
Palack oxigén: Hogyan működik a hagyományos ellátási lánc
Az ipari palack oxigénje általában a gyártás, kompresszió, töltés, szállítás, tárolás és nyomáscsökkentés során jut el a felhasználóhoz. Az oxigént egy központi gázüzemben állítják elő, és acél- vagy alumíniumpalackokba tömörítik. A palack kialakításától és a helyi előírásoktól függően az ipari palackokat körülbelül 150-200 bar nyomásra lehet feltölteni a töltőállomáson.
Gyárilag a hengereket külön-külön vagy egy osztó-elosztón keresztül kötik össze, több hengert bankokba csoportosítanak, így a kezelők a folyamat azonnali megszakítása nélkül válthatnak üres tartályról töltött tárolóra. A nyomásszabályozók ezután a hengernyomást az égők, vágóberendezések, levegőztető rendszerek vagy más oxigénfogyasztó berendezések által igényelt üzemi nyomásra csökkentik.
A felhasználható oxigén mennyiségét nem csak a henger névleges nyomása határozza meg. A palackvíz térfogata, a töltési nyomás, a gázhőmérséklet és a palackcsere során fennálló maradék nyomás egyaránt befolyásolja a tényleges felhasználást. Ha a palackot úgy cserélik ki, hogy jelentős mennyiségű gáz marad bent, akkor a gyár fizetett a gyártási folyamatba nem került gázért.
Helyszíni PSA oxigéntermelés: rendszerstruktúra
Egy helyszíniPSA oxigén rendszeroxigént termel a sűrített légköri levegőből. Egy tipikus telepítés légkompresszort, levegő vevőt, részecske- és koaleszcens szűrőket, adszorpciós tartályokat, kapcsolószelepeket, oxigénvevőt, oxigénelemzőt, PLC vezérlőrendszert, nyomásszabályozót és oxigénelosztó csöveket tartalmaz.
Az adszorpciós edények molekulaszita anyagot, általában zeolitot tartalmaznak. Az anyag nyomás alatti körülmények között eltérően lép kölcsönhatásba a nitrogénnel és az oxigénnel. Az adszorpciós szakaszban a sűrített levegő belép egy edénybe, a nitrogént a molekulaszita előnyösen visszatartja, és oxigénnel dúsított gázáram lép ki az oxigénfogadó felé.
A rendszer általában két vagy több adszorpciós edényt használ. Míg az egyik edény oxigént termel, egy másik edény nyomáscsökkentésen és regeneráción megy keresztül. A kapcsolószelepek egy programozott ciklus szerint szabályozzák a gáz utat. Ez az elrendezés lehetővé teszi, hogy az egyik edény adszorbeálja a nitrogént, míg a másik felszabadítja a korábban visszatartott nitrogént.
Az oxigénfogadó elválasztja a termelést a pillanatnyi folyamatigénytől. Képes elnyelni a rövid távú áramlási ingadozásokat, és stabilizálni tudja a lefelé irányuló nyomást, ahelyett, hogy az adszorpciós ágyaknak követniük kellene az oxigénfogyasztás minden változását.
APSAA ciklus főként túlnyomásos, adszorpciós, nyomáscsökkentési és regenerációs lépésekből áll. A sűrített levegő először a levegőkezelő szakaszon halad át, ahol a vizet, az olajos aeroszolokat és a részecskéket eltávolítják, mielőtt a levegő elérné a molekulaszűrőt.
Az adszorpció során a működő edény nyomás alatt marad, miközben a nitrogén előnyösen adszorbeálódik. Az oxigén és az argon áthalad az ágyon, és termékgázt képez. Ahogy az adszorpciós kapacitás megközelíti a működési határt, a vezérlőrendszer megváltoztatja a gáz útvonalát, és az edényt regenerálásra küldi.
A regeneráció során az edény nyomása csökken, és az adszorbeált nitrogén elhagyja a molekulaszitát. Egyes PSA konfigurációk a termék oxigén egy részét öblítésre vagy kiegyenlítésre használják, míg más konfigurációk nyomáskiegyenlítést alkalmaznak az edények között a gázveszteség csökkentése érdekében. A pontos ciklus függ az edény méretétől, a molekulaszita jellemzőitől, a cél tisztaságától, a visszanyeréstől és a szükséges oxigénáramlástól.
