ในโครงการปรับปรุงน้ำเสียชุมชนและการบำบัดขั้นสูงทางอุตสาหกรรม เครื่องกำเนิดโอโซนกลายเป็นตัวเลือกมาตรฐานสำหรับกระบวนการออกซิเดชันขั้นสูง แต่สิ่งหนึ่งที่สถาบันออกแบบและผู้ปฏิบัติงานโรงงานที่มีประสบการณ์สังเกตเห็นก็คือในระหว่างขั้นตอนการเสนอ พวกเขาแทบจะไม่ซื้อเครื่องกำเนิดโอโซนเพียงลำพัง โดยส่วนใหญ่แล้วจะรวมโรงงานผลิตออกซิเจน VPSA ไว้เป็นส่วนหนึ่งของบรรจุภัณฑ์เดียวกัน นี่ไม่ใช่การรวมกลุ่มผู้ขาย เหตุผลมาจากเคมีปฏิกิริยาและการวิเคราะห์ต้นทุนวงจรชีวิต
เคมีการสังเคราะห์โอโซนกำหนดข้อกำหนดที่เข้มงวดสำหรับก๊าซป้อน
เครื่องกำเนิดโอโซนทำงานโดยการปล่อยแรงดันไฟฟ้าสูง-เพื่อทำให้โมเลกุลออกซิเจนแตกตัวเป็นไอออน สลาย O₂ และรวมตัวใหม่เป็น O₃ หากคุณป้อนระบบด้วยอากาศอัด (ออกซิเจนเพียง 21%) ไนโตรเจนที่เหลือจะมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาข้างเคียงและก่อให้เกิดไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) สิ่งนี้สร้างปัญหาสองประการ ประการแรก NOx ผลิตกรดไนตริกที่มีฤทธิ์กัดกร่อนซึ่งโจมตีท่อระบายและซีล ประการที่สอง ไนโตรเจนใช้พลังงานไอออไนเซชันโดยไม่สร้างโอโซนที่ใช้งานได้ ทำให้ผลผลิตต่ำมาก
นั่นคือสาเหตุที่เครื่องกำเนิดโอโซน-ระดับมืออาชีพต้องใช้ออกซิเจนที่มีความเข้มข้นสูง-เป็นก๊าซป้อน ตามทฤษฎีแล้ว การเพิ่มความบริสุทธิ์ของออกซิเจนจาก 21% เป็นมากกว่า 90% จะเพิ่มประสิทธิภาพการสังเคราะห์โอโซนอย่างทวีคูณ สิ่งนี้นำไปสู่ข้อสรุปแรก: ระบบป้อนแก๊สจะกำหนดเพดานทางเศรษฐกิจของการทำงานของโอโซนทั้งหมด
คุณสมบัติทางเทคนิคของ VPSA และเหมาะสำหรับแอปพลิเคชันนี้
VPSA ย่อมาจาก Vacuum Pressure Swing Adsorption วงจรกระบวนการมีสองขั้นตอน ที่ความดันบรรยากาศ ตะแกรงโมเลกุลซีโอไลต์จะดูดซับไนโตรเจนอย่างเฉพาะเจาะจง ช่วยให้ออกซิเจนได้รับการเสริมสมรรถนะและรวบรวมเป็นก๊าซของผลิตภัณฑ์ จากนั้นปั๊มสุญญากาศจะดูดซับไนโตรเจนที่จับไว้ และสร้างตะแกรงขึ้นมาใหม่
สำหรับการใช้งานในการบำบัดน้ำเสีย VPSA มีข้อดีทางเทคนิคที่ชัดเจนหลายประการ
1. ความบริสุทธิ์และจุดน้ำค้าง ระบบ VPSA ที่ได้รับการออกแบบมาอย่างดี-ให้ออกซิเจน 90–95% อย่างสม่ำเสมอ ด้วยการทำให้แห้งหลังการบำบัดอย่างเหมาะสม จุดน้ำค้างจะอยู่ที่ต่ำกว่า -60 องศา ซึ่งตรงตามข้อกำหนดของเครื่องกำเนิดโอโซนในด้านความสะอาดและความแห้งอย่างสมบูรณ์ ป้องกันการสลายตัวของโอโซนที่เกี่ยวข้องกับความชื้นหรือความล้มเหลวของท่อไดอิเล็กทริก
