シリンダー充填コストとオンサイト PSA 酸素生成の比較 - 洞察

Comparing Cylinder Filling Costs with On-Site PSA Oxygen Production

毎日酸素を消費する工場の場合、納品されたボンベと現場での酸素生成のコストの差は、見積もられたガス価格以上のものに依存します。シリンダーベースのシステムは酸素の生成、圧縮、貯蔵、輸送を工場の外に移しますが、オンサイト PSA システムはこれらの機能のほとんどを生産施設内に移します。その結果、コスト構造は、購入と配送のモデルから、電気、コンプレッサー、メンテナンス、および機器の利用モデルに変わります。

産業用ボンベ酸素は、通常、製造、圧縮、充填、輸送、保管、減圧という一連の過程を経てユーザーに届けられます。酸素は中央ガスプラントで生成され、圧縮されてスチールまたはアルミニウムのシリンダーに入れられます。シリンダーの設計と地域の規制に応じて、工業用シリンダーは充填ステーションで約 150 ～ 200 bar まで充填される場合があります。

工場では、シリンダーは個別に接続されるか、マニフォマニホールドを介して複数のシリンダーをバンクにグループ化し、オペレーターがプロセスをすぐに中断することなく空のバンクから充填されたバンクに切り替えることができます。次に、圧力調整器がシリンダー圧力を、バーナー、切断装置、エアレーションシステム、またはその他の酸素消費装置が必要とする動作圧力まで下げます。

使用可能な酸素の量は、公称シリンダー圧力だけによって決まるわけではありません。シリンダーの水量、充填圧力、ガス温度、シリンダー交換時の残圧はすべて実際の使用量に影響します。内部に大量のガスが残っている状態でボンベを交換した場合、工場は生産プロセスに導入されなかったガスの代金を支払ったことになります。

現場でPSA酸素システム圧縮された大気から酸素を生成します。一般的な設備には、エアコンプレッサー、エアレシーバー、微粒子および凝集フィルター、吸着容器、切り替えバルブ、酸素レシーバー、酸素分析装置、PLC 制御システム、圧力調整器、および酸素分配配管が含まれます。

吸着容器にはモレキュラーシーブ材料、通常はゼオライトが含まれています。この材料は、加圧条件下では窒素および酸素と異なる相互作用をします。吸着段階では、圧縮空気が 1 つの容器に入り、窒素がモレキュラーシーブによって優先的に保持され、酸素富化ガス流が酸素レシーバーに向かって出ます。

このシステムでは通常、2 つ以上の吸着容器が使用されます。 1 つの容器が酸素を生成している間、別の容器は減圧と再生を受けます。切り替えバルブは、プログラムされたサイクルに従ってガス経路を制御します。この配置により、1 つの容器が窒素を吸着し、もう 1 つの容器が以前に保持されていた窒素を放出することができます。

酸素レシーバーは、生産を瞬間的なプロセス需要から分離します。吸着床が酸素消費量のあらゆる変化に追従する必要がなく、短期間の流量変動を吸収して下流圧力を安定させることができます。

PSA 分離サイクルの仕組み

のPSAサイクルは主に加圧、吸着、減圧、再生のステップで構成されます。圧縮空気はまず空気処理セクションを通過し、空気がモレキュラーシーブに到達する前に水、油エアロゾル、粒子状物質が除去されます。

吸着中、操作容器は加圧されたままとなり、窒素が優先的に吸着されます。酸素とアルゴンは床を通過して生成ガスを形成します。吸着能力が動作限界に近づくと、制御システムがガス経路を変更し、容器を再生状態にします。

再生中、容器の圧力が低下し、吸着された窒素がモレキュラーシーブから排出されます。一部の PSA 構成では生成酸素の一部をパージまたは均一化に使用しますが、他の構成では容器間の圧力均一化を使用してガス損失を削減します。正確なサイクルは、容器のサイズ、モレキュラーシーブの特性、ターゲットの純度、回収率、および必要な酸素流量によって異なります。

したがって、調達の目的では、酸素純度を酸素回収率および比消費電力とともに評価する必要があります。必要な酸素純度を上げると、製品酸素の単位当たりに必要な圧縮空気の量が増加する可能性があり、これによりコンプレッサーのエネルギー消費が増加する可能性があります。

