Sammenligning af cylinderpåfyldningsomkostninger med On-Site PSA Oxygen Production - Indsigt

Comparing Cylinder Filling Costs with On-Site PSA Oxygen Production

For fabrikker, der forbruger ilt hver dag, afhænger omkostningsforskellen mellem leverede flasker og iltproduktion på stedet af mere end den angivne gaspris. Et cylinderbaseret system flytter iltproduktion, kompression, opbevaring og transport uden for fabrikken, mens et PSA-system på stedet flytter de fleste af disse funktioner ind i produktionsanlægget. Den resulterende omkostningsstruktur ændres fra en købs-og-leveringsmodel til en el-, kompressor-, vedligeholdelses- og udstyrsudnyttelsesmodel.

Industriel cylinderilt når normalt brugeren gennem en sekvens af produktion, kompression, påfyldning, transport, opbevaring og trykreduktion. Ilt produceres på et centralt gasanlæg og komprimeres til stål- eller aluminiumcylindre. Afhængigt af cylinderdesign og lokale regler kan industriflasker fyldes til ca. 150–200 bar på tankstationen.

På fabrikken er cylindre forbundet individuelt eller gennem en manifo-manifold grupperer flere cylindre i banker, så operatører kan skifte fra en tom bank til en fyldt bank uden umiddelbart at afbryde processen. Trykregulatorer reducerer derefter cylindertrykket til det driftstryk, der kræves af brændere, skæreudstyr, beluftningssystemer eller andet iltforbrugende udstyr.

Mængden af anvendelig ilt bestemmes ikke kun af det nominelle cylindertryk. Cylindervandvolumen, påfyldningstryk, gastemperatur og resttrykket ved cylinderudskiftning påvirker alle den faktiske udnyttelse. Hvis der udskiftes flasker, mens der er en betydelig mængde gas tilbage inde, har fabrikken betalt for gas, der ikke er kommet ind i produktionsprocessen.

En på stedetPSA iltsystemgenererer ilt fra komprimeret atmosfærisk luft. En typisk installation indeholder en luftkompressor, luftbeholder, partikel- og koalesceringsfiltre, adsorptionsbeholdere, skifteventiler, iltbeholder, iltanalysator, PLC-kontrolsystem, trykregulator og iltfordelingsrør.

Adsorptionsbeholderne indeholder molekylsigtemateriale, almindeligvis zeolit. Materialet interagerer forskelligt med nitrogen og oxygen under trykforhold. Under adsorptionsstadiet kommer komprimeret luft ind i en beholder, nitrogen tilbageholdes fortrinsvis af molekylsigten, og en oxygenberiget gasstrøm løber ud mod oxygenbeholderen.

Systemet anvender normalt to eller flere adsorptionsbeholdere. Mens en beholder producerer ilt, gennemgår en anden beholder trykaflastning og regenerering. Skifteventiler styrer gasvejen i henhold til en programmeret cyklus. Dette arrangement tillader en beholder at adsorbere nitrogen, mens en anden frigiver det tidligere tilbageholdte nitrogen.

Iltbeholderen adskiller produktion fra øjeblikkelig procesbehov. Det kan absorbere kortvarige flowsvingninger og stabilisere nedstrømstrykket i stedet for at kræve, at adsorptionslejerne følger hver ændring i iltforbruget.

Sådan fungerer PSA-separationscyklussen

DePSAcyklus består hovedsageligt af tryksætning, adsorption, trykaflastning og regenereringstrin. Trykluft passerer først gennem luftbehandlingssektionen, hvor vand, olieaerosoler og partikler fjernes, før luften når molekylsigten.

Under adsorption forbliver driftsbeholderen under tryk, mens nitrogen fortrinsvis adsorberes. Ilt og argon passerer gennem lejet og danner produktgassen. Når adsorptionskapaciteten nærmer sig sin driftsgrænse, ændrer kontrolsystemet gasvejen og sender beholderen til regenerering.

Under regenerering reduceres beholdertrykket, og det adsorberede nitrogen forlader molekylsigten. Nogle PSA-konfigurationer bruger en del af produktets oxygen til udrensning eller udligning, mens andre konfigurationer bruger trykudligning mellem beholdere for at reducere gastab. Den nøjagtige cyklus afhænger af karstørrelse, molekylsigteegenskaber, målrenhed, genvinding og påkrævet oxygenflow.

Til indkøbsformål bør iltrenheden derfor vurderes sammen med iltgenvinding og specifikt strømforbrug. Forøgelse af den nødvendige iltrenhed kan øge mængden af trykluft, der kræves pr. enhed produktilt, hvilket kan øge kompressorens energiforbrug.

