עבור מפעלים הצורכים חמצן מדי יום, הפרש העלות בין צילינדרים שנמסרו לייצור חמצן באתר תלוי ביותר ממחיר הגז הנקוב. מערכת מבוססת צילינדרים מעבירה את ייצור החמצן, הדחיסה, האחסון והשינוע אל מחוץ למפעל, בעוד שמערכת PSA באתר מעבירה את רוב הפונקציות הללו לתוך מתקן הייצור. מבנה העלויות המתקבל משתנה ממודל רכישה ואספקה למודל חשמל, מדחס, תחזוקה וניצול ציוד.
חמצן צילינדר: כיצד פועלת שרשרת האספקה הקונבנציונלית
חמצן צילינדר תעשייתי מגיע בדרך כלל למשתמש באמצעות רצף של ייצור, דחיסה, מילוי, הובלה, אחסון והפחתת לחץ. חמצן מיוצר במפעל גז מרכזי ודחוס לגלילי פלדה או אלומיניום. בהתאם לתכנון הצילינדר ולתקנות המקומיות, ניתן למלא צילינדרים תעשייתיים ל-150-200 בר בקירוב בתחנת התדלוק.
במפעל, צילינדרים מחוברים בנפרד או דרך סעפת מקבץ מספר צילינדרים לבנקים כך שהמפעילים יכולים לעבור מבנק ריק לבנק מלא מבלי להפריע מיד לתהליך. ואז מווסתי לחץ מפחיתים את לחץ הצילינדר ללחץ ההפעלה הנדרש על ידי מבערים, ציוד חיתוך, מערכות אוורור או ציוד אחר שצורך חמצן.
כמות החמצן השמיש אינה נקבעת רק על ידי לחץ הצילינדר הנומינלי. נפח המים של הצילינדר, לחץ המילוי, טמפרטורת הגז והלחץ השיורי בהחלפת צילינדר כולם משפיעים על השימוש בפועל. אם מחליפים צילינדרים בעוד כמות ניכרת של גז נשארת בפנים, המפעל שילם עבור גז שלא נכנס לתהליך הייצור.
ייצור חמצן PSA באתר: מבנה המערכת
מקום באתרמערכת חמצן PSAמייצר חמצן מאוויר אטמוספרי דחוס. התקנה טיפוסית מכילה מדחס אוויר, מקלט אוויר, מסנני חלקיקים ומיזוג, מכלי ספיחה, שסתומי מיתוג, מקלט חמצן, מנתח חמצן, מערכת בקרת PLC, ווסת לחץ וצנרת חלוקת חמצן.
כלי הספיחה מכילים חומר מסננת מולקולרית, בדרך כלל זאוליט. החומר יוצר אינטראקציה שונה עם חנקן וחמצן בתנאי לחץ. במהלך שלב הספיחה, אוויר דחוס נכנס לכלי אחד, החנקן נשמר בעדיפות על ידי המסננת המולקולרית, וזרם גז מועשר בחמצן יוצא לכיוון מקלט החמצן.
המערכת משתמשת בדרך כלל בשני כלי ספיחה או יותר. בעוד כלי אחד מייצר חמצן, כלי אחר עובר שחרור לחץ והתחדשות. שסתומי מיתוג שולטים בנתיב הגז לפי מחזור מתוכנת. סידור זה מאפשר לכלי אחד לספוג חנקן בעוד אחר משחרר את החנקן שנשמר קודם לכן.
מקלט החמצן מפריד בין ייצור לביקוש מיידי בתהליך. זה יכול לספוג תנודות זרימה קצרות טווח ולייצב לחץ במורד הזרם במקום לדרוש ממיטות הספיחה לעקוב אחר כל שינוי בצריכת החמצן.
הPSAהמחזור מורכב בעיקר משלבי לחץ, ספיחה, הורדת לחץ והתחדשות. אוויר דחוס עובר תחילה דרך קטע הטיפול באוויר, שם מסירים מים, אירוסולים של שמן וחלקיקים לפני שהאוויר מגיע למסננת המולקולרית.
