鉄鋼および化学産業における産業用酸素発生装置の応用

製鉄および化学生産では、継続的かつ安定した酸素供給が生産量、エネルギー消費、および操業の安全性に直接影響します。従来の液体酸素の購入と比較して、現場での産業用酸素発生装置は多くのメーカーにとって実用的な選択肢となりつつあります。{1} Shenger Gas は、ガス分離分野のプレーヤーとして、酸素生成技術が現実世界のさまざまな条件にどのように適合するかに焦点を当てています。-この記事では、産業用酸素発生装置が鉄鋼および化学部門にどのような価値をもたらすか、またシステムを選択する際に何を考慮すべきかについて考察します。

鉄鋼産業: 酸素富化から高炉サポートまで

鉄鋼の生産には大量の酸素が消費されます。平均して、1 トンの粗鋼を生産するには、約 100 ～ 150 立方メートルの純酸素が必要です。主な用途には次のようなものがあります。

1. 酸素富化高炉注入-
高炉の空気に純酸素を添加すると、羽口での燃焼温度が上昇し、より多くの微粉炭の注入が可能になり、コークスの使用量が削減されます。実際には、酸素富化度が 1% 増加するごとに、石炭注入量は鉄 1 トンあたり 15 ～ 20 kg 増加し、コークス消費量は鉄 1 トンあたり約 5 ～ 8 kg 減少します。産業用酸素発生器は、90% ～ 99.6% の酸素濃度を提供します。 VPSA (真空圧力スイング吸着) ユニットと極低温空気分離ユニットはどちらも、高炉の継続的な酸素需要を満たすことができます。

2. 塩基性酸素炉（BOF）製鋼
BOF プロセスでは、脱炭と温度制御のために高純度酸素（99.5% 以上）が必要です。{0}酸素要求量は急激に変動し、ピーク流量は 20,000 ～ 80,000 Nm3/h に達します。極低温空気分離ユニットは高流量と高純度を処理し、液体酸素のバックアップにより安定性が保証されます。副産物の窒素とアルゴンも全体的な経済性を向上させます。

3. 電気炉（EAF）と取鍋精錬
EAF の溶解には酸素による燃焼が利用され、溶解サイクルが短縮されます。{0}取鍋精錬炉 (LF) では、酸素が脱硫反応と脱リン反応をサポートします。これらの用途では、0.8 ～ 1.2 MPa での断続的な酸素供給が必要です。柔軟な始動停止機能と容易なメンテナンスを備えた VPSA 酸素発生装置は、多くの中規模製鉄所で採用されています。-

選択のヒント
年間 300 万トンを超える生産を行う大規模な統合製鉄所では、液体バックアップを備えた極低温空気分離が標準的な選択です。 100 万トン未満の小規模工場や加熱炉濃縮の場合、VPSA ユニットは先行投資を 30 ～ 40% 削減し、全体の運用コストを 15 ～ 25% 削減します。

化学産業: 酸化とガス化に対する厳しい需要

化学プラントでは、酸素のコストが最終製品のマージンに直接影響するため、酸素の純度、圧力、信頼性に関してより厳しい要求が求められます。

1. アンモニアとメタノールの生成
In natural gas or coal-based ammonia production, pure oxygen is required for partial oxidation gasification to produce syngas (CO + H₂). Oxygen purity should be at least 99.5%, with tight limits on impurities like argon. Producing one ton of ammonia consumes about 700–850 Nm³ of oxygen. Large chemical projects typically install cryogenic air separation units, which also supply nitrogen for purging and sealing.

2. エチレンオキシド/エチレングリコール(EO/EG)
エチレンをエチレンオキシドに酸化するために使用される触媒は、酸素純度に非常に敏感です。酸素中のメタン含有量は 0.1% 未満、総硫黄は 0.1 ppm 未満に維持する必要があります。この種の用途では、極低温酸素の生成と、その後の追加の脱硫および乾燥ステップが必要です。

3. 石炭ガス化とIGCC
噴流ガス化技術（シェル、GSP、対向マルチバーナー設計など）では、安定した流量で 4.0～8.5 MPa の酸素が必要です。{0}業界標準は、高圧液体酸素ポンプと気化を組み合わせた極低温酸素の生成です。-低圧の-固定床-床ガス化装置の場合、90～93% の酸素富化空気-を使用するとガス化強度を向上させることができます。このような場合、VPSA ユニットは低コストの代替手段となります。-