シリンダー酸素は、いくつかの定期的なコスト要素を生み出します。工場は、酸素本体、ボンベのレンタル料またはサービス料、輸送、積み降ろし、保管、ボンベ交換のためのオペレーターの人件費を支払う場合があります。これらのコストは、分娩頻度と酸素消費量に応じて増加します。

PSA の生産により、経常費用が電力と設備のメンテナンスに振り向けられます。吸着容器に入る前に大気を圧縮する必要があるため、通常、コンプレッサーが電力消費の大部分を占めます。フィルター、バルブ、酸素分析計、シール、モレキュラーシーブの材料もライフサイクルコストに影響します。

原価構成要素	シリンダー供給	オンサイトPSA
酸素の購入	定期的なガス料金	通常の生産には必要ありません
交通機関	必須	通常は削除されます
シリンダーの取り扱い	必須	削除されました
コンプレッサー電力	サプライヤー側	工場側
設備投資	工場出荷時に低い	必須
空気処理	サプライヤー側	現場で必須
ストレージ	シリンダー在庫	酸素受信器
メンテナンス	レギュレーター、バルブ、マニホールド	コンプレッサー、バルブ、フィルター、分析装置
バックアップ電源	追加シリンダー	シリンダーまたはその他のバックアップソース

比較には同じ酸素量、純度、圧力、運転期間を使用する必要があります。両方のシステムを使用可能な酸素 Nm3 あたりのコストに変換せずに、シリンダーの見積もり ($/シリンダー) と PSA 電力 ($/kWh) を比較すると、誤った結論が得られる可能性があります。

酸素消費量は、経済比較において最も強力な変数の 1 つです。短い生産シフトで 10 Nm3/h を使用する工場は、24 時間連続して 100 Nm3/h を消費する施設とは稼働プロファイルが大きく異なります。

シリンダーの供給に関しては、消費量が増えると、配送、保管、接続、交換が必要なシリンダーの数が直接的に増加します。日々の消費量が既存のマニホールドの容量を超える場合は、追加のシリンダーバンクまたはより頻繁な配送が必要になる場合があります。

PSA 生産の場合、連続負荷が高くなると装置の使用率が増加し、固定資本コストがより大量の酸素に分散される可能性があります。ただし、圧縮機と吸着容器は必要な流量に合わせたサイズにする必要があり、最大容量に近い状態で運転すると、比エネルギー消費量と酸素回収率が変化する可能性があります。

したがって、実際の比較では、酸素消費量を次のように計算する必要があります。

年間酸素要求量=酸素流量 × 運転時間 × 運転日数

結果として得られる年間 Nm3 数値は、供給された酸素と現場での生産量を比較するための共通の基準となります。

オンサイトシステムでは、電力消費量は、コンプレッサー圧力、吸気温度、コンプレッサー効率、空気処理圧力降下、吸着サイクル構成、および酸素回収によって大きく影響されます。

たとえば、システムが 0.8 kWh/Nm3 の酸素を消費し、産業用電力が 0.10 ドル/kWh かかる場合、電力成分は約 0.08 ドル/Nm3 となります。この数字には、コンプレッサーのメンテナンス、フィルター、バルブの交換、酸素分析、資本回収は含まれていません。

圧縮空気の品質も運用コストに影響します。吸着床に水が入るとモレキュラーシーブの性能が変化する可能性があり、油汚れは吸着剤の表面に損傷を与える可能性があります。したがって、エアフィルタは下流のコンポーネントを保護するだけではありません。また、吸着材の状態も制御します。

調達エンジニアは、酸素生成コストとしてコンプレッサーモーターの定格 kW を使用するのではなく、指定された酸素流量と純度でのサプライヤーの特定の電力消費量を要求する必要があります。

酸素純度と供給圧力はシステム設計に影響を与えるため、一緒に指定する必要があります。約 90 ～ 93% の酸素を必要とするプロセスでは、95% を超える酸素を必要とするプロセスとは異なる PSA 構成を使用できます。

シリンダー酸素は高圧で大量の貯蔵ガスを供給しますが、PSA システムは通常、直接プロセスでの使用や下流での昇圧に適した低圧で酸素を生成します。プロセスで大幅に高い圧力が必要な場合は、追加の酸素コンプレッサーが必要になる場合があります。

流れの安定性も考慮すべき点です。バーナーや切断機では酸素要求量が急激に変化する可能性がありますが、廃水曝気では比較的安定した流量を長期間維持できます。酸素レシーバーは短期的な需要の変化を緩衝できますが、その量は PSA 出力とプロセス消費量の差に適合する必要があります。