במהלך הספיחה, כלי ההפעלה נשאר בלחץ בעוד חנקן נספג בצורה מועדפת. חמצן וארגון עוברים דרך המיטה ויוצרים את גז המוצר. כשיכולת הספיחה מתקרבת לגבול ההפעלה שלה, מערכת הבקרה משנה את נתיב הגז ושולחת את הכלי להתחדשות.
במהלך ההתחדשות, לחץ הכלי מופחת והחנקן הנספג יוצא מהמסננת המולקולרית. תצורות PSA מסוימות משתמשות בחלק מהחמצן של המוצר לטיהור או להשוואה, בעוד שתצורות אחרות משתמשות בהשוואת לחץ בין כלים כדי להפחית את הפסדי הגז. המחזור המדויק תלוי בגודל כלי הדם, מאפייני המסננת המולקולרית, טוהר היעד, התאוששות וזרימת החמצן הנדרשת.
למטרות רכש, לכן יש להעריך את טוהר החמצן יחד עם שחזור חמצן וצריכת חשמל ספציפית. העלאת טוהר החמצן הנדרש יכולה להגדיל את כמות האוויר הדחוס הדרושה ליחידת חמצן של המוצר, מה שעשוי להגביר את צריכת האנרגיה של המדחס.
מבנה עלות: מילוי צילינדר לעומת ייצור PSA
חמצן צילינדר יוצר מספר מרכיבי עלות חוזרים. המפעל עשוי לשלם עבור החמצן עצמו, דמי השכרת צילינדר או שירות, הובלה, טעינה ופריקה, אחסון ועבודת מפעיל לצורך החלפת צילינדר. עלויות אלו עולות עם תדירות המשלוח וצריכת החמצן.
ייצור PSA מעביר את ההוצאה החוזרת לכיוון תחזוקת חשמל וציוד. המדחס מייצג בדרך כלל חלק עיקרי מצריכת החשמל מכיוון שיש לדחוס אוויר אטמוספרי לפני הכניסה לכלי הספיחה. מסננים, שסתומים, מנתחי חמצן, אטמים וחומרי מסננת מולקולרית תורמים גם הם לעלות מחזור החיים.
| רכיב עלות | אספקת צילינדר | PSA באתר |
|---|---|---|
| רכישת חמצן | טעינת גז חוזרת | לא נדרש לייצור רגיל |
| הוֹבָלָה | דָרוּשׁ | הוסר בדרך כלל |
| טיפול בצילינדר | דָרוּשׁ | הוסר |
| חשמל מדחס | צד הספק | בצד המפעל |
| השקעה בציוד | נמוך במפעל | דָרוּשׁ |
| טיפול באוויר | צד הספק | חובה באתר |
| אִחסוּן | מלאי צילינדרים | מקלט חמצן |
| תַחזוּקָה | רגולטורים, שסתומים, סעפת | מדחס, שסתומים, מסננים, מנתח |
| אספקת גיבוי | צילינדרים נוספים | צילינדר או מקור גיבוי אחר |
ההשוואה צריכה להשתמש באותה כמות חמצן, טוהר, לחץ ותקופת פעולה. השוואת מחיר צילינדר ב-$/צילינדר עם חשמל PSA ב-$/kWh מבלי להמיר את שתי המערכות לעלות ל-Nm³ של חמצן שמיש, יכולה להפיק מסקנה שגויה.
מדוע שיעור צריכת החמצן משנה את משוואת העלות
צריכת חמצן היא אחד המשתנים החזקים בהשוואה הכלכלית. למפעל המשתמש ב-10 Nm³/h עבור משמרת ייצור קצרה יש פרופיל תפעול שונה מאוד ממתקן שצורך 100 Nm³/h ברציפות במשך 24 שעות.
עבור אספקת צילינדר, צריכה גבוהה יותר מגדילה ישירות את מספר הצילינדרים שיש לספק, לאחסן, לחבר ולהחליף. אם הצריכה היומית עולה מעבר לקיבולת הסעפת הקיימת, ייתכן שיידרשו מאגרי צילינדרים נוספים או משלוחים תכופים יותר.
עבור ייצור PSA, עומס רציף גבוה יותר יכול להגדיל את ניצול הציוד ולחלק את עלות ההון הקבועה על פני נפח גדול יותר של חמצן. עם זאת, המדחס וכלי הספיחה חייבים להיות בגודל עבור הזרימה הנדרשת, ופעולה קרובה לקיבולת מרבית יכולה לשנות את צריכת האנרגיה הספציפית והתאוששות החמצן.
