Cilindervulkosten vergelijken met PSA-zuurstofproductie op locatie - Inzichten

Comparing Cylinder Filling Costs with On-Site PSA Oxygen Production

Voor fabrieken die dagelijks zuurstof verbruiken, hangt het kostenverschil tussen geleverde cilinders en zuurstofopwekking ter plaatse af van meer dan de opgegeven gasprijs. Een op cilinders gebaseerd systeem verplaatst de zuurstofproductie, compressie, opslag en transport buiten de fabriek, terwijl een PSA-systeem ter plaatse de meeste van deze functies naar de productiefaciliteit verplaatst. De resulterende kostenstructuur verandert van een aankoop-en-leveringsmodel naar een elektriciteits-, compressor-, onderhouds- en apparatuurgebruiksmodel.

Industriële cilinderzuurstof bereikt de gebruiker normaal gesproken via een reeks productie, compressie, vullen, transport, opslag en drukverlaging. Zuurstof wordt geproduceerd in een centrale gasfabriek en samengeperst tot stalen of aluminium cilinders. Afhankelijk van het cilinderontwerp en de plaatselijke regelgeving kunnen industriële cilinders bij het vulstation tot ongeveer 150–200 bar worden gevuld.

In de fabriek worden cilinders afzonderlijk verbonden of via een spruitstuk worden meerdere cilinders in banken gegroepeerd, zodat operators van een lege naar een gevulde bank kunnen overschakelen zonder het proces onmiddellijk te onderbreken. Drukregelaars verlagen vervolgens de cilinderdruk tot de werkdruk die nodig is voor branders, snijapparatuur, beluchtingssystemen of andere zuurstofverbruikende apparatuur.

De hoeveelheid bruikbare zuurstof wordt niet alleen bepaald door de nominale cilinderdruk. Het cilinderwatervolume, de vuldruk, de gastemperatuur en de restdruk bij cilindervervanging hebben allemaal invloed op het daadwerkelijke gebruik. Als cilinders worden uitgewisseld terwijl er nog een aanzienlijke hoeveelheid gas in zit, heeft de fabriek betaald voor gas dat niet in het productieproces is terechtgekomen.

Een ter plaatsePSA-zuurstofsysteemgenereert zuurstof uit gecomprimeerde atmosferische lucht. Een typische installatie bevat een luchtcompressor, luchtontvanger, deeltjes- en coalescentiefilters, adsorptievaten, schakelkleppen, zuurstofontvanger, zuurstofanalysator, PLC-regelsysteem, drukregelaar en zuurstofdistributieleidingen.

De adsorptievaten bevatten moleculair zeefmateriaal, gewoonlijk zeoliet. Het materiaal reageert anders met stikstof en zuurstof onder drukomstandigheden. Tijdens de adsorptiefase komt gecomprimeerde lucht één vat binnen, stikstof wordt bij voorkeur vastgehouden door de moleculaire zeef en een met zuurstof verrijkte gasstroom verlaat de richting van de zuurstofontvanger.

Het systeem maakt normaal gesproken gebruik van twee of meer adsorptievaten. Terwijl het ene vat zuurstof produceert, ondergaat een ander vat drukverlaging en regeneratie. Schakelkleppen regelen het gastraject volgens een geprogrammeerde cyclus. Deze opstelling maakt het mogelijk dat één vat stikstof adsorbeert, terwijl een ander vat de eerder vastgehouden stikstof vrijgeeft.

De zuurstofontvanger scheidt de productie van de momentane procesvraag. Het kan stroomfluctuaties op korte termijn absorberen en de stroomafwaartse druk stabiliseren in plaats van te vereisen dat de adsorptiebedden elke verandering in het zuurstofverbruik volgen.

Hoe de PSA-scheidingscyclus werkt

DePSADe cyclus bestaat hoofdzakelijk uit stappen van drukverhoging, adsorptie, drukverlaging en regeneratie. De perslucht passeert eerst het luchtbehandelingsgedeelte, waar water, olieaerosolen en deeltjes worden verwijderd voordat de lucht de moleculaire zeef bereikt.