Cylinderilt skaber flere tilbagevendende omkostningskomponenter. Fabrikken kan selv betale for ilt, cylinderleje eller serviceafgifter, transport, lastning og losning, opbevaring og operatørarbejde til cylinderudskiftning. Disse omkostninger stiger med leveringshyppighed og iltforbrug.

PSA-produktion flytter de tilbagevendende udgifter til elektricitet og vedligeholdelse af udstyr. Kompressoren repræsenterer normalt en stor del af det elektriske forbrug, fordi atmosfærisk luft skal komprimeres, før den kommer ind i adsorptionsbeholderne. Filtre, ventiler, oxygenanalysatorer, tætninger og molekylsigtemateriale bidrager også til livscyklusomkostningerne.

Omkostningskomponent	Cylinderforsyning	On-site PSA
Ilt køb	Tilbagevendende gasladning	Ikke påkrævet til normal produktion
Transport	Påkrævet	Normalt fjernet
Cylinderhåndtering	Påkrævet	Fjernet
Kompressor elektricitet	Leverandørsiden	Fabrikssiden
Investering i udstyr	Lav på fabrikken	Påkrævet
Luftbehandling	Leverandørsiden	Påkrævet på stedet
Opbevaring	Cylinder inventar	Iltmodtager
Opretholdelse	Regulatorer, ventiler, manifold	Kompressor, ventiler, filtre, analysator
Backup forsyning	Ekstra cylindre	Cylinder eller anden backupkilde

Sammenligningen skal bruge den samme iltmængde, renhed, tryk og driftsperiode. Sammenligning af en cylinderpris i $/cylinder med PSA-elektricitet i $/kWh uden at konvertere begge systemer til omkostninger pr. Nm³ brugbar ilt kan give en forkert konklusion.

Iltforbrug er en af de stærkeste variable i den økonomiske sammenligning. En fabrik, der bruger 10 Nm³/h til et kort produktionsskifte, har en meget anderledes driftsprofil end et anlæg, der kontinuerligt forbruger 100 Nm³/h i 24 timer.

For cylinderforsyning øger et højere forbrug direkte antallet af cylindere, der skal leveres, opbevares, tilsluttes og udskiftes. Hvis det daglige forbrug stiger ud over den eksisterende manifolds kapacitet, kan det være nødvendigt med yderligere cylinderbanker eller hyppigere leveringer.

For PSA-produktion kan en højere kontinuerlig belastning øge udstyrsudnyttelsen og fordele de faste kapitalomkostninger over en større mængde ilt. Kompressoren og adsorptionsbeholderne skal dog dimensioneres til det nødvendige flow, og drift tæt på maksimal kapacitet kan ændre specifikt energiforbrug og iltgenvinding.

En praktisk sammenligning bør derfor beregne iltforbruget som:

Årligt iltbehov=Oxygenflow × Driftstimer × Driftsdage

Det resulterende årlige Nm³-tal giver et fælles grundlag for at sammenligne leveret ilt med produktion på stedet.

I et system på stedet er elforbruget stærkt påvirket af kompressortryk, indblæsningslufttemperatur, kompressoreffektivitet, luftbehandlingstrykfald, adsorptionscykluskonfiguration og iltgenvinding.

For eksempel, hvis et system bruger 0,8 kWh/Nm³ ilt, og industriel elektricitet koster 0,10 USD/kWh, er elkomponenten cirka 0,08 USD/Nm³. Dette tal inkluderer ikke kompressorvedligeholdelse, filtre, ventiludskiftning, oxygenanalyse eller kapitalgenvinding.

Trykluftkvaliteten påvirker også driftsomkostningerne. Vand, der kommer ind i adsorptionslejerne, kan ændre molekylærsigtens ydeevne, mens olieforurening kan beskadige den adsorberende overflade. Luftfiltre gør derfor mere end at beskytte nedstrøms komponenter; de kontrollerer også tilstanden af adsorptionsmaterialet.

Indkøbsingeniører bør anmode om leverandørens specifikke strømforbrug ved det specificerede oxygenflow og renhed i stedet for at bruge kompressormotorens nominelle kW som iltproduktionsomkostninger.

Iltrenhed og leveringstryk skal specificeres sammen, fordi de påvirker systemdesignet. En proces, der kræver ca. 90-93 % oxygen, kan bruge en anden PSA-konfiguration end en proces, der kræver oxygen over 95 %.

Cylinderilt giver en stor mængde lagret gas ved højt tryk, mens PSA-systemer generelt genererer oxygen ved et lavere tryk, der er egnet til direkte procesbrug eller nedstrøms trykforøgelse. Hvis en proces kræver væsentligt højere tryk, kan en ekstra iltkompressor være nødvendig.

