Anwendung industrieller Sauerstoffgeneratoren in der Stahl- und Chemieindustrie

In der Stahl- und Chemieproduktion wirkt sich eine kontinuierliche und stabile Sauerstoffversorgung direkt auf die Leistung, den Energieverbrauch und die Betriebssicherheit aus. Im Vergleich zum herkömmlichen Kauf von flüssigem Sauerstoff werden-vor Ort industrielle Sauerstoffgeneratoren für viele Hersteller zu einer praktischen Wahl. Als Akteur auf dem Gebiet der Gastrennung konzentriert sich Shenger Gas darauf, wie Sauerstofferzeugungstechnologien zu unterschiedlichen realen Bedingungen passen. In diesem Artikel wird untersucht, welchen Mehrwert industrielle Sauerstoffgeneratoren für die Stahl- und Chemiebranche bieten und was bei der Auswahl eines Systems zu beachten ist.

Stahlindustrie: Von der Sauerstoffanreicherung bis zur Hochofenunterstützung

Bei der Stahlproduktion werden große Mengen Sauerstoff verbraucht. Im Durchschnitt werden für die Herstellung einer Tonne Rohstahl etwa 100 bis 150 Kubikmeter reiner Sauerstoff benötigt. Zu den Hauptanwendungen gehören:

1. Sauerstoff-angereicherte Hochofeninjektion
Die Zugabe von reinem Sauerstoff zur Hochofenluft erhöht die Verbrennungstemperatur an der Blasdüse, ermöglicht eine stärkere Einspritzung von Kohlenstaub und reduziert den Koksverbrauch. In der Praxis führt jede Erhöhung der Sauerstoffanreicherung um 1 % zu einer Erhöhung der Kohleinjektion um 15–20 kg pro Tonne Eisen und zu einer Senkung des Koksverbrauchs um etwa 5–8 kg pro Tonne Eisen. Industrielle Sauerstoffgeneratoren liefern eine Sauerstoffkonzentration von 90 % bis 99,6 %. Sowohl VPSA (Vakuum-Druckwechseladsorption) als auch kryogene Luftzerlegungsanlagen können den kontinuierlichen Sauerstoffbedarf von Hochöfen decken.

2. Stahlherstellung im Basis-Sauerstoffofen (BOF).
BOF-Prozesse erfordern hoch{0}reinen Sauerstoff (größer oder gleich 99,5 %) zur Entkohlung und Temperaturkontrolle. Der Sauerstoffbedarf schwankt stark und erreicht Spitzenflüsse von 20.000 bis 80.000 Nm³/h. Kryogene Luftzerlegungsanlagen bewältigen hohe Durchflussraten und hohe Reinheit, während die Flüssigsauerstoffunterstützung für Stabilität sorgt. Die Nebenprodukte Stickstoff und Argon verbessern auch die Gesamtwirtschaftlichkeit.

3. Elektrolichtbogenofen (EAF) und Pfannenveredelung
Das EAF-Schmelzen profitiert von der sauerstoffunterstützten Verbrennung, wodurch die Schmelzzyklen verkürzt werden. In Pfannenraffinierungsöfen (LF) unterstützt Sauerstoff die Entschwefelungs- und Entphosphorungsreaktionen. Diese Anwendungen erfordern eine intermittierende Sauerstoffzufuhr von 0,8–1,2 MPa. VPSA-Sauerstoffgeneratoren werden aufgrund ihrer flexiblen Start-Stoppfähigkeit und einfacheren Wartung in vielen mittelgroßen Stahlwerken eingesetzt.

Auswahltipp
Für große integrierte Stahlwerke, die mehr als 3 Millionen Tonnen pro Jahr produzieren, ist die kryogene Luftzerlegung mit Flüssigkeitsunterstützung die Standardwahl. Für kleinere Mühlen unter 1 Million Tonnen oder zur Anreicherung von Heizöfen bieten VPSA-Einheiten 30–40 % geringere Vorabinvestitionen und 15–25 % geringere Gesamtbetriebskosten.

Chemische Industrie: Hohe Nachfrage nach Oxidation und Vergasung

Chemieanlagen stellen höhere Anforderungen an die Reinheit, den Druck und die Zuverlässigkeit des Sauerstoffs, da sich die Sauerstoffkosten direkt auf die Endproduktmargen auswirken.

1. Ammoniak- und Methanolproduktion
Bei der erdgas- oder kohlebasierten Ammoniakproduktion wird reiner Sauerstoff für die partielle Oxidationsvergasung zur Erzeugung von Synthesegas (CO + H₂) benötigt. Die Sauerstoffreinheit sollte mindestens 99,5 % betragen, mit strengen Grenzwerten für Verunreinigungen wie Argon. Bei der Herstellung einer Tonne Ammoniak werden etwa 700–850 Nm³ Sauerstoff verbraucht. Bei großen Chemieprojekten werden in der Regel kryogene Luftzerlegungsanlagen installiert, die auch Stickstoff zum Spülen und Verschließen liefern.

2. Ethylenoxid / Ethylenglykol (EO/EG)
Der zur Oxidation von Ethylen zu Ethylenoxid verwendete Katalysator reagiert sehr empfindlich auf die Sauerstoffreinheit. Der Methangehalt im Sauerstoff muss unter 0,1 % und der Gesamtschwefelgehalt unter 0,1 ppm bleiben. Diese Art der Anwendung erfordert die Erzeugung von kryogenem Sauerstoff, gefolgt von zusätzlichen Entschwefelungs- und Trocknungsschritten.