4. 廃水処理とオゾン酸化
化学工業団地では、廃水中の耐火性有機化合物を分解するためにオゾン酸化が頻繁に使用されます。オゾンの生成には酸素の供給が必要です。純度 90 ～ 95% の少量の流量 (500 Nm3/h 以下) で十分です。コンパクトな PSA 酸素発生器はここに最適です -。自動的に動作し、スペースがほとんどなく、屋外に設置できます。

主要なコスト指標
化学プロジェクトでは、製品単位あたりの酸素コストを計算することが不可欠です。電気料金が 0.6 元/kWh を超え、酸素需要が安定している場合、極低温ユニットの効率が向上します。電力が安く、副産物 (アルゴン、ヘリウム) の需要がない場合、VPSA 酸素発生装置は Nm3 あたり (純度 90%) で 0.35 ～ 0.45 kWh しか消費しません -。これは、ファインケミカルや初期段階の石炭化学投資にとって費用対効果の高い選択肢です。-

産業用酸素発生装置の技術比較

一部の実際のプロジェクトでは、プラントでは主な生産（高純度）用の極低温ユニットと低級酸素需要（環境処理など）用の VPSA を組み合わせて使用​​しています。{0}}これにより、資本コストとエネルギーコストのバランスが取れます。

酸素発生器のパフォーマンスに影響を与える 3 つの現実世界の要素-

複数の運用サイトからのフィードバックに基づいて、選択する前に次の要素に注目する必要があります。

1. 入口空気の質
製鉄所や化学施設では、SO₂、NOx、粉塵、炭化水素が空気中に放出されることがよくあります。極低温ユニットの場合、これはモレキュラーシーブ吸着剤を追加し、定期的な洗浄をスケジュールすることを意味します。 VPSA システムの場合、ゼオライト モレキュラー シーブの酸性ガスに対する耐性は限られています。吸入空気は脱硫塔と高効率フィルターを通過する必要があります。-そうしないと、モレキュラーシーブの寿命が 5 ～ 8 年から 2 ～ 3 年に低下する可能性があります。

2. ベント速度と負荷の柔軟性
製鉄所の酸素需要は、ピーク時とオフピーク時の間で 30～40% 変動する可能性があります。-極低温ユニットには、ピークカットまたはアルゴン システムとの統合のために液体酸素貯蔵タンクが必要です。 VPSA ユニットはブロワー速度と吸着タイミングを変更することで負荷を 50% から 100% の間で調整しますが、応答には約 30 秒かかります -。ほとんどの工場では十分な速さです。

3. 整備員の能力
極低温空気の分離には、ターボ機械、蒸留塔の制御、および安全確保手順を理解した熟練したオペレーターが必要です。トレーニングには 6 ～ 12 か月かかります。 PSA および VPSA ユニットは PLC- ベースの自動化で実行されます。毎日のメンテナンスには主にフィルターの交換とモレキュラーシーブの補充が含まれるため、小規模チームに適しています。

過去 2 年間、エネルギー価格の変動と炭素削減の圧力により、多くの鉄鋼工場や化学工場は、-現場での酸素生成を再評価する必要に迫られてきました。{1} 2 つのアプローチが注目を集めています。 1 つは、高炉スラグのフラッシング水からの廃熱を利用してモレキュラーシーブ再生ガスを予熱し、蒸気の使用量を削減することです。もう 1 つは、再加熱炉やロータリー キルンでの低純度酸素富化 (25% ～ 35%) の使用の増加であり、多くの小型 VPSA 酸素発生装置の需要が高まっています。

酸素発生器の選択は、機器の価格を比較するだけではありません。酸素の純度、圧力、流量変動、電気代、副産物の販売価格、メンテナンス間隔 - をすべて、酸素 1 トンあたりの最終コストに考慮する必要があります。 Shenger Gas は顧客に非常に率直なアドバイスをしています。まず、6 か月間酸素使用量データを正直に追跡し、次にプロセス ルートを決定します。そうしないと、決して使用しない機能に過剰な料金を支払うか、突破できないボトルネックに陥ってしまうかのどちらかです。