Tijdens de adsorptie blijft het werkvat onder druk staan, terwijl stikstof bij voorkeur wordt geadsorbeerd. Zuurstof en argon passeren het bed en vormen het productgas. Wanneer de adsorptiecapaciteit zijn bedrijfslimiet nadert, verandert het controlesysteem het gaspad en stuurt het vat in regeneratie.

Tijdens de regeneratie wordt de vatdruk verlaagd en verlaat de geadsorbeerde stikstof de moleculaire zeef. Sommige PSA-configuraties gebruiken een deel van de productzuurstof voor zuivering of egalisatie, terwijl andere configuraties drukvereffening tussen vaten gebruiken om gasverliezen te verminderen. De exacte cyclus hangt af van de vatgrootte, de kenmerken van de moleculaire zeef, de doelzuiverheid, het herstel en de vereiste zuurstofstroom.

Voor inkoopdoeleinden moet daarom de zuurstofzuiverheid worden geëvalueerd, samen met de zuurstofterugwinning en het specifieke energieverbruik. Het verhogen van de vereiste zuurstofzuiverheid kan de hoeveelheid perslucht die nodig is per eenheid productzuurstof verhogen, waardoor het energieverbruik van de compressor kan toenemen.

Cilinderzuurstof zorgt voor verschillende terugkerende kostencomponenten. De fabriek kan zelf betalen voor zuurstof, cilinderhuur of servicekosten, transport, laden en lossen, opslag en operatorarbeid voor cilindervervanging. Deze kosten stijgen met de leveringsfrequentie en het zuurstofverbruik.

PSA-productie verschuift de terugkerende kosten naar elektriciteits- en apparatuuronderhoud. De compressor vertegenwoordigt normaal gesproken een groot deel van het elektriciteitsverbruik, omdat atmosferische lucht moet worden gecomprimeerd voordat deze de adsorptievaten binnengaat. Filters, kleppen, zuurstofanalysatoren, afdichtingen en moleculair zeefmateriaal dragen ook bij aan de levenscycluskosten.

Kostencomponent	Cilindertoevoer	PSA op locatie
Zuurstof aankoop	Terugkerende gaslading	Niet vereist voor normale productie
Vervoer	Vereist	Normaal verwijderd
Bediening van cilinders	Vereist	VERWIJDERD
Compressor elektriciteit	Leverancierszijde	Fabriekskant
Investering in apparatuur	Laag in de fabriek	Vereist
Luchtbehandeling	Leverancierszijde	Verplicht ter plaatse
Opslag	Cilinder inventaris	Zuurstof ontvanger
Onderhoud	Regelaars, kleppen, spruitstuk	Compressor, kleppen, filters, analysator
Back-upvoorziening	Extra cilinders	Cilinder of andere back-upbron

Bij de vergelijking moeten dezelfde hoeveelheid zuurstof, zuiverheid, druk en gebruiksperiode worden gebruikt. Het vergelijken van een cilinderofferte in $/cilinder met PSA-elektriciteit in $/kWh zonder beide systemen om te rekenen naar de kosten per Nm³ bruikbare zuurstof kan tot een onjuiste conclusie leiden.

Het zuurstofverbruik is een van de sterkste variabelen in de economische vergelijking. Een fabriek die gedurende een korte productiedienst 10 Nm³/u gebruikt, heeft een heel ander bedrijfsprofiel dan een fabriek die gedurende 24 uur continu 100 Nm³/u verbruikt.

Bij de cilindervoorziening verhoogt een hoger verbruik direct het aantal cilinders dat geleverd, opgeslagen, aangesloten en vervangen moet worden. Als het dagelijkse verbruik de capaciteit van het bestaande spruitstuk te boven gaat, kunnen extra cilinderbanken of frequentere leveringen nodig zijn.

Voor PSA-productie kan een hogere continue belasting het gebruik van de apparatuur verhogen en de vaste kapitaalkosten over een groter zuurstofvolume verdelen. De compressor- en adsorptievaten moeten echter worden gedimensioneerd voor de vereiste stroom, en werking nabij de maximale capaciteit kan het specifieke energieverbruik en de zuurstofterugwinning veranderen.