すべての工場が一定の割合で酸素を消費するわけではありません。生産ラインは、切断または燃焼中に高い酸素要求量で稼働し、積み込み、メンテナンス、またはシフト変更中に酸素要求量が低下することがあります。

シリンダの場合、供給能力はシリンダの接続数と残圧によって決まります。消費量が予想外に増加した場合、オペレーターは別のシリンダーバンクを接続する必要がある場合があります。

PSA の生産では、吸着ユニットは通常、プログラムされたサイクルに従って動作し、酸素レシーバーは生産と消費の間の短期的な差異を吸収します。需要が長期間にわたって定格生産能力を上回った場合、最終的にはレシーバ圧力が低下します。したがって、システムには平均流量の計算だけではなく、定義されたピーク流量容量が必要です。

調達の場合、重要な数値は平均 Nm3/h だけでなく、最小流量、通常の流量、ピーク流量、ピーク持続時間、および日次負荷プロファイルも重要です。

シリンダーシステムは、圧力容器内に酸素を直接貯蔵します。十分な量のシリンダーが現場に保管されていれば、工場は数日間の供給を維持できますが、必要な保管場所と取り扱いの作業負荷が増加します。シリンダーの在庫も、サプライヤーの手順と該当する圧力容器の要件に従ってローテーションする必要があります。

アンオンサイトPSAシステムは通常、充填されたシリンダーの大量の在庫を維持するのではなく、酸素をレシーバーに保管します。レシーバーは、吸着サイクルとプロセスラインの間にガスバッファーを提供します。

継続的な生産のためには、バックアップ酸素源が依然として重要です。 PSA コンプレッサーが電気的故障、過熱、メンテナンス、または制御障害により停止した場合、貯蔵された酸素は限られた期間しかプロセスをサポートできない可能性があります。したがって、バックアップシリンダーマニホールドを下流に接続して、PSA 装置の検査中に生産を継続できるようにすることができます。

シリンダーを PSA 生産に置き換えるには、工場のガスインフラストラクチャの変更が必要です。設置には、コンプレッサー、空気レシーバー、濾過アセンブリ、吸着容器、酸素レシーバー、制御キャビネット、および関連配管用のスペースを提供する必要があります。

圧縮空気は、吸着容器に入る前に指定された濾過段階を通過する必要があります。液体の水がモレキュラーシーブに到達するのを防ぐために、凝縮液をエアレシーバーとフィルターから排出する必要があります。次に、酸素配管によってレシーバーが圧力調整およびプロセス分配システムに接続されます。

電気システムは、メーカーの定格電圧と電流に従ってコンプレッサーと制御機器に電力を供給する必要があります。コンプレッサーは連続運転中に熱を発生し、PSA の排気は再生中に窒素を豊富に含むガスを放出するため、換気も考慮する必要があります。

通常、エンジニアは試運転前に、配管の清浄度、圧力の完全性、バルブの動作、酸素純度、出口圧力、流量、警報機能を検証します。酸素分析計は、プロセス装置がガスを受け取る前に、生成されたガスが指定された純度を満たしていることを確認する必要があります。

シリンダーシステムでは主にシリンダーバルブ、レギュレーター、フレキシブルホース、マニホールド接続部、シールの検査が必要です。バルブまたは接続部での漏れにより、酸素が継続的に放出され、生産量が増加することなく酸素の消費量が増加する可能性があります。

PSA システムには、より広範囲の機械的およびプロセス関連の故障モードがあります。コンプレッサーの過熱により空気供給量が減少し、フィルターの詰まりにより圧力降下が増加し、切り替えバルブの磨耗により吸着シーケンスが乱れ、モレキュラーシーブの汚染により窒素吸着能力が低下する可能性があります。

酸素純度の低下は、吸着サイクル、供給空気の状態、バルブのタイミング、モレキュラーシーブの状態、または過剰な製品要求に問題があることを示している可能性があります。フィルター全体の圧力降下は汚染を示している可能性があり、異常なコンプレッサーの吐出温度は冷却または機械的な問題を示している可能性があります。

したがって、メンテナンスには、運転時間とメーカーの要件に従って、コンプレッサーの検査、フィルターの交換、凝縮水の除去、バルブサイクルの監視、酸素分析計の校正、圧力降下の測定、吸着システムの検査が含まれる必要があります。