Beszerzési célból ezért az oxigéntisztaságot az oxigénvisszanyeréssel és a fajlagos energiafogyasztással együtt kell értékelni. A megkívánt oxigéntisztaság növelése növelheti a termék oxigén egységére jutó sűrített levegő mennyiségét, ami növelheti a kompresszor energiafogyasztását.
Költségstruktúra: Hengertöltés vs. PSA gyártás
A palack oxigénje számos visszatérő költségkomponenst hoz létre. A gyár fizetheti magát az oxigént, a palackbérleti vagy szervizdíjat, a szállítást, a be- és kirakodást, a raktározást, valamint a kezelői munkaerőt a palackcseréhez. Ezek a költségek a szállítás gyakoriságával és az oxigénfogyasztással nőnek.
A PSA gyártása az ismétlődő költségeket az elektromos áramra és a berendezések karbantartására helyezi át. A kompresszor általában az elektromos fogyasztás jelentős részét képviseli, mivel a légköri levegőt össze kell sűríteni, mielőtt az adszorpciós edényekbe kerül. A szűrők, szelepek, oxigénelemzők, tömítések és a molekulaszita anyagok szintén hozzájárulnak az életciklus költségeihez.
| Költségkomponens | Hengerellátás | Helyszíni PSA |
|---|---|---|
| Oxigén vásárlás | Ismétlődő gáztöltés | Normál gyártáshoz nem szükséges |
| Szállítás | Kívánt | Általában eltávolítva |
| Hengerkezelés | Kívánt | Eltávolítva |
| Kompresszor elektromos áram | Szállítói oldal | Gyári oldal |
| Berendezés beruházás | Gyárilag alacsony | Kívánt |
| Levegő kezelés | Szállítói oldal | Helyszínen kötelező |
| Tárolás | Henger készlet | Oxigén vevő |
| Karbantartás | Szabályozók, szelepek, elosztó | Kompresszor, szelepek, szűrők, analizátor |
| Tartalék ellátás | További hengerek | Henger vagy más tartalék forrás |
Az összehasonlításhoz ugyanazt az oxigénmennyiséget, tisztaságot, nyomást és üzemidőt kell használni. Helytelen következtetést vonhatunk le, ha összehasonlítjuk a palack $/hengerben megadott árajánlatát a PSA villamos energiával USD/kWh-ban anélkül, hogy mindkét rendszert átszámítanánk a felhasználható oxigén Nm³ költségére.
Miért változtatja meg az oxigénfogyasztás mértéke a költségegyenletet?
Az oxigénfogyasztás az egyik legerősebb változó a gazdasági összehasonlításban. Egy rövid termelési műszakban 10 Nm³/h-t használó gyár működési profilja egészen más, mint egy 24 órán keresztül folyamatosan 100 Nm³/h-t fogyasztó üzem.
A palackellátásnál a nagyobb fogyasztás közvetlenül növeli a szállítandó, tárolandó, csatlakoztatandó és cserélendő palackok számát. Ha a napi fogyasztás meghaladja a meglévő elosztó kapacitását, további hengersorokra vagy gyakoribb szállításokra lehet szükség.
A PSA-gyártásnál a nagyobb folyamatos terhelés növelheti a berendezések kihasználtságát, és az állóeszköz-költséget nagyobb mennyiségű oxigén között oszthatja el. A kompresszort és az adszorpciós tartályokat azonban a szükséges áramláshoz kell méretezni, és a maximális kapacitás közelében történő működés megváltoztathatja a fajlagos energiafogyasztást és az oxigén visszanyerését.
Gyakorlati összehasonlításban ezért az oxigénfogyasztást a következőképpen kell kiszámítani:
Éves oxigénigény=Oxigénáramlás × Üzemóra × Üzemeltetési napok
Az így kapott éves Nm³ adat közös alapot biztosít a szállított oxigén és a helyszíni termelés összehasonlításához.