2. ความยืดหยุ่นในการโหลด การไหลของน้ำเสียและปริมาณสารปนเปื้อนเปลี่ยนแปลงทุกวันและตามฤดูกาล โรงงาน VPSA สามารถปรับเอาต์พุตออกซิเจนระหว่าง 60% ถึง 100% โดยการปรับใบพัดทางเข้าของโบลเวอร์หรือความเร็วของมอเตอร์ การปรับนี้แทบจะไม่ส่งผลต่อความบริสุทธิ์ของออกซิเจน ทำให้ระบบสามารถตอบสนองความต้องการโอโซนได้อย่างแม่นยำและหลีกเลี่ยงการสูญเสียพลังงาน
3. ความปลอดภัย. เมื่อเปรียบเทียบกับถังเก็บออกซิเจนเหลว VPSA อยู่ใน-การสร้างไซต์งานโดยไม่มีภาชนะแรงดันสูง- ไม่มีอันตรายจากการแช่แข็ง และไม่มีความเสี่ยงจากรถบรรทุกส่งของ สำหรับสิ่งอำนวยความสะดวกหลายๆ แห่ง การดำเนินการนี้เพียงอย่างเดียวทำให้ VPSA เป็นตัวเลือกที่ต้องการ
เปรียบเทียบ-ต่อ-เปรียบเทียบตัวเลือกการจ่ายออกซิเจนหลัก
ในทางปฏิบัติทางวิศวกรรมจริง มีการพิจารณาตัวเลือกก๊าซป้อนสามตัวเลือกนอกเหนือจาก VPSA: ออกซิเจนเหลว (LOX) และ PSA แรงดันสูง- การเปรียบเทียบทางเทคนิคโดยตรงแสดงให้เห็นว่า VPSA เหมาะสมตรงไหน
LOX ให้ความบริสุทธิ์สูงมาก (สูงกว่า 99.5%) แต่จุดอ่อนคือการพึ่งพาอุปทาน สำหรับโครงการที่ตั้งอยู่ห่างจากโรงงานก๊าซอุตสาหกรรม ความเสี่ยงด้านลอจิสติกส์ของการขนส่ง LOX นั้นมีนัยสำคัญ นอกจากนี้ ถัง LOX ยังมีการสูญเสียการระเหยคงที่อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ - ประมาณ 0.5–1% ต่อวัน แม้ว่าจะไม่มีการใช้ออกซิเจนก็ตาม จากมุมมองของพลังงานของระบบ LOX ใช้พลังงานจากต้นน้ำไปแล้วผ่านการอัดอากาศ การทำให้เป็นของเหลว การขนส่ง และการ-ทำให้กลายเป็นไออีกครั้ง
PSA แรงดันสูง-ใช้หลักการดูดซับแบบเดียวกับ VPSA แต่จะดูดซับที่ความดันบรรยากาศแทนที่จะใช้ภายใต้สุญญากาศ ซึ่งส่งผลให้การนำออกซิเจนกลับคืนมาลดลง - โดยทั่วไปคือ 40–50% - เมื่อเทียบกับการนำออกซิเจนกลับคืนมา 65% หรือสูงกว่าของ VPSA ผ่านการสลายสุญญากาศ เปอร์เซ็นต์การฟื้นตัวส่งผลโดยตรงต่อการใช้พลังงานต่อหน่วยออกซิเจนที่ผลิตได้ สำหรับระบบโอโซนน้ำเสียที่ทำงานมากกว่า 20 ชั่วโมงต่อวัน การประหยัดพลังงานรายปีจาก VPSA สามารถชดเชยส่วนต่างต้นทุนเริ่มต้นได้ภายในระยะเวลาอันสั้น เรื่องนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งภายใต้ราคาไฟฟ้าที่สูงในปัจจุบัน
รายละเอียดทางวิศวกรรมที่สำคัญสำหรับการรวมระบบ
การเลือกเทคโนโลยีการสร้างออกซิเจนที่เหมาะสมเป็นสิ่งจำเป็นแต่ยังไม่เพียงพอ การบูรณาการที่ไม่ดีสามารถทำลายประสิทธิภาพของอุปกรณ์ที่ดีที่สุดได้ รายละเอียดหลายประการถูกมองข้ามได้ง่าย แต่มีผลกระทบต่อความน่าเชื่อถือของระบบอย่างชัดเจน
