La situación de desarrollo y la innovación de aplicación de la tecnología de generación de oxígeno PSA

1. Prólogo

En los últimos 20 años, la economía de China ha estado en una etapa de desarrollo estable y rápido, cuando los procesos de producción de industrias como la fabricación de acero y hierro, la metalurgia no ferrosa, la industria química, el ahorro de energía en hornos, la protección ambiental, el vidrio y la fabricación de papel se han actualizado e innovado continuamente. La optimización de procesos y la expansión de la capacidad de producción llevaron a una mayor demanda de oxígeno en diversas áreas, lo que a su vez impulsó el progreso tecnológico de las plantas industriales de O2, como resultado, se han realizado mejoras en las tecnologías tradicionales de generación de oxígeno, incluyendo la separación de aire criogénica, la generación de oxígeno por PSA y los procesos de separación por membrana, especialmente la tecnología de fabricación de oxígeno por PSA hizo un gran progreso. Después del avance logrado en el desarrollo del nuevo adsorbente a base de litio y los adsorbentes radiales, la tecnología de fabricación de oxígeno por PSA ha sido ampliamente utilizada y muy reconocida por los usuarios

2. Avances en la Tecnología de Generación de Oxígeno por PSA

El desarrollo de La tecnología de generación de oxígeno por PSA comenzó en la década de 1960, y EE. UU. y Japón lograron la industrialización sucesivamente a principios de la década de 1980. A principios de la década de 1990, Praxair desarrolló un adsorbente de tamiz molecular de litio para la generación de oxígeno y el proceso de generación de oxígeno VPSA basado en las características del adsorbente. La capacidad máxima de su unidad de oxígeno PSA de doble recipiente superó los 3000 Nm³/h, y el consumo de energía se redujo a 0.35 kWh/m³, lo que llevó al rápido crecimiento de la tecnología de producción de oxígeno por PSA y sentó una base sólida para su amplia aplicación.

En los últimos años, con el desarrollo de motores de imanes permanentes y la optimización del proceso de generación de oxígeno, el consumo de energía más bajo de las plantas de oxígeno PSA se ha reducido a menos de 0.3 kWh/m³ , mientras que la capacidad máxima de la unidad de doble absorbedor ha superado los 6000 Nm³/h. La reducción de costos y el aumento del volumen de oxígeno producido por los equipos PSA han impulsado la expansión de la aplicación del proceso de generación de oxígeno por PSA.

China comenzó a estudiar la tecnología de generación de oxígeno por PSA a finales de la década de 1980, y no fue hasta principios de la década de 1990 que se dispuso de pequeños equipos industrializados. El sistema PSA inicial utilizaba adsorbente de tamiz molecular CaA, y la capacidad alcanzó un máximo de 1000 Nm³/h a finales de la década de 1990, partiendo de los 20 Nm³/h, 50 Nm³/h y 100 Nm³/h iniciales, el consumo de energía (oxígeno puro) era superior a 0.5 kWh/m³. Muchas empresas, especialmente las de la industria siderúrgica que usaban equipos de oxígeno PSA debido a sus ventajas de corto período de construcción, operación estable y arranque y parada rápidos, lo reemplazaron por equipos de separación criogénica debido a la alta carga de trabajo y el alto costo del mantenimiento de las unidades PSA. En resumen, existía una clara brecha con el nivel avanzado internacional de la misma época porque los equipos PSA de entonces no podían soportar un funcionamiento prolongado, y además, su mantenimiento era excesivo y la capacidad limitada.

A principios de 2000, la tecnología de generación de oxígeno por PSA experimentó un rápido progreso y se popularizó ampliamente gracias a la producción de adsorbentes de litio de alta eficiencia representada por PKU Pioneer y la industrialización del proceso de producción de oxígeno por PSA que utiliza dicho adsorbente. Actualmente, la capacidad de las plantas PSA construidas por PKU Pioneer ha alcanzado los 40 000 Nm³/h y el consumo de energía del oxígeno puro también se acerca a 0.3 kWh/m³.

