Wie kann eine wirtschaftlichere Sauerstoffgewinnung erreicht werden – Untersuchung der Prozesse zur Sauerstoffherstellung mittels Druckabsorptionsverfahren in Hochofenanwendungen

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Ein Artikel aus der „China Metallurgical News“, der zur Diskussion zum Zweck des Wissensaustauschs bereitgestellt wird, lautet wie folgt: Wie kann eine wirtschaftlichere Sauerstoffanreicherung erreicht werden – Untersuchungen zu den Verfahren der Druckabsorptions-Sauerstoffgewinnung in Hochofenanlagen. Autor: Wang Hongqiang. Bei der traditionellen Technik zur Sauerstoffanreicherung in Hochofenanlagen wird meist Sauerstoff unter hohem Druck hergestellt, indem das Kryogenverfahren angewandt wird. Aufgrund der hohen Investitionskosten für dieses Verfahren wird der Sauerstoff in der Regel aus überschüssigem Hochdruckgas aus der Stahlherstellung gewonnen. Dadurch ist die Art der Sauerstoffanreicherung in Hochofenanlagen meist eine nachträgliche Anreicherung. Mit den Fortschritten in der Schmelztechnologie wurde das Schmelzen mit Sauerstoff zu einem wirksamen Mittel zur Verbesserung des Prozesses in Hochöfen. Die Gewinnung von stabilen und günstig verfügbaren Sauerstoffmengen ist daher entscheidend für die Nutzung von Sauerstoff in Hochöfen. Die fortschrittliche Technologie der Transformationsadsorption zur Sauerstoffherstellung ermöglicht die Produktion von günstigem Sauerstoff, was es ermöglicht, den Sauerstoffgehalt in den Hochofen erheblich zu erhöhen. Die Anwendung des Sauerstoffreicherungsverfahrens vor der Maschine trägt dazu bei, die Anwendung der Pressorsorption zur Sauerstofferzeugung in Hochofen weiter zu erweitern. Prinzip und Vorteile der Sauerstofferzeugung durch Druckveränderungsadsorption. Die Methode der Druckveränderungsadsorption, auch PSA-Verfahren genannt, beinhaltet die Adsorption unter hohem Druck zur Trennung von Gasen sowie die Regeneration des Adsorptionsmittels unter niedrigem Druck. Diese Methode beruht auf der selektiven Adsorption der Sauerstoff- und Stickstoffbestandteile in der Luft durch Molekularsiebe, wodurch Sauerstoff aus der Luft gewonnen werden kann. Wenn die Luft komprimiert wird und durch einen Adsorptionskolben mit Molekularsieb fließt, werden die Stickstoffmoleküle bevorzugt adsorbiert, während die Sauerstoffmoleküle im Gaszustand verbleiben und somit zu Sauerstoff werden. Wenn die Adsorption im Gleichgewicht ist, werden die auf der Oberfläche des Molekülsiebs adsorbierten Stickstoffmoleküle durch Entlastung oder Vakuumentwicklung entfernt, wodurch die Adsorptionsfähigkeit des Molekülsiebs wiederhergestellt wird. Um einen kontinuierlichen Sauerstofffluss zu gewährleisten, sind in der Regel zwei oder mehr Adsorptionskolonnen vorhanden – eine Kolonne adsorbiert den Sauerstoff, die andere wiederum löst ihn frei, um so einen stetigen Sauerstoffausstoß zu erreichen. Die PSA-Methode ermöglicht die Herstellung von Sauerstoff mit einer Reinheit von 80 % bis 95 %. Der Energieverbrauch zur Sauerstoffherstellung liegt in der Regel bei 0,32 kWh/m³ bis 0,37 kWh/m³. Der Adsorptionsdruck liegt über dem Atmosphärendruck und beträgt in der Regel 30 kPa bis 100 kPa. Der Prozess ist einfach, er funktioniert bei Raumtemperatur und weist ein hohes Automatisierungsgrad auf. Dadurch ist eine