Sammenligning av sylinderfyllingskostnader med PSA-oksygenproduksjon på stedet

Comparing Cylinder Filling Costs with On-Site PSA Oxygen Production

For fabrikker som forbruker oksygen hver dag, avhenger kostnadsforskjellen mellom leverte sylindere og oksygenproduksjon på stedet av mer enn den oppgitte gassprisen. Et sylinderbasert system flytter oksygenproduksjon, kompresjon, lagring og transport utenfor fabrikken, mens et PSA-system på stedet flytter de fleste av disse funksjonene inn i produksjonsanlegget. Den resulterende kostnadsstrukturen endres fra en kjøps-og-leveringsmodell til en elektrisitets-, kompressor-, vedlikeholds- og utstyrsutnyttelsesmodell.

Industriell sylinderoksygen når normalt brukeren gjennom en sekvens av produksjon, kompresjon, fylling, transport, lagring og trykkreduksjon. Oksygen produseres ved et sentralt gassanlegg og komprimeres til stål- eller aluminiumsflasker. Avhengig av sylinderdesign og lokale forskrifter, kan industrielle sylindre fylles til ca. 150–200 bar ved fyllestasjonen.

På fabrikken kobles sylindere enkeltvis eller gjennom en manifo-manifold grupperer flere sylindre i banker slik at operatører kan bytte fra en tom bank til en fylt bank uten å umiddelbart avbryte prosessen. Trykkregulatorer reduserer deretter sylindertrykket til driftstrykket som kreves av brennere, skjæreutstyr, luftesystemer eller annet oksygenforbrukende utstyr.

Mengden brukbart oksygen bestemmes ikke bare av det nominelle sylindertrykket. Sylindervannvolum, fylletrykk, gasstemperatur og resttrykk ved sylinderbytte påvirker alle faktisk utnyttelse. Hvis sylindere byttes mens det er igjen en betydelig mengde gass inne, har fabrikken betalt for gass som ikke har kommet inn i produksjonsprosessen.

En på stedetPSA oksygensystemgenererer oksygen fra komprimert atmosfærisk luft. En typisk installasjon inneholder en luftkompressor, luftmottaker, partikkel- og koalesceringsfiltre, adsorpsjonsbeholdere, koblingsventiler, oksygenmottaker, oksygenanalysator, PLS-kontrollsystem, trykkregulator og oksygenfordelingsrør.

Adsorpsjonskarene inneholder molekylsiktmateriale, vanligvis zeolitt. Materialet interagerer forskjellig med nitrogen og oksygen under trykkforhold. Under adsorpsjonstrinnet kommer komprimert luft inn i en beholder, nitrogen holdes fortrinnsvis tilbake av molekylsikten, og en oksygenanriket gasstrøm går ut mot oksygenmottakeren.

Systemet bruker normalt to eller flere adsorpsjonskar. Mens ett kar produserer oksygen, gjennomgår et annet kar trykkavlastning og regenerering. Bytteventiler styrer gassveien i henhold til en programmert syklus. Dette arrangementet tillater en beholder å adsorbere nitrogen mens en annen frigjør det tidligere beholdte nitrogenet.

Oksygenmottakeren skiller produksjon fra øyeblikkelig prosessbehov. Den kan absorbere kortsiktige strømningssvingninger og stabilisere nedstrømstrykket i stedet for å kreve at adsorpsjonssengene følger hver endring i oksygenforbruket.

Hvordan PSA-separasjonssyklusen fungerer

DePSAsyklusen består hovedsakelig av trykksetting, adsorpsjon, trykkavlastning og regenereringstrinn. Trykkluft passerer først gjennom luftbehandlingsseksjonen, hvor vann, oljeaerosoler og partikler fjernes før luften når molekylsikten.

Under adsorpsjon forblir driftsbeholderen under trykk mens nitrogen fortrinnsvis adsorberes. Oksygen og argon passerer gjennom sjiktet og danner produktgassen. Når adsorpsjonskapasiteten nærmer seg driftsgrensen, endrer kontrollsystemet gassbanen og sender fartøyet til regenerering.

Under regenerering reduseres kartrykket og det adsorberte nitrogenet forlater molekylsilen. Noen PSA-konfigurasjoner bruker en del av produktoksygen for spyling eller utjevning, mens andre konfigurasjoner bruker trykkutjevning mellom kar for å redusere gasstap. Den eksakte syklusen avhenger av karstørrelse, molekylsiktegenskaper, målrenhet, gjenvinning og nødvendig oksygenstrøm.

For anskaffelsesformål bør oksygenrenheten derfor vurderes sammen med oksygengjenvinning og spesifikt kraftforbruk. Å øke den nødvendige oksygenrenheten kan øke mengden komprimert luft som kreves per enhet produktoksygen, noe som kan øke kompressorens energiforbruk.