Een praktische vergelijking zou het zuurstofverbruik daarom als volgt moeten berekenen:

Jaarlijks zuurstofverbruik=Zuurstofstroom × bedrijfsuren × bedrijfsdagen

Het resulterende jaarlijkse Nm³-cijfer biedt een gemeenschappelijke basis voor het vergelijken van geleverde zuurstof met productie ter plaatse.

In een systeem ter plaatse wordt het elektriciteitsverbruik sterk beïnvloed door de compressordruk, de temperatuur van de inlaatlucht, het compressorrendement, de drukval bij de luchtbehandeling, de configuratie van de adsorptiecyclus en de zuurstofterugwinning.

Als een systeem bijvoorbeeld 0,8 kWh/Nm³ zuurstof verbruikt en industriële elektriciteit €0,10/kWh kost, bedraagt de elektriciteitscomponent ongeveer €0,08/Nm³. Dit cijfer is exclusief compressoronderhoud, filters, klepvervanging, zuurstofanalyse of kapitaalterugwinning.

De persluchtkwaliteit heeft ook invloed op de bedrijfskosten. Water dat de adsorptiebedden binnendringt, kan de prestaties van de moleculaire zeef veranderen, terwijl olieverontreiniging het adsorbensoppervlak kan beschadigen. Luchtfilters doen daarom meer dan alleen stroomafwaartse componenten beschermen; ze controleren ook de toestand van het adsorptiemateriaal.

Inkoopingenieurs moeten het specifieke energieverbruik van de leverancier bij de gespecificeerde zuurstofstroom en -zuiverheid opvragen, in plaats van de nominale kW van de compressormotor als zuurstofproductiekosten te gebruiken.

Zuurstofzuiverheid en leveringsdruk moeten samen worden gespecificeerd omdat ze het systeemontwerp beïnvloeden. Een proces dat ongeveer 90-93% zuurstof vereist, kan een andere PSA-configuratie gebruiken dan een proces dat zuurstof boven 95% vereist.

Cilinderzuurstof levert een grote hoeveelheid opgeslagen gas onder hoge druk, terwijl PSA-systemen doorgaans zuurstof genereren bij een lagere druk, geschikt voor direct procesgebruik of stroomafwaartse drukverhoging. Als een proces een aanzienlijk hogere druk vereist, kan een extra zuurstofcompressor nodig zijn.

Stromingsstabiliteit is een andere overweging. Een brander of snijmachine kan snelle veranderingen in het zuurstofverbruik ervaren, terwijl de beluchting van afvalwater gedurende langere perioden een relatief stabiele stroom kan handhaven. De zuurstofontvanger kan veranderingen in de vraag op korte termijn bufferen, maar het volume ervan moet worden afgestemd op het verschil tussen PSA-output en procesverbruik.

Niet elke fabriek verbruikt in een constant tempo zuurstof. Een productielijn kan tijdens het snijden of verbranden met een hoog zuurstofverbruik werken en tijdens het laden, onderhoud of ploegwisselingen op een lager verbruik vallen.

Bij cilinders wordt de voorraadcapaciteit bepaald door het aantal aangesloten cilinders en hun restdruk. Wanneer het verbruik onverwacht stijgt, kan het zijn dat de exploitant een andere cilinderbank moet aansluiten.

Bij PSA-productie werkt de adsorptie-eenheid doorgaans volgens een geprogrammeerde cyclus, terwijl de zuurstofontvanger kortetermijnverschillen tussen productie en verbruik opvangt. Als de vraag gedurende langere tijd boven de nominale productiecapaciteit blijft, zal de ontvangerdruk uiteindelijk dalen. Het systeem heeft daarom een gedefinieerde piekstroomcapaciteit nodig en niet alleen een berekening van de gemiddelde stroom.

Voor de inkoop zijn de belangrijke cijfers niet alleen het gemiddelde Nm³/h, maar ook het minimumdebiet, het normale debiet, het piekdebiet, de piekduur en het dagelijkse verbruiksprofiel.