unbemannte Steuerung möglich – insbesondere ist die Sicherheit hoch. Im Vakuum-Desorptionsprozess ist der Betriebsdruck des Geräts niedrig, und Behälter usw. unterliegen nicht den Vorschriften für Druckbehälter. Der Prozess der Druckabsorptionsentwässerung wird je nach Anzahl der Absorber in Prozesse mit einem Turm, zwei Türmen, drei Türmen oder fünf Türmen unterteilt. Die am häufigsten verwendete Methode im Fünftürm-Prozess ist die Adsorptionsentgasung – dabei werden 5 Adsorptionsbetten, 4 Gebläse sowie 2 Vakuumpumpen eingesetzt. Während des gesamten Prozesses befinden sich stets 2 Betten in einem Zustand der Adsorption bzw. Entvakuierung. Dadurch werden die technischen Herausforderungen bei der großtechnischen Herstellung von Sauerstoff bewältigt. Der Prozess der Sauerstoffgewinnung durch Trockenadsorption weist folgende Vorteile auf: Erstens wird eine Technologie zur automatischen Druckregelung unter Verwendung des atmosphärischen Drucks eingesetzt. Dadurch wird die Menge an Luft, die von den Gebläsen zugeführt werden muss, verringert. Dies verlängert die Lebensdauer der Anlage und senkt die Kosten für die Sauerstoffherstellung. Zweitens sind die Geräte einfach aufgebaut. Die wichtigsten Geräte, nämlich die Roots-Lüfter und Vakuumpumpen, arbeiten zuverlässig und stabil. Die Lebensdauer des Molekularsiebs beträgt mehr als 10 Jahre – es ist somit keine Wartung erforderlich. Drittens kann die Menge sowie die Reinheit des erzeugten Sauerstoffs je nach tatsächlichem Einsatz anpassen werden; eine stabile Reinheit von 93 % ist möglich, während eine wirtschaftlich sinnvolle Reinheit bei 80 % bis 90 % liegt ； Die Sauerstoffproduktion erfolgt schnell – in der Regel kann bereits innerhalb von 30 Minuten eine Reinheit von über 80 % erreicht werden ； Der Stromverbrauch pro Einheit beträgt lediglich 0,32 kWh/Nm3 bis 0,37 kWh/Nm3. Viertens weisen die Verfahren der Sauerstofferzeugung durch Trockenadsorption im Vergleich zur Kryotechnologie folgende Vorteile auf: geringe Investitionskosten, einfacher Ablauf, geringer Platzbedarf, weniger Ausrüstung sowie weniger bewegliche Teile ； Hohe Automatisierungsstufe – eine nahezu vollständige bedienerlose Steuerung ist möglich ； Kann die Anforderungen des Sauerstoffanreicherungsprozesses in Hochofenen erfüllen. Vergleich der beiden Sauerstoffversorgungsmethoden: Der Sauerstoffdruck, der bei der Erzeugung von Sauerstoff durch Transportsorption entsteht, liegt in der Regel zwischen 30 kPa und 100 kPa. Derzeit gibt es zwei gängige Methoden zur Sauerstoffversorgung: Die erste Methode ist die Nachbereitung des Sauerstoffs nach dem Filtervorgang – der niedrigdruckige Sauerstoff, der aus dem Filtertower kommt, wird anschließend mit einem Kolben-Sauerstoffkompressor auf 600 kPa erhöht. Danach wird der Druck mithilfe eines Druckreglers angepasst. Der Sauerstoff wird schließlich über einen Luftverteiler in die Kaltluftleitung am Ausgang des Hochofengebläses geleitet, wo er sich mit der Luft mischt, um so eine Anreicherung des Sauerstoffsgehalts zu erreichen ； In der Regel sind Druckregelventile sowie entsprechende Sicherheitssysteme vorhanden, um den Anforderungen des Herstellungsprozesses gerecht zu werden. Diese Methode erfordert hohe Investitionen – insbesondere für die Sauerstoffkompressoren: Die Kosten pro Gerät liegen