. Con soluciones como la producción estable de adsorbentes de litio de alta eficiencia, la I+D de absorbedores radiales y válvulas de mariposa de gran diámetro con alta frecuencia de conmutación fiable para algunos problemas clave de la tecnología de generación de oxígeno por PSA, la capacidad de los sistemas de oxígeno PSA de China aumentó año tras año, mientras que el consumo de energía se redujo gradualmente y la fiabilidad mejoró de manera constante. La capacidad de un solo conjunto de dispositivo de oxígeno PSA de doble torre también ha pasado de menos de 1000 Nm³/h a los actuales 6000 Nm³/h, e incluso a más de 40 000 Nm³/h después de la conexión de múltiples torres. Al mismo tiempo, el consumo de energía por unidad de oxígeno se ha reducido a menos de 0.32 kWh/m³, y la tasa de operación anual ha aumentado a más del 98%. El ruido del soplador ha disminuido a menos de 85 dB (mediante medidas de silenciamiento, el ruido a 1 m fuera del taller puede alcanzar menos de 70 dB), la tasa de no fallo de las válvulas de mariposa de gran diámetro ha alcanzado en su mayoría más de 8000 h, y la vida útil del tamiz molecular se ha alargado a más de 5 años. Los usuarios finales tienen una nueva comprensión de los equipos de producción de oxígeno por PSA y su aplicación se ha ampliado. Solo en 2018, se instalaron más de 70 unidades de oxígeno PSA que superan los 1000 Nm³/h en China.

PKU Pioneer ha realizado esfuerzos continuos para cambiar la dependencia de los tamices moleculares PSA de las importaciones y, al mismo tiempo, ha logrado avances en el tamiz molecular de litio y otros productos similares, y ha logrado la aplicación industrial de esos nuevos productos de tamiz molecular.

Con un excelente desarrollo y mejora, la tecnología de generación de oxígeno por PSA ha formado enormes ventajas únicas en comparación con la tecnología criogénica, lo que promueve aún más la amplia aplicación de la tecnología PSA en diversas industrias.

3. Características de la Tecnología de Generación de Oxígeno por PSA

① Bajo Consumo de Energía y Costo Operativo

En el proceso de producción de oxígeno, el consumo de energía representa más del 90% del costo operativo total. Con la optimización continua de la tecnología de generación de oxígeno por PSA, el consumo de energía del oxígeno puro ha disminuido de 0.45 kWh/m³ en la década de 1990 a menos de 0.32 kWh/m³ en la actualidad, en comparación, el consumo de energía más bajo de oxígeno puro de los separadores de aire criogénicos a gran escala se mantiene en aproximadamente 0.42 kW·h/m³, lo que significa que la generación de oxígeno por PSA tiene la ventaja de un costo notablemente más bajo en la condición de que los clientes no tengan demanda de nitrógeno y no requieran una pureza y presión de oxígeno demasiado altas.

② Proceso Simple, Operación Flexible, Arranque y Parada Rápidos

En comparación con la separación de aire criogénica, el proceso de generación de oxígeno por PSA con una presión de operación de -0.05～0.05 MPa es relativamente más simple. El equipo de potencia principal consiste en un soplador Roots y una bomba de vacío Roots, que son simples de operar y fáciles de mantener. Dado que el generador de oxígeno PSA no incluye el proceso de enfriamiento y calentamiento cuando se arranca o se detiene, solo necesita 30 minutos para arrancar y producir el oxígeno objetivo; además, después de interrupciones cortas, el sistema puede continuar generando oxígeno en solo unos minutos; además, aún más fácil, la parada se realiza simplemente apagando el equipo de potencia y el programa de control. En comparación con los equipos criogénicos, es más conveniente para la unidad de oxígeno PSA arrancar y detenerse, lo que reduce en gran medida el costo operativo del dispositivo.

③ Baja Inversión y Período de Construcción Corto

El generador de oxígeno PSA se compone principalmente del sistema de potencia, el sistema de adsorción y el sistema de conmutación de válvulas. El pequeño número de componentes permite a los usuarios ahorrar en su costo único. Al mismo tiempo, la pequeña área de terreno también ayuda a reducir la inversión en construcción y terreno. Además, se tarda menos de 4 meses en completar el montaje de sus unidades principales y, en circunstancias normales, se puede lograr la producción de oxígeno en un plazo de 6 meses, por lo que el período de fabricación e instalación es más corto en comparación con la construcción de separadores de aire criogénicos.

④ Equipo y Mantenimiento Sencillos

Los componentes del generador de oxígeno PSA, como sopladores, bombas de vacío y válvulas de control programado, tienen cadenas de suministro altamente maduras, lo que facilita el reemplazo de sus piezas de repuesto y contribuye a reducir el costo y controlar fácilmente el período de construcción. Además, el mantenimiento del equipo PSA es simple con servicios posventa convenientes. En comparación con el mantenimiento de compresores centrífugos a gran escala en separadores de aire criogénicos, las plantas de oxígeno PSA no requieren invertir demasiados fondos de mantenimiento ni contratar empleados profesionales.