לכן השוואה מעשית צריכה לחשב את צריכת החמצן כ:
דרישת חמצן שנתית=זרימת חמצן × שעות פעילות × ימי פעילות
נתון Nm³ השנתי המתקבל מספק בסיס משותף להשוואת החמצן הנמסר לייצור באתר.
צריכת חשמל ואוויר דחוס
במערכת באתר, צריכת החשמל מושפעת מאוד מלחץ המדחס, טמפרטורת האוויר בכניסה, יעילות המדחס, ירידת הלחץ בטיפול באוויר, תצורת מחזור הספיחה והתאוששות החמצן.
לדוגמה, אם מערכת צורכת חמצן של 0.8 קוט"ש/Nm³ וחשמל תעשייתי עולה $0.10/קוט"ש, רכיב החשמל הוא כ-$0.08/Nm³. נתון זה אינו כולל תחזוקה של מדחס, מסננים, החלפת שסתומים, ניתוח חמצן או שחזור הון.
איכות האוויר הדחוס משפיעה גם על עלות התפעול. מים הנכנסים למיטות הספיחה עלולים לשנות את ביצועי המסננת המולקולרית, בעוד שזיהום שמן עלול לפגוע במשטח הסופג. לפיכך מסנני אוויר עושים יותר מאשר להגן על רכיבים במורד הזרם; הם גם שולטים במצב של חומר הספיחה.
מהנדסי רכש צריכים לבקש את צריכת החשמל הספציפית של הספק בזרימת החמצן והטוהר שצוינו במקום להשתמש ב-kW המדורג של מנוע המדחס כעלות ייצור החמצן.
דרישות לחץ, טוהר וזרימה
יש לציין את טוהר החמצן ולחץ האספקה יחד מכיוון שהם משפיעים על עיצוב המערכת. תהליך הדורש כ-90-93% חמצן יכול להשתמש בתצורת PSA שונה מתהליך הדורש חמצן מעל 95%.
חמצן צילינדר מספק כמות גדולה של גז מאוחסן בלחץ גבוה, בעוד שמערכות PSA מייצרות בדרך כלל חמצן בלחץ נמוך יותר המתאים לשימוש ישיר בתהליך או להגברת לחץ במורד הזרם. אם תהליך דורש לחץ גבוה יותר באופן משמעותי, ייתכן שיהיה צורך במדחס חמצן נוסף.
יציבות זרימה היא שיקול נוסף. מבער או מכונת חיתוך עשויים לחוות שינויים מהירים בדרישת החמצן, בעוד שאיוורור מי שפכים יכול לשמור על זרימה יציבה יחסית לתקופות ממושכות. מקלט החמצן יכול לחסן שינויים בביקוש לטווח קצר, אך יש להתאים את נפחו להבדל בין תפוקת PSA לצריכת התהליך.
ביקוש חמצן ותנודת עומס
לא כל מפעל צורך חמצן בקצב קבוע. קו ייצור עשוי לפעול בדרישת חמצן גבוהה במהלך חיתוך או בעירה וליפול לביקוש נמוך יותר במהלך טעינה, תחזוקה או שינויי משמרות.
עם צילינדרים, קיבולת האספקה נקבעת לפי מספר הצילינדרים המחוברים והלחץ הנותר שלהם. כאשר הצריכה עולה באופן בלתי צפוי, ייתכן שהמפעיל יצטרך לחבר בנק צילינדר נוסף.
עם ייצור PSA, יחידת הספיחה פועלת בדרך כלל על פי מחזור מתוכנת בעוד שמקלט החמצן סופג הבדלים קצרי טווח בין ייצור לצריכה. אם הביקוש יישאר מעל כושר הייצור המדורג למשך תקופה ממושכת, לחץ המקלט ייפול בסופו של דבר. לכן המערכת זקוקה ליכולת שיא זרימה מוגדרת ולא רק לחישוב זרימה ממוצעת.
עבור רכש, הנתונים החשובים הם לא רק Nm³ ממוצע לשעה אלא גם זרימה מינימלית, זרימה רגילה, זרימה שיא, משך שיא ופרופיל עומס יומי.