3. Kohlevergasung und IGCC
Flugstromvergasungstechnologien (wie Shell, GSP oder gegenläufige Mehrbrennerkonstruktionen) benötigen Sauerstoff bei 4,0–8,5 MPa mit stabiler Strömung. Der Industriestandard ist die kryogene Sauerstoffproduktion in Kombination mit Hochdruck-Flüssigsauerstoffpumpen und Verdampfung. Bei Niederdruck-Festbettvergasern-kann mit 90–93 % Sauerstoff-angereicherte Luft die Vergasungsintensität verbessern. In diesen Fällen bieten VPSA-Einheiten eine kostengünstigere Alternative.

4. Abwasserbehandlung und Ozonoxidation
Chemieindustrieparks nutzen häufig die Ozonoxidation, um feuerfeste organische Verbindungen im Abwasser abzubauen. Die Ozonerzeugung erfordert eine Sauerstoffzufuhr. Kleine Durchflussmengen (weniger als oder gleich 500 Nm³/h) bei 90–95 % Reinheit sind ausreichend. Kompakte PSA-Sauerstoffgeneratoren eignen sich hier gut - sie laufen automatisch, benötigen wenig Platz und können im Freien installiert werden.

Wichtiger Kostenindikator
Bei Chemieprojekten ist die Berechnung der Sauerstoffkosten pro Produkteinheit von entscheidender Bedeutung. Wenn die Stromkosten 0,6 Yuan/kWh übersteigen und der Sauerstoffbedarf stabil ist, weisen Kryoanlagen eine bessere Effizienz auf. Wenn Strom billiger ist und kein Bedarf an Nebenprodukten (Argon, Helium) besteht, verbrauchen VPSA-Sauerstoffgeneratoren nur 0,35–0,45 kWh pro Nm³ (bei 90 % Reinheit) - eine kostengünstige-effektive Option für Feinchemikalien oder frühe -Investitionen in Kohlechemie.

Vergleich industrieller Sauerstoffgeneratortechnologien

In einigen tatsächlichen Projekten verwenden Anlagen eine Kombination aus kryogenen Einheiten für die Hauptproduktion (hohe Reinheit) und VPSA für den Sauerstoffbedarf geringerer Qualität (z. B. Umweltbehandlung). Dadurch werden Kapital- und Energiekosten ausgeglichen.

Drei reale-Faktoren, die die Leistung des Sauerstoffgenerators beeinflussen

Basierend auf den Rückmeldungen mehrerer Betriebsstandorte verdienen diese Faktoren vor der Auswahl Beachtung:

1. Qualität der Einlassluft
Stahlwerke und Chemieanlagen geben häufig SO₂, NOx, Staub und Kohlenwasserstoffe in die Luft ab. Bei Kryoanlagen bedeutet dies, dass Molekularsieb-Adsorber hinzugefügt und regelmäßige Reinigungen geplant werden müssen. Bei VPSA-Systemen weist das Zeolith-Molekularsieb eine begrenzte Toleranz gegenüber sauren Gasen auf. Die Einlassluft muss durch Entschwefelungstürme und hocheffiziente Filter strömen. Andernfalls kann die Lebensdauer des Molekularsiebs von 5–8 Jahren auf 2–3 Jahre sinken.

2. Entlüftungsrate und Lastflexibilität
Der Sauerstoffbedarf von Stahlwerken kann zwischen Spitzen- und Nebenzeiten um 30–40 % schwanken. Kryoanlagen benötigen Lagertanks für flüssigen Sauerstoff zur Spitzenreduzierung oder zur Integration in ein Argonsystem. VPSA-Einheiten passen die Last zwischen 50 % und 100 % an, indem sie die Gebläsegeschwindigkeit und den Adsorptionszeitpunkt ändern. Die Reaktion dauert jedoch etwa 30 Sekunden - schnell genug für die meisten Mühlen.

3. Fähigkeit des Wartungspersonals
Die kryogene Luftzerlegung erfordert erfahrene Bediener, die sich mit Turbomaschinen, der Destillationskolonnensteuerung und Sicherheitsabsicherungsverfahren auskennen. Die Ausbildung dauert 6–12 Monate. PSA- und VPSA-Einheiten laufen auf einer SPS-basierten Automatisierung. Die tägliche Wartung umfasst hauptsächlich den Filterwechsel und das Nachfüllen von Molekularsieben, sodass sie auch für kleinere Teams geeignet sind.

In den letzten zwei Jahren haben Energiepreisschwankungen und der Druck, den CO2-Ausstoß zu reduzieren, viele Stahl- und Chemiewerke dazu veranlasst, die Sauerstofferzeugung vor Ort neu zu bewerten. Zwei Ansätze gewinnen an Bedeutung. Eine davon nutzt die Abwärme des Hochofenschlackenspülwassers, um Molekularsieb-Regenerationsgas vorzuwärmen und so den Dampfverbrauch zu senken. Der andere Grund ist der zunehmende Einsatz von Sauerstoffanreicherung mit niedrigem Reinheitsgrad (25–35 %) in Wiedererwärmungsöfen und Drehrohröfen, was die Nachfrage nach vielen kleinen VPSA-Sauerstoffgeneratoren erhöht hat.

Bei der Auswahl eines Sauerstoffgenerators geht es nicht nur darum, die Gerätepreise zu vergleichen. Sie müssen die Reinheit des Sauerstoffs, den Druck, die Durchflussschwankung, die Stromkosten, den Verkaufspreis für Nebenprodukte und die Wartungsintervalle - in die Endkosten pro Tonne Sauerstoff einbeziehen. Shenger Gas gibt seinen Kunden einen ziemlich einfachen Rat: Verfolgen Sie zunächst sechs Monate lang ehrlich Ihre Sauerstoffverbrauchsdaten und entscheiden Sie dann über die Prozessroute. Andernfalls zahlen Sie entweder zu viel für Funktionen, die Sie nie nutzen werden, oder Sie geraten in einen Engpass, den Sie nicht beheben können.