⑤ Alta Relación de Reducción

En comparación con la tecnología de oxígeno líquido criogénico, los sistemas de oxígeno PSA logran una regulación rápida del volumen y la pureza del gas producido si hay poco cambio en el consumo de energía (oxígeno puro). Generalmente, la capacidad se puede ajustar en el rango del 30% al 100%, y la pureza del 70% al 95%, especialmente, la regulación de la carga es más fácil cuando se conectan varios generadores de oxígeno PSA en paralelo.

⑥ Alta Seguridad Operativa

Dado que la operación de la planta de oxígeno PSA se realiza a presión y temperatura atmosférica normales, sin oxígeno líquido ni enriquecimiento de acetileno, etc., es más segura que los equipos criogénicos que generalmente operan a baja temperatura y alta presión.

4. Principales aplicaciones de la tecnología de generación de oxígeno por PSA

A medida que aumenta la capacidad de las unidades de oxígeno por PSA, la fiabilidad mejora mientras que el consumo de energía disminuye gradualmente. Al mismo tiempo, con las ventajas destacadas de operación flexible, regulación de carga simple, bajo consumo de energía, corto período de construcción y alta seguridad, la tecnología de producción de oxígeno por PSA puede ser sin duda un proceso alternativo a la separación criogénica de aire para industrias que requieren un uso flexible de oxígeno enriquecido. El proceso de generación de oxígeno por PSA también se ha utilizado ampliamente recientemente en la fundición de acero y hierro, metalurgia no ferrosa, industria química, ahorro de energía en hornos, hornos rotativos de cemento, protección ambiental, fabricación de vidrio y papel, etc.

① Enriquecimiento de oxígeno en altos hornos

Con el desarrollo de la enriquecimiento de oxígeno en altos hornos tecnología, el alto horno se ha convertido en una de las principales fuentes de oxígeno en las acerías, por lo que pueden tratarse como el regulador de suministro de oxígeno para toda la planta siderúrgica en la etapa inicial de la aplicación de enriquecimiento de oxígeno en altos hornos: la tasa de enriquecimiento de oxígeno en altos hornos es alta cuando el volumen de oxígeno es grande, y la tasa es baja con un flujo de oxígeno insuficiente. A medida que las empresas se vuelven gradualmente más conscientes de la importancia del enriquecimiento de oxígeno en altos hornos en los procesos de fabricación de hierro, la estabilidad de la tasa de enriquecimiento de oxígeno se convierte en un parámetro crucial para operaciones de fabricación de hierro de bajo costo y eficientes. El suministro de oxígeno en las acerías requiere muchos procedimientos, y la carga fluctúa cada semana o incluso cada día. En este caso, si se adopta una unidad criogénica con regulación de carga inferior y un largo tiempo de arranque y parada, el oxígeno sobrante debe almacenarse después de la licuefacción para su uso posterior o venderse como producto comercial si el consumo de oxígeno es demasiado bajo, lo que resulta en la evacuación de oxígeno a veces. En vista de los requisitos de baja presión y pureza del oxígeno enriquecido para altos hornos, muchas empresas siderúrgicas pueden instalar generadores de oxígeno por PSA cerca de los altos hornos, proporcionando así directamente oxígeno al alto horno y sirviendo como regulador para todo el suministro de oxígeno de la planta. Cuando hay excedente o insuficiencia de oxígeno, el generador de oxígeno por PSA puede arrancarse o detenerse en cualquier momento para aumentar o disminuir el volumen y proporcionar oxígeno estable al alto horno. Actualmente, muchas empresas siderúrgicas adoptan la tecnología de generación de oxígeno por PSA para suministrar oxígeno a los altos hornos, logrando una gran reducción en el costo del oxígeno. Ya es un consenso entre la mayoría de las empresas siderúrgicas que el sistema de oxígeno por PSA es una fuente confiable de oxígeno enriquecido para los altos hornos.

② Fabricación de acero en horno eléctrico

Alrededor del 60% al 70% de las empresas de fabricación de acero en horno eléctrico en Japón utilizan tecnología PSA para producir oxígeno al 93% para la fabricación de acero. En teoría, la fabricación de acero en horno eléctrico depende principalmente del HEA (horno de arco eléctrico) para fundir y fabricar acero, en el cual el oxígeno solo tiene un efecto auxiliar; por lo tanto, el oxígeno al 93% producido por plantas PSA puede utilizarse en la fabricación de acero en horno eléctrico. Empresas en China como Chizhou Guihang Metal Products Co., Ltd., Zunyi Changling Special Steel Co., Ltd. y Luzhou Yixin Iron & Steel Co., Ltd. han comenzado a utilizar generadores de oxígeno por PSA para proporcionar oxígeno para la fabricación de acero en horno eléctrico. Según los comentarios reales de esas empresas, la tecnología de generación de oxígeno por PSA no solo no daña la calidad del acero, sino que también puede reducir significativamente el costo de producción de la fabricación de acero en horno eléctrico. Después de adoptar la tecnología, el costo unitario del oxígeno puede controlarse por debajo de $0.0447.