Villamos energia és sűrített levegő fogyasztás
Egy helyszíni rendszerben a villamosenergia-fogyasztást erősen befolyásolja a kompresszor nyomása, a bemeneti levegő hőmérséklete, a kompresszor hatékonysága, a levegőkezelés nyomásesése, az adszorpciós ciklus konfigurációja és az oxigén visszanyerése.
Például, ha egy rendszer 0,8 kWh/Nm³ oxigént fogyaszt, és az ipari villamos energia ára 0,10 USD/kWh, akkor az elektromos komponens körülbelül 0,08 USD/Nm³. Ez a szám nem tartalmazza a kompresszor karbantartását, a szűrőket, a szelepcserét, az oxigénelemzést és a tőkevisszanyerést.
A sűrített levegő minősége az üzemeltetési költségeket is befolyásolja. Az adszorpciós ágyakba jutó víz megváltoztathatja a molekulaszita teljesítményét, míg az olajszennyeződés károsíthatja az adszorbens felületet. A légszűrők ezért többet tesznek, mint védik az alsó komponenseket; az adszorpciós anyag állapotát is szabályozzák.
A beszerzési mérnököknek a beszállító fajlagos energiafogyasztását kell kérniük a megadott oxigénáram és tisztaság mellett, ahelyett, hogy a kompresszormotor névleges kW-ját használnák oxigéntermelési költségként.
Nyomás, tisztaság és áramlási követelmények
Az oxigén tisztaságát és a szállítási nyomást együtt kell megadni, mert ezek befolyásolják a rendszer kialakítását. Egy körülbelül 90–93% oxigént igénylő folyamat eltérő PSA-konfigurációt használhat, mint a 95% feletti oxigént igénylő folyamat.
A palack oxigénje nagy mennyiségű tárolt gázt biztosít nagy nyomáson, míg a PSA rendszerek általában alacsonyabb nyomáson állítanak elő oxigént, amely alkalmas közvetlen folyamathasználatra vagy nyomásfokozásra. Ha egy folyamat lényegesen nagyobb nyomást igényel, további oxigénkompresszorra lehet szükség.
Az áramlási stabilitás egy másik szempont. Egy égő vagy vágógép gyorsan megváltozhat az oxigénigényben, míg a szennyvíz levegőztetése viszonylag stabil áramlást képes fenntartani hosszabb ideig. Az oxigénvevő képes pufferelni a rövid távú igényváltozásokat, de térfogatát hozzá kell igazítani a PSA-kibocsátás és a folyamatfogyasztás közötti különbséghez.
Oxigénigény és terhelés ingadozása
Nem minden gyár fogyaszt állandó ütemben oxigént. A gyártósor nagy oxigénigény mellett működhet vágás vagy égetés során, és alacsonyabb igényre eshet rakodás, karbantartás vagy műszakváltáskor.
A palackoknál a betáplálási kapacitást a csatlakoztatott hengerek száma és a fennmaradó nyomás határozza meg. Ha a fogyasztás váratlanul megnövekszik, a kezelőnek egy másik hengersort kell csatlakoztatnia.
A PSA előállítása során az adszorpciós egység általában egy programozott ciklus szerint működik, miközben az oxigénvevő elnyeli a termelés és a fogyasztás közötti rövid távú különbségeket. Ha a kereslet hosszabb ideig a névleges termelési kapacitás felett marad, a vevő nyomása végül csökkenni fog. A rendszernek ezért egy definiált csúcsáram-kapacitásra van szüksége, nem csupán átlagos áramlási számításra.
A beszerzésnél nem csak az átlagos Nm³/h a fontos számok, hanem a minimális áramlás, a normál áramlás, a csúcsáramlás, a csúcsidőtartam és a napi terhelési profil is.
Tárolás és ellátás folytonossága
A palackrendszerek az oxigént közvetlenül a nyomástartó edényekben tárolják. Egy gyár több napos ellátást képes fenntartani, ha elegendő mennyiségű palackot tartanak a helyszínen, de ez megnöveli a szükséges raktárterületet és a kezelési munkaterhelést. A palackkészleteket a szállítói eljárásoknak és a nyomástartó edényekre vonatkozó követelményeknek megfelelően is váltogatni kell.