Flowstabilitet er en anden overvejelse. En brænder eller skæremaskine kan opleve hurtige ændringer i iltbehovet, mens spildevandsluftning kan opretholde et relativt stabilt flow i længere perioder. Iltbeholderen kan buffere kortsigtede efterspørgselsændringer, men dens volumen skal matches med forskellen mellem PSA-output og procesforbrug.

Ikke alle fabrikker bruger ilt med en konstant hastighed. En produktionslinje kan fungere ved et højt iltbehov under skæring eller forbrænding og falde til et lavere behov under lastning, vedligeholdelse eller skiftskift.

Med cylindere bestemmes forsyningskapaciteten af antallet af tilsluttede cylindere og deres resterende tryk. Når forbruget stiger uventet, skal operatøren muligvis tilslutte en anden cylinderbank.

Ved PSA-produktion fungerer adsorptionsenheden generelt efter en programmeret cyklus, mens iltbeholderen absorberer kortsigtede forskelle mellem produktion og forbrug. Hvis efterspørgslen forbliver over den nominelle produktionskapacitet i en længere periode, vil modtagertrykket i sidste ende falde. Systemet har derfor brug for en defineret peak-flow-kapacitet frem for kun en gennemsnitsflow-beregning.

For indkøb er de vigtige tal ikke kun gennemsnitlig Nm³/h, men også minimumsflow, normalt flow, peakflow, spidsbelastningsvarighed og daglig belastningsprofil.

Cylindersystemer lagrer ilt direkte inde i trykbeholdere. En fabrik kan opretholde flere dages forsyning, hvis nok cylindre opbevares på stedet, men det øger det nødvendige lagerareal og håndteringsarbejdsbyrden. Cylinderbeholdninger skal også roteres i henhold til leverandørprocedurer og gældende krav til trykbeholdere.

AnPSA på stedetSystemet lagrer normalt ilt i en modtager i stedet for at opretholde et stort lager af fyldte cylindere. Modtageren tilvejebringer en gasbuffer mellem adsorptionscyklussen og proceslinjen.

For kontinuerlig produktion forbliver en backup-iltkilde vigtig. Hvis PSA-kompressoren stopper på grund af elektrisk fejl, overophedning, vedligeholdelse eller en kontrolfejl, understøtter lagret ilt muligvis kun processen i en begrænset periode. En reservecylindermanifold kan derfor tilsluttes nedstrøms, så produktionen kan fortsætte, mens PSA-udstyret inspiceres.

Udskiftning af flasker med PSA-produktion kræver ændringer i fabrikkens gasinfrastruktur. Installationen skal give plads til kompressor, luftbeholder, filtreringsenhed, adsorptionsbeholdere, iltbeholder, styreskab og tilhørende rør.

Trykluft skal passere gennem de specificerede filtreringstrin, før den kommer ind i adsorptionsbeholderne. Kondensat skal drænes fra luftbeholderen og filtrene for at forhindre flydende vand i at nå molekylsigten. Iltrør forbinder derefter modtageren med trykregulerings- og procesfordelingssystemet.

Det elektriske system skal forsyne kompressoren og styreudstyret i henhold til producentens nominelle spænding og strøm. Ventilation bør også overvejes, fordi kompressorer genererer varme under kontinuerlig drift, mens PSA-udstødning frigiver nitrogenrig gas under regenerering.

Før idriftsættelse verificerer ingeniører normalt rørernes renhed, trykintegritet, ventildrift, oxygenrenhed, udløbstryk, flowkapacitet og alarmfunktioner. Iltanalysatoren skal bekræfte, at den genererede gas opfylder den specificerede renhed, før procesudstyr modtager gassen.

Cylindersystemer kræver hovedsageligt inspektion af cylinderventiler, regulatorer, fleksible slanger, manifoldforbindelser og tætninger. Lækage ved en ventil eller forbindelse kan løbende frigive ilt og øge forbruget uden at øge produktionsydelsen.

PSA-systemer har et bredere udvalg af mekaniske og procesrelaterede fejltilstande. Overophedning af kompressoren kan reducere lufttilførslen, tilstoppede filtre kan øge trykfaldet, slid på skifteventiler kan forstyrre adsorptionssekvensen, og molekylsigteforurening kan reducere nitrogenadsorptionskapaciteten.

Et fald i oxygenrenhed kan indikere problemer med adsorptionscyklussen, føde-lufttilstanden, ventiltiming, molekylsigtetilstand eller overdreven produktbehov. Et trykfald på tværs af filtre kan indikere forurening, mens unormal kompressorafgangstemperatur kan indikere afkøling eller mekaniske problemer.

Vedligeholdelse bør derfor omfatte kompressorinspektion, filterudskiftning, fjernelse af kondensat, overvågning af ventilcyklus, iltanalysatorkalibrering, trykfaldsmåling og inspektion af adsorptionssystemet i henhold til driftstimer og fabrikantens krav.