Cilindersystemen slaan zuurstof direct op in drukvaten. Een fabriek kan meerdere dagen bevoorrading aanhouden als er voldoende cilinders ter plaatse zijn, maar dit vergroot de benodigde opslagruimte en de werklast voor de verwerking. Cilinderinventarissen moeten ook worden gerouleerd volgens de procedures van de leverancier en de toepasselijke drukvatvereisten.

EenPSA op locatiesysteem slaat normaal gesproken zuurstof op in een ontvanger in plaats van een grote voorraad gevulde cilinders aan te houden. De ontvanger zorgt voor een gasbuffer tussen de adsorptiecyclus en de proceslijn.

Voor continue productie blijft een back-upzuurstofbron belangrijk. Als de PSA-compressor stopt vanwege een elektrische storing, oververhitting, onderhoud of een regelfout, kan opgeslagen zuurstof het proces mogelijk slechts gedurende een beperkte periode ondersteunen. Daarom kan stroomafwaarts een reservecilinderspruitstuk worden aangesloten, zodat de productie kan doorgaan terwijl de PSA-apparatuur wordt geïnspecteerd.

Het vervangen van cilinders door PSA-productie vereist veranderingen in de gasinfrastructuur van de fabriek. De installatie moet ruimte bieden voor de compressor, luchtketel, filtratiesamenstel, adsorptievaten, zuurstofontvanger, schakelkast en bijbehorende leidingen.

Perslucht moet de gespecificeerde filtratiefasen doorlopen voordat deze de adsorptievaten binnendringt. Het condensaat moet uit de luchtketel en filters worden afgevoerd om te voorkomen dat vloeibaar water de moleculaire zeef bereikt. Zuurstofleidingen verbinden de ontvanger vervolgens met het drukregel- en procesdistributiesysteem.

Het elektrische systeem moet de compressor en de regelapparatuur voeden volgens de door de fabrikant opgegeven spanning en stroom. Ventilatie moet ook worden overwogen omdat compressoren warmte genereren tijdens continu gebruik, terwijl PSA-uitlaatgassen tijdens regeneratie stikstofrijk gas vrijgeven.

Vóór de inbedrijfstelling controleren technici normaal gesproken de reinheid van de leidingen, de drukintegriteit, de werking van de klep, de zuurstofzuiverheid, de uitlaatdruk, de stroomcapaciteit en de alarmfuncties. De zuurstofanalysator moet bevestigen dat het gegenereerde gas aan de gespecificeerde zuiverheid voldoet voordat de procesapparatuur het gas ontvangt.

Cilindersystemen vereisen voornamelijk inspectie van cilinderkleppen, regelaars, flexibele slangen, spruitstukverbindingen en afdichtingen. Door lekkage bij een klep of aansluiting kan er voortdurend zuurstof vrijkomen en het verbruik toenemen zonder de productie te verhogen.

PSA-systemen kennen een breder scala aan mechanische en procesgerelateerde faalwijzen. Oververhitting van de compressor kan de luchttoevoer verminderen, verstopte filters kunnen de drukval vergroten, slijtage van schakelkleppen kan de adsorptievolgorde verstoren en vervuiling door moleculaire zeef kan de stikstofadsorptiecapaciteit verminderen.

Een afname van de zuurstofzuiverheid kan wijzen op problemen met de adsorptiecyclus, de toestand van de toevoerlucht, de kleptiming, de toestand van de moleculaire zeef of een overmatige vraag naar producten. Een drukval over de filters kan duiden op vervuiling, terwijl een abnormale perstemperatuur van de compressor kan duiden op koeling of mechanische problemen.

Het onderhoud moet daarom de inspectie van de compressor, het vervangen van het filter, het verwijderen van condensaat, het monitoren van de klepcyclus, het kalibreren van de zuurstofanalysator, het meten van de drukval en de inspectie van het adsorptiesysteem volgens de bedrijfsuren en de eisen van de fabrikant omvatten.