- การจับคู่และเพิ่มแรงดันออกซิเจน โดยทั่วไปโรงงาน VPSA จะส่งออกซิเจนที่ประมาณ 0.05 MPa (เกจ) เครื่องกำเนิดโอโซนส่วนใหญ่ต้องการแรงดันขาเข้า 0.1–0.2 MPa ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีเครื่องเพิ่มออกซิเจนระหว่างกัน การใช้พลังงานและความน่าเชื่อถือของขั้นตอนการเสริมนี้เป็นศูนย์กลางของการใช้พลังงานของระบบเสริมทั้งหมด เมื่อเลือกบูสเตอร์ ให้เลือกตัวที่ต้านทานการเสื่อมสภาพของโอโซนและมีการปิดผนึกที่ดีสำหรับบริการออกซิเจน
- ตำแหน่งอากาศเข้า ข้อผิดพลาดนี้ปรากฏขึ้นบ่อยกว่าที่ควรจะเป็น เครื่องทำลายล้างของเครื่องกำเนิดโอโซนจะปล่อยโอโซนเข้มข้นออกจาก-ก๊าซ หากช่องอากาศเข้าของโรงงาน VPSA ตั้งอยู่ใต้ลมหรือใกล้จุดระบายออกมากเกินไป ระบบจะดึงโอโซนที่มีความเข้มข้นสูง-เข้ามา โอโซนเป็นตัวออกซิไดเซอร์ที่ทรงพลังและทำลายโครงสร้างผลึกของตะแกรงโมเลกุลซีโอไลต์อย่างรวดเร็ว ความเสียหายนี้ไม่สามารถย้อนกลับได้และอาจเป็นข้อผิดพลาดร้ายแรงทางวิศวกรรม
- การควบคุมจุดน้ำค้างพร้อมระบบสำรอง แม้ว่าจุดน้ำค้างที่ 60 องศามักถูกยกมาว่าเพียงพอ แต่ประสบการณ์ทางวิศวกรรมแนะนำว่าเครื่องอบแห้งแบบสองขั้นตอน - เครื่องอบแห้งแบบแช่เย็นพร้อมเครื่องอบแห้งแบบดูดความชื้น - ปลอดภัยกว่า เครื่องตรวจวัดจุดน้ำค้างแบบออนไลน์บนกลุ่มอุปกรณ์ที่สำคัญจะให้การเตือนล่วงหน้าก่อนที่สารดูดความชื้นจะทะลุผ่านจะทำให้ความชื้นของเหลวเข้าถึงเซลล์ปล่อยโอโซนที่มีราคาแพง
กลับมาที่คำถามเดิม: เหตุใดเครื่องกำเนิดโอโซนสำหรับน้ำเสียจึงมักจับคู่กับโรงงานผลิตออกซิเจน VPSA คำตอบอยู่ที่เคมีเชิงฟิสิกส์ของการสังเคราะห์โอโซน การป้อนออกซิเจนที่มีความเข้มข้นสูง-ไม่ใช่ตัวเลือก - แต่เป็นเงื่อนไขเบื้องต้นสำหรับการเกิดออกซิเดชันของโอโซนที่มีประสิทธิภาพสูง- พลังงานต่ำ- และ-อายุการใช้งานยาวนาน
สำหรับการจ่ายออกซิเจนภายใน-ไซต์งานในช่วงความจุขนาดเล็ก-ถึง- (โดยทั่วไปสำหรับการใช้งานน้ำเสียส่วนใหญ่) VPSA นำเสนอการผสมผสานที่ดีที่สุดระหว่างการนำออกซิเจนกลับคืนมา ความยืดหยุ่นในการหยุดโหลด และต้นทุนตลอดอายุการใช้งาน ออกซิเจนเหลวทำงานได้แต่ต้องนำห่วงโซ่อุปทานและค่าใช้จ่ายด้านความปลอดภัยมาด้วย PSA แรงดันสูง-ทำงานได้แต่ใช้พลังงานมากกว่าสำหรับเอาต์พุตเดียวกัน การทำความเข้าใจตรรกะทางเทคนิคนี้จะให้แนวทางที่แท้จริงในการเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบกระบวนการออกซิเดชันขั้นสูงในโรงบำบัดน้ำเสีย