zwischen einigen Millionen und mehreren hundert Millionen. Zudem steigt der Stromverbrauch nach der Verdichtung des Sauerstoffs um 0,1 kWh/Nm3. Noch wichtiger ist, dass die Verpressung und Zufuhr von Sauerstoff unter hohem Druck höhere Sicherheitsanforderungen an die Ausrüstung und andere Aspekte stellt. Wenn während des Bauvorgangs diese Standards nicht eingehalten werden, können leicht Explosionen auftreten. Die zweite Methode ist die Vorbehandlung des Gases mit Sauerstoff – dabei wird der niedrigdruckige Sauerstoff, der aus dem Adsorptionsbehälter stammt, direkt an den Einlass des Lüfters geleitet. Bei dieser Methode liegt der Sauerstoffdruck bei 5 kPa bis 10 kPa. Der Druck ist niedrig und die Fließgeschwindigkeit gering; daher muss der Durchmesser der Sauerstoffleitungen vergrößert werden, um den erforderlichen Durchfluss zu gewährleisten. Gleichzeitig wird zur vollständigen Vermischung des durch die Lüftungsöffnungen eingezogenen Sauerstoffs mit der Luft am Eingang ein Sauerstoffverteiler hinzugefügt, um den Anforderungen des Prozesses gerecht zu werden und so eine höhere Sauerstoffkonzentration zu erreichen. Diese Methode ersetzt den Sauerstoffkompressor, wodurch sowohl die Kosten gesenkt als auch der Stromverbrauch eingespart wird. Da Sauerstoff bei niedrigem Druck transportiert wird, gelten für die Lagerung und den Transport des Sauerstoffs niedrige Druckstandards. Dadurch sinken die Herstellungskosten der Geräte. Zudem sind auch die Bauvorschriften geringer – es ist nicht notwendig, Entlastungs- oder Explosionsschutzvorrichtungen einzubauen. Dadurch werden die Baukosten gesenkt, und die Sicherheit beim Einsatz von Sauerstoff in Hochöfen zur Eisengewinnung kann besser gewährleistet werden. Der Autor empfiehlt, diese Technologie gezielt zu fördern. Anwendungsbeispiele und Hinweise: Am 19. April 2011 schloss die Wuhan Wugang Sino-Canadian Steel Co., Ltd. eine Absichtserklärung zur technischen Zusammenarbeit mit der Beijing Peking Pioneer Technology Co., Ltd. ab. Am 10. August begannen die Arbeiten am Projekt zur Herstellung von Sauerstoff mittels Pressure Swing Adsorption mit einer Kapazität von 10.600 Nm³/h. Das Projekt wurde am 9. Mai 2012 abgeschlossen. Dieses Projekt umfasst eine eigenständige Sauerstoffgewinnungsanlage, die von Zhongjia Company speziell zur Sauerstoffanreicherung von 3 Hochofenanlagen errichtet wurde. Dabei wird die Sauerstoffanreicherung mithilfe eines Systems vor dem Hochofen durchgeführt – und der Betrieb startete bereits erfolgreich. Durch die Erhöhung des Sauerstoffgehalts auf 5 % konnten die Produktionsmengen um 20 % gesteigert werden. Zudem stieg der Kohleverbrauch auf 35 Kilogramm pro Tonne Eisen – was zu guten wirtschaftlichen Ergebnissen führte. Bislang hat das Unternehmen Zhongjia durch mehr als 2 Jahre praktische Anwendung festgestellt, dass die Ausrüstung zuverlässig und sicher funktioniert. Die Reinheit sowie der Durchfluss des Sauerstoffs liegen über den vorgesehenen Werten. Zudem wird der Lärm gut kontrolliert – die Anwohner in einer Entfernung von 40 Metern vom Werk haben keinerlei Einwände. Die Herstellungskosten für Sauerstoff werden wie folgt berechnet: Die Gesamtmenge an Sauerstoff beträgt 4.079.961 Kubikmeter pro Monat. Die gesamte Strommenge beträgt 1.372.601 Kilowattstunden. Der Stromverbrauch