Sylinderoksygen skaper flere tilbakevendende kostnadskomponenter. Fabrikken kan betale for oksygen selv, sylinderleie eller serviceavgifter, transport, lasting og lossing, lagring og operatørarbeid for sylinderbytte. Disse kostnadene øker med leveringsfrekvens og oksygenforbruk.

PSA-produksjon flytter de tilbakevendende utgiftene til elektrisitet og vedlikehold av utstyr. Kompressoren representerer normalt en stor del av det elektriske forbruket fordi atmosfærisk luft må komprimeres før den kommer inn i adsorpsjonskarene. Filtre, ventiler, oksygenanalysatorer, tetninger og molekylsiktmateriale bidrar også til livssykluskostnadene.

Kostnadskomponent	Sylinderforsyning	PSA på stedet
Oksygenkjøp	Gjentakende gassladning	Ikke nødvendig for normal produksjon
Transport	Obligatorisk	Vanligvis fjernet
Sylinderhåndtering	Obligatorisk	Fjernet
Kompressor elektrisitet	Leverandørsiden	Fabrikksiden
Utstyrsinvestering	Lavt på fabrikken	Obligatorisk
Luftbehandling	Leverandørsiden	Påkrevd på stedet
Lagring	Sylinderinventar	Oksygenmottaker
Vedlikehold	Regulatorer, ventiler, manifold	Kompressor, ventiler, filtre, analysator
Backup forsyning	Ekstra sylindre	Sylinder eller annen sikkerhetskopikilde

Sammenligningen skal bruke samme oksygenmengde, renhet, trykk og driftsperiode. Å sammenligne en sylinderpris i $/sylinder med PSA-elektrisitet i $/kWh uten å konvertere begge systemene til kostnad per Nm³ brukbart oksygen kan gi en feil konklusjon.

Oksygenforbruk er en av de sterkeste variablene i den økonomiske sammenligningen. En fabrikk som bruker 10 Nm³/t for et kort produksjonsskift har en helt annen driftsprofil enn et anlegg som bruker 100 Nm³/t kontinuerlig i 24 timer.

For sylinderforsyning øker høyere forbruk direkte antallet sylindere som må leveres, lagres, kobles til og skiftes ut. Hvis det daglige forbruket stiger utover kapasiteten til den eksisterende manifolden, kan det være nødvendig med ytterligere sylinderbanker eller hyppigere leveranser.

For PSA-produksjon kan en høyere kontinuerlig belastning øke utstyrsutnyttelsen og fordele den faste kapitalkostnaden over et større volum oksygen. Kompressoren og adsorpsjonskarene må imidlertid dimensjoneres for den nødvendige strømningen, og drift nær maksimal kapasitet kan endre spesifikt energiforbruk og oksygengjenvinning.

En praktisk sammenligning bør derfor beregne oksygenforbruket som:

Årlig oksygenbehov=oksygenstrøm × driftstimer × driftsdager

Det resulterende årlige Nm³-tallet gir et felles grunnlag for å sammenligne levert oksygen med produksjon på stedet.

I et system på stedet er strømforbruket sterkt påvirket av kompressortrykk, inntakslufttemperatur, kompressoreffektivitet, trykkfall i luftbehandlingen, adsorpsjonssykluskonfigurasjon og oksygengjenvinning.

For eksempel, hvis et system bruker 0,8 kWh/Nm³ oksygen og industriell elektrisitet koster 0,10 USD/kWh, er elektrisitetskomponenten omtrent 0,08 USD/Nm³. Dette tallet inkluderer ikke kompressorvedlikehold, filtre, ventilbytte, oksygenanalyse eller kapitalgjenvinning.

Trykkluftkvalitet påvirker også driftskostnadene. Vann som kommer inn i adsorpsjonssengene kan endre molekylsilens ytelse, mens oljeforurensning kan skade den adsorberende overflaten. Luftfiltre gjør derfor mer enn å beskytte nedstrømskomponenter; de kontrollerer også tilstanden til adsorpsjonsmaterialet.

Innkjøpsingeniører bør be om leverandørens spesifikke strømforbruk ved spesifisert oksygenstrøm og renhet i stedet for å bruke kompressormotorens nominelle kW som oksygenproduksjonskostnad.

Oksygenrenhet og leveringstrykk må spesifiseres sammen fordi de påvirker systemdesign. En prosess som krever omtrent 90–93 % oksygen kan bruke en annen PSA-konfigurasjon enn en prosess som krever oksygen over 95 %.

Sylinderoksygen gir en stor mengde lagret gass ved høyt trykk, mens PSA-systemer generelt genererer oksygen ved et lavere trykk egnet for direkte prosessbruk eller nedstrøms trykkøkning. Hvis en prosess krever vesentlig høyere trykk, kan det være nødvendig med en ekstra oksygenkompressor.