③ Metalurgia no ferrosa

En los últimos 10 años, la tecnología de generación de oxígeno por PSA ha obtenido un alto reconocimiento por parte de las empresas de fundición de cobre, plomo y zinc. La mayoría de los procesos de fundición de metales no ferrosos con grandes variaciones de carga apenas necesitan nitrógeno y generalmente requieren oxígeno del 24% al 90%. Debido a las características de operación simple y bajo consumo de energía, la tecnología de generación de oxígeno por PSA es muy adecuada para la fundición de metales no ferrosos. Ahora, la mayoría de las corporaciones de fundición no ferrosa de China, como Tongling Nonferrous Metals Group, Zijin Mining Group y Yunnan Copper Co., Ltd., han seleccionado plantas de oxígeno por PSA como sus fuentes de oxígeno enriquecido. Por ejemplo, Baotou Huading Copper Development Co., Ltd. ha construido sucesivamente 4 conjuntos de unidades de oxígeno por PSA debido al aumento de su producción de cobre y la mejora de los procesos de fundición de cobre, alcanzando la capacidad total de oxígeno más de 25,000 Nm³/h. De manera similar, la Fundición de Cobre de Yunnan Chuxiong ha construido sucesivamente 3 conjuntos de plantas de oxígeno por PSA, con una capacidad total de oxígeno de 30,000 Nm³/h.

④ Industria química

Hoy en día, se utiliza el proceso continuo de generación enriquecido con oxígeno para mejorar la producción intermitente anterior de oxígeno en plantas de fertilizantes nitrogenados de pequeña y mediana escala, y la fuente de oxígeno enriquecido proviene principalmente de equipos de producción de oxígeno por PSA. La tecnología de gasificación continua enriquecida con oxígeno tiene una alta aplicabilidad al carbón, lo que es beneficioso para mejorar la capacidad de producción del dispositivo de producción de oxígeno. Tiene una amplia perspectiva de aplicación.

⑤ Fabricación de papel

En la fabricación de papel, el oxígeno se utiliza principalmente en la sección de fabricación de pulpa, como la deslignificación con oxígeno y el blanqueo en el blanqueo con oxígeno. Dado que el proceso de fabricación de papel no exige alta pureza de oxígeno ni necesita nitrógeno, la mayoría de las fábricas de papel eligen actualmente la tecnología PSA para generar oxígeno.

⑥ Otras industrias

Actualmente, la tecnología de generación de oxígeno por PSA también se utiliza ampliamente en otros campos, por ejemplo, fabricación de fibra de vidrio, combustión enriquecida con oxígeno en vidrio flotado, hornos de cemento e incineración de residuos, aireación enriquecida con oxígeno y generadores de ozono en tratamiento de aguas residuales, etc.

5. Visión para el desarrollo de la tecnología de generación de oxígeno por PSA

La tecnología de producción de oxígeno por PSA, una tecnología emergente que se ha desarrollado rápidamente en los últimos 20 años, ha sido gradualmente reconocida por muchas empresas con su progreso tecnológico y la expansión de sus fronteras de aplicación. Para reducir el consumo de energía de la producción de oxígeno, la dirección importante de I+D es expandir áreas de aplicación más grandes de la futura tecnología de producción de oxígeno por PSA mediante el desarrollo de nuevos adsorbentes y el intento de combinarla con separación por membranas o procesos criogénicos. Por ejemplo, combinar la tecnología de producción de oxígeno por PSA con la tecnología de separación por membranas puede obtener oxígeno al 99%+, que puede reemplazar la separación criogénica de aire en áreas remotas o en algunas solicitudes móviles. PKU Pioneer, como líder pionero en la industria de generación de oxígeno, espera tomar la iniciativa en el desarrollo futuro aumentando continuamente la inversión efectiva y otorgando gran importancia a la I+D de la tecnología PSA. A medida que la tecnología de generación de oxígeno por PSA se mejora cada vez más, está destinada a tener múltiples ventajas y un enorme potencial para ganar una perspectiva de aplicación más brillante en el futuro.