liegt bei 0,33643 Kilowattstunden pro Kubikmeter. Multipliziert mit 0,65 Yuan pro Kilowattstunde ergibt sich ein Kostenwert von 0,218679 Yuan pro Kubikmeter. Der Salzverbrauch beträgt 0,0012 Yuan pro Kubikmeter. Für komprimierte Luft fallen 0,002167 Yuan pro Kubikmeter an. Die Lohnkosten betragen 0,00598 Yuan pro Kubikmeter. Die Abschreibungen werden mit 0,022 Yuan pro Kubikmeter berechnet. Die Zinsen betragen 0,028 Yuan pro Kubikmeter. Die Kosten für Öl liegen bei 0,0002253 Yuan pro Kubikmeter. Die Kosten für andere Materialien betragen 0,0000751 Yuan pro Kubikmeter. Insgesamt betragen die Kosten 0,2783269 Yuan pro Kubikmeter (inklusive Steuern). Da bei diesem Verfahren Rotationsluftkompressoren verwendet werden, muss bei der Planung und dem Bau des Gebäudes unbedingt darauf geachtet werden, Lärm sowie Vibrationen der Geräte zu minimieren. Um den Lärm zu verringern, müssen mehrere Maßnahmen ergriffen werden. Dazu gehören beispielsweise die Installation von Schalldämpfern an den Lüftungsanlagen des Gebäudes, der Einsatz hochwertiger Schalldämmmaterialien im Inneren des Gebäudes, die Ersetzung der Abluftöffnungen der Vakuumpumpen durch Schalldämpfer mit guter Wirkung sowie die Installation von effektiven Schalldämpfern an allen Entlüftungspunkten. Dadurch wird die Geräuschentstehung grundlegend reduziert, sodass das Projekt in Wohngebieten unter Einhaltung der geltenden **Standards reibungslos betrieben werden kann. Um das Problem der starken Vibrationen des Lüfters zu beheben, wurden an den Eingang und Ausgang des Lüfters elastische Verbindungen eingebaut sowie am Ausgangsrohr Dämpfungssysteme installiert. Da der Wärmetauscher am Ausgang der Lüftungsanlage bei der Auswahl eine quadratische Bauform aufwies, hat sich in der Praxis gezeigt, dass diese Bauform nicht in der Lage ist, Vibrationen effektiv zu dämpfen. Dadurch zerbricht die Hülle des Wärmetauschers häufig. Durch technischen Austausch wurde festgestellt, dass Wärmeaustauscher mit kreisförmigem Aufbau Vibrationen besser aufnehmen können, ohne selbst beeinträchtigt zu werden, wodurch das Problem der Vibrationen grundlegend gelöst wird. Derzeit führen Kostendrücke dazu, dass die durchschnittliche Qualität des in die Hochofen eingeführten Erzes allgemein abnimmt und die Menge an Schlacke zunimmt. Der Einsatz von Sauerstoff in großem Umfang ist daher zur Standardlösung in den Stahlwerken geworden. Doch die Nutzung nur des überschüssigen Sauerstoffs aus dem Stahlherstellungsprozess ist durch Mengenbeschränkungen eingeschränkt ； Der großflächige Einsatz von Sauerstoff, der mittels des Kryokälteverfahrens hergestellt wird, ist unweigerlich von den Kosten für Sauerstoff abhängig (ein Sauerstoffgehalt von über 4 % ist wirtschaftlich nicht sinnvoll). Durch die Anwendung des wirtschaftlichen Sauerstoffgewinnungsverfahrens durch Druck- und Saugadsorption wird es möglich, Hochofen mit einem hohen Anteil an Sauerstoff zu versorgen. Es ist nun an der Zeit, speziell für Hochofen Sauerstoffgewinnungsanlagen einzurichten – das Verfahren der Druck- und Saugadsorption hat dabei alle Voraussetzungen, zur bevorzugten Methode zu werden. Für die Herstellung von Sauerstoff mittels Adsorptionsverfahren wird empfohlen, ein Vorbehandlungsverfahren mit erhöhtem Sauerstoffgehalt vor dem Gerät anzuwenden.