Strømningsstabilitet er en annen vurdering. En brenner eller skjæremaskin kan oppleve raske endringer i oksygenbehovet, mens lufting av avløpsvann kan opprettholde en relativt stabil strømning i lengre perioder. Oksygenmottakeren kan buffere kortsiktige behovsendringer, men volumet må tilpasses forskjellen mellom PSA-utgang og prosessforbruk.

Ikke alle fabrikker bruker oksygen med en konstant hastighet. En produksjonslinje kan operere med høyt oksygenbehov under skjæring eller forbrenning og falle til et lavere behov under lasting, vedlikehold eller skiftskift.

Med sylindere bestemmes forsyningskapasiteten av antall tilkoblede sylindere og deres gjenværende trykk. Når forbruket øker uventet, kan det hende at operatøren må koble til en annen sylinderbank.

Med PSA-produksjon opererer adsorpsjonsenheten generelt i henhold til en programmert syklus mens oksygenmottakeren absorberer kortsiktige forskjeller mellom produksjon og forbruk. Hvis etterspørselen forblir over den nominelle produksjonskapasiteten i en lengre periode, vil mottakertrykket etter hvert falle. Systemet trenger derfor en definert peak-flow-kapasitet i stedet for kun en gjennomsnittlig flow-beregning.

For innkjøp er de viktige tallene ikke bare gjennomsnittlig Nm³/h, men også minimumsstrøm, normalstrøm, toppstrøm, toppvarighet og daglig lastprofil.

Sylindersystemer lagrer oksygen direkte inne i trykkbeholdere. En fabrikk kan opprettholde flere dagers forsyning hvis nok sylindere holdes på stedet, men dette øker det nødvendige lagringsområdet og håndteringsarbeidet. Sylinderbeholdninger må også roteres i henhold til leverandørens prosedyrer og gjeldende krav til trykkbeholdere.

AnPSA på stedetSystemet lagrer normalt oksygen i en mottaker i stedet for å opprettholde et stort lager av fylte sylindere. Mottakeren gir en gassbuffer mellom adsorpsjonssyklusen og prosesslinjen.

For kontinuerlig produksjon forblir en reserveoksygenkilde viktig. Hvis PSA-kompressoren stopper på grunn av elektrisk feil, overoppheting, vedlikehold eller en kontrollfeil, kan det hende at lagret oksygen bare støtter prosessen i en begrenset periode. En reservesylindermanifold kan derfor kobles nedstrøms slik at produksjonen kan fortsette mens PSA-utstyret inspiseres.

Å bytte ut sylindere med PSA-produksjon krever endringer i fabrikkens gassinfrastruktur. Installasjonen må gi plass til kompressor, luftmottaker, filtreringsenhet, adsorpsjonsbeholdere, oksygenmottaker, kontrollskap og tilhørende rør.

Trykkluft bør passere gjennom spesifiserte filtreringsstadier før den kommer inn i adsorpsjonskarene. Kondensat må tømmes fra luftbeholderen og filtrene for å forhindre at flytende vann når molekylsikten. Oksygenrør kobler deretter mottakeren til trykkregulerings- og prosessdistribusjonssystemet.

Det elektriske anlegget skal forsyne kompressor og styreutstyr i henhold til produsentens merkespenning og strøm. Ventilasjon bør også vurderes fordi kompressorer genererer varme under kontinuerlig drift, mens PSA eksos frigjør nitrogenrik gass under regenerering.

Før igangkjøring verifiserer ingeniører vanligvis rørrens renslighet, trykkintegritet, ventildrift, oksygenrenhet, utløpstrykk, strømningskapasitet og alarmfunksjoner. Oksygenanalysatoren skal bekrefte at den genererte gassen oppfyller spesifisert renhet før prosessutstyr mottar gassen.

Sylindersystemer krever hovedsakelig inspeksjon av sylinderventiler, regulatorer, fleksible slanger, manifoldforbindelser og tetninger. Lekkasje ved en ventil eller kobling kan kontinuerlig frigjøre oksygen og øke forbruket uten å øke produksjonseffekten.

PSA-systemer har et bredere spekter av mekaniske og prosessrelaterte feilmoduser. Overoppheting av kompressoren kan redusere lufttilførselen, tilstoppede filtre kan øke trykkfallet, koblingsventilslitasje kan forstyrre adsorpsjonssekvensen, og molekylsiktforurensning kan redusere nitrogenadsorpsjonskapasiteten.

En reduksjon i oksygenrenhet kan indikere problemer med adsorpsjonssyklusen, mate-luftforhold, ventiltiming, molekylsikttilstand eller overdreven produktbehov. Et trykkfall over filtre kan indikere forurensning, mens unormal kompressorutløpstemperatur kan indikere kjøling eller mekaniske problemer.

Vedlikehold bør derfor omfatte kompressorinspeksjon, filterbytte, fjerning av kondensat, ventilsyklusovervåking, oksygenanalysatorkalibrering, trykkfallsmåling og inspeksjon av adsorpsjonssystemet i henhold til driftstimer og produsentens krav.