רציפות אחסון ואספקה
מערכות צילינדר אוגרות חמצן ישירות בתוך מכלי לחץ. מפעל יכול לשמור על מספר ימי אספקה אם מספיק צילינדרים נשמרים באתר, אבל זה מגדיל את שטח האחסון הנדרש ועומס העבודה. יש גם לסובב את מלאי הצילינדרים בהתאם לנוהלי הספק ולדרישות החלות על כלי הלחץ.
אPSA באתרהמערכת בדרך כלל אוגרת חמצן במקלט במקום לשמור על מלאי גדול של צילינדרים מלאים. המקלט מספק חיץ גז בין מחזור הספיחה לקו התהליך.
לייצור מתמשך, מקור חמצן לגיבוי נשאר חשוב. אם מדחס ה-PSA מפסיק בגלל תקלה חשמלית, התחממות יתר, תחזוקה או תקלת בקרה, חמצן מאוחסן עשוי לתמוך בתהליך רק לתקופה מוגבלת. לפיכך ניתן לחבר סעפת צילינדר גיבוי במורד הזרם כך שהייצור יוכל להמשיך בזמן שציוד ה-PSA נבדק.
התקנה ושילוב מערכות
החלפת צילינדרים לייצור PSA מצריכה שינויים בתשתית הגז של המפעל. המתקן חייב לספק מקום למדחס, למקלט האוויר, למכלול הסינון, לכלי הספיחה, למקלט החמצן, לארון הבקרה ולצנרת הנלווית.
אוויר דחוס צריך לעבור את שלבי הסינון שצוינו לפני הכניסה לכלי הספיחה. יש לנקז קונדנסט ממקלט האוויר ומהמסננים כדי למנוע ממים נוזליים להגיע למסננת המולקולרית. לאחר מכן, צנרת החמצן מחברת את המקלט למערכת ויסות הלחץ וחלוקת התהליך.
מערכת החשמל חייבת לספק את המדחס ואת ציוד הבקרה בהתאם למתח והזרם הנקובים של היצרן. יש לשקול גם אוורור מכיוון שמדחסים מייצרים חום במהלך פעולה רציפה, בעוד פליטת PSA משחררת גז עשיר בחנקן במהלך התחדשות.
לפני ההפעלה, המהנדסים מוודאים בדרך כלל את ניקיון הצנרת, תקינות הלחץ, פעולת השסתום, טוהר החמצן, לחץ היציאה, קיבולת הזרימה ופונקציות האזעקה. מנתח החמצן צריך לאשר שהגז שנוצר עומד בטוהר המצוין לפני שציוד תהליך מקבל את הגז.
מצבי תחזוקה וכשל
מערכות צילינדרים דורשות בעיקר בדיקה של שסתומי צילינדר, ווסתים, צינורות גמישים, חיבורי סעפת ואטמים. דליפה בשסתום או בחיבור יכולה לשחרר חמצן ללא הרף ולהגדיל את הצריכה מבלי להגדיל את תפוקת הייצור.
למערכות PSA יש מגוון רחב יותר של מצבי כשל מכניים וקשורים לתהליך. התחממות יתר של המדחס יכולה להפחית את אספקת האוויר, מסננים סתומים יכולים להגביר את ירידת הלחץ, בלאי מיתוג של שסתומים עלול להפריע לרצף הספיחה, וזיהום מסננת מולקולרית יכול להפחית את יכולת ספיחת החנקן.
ירידה בטוהר החמצן יכולה להצביע על בעיות במחזור הספיחה, מצב הזנה-אוויר, תזמון השסתומים, מצב המסננת המולקולרית או ביקוש מוגזם למוצר. ירידת לחץ על המסננים יכולה להעיד על זיהום, בעוד שטמפרטורת פריקת מדחס חריגה יכולה להעיד על בעיות קירור או מכניות.
לכן התחזוקה צריכה לכלול בדיקת מדחס, החלפת מסנן, הסרת עיבוי, ניטור מחזור שסתומים, כיול מנתח חמצן, מדידת נפילת לחץ ובדיקה של מערכת הספיחה לפי שעות הפעילות ודרישות היצרן.