Anhelyszíni PSAA rendszer általában az oxigént a tartályban tárolja, ahelyett, hogy nagy mennyiségű töltött palackot tartana fenn. A vevő gázpuffert biztosít az adszorpciós ciklus és a folyamatsor között.
A folyamatos termeléshez továbbra is fontos a tartalék oxigénforrás. Ha a PSA kompresszor elektromos hiba, túlmelegedés, karbantartás vagy vezérlési hiba miatt leáll, a tárolt oxigén csak korlátozott ideig támogatja a folyamatot. Ezért egy tartalék henger-elosztó csatlakoztatható lefelé, hogy a termelés folytatódhasson, amíg a PSA berendezést ellenőrzik.
Telepítés és rendszerintegráció
A palackok PSA-termelésre való cseréje változtatásokat igényel a gyár gázinfrastruktúrájában. A telepítésnek helyet kell biztosítania a kompresszornak, a levegőtartálynak, a szűrőegységnek, az adszorpciós tartályoknak, az oxigéntartálynak, a vezérlőszekrénynek és a kapcsolódó csöveknek.
A sűrített levegőnek át kell haladnia a meghatározott szűrési fokozatokon, mielőtt az adszorpciós edényekbe kerülne. A kondenzátumot el kell engedni a levegőgyűjtőből és a szűrőkből, hogy a folyékony víz ne érje el a molekulaszűrőt. Az oxigéncsövek ezután összekötik a vevőt a nyomásszabályozó és a folyamatelosztó rendszerrel.
Az elektromos rendszernek a kompresszort és a vezérlőberendezést a gyártó névleges feszültségének és áramerősségének megfelelően kell táplálnia. A szellőztetést is meg kell fontolni, mert a kompresszorok folyamatos működés közben hőt termelnek, míg a PSA kipufogógáz nitrogénben gazdag gázt bocsát ki a regeneráció során.
Az üzembe helyezés előtt a mérnökök általában ellenőrzik a csővezetékek tisztaságát, a nyomás integritását, a szelep működését, az oxigén tisztaságát, a kimeneti nyomást, az áramlási kapacitást és a riasztási funkciókat. Az oxigénelemzőnek meg kell győződnie arról, hogy a keletkezett gáz megfelel az előírt tisztaságnak, mielőtt a folyamatberendezés megkapja a gázt.
Karbantartási és hibaüzemmódok
A palackrendszereknél főként a palackszelepek, szabályozók, rugalmas tömlők, elosztó-csatlakozások és tömítések ellenőrzése szükséges. Egy szelepnél vagy csatlakozásnál a szivárgás folyamatosan oxigént bocsáthat ki, és növelheti a fogyasztást a termelési teljesítmény növelése nélkül.
A PSA rendszerek a mechanikai és folyamatokhoz kapcsolódó hibamódok szélesebb skálájával rendelkeznek. A kompresszor túlmelegedése csökkentheti a levegő szállítását, az eltömődött szűrők növelhetik a nyomásesést, a kapcsolószelep kopása megzavarhatja az adszorpciós sorrendet, és a molekulaszita szennyeződés csökkentheti a nitrogén adszorpciós kapacitását.
Az oxigéntisztaság csökkenése problémákat jelezhet az adszorpciós ciklusban, a betáplált levegő állapotában, a szelep időzítésében, a molekulaszita állapotában vagy a túlzott termékigényben. A szűrők közötti nyomásesés szennyeződést jelezhet, míg a rendellenes kompresszor kimeneti hőmérséklete hűtést vagy mechanikai problémákat jelezhet.
A karbantartásnak ezért magában kell foglalnia a kompresszor ellenőrzését, a szűrő cseréjét, a kondenzátum eltávolítását, a szelepciklus ellenőrzését, az oxigénelemző kalibrálását, a nyomásesés mérését és az adszorpciós rendszer ellenőrzését az üzemórák és a gyártó követelményei szerint.
