Un análisis económico de la planta de oxígeno VPSA de 6,000 Nm³/h, 100% para combustión enriquecida con oxígeno en altos hornos en acerías

Las unidades de adsorción por cambio de presión al vacío se utilizan para producir oxígeno con purezas entre el 80% y el 94%. El principio técnico es separar el oxígeno del aire utilizando la diferente selectividad de los adsorbentes para el oxígeno y el nitrógeno. Las unidades que utilizan este tipo de proceso de producción de oxígeno no criogénico pueden denominarse sistemas VPSA (Adsorción por Cambio de Presión al Vacío), VSA (Adsorción por Cambio de Vacío) o PVSA (Adsorción por Cambio de Presión-Vacío). La tecnología de adsorción por cambio de presión al vacío mencionada en este artículo se representa en todos los casos como VPSA.

El proceso de la tecnología de generación de oxígeno VPSA ha madurado relativamente después de décadas de desarrollo. Se ha logrado la transformación del absorbedor de lecho de flujo axial original con adsorbente a base de calcio al recipiente de adsorción radial con adsorbente a base de litio. La capacidad máxima de las plantas de doble recipiente alcanza ahora los 6,000 Nm³/h para producto de oxígeno al 100%. Estas plantas son particularmente adecuadas para suministrar oxígeno como equipo de apoyo para altos hornos u hornos eléctricos en acerías debido a su costo relativamente bajo, alta seguridad, corto período de construcción y fácil mantenimiento. Al mismo tiempo, para los sectores energéticos, el fácil arranque y el rápido ajuste de carga de la tecnología VPSA ofrecen grandes ventajas en la regulación de la demanda total de oxígeno, la reducción de la liberación de oxígeno y la disminución adicional de los costos de producción. En resumen, la tecnología VPSA es la primera opción para que las empresas siderúrgicas complementen oxígeno en el caso de que el nitrógeno sea suministrado adecuadamente mediante separación criogénica de aire.

En 2008, Anshan Baode Iron and Steel Co., Ltd. celebró un acuerdo de compra de una planta de oxígeno VPSA (7.500 Nm³/h, 80%) con Beijing Peking University Pioneer Technology Co., Ltd. para un alto horno de fabricación de hierro. La unidad se puso en producción con éxito y ha mostrado un funcionamiento estable hasta ahora. El alto horno ofrece una tasa de enriquecimiento de oxígeno del 2,38%, un aumento de producción de aproximadamente el 8,5%, una relación de inyección de carbón de 145 kg/tonelada de hierro y una reducción en la relación de coque del 5%. En agosto de 2017 y septiembre de 2018, se instalaron sucesivamente unidades de oxígeno VPSA con capacidad de 7.500 Nm³/h y pureza del 80% (6.000 Nm³/h, 100%) para el alto horno, mientras que la tasa de enriquecimiento de oxígeno del alto horno aumentó al 4,38% y la relación de coque se redujo en un 10%, generando así impresionantes beneficios económicos.

En los últimos años, la tecnología de generación de oxígeno VPSA ha experimentado un rápido desarrollo en China, mostrando ventajas evidentes que se exponen a continuación:

En primer lugar, la fiabilidad y la larga vida útil de la tecnología de producción de oxígeno VPSA resisten la prueba del tiempo. La unidad de oxígeno VPSA que Anshan Baode Iron and Steel Co., Ltd. aplicó en 2008 no se ha debilitado hasta ahora, y su consumo de energía se ha mantenido en el nivel original.

En segundo lugar, la tecnología de producción de oxígeno VPSA solo requiere equipos de potencia que incluyen un soplador, una bomba de vacío, un motor eléctrico y válvulas neumáticas, por lo que no se necesita personal adicional, ya que los componentes rentables son relativamente fáciles de mantener.

En tercer lugar, se garantiza una alta seguridad. La planta de oxígeno VPSA inyecta oxígeno enriquecido antes del soplador sin presurización al alto horno. Con un entorno operativo relativamente amplio, se evitan riesgos de seguridad ocultos y se simplifica la gestión.

Los dos conjuntos de generadores de oxígeno VPSA de hace aproximadamente diez años han experimentado ajustes de configuración y otros cambios importantes, como se observa en la operación real. Los parámetros específicos se muestran en la siguiente tabla:

Con su rápido desarrollo durante más de diez años, la tecnología de producción de oxígeno VPSA ha mejorado significativamente en su configuración y proceso. Según el análisis de la tabla anterior, su mejora de proceso se refleja en:

1. Reducción en el Número de Equipos Rotativos

En comparación con plantas anteriores de la misma capacidad, contiene muchos menos equipos de potencia, motores eléctricos y válvulas, reduciendo significativamente la carga de mantenimiento e indirectamente, también el costo de mano de obra y mantenimiento. Debido al mejor rendimiento del adsorbente, la capacidad por tonelada se ha incrementado en más del 20%. Además, el recipiente de absorción axial se transformó en un recipiente de flujo radial, por lo que toda la estructura espacial interna ha sufrido un cambio global. La fabricación de adsorbentes y adsorbentes se ha posicionado a nivel internacional, y toda la optimización resulta en una selección de configuración simplificada y menor inversión.

2. Reducción en la Tasa de Fallos y Aumento de la Vida Útil

En toda la unidad, el funcionamiento normal de las válvulas es una condición importante para garantizar el funcionamiento continuo del sistema, mientras que las válvulas son las partes principales que tienden a fallar fácilmente. El trabajo de mantenimiento principal para la planta de oxígeno VPSA producida en 2008 reside en las válvulas. Generalmente, los anillos de sellado deben reemplazarse una vez al año en promedio. El número de válvulas en las plantas de oxígeno fabricadas en 2017 se redujo en un 30% con un aumento del calibre, reduciendo enormemente el mantenimiento general. Por último, pero no menos importante, es la reducción adicional en la tasa de fallos. Mientras tanto, el material mejorado de los anillos de sellado prolongó la frecuencia de reemplazo de las válvulas a aproximadamente una vez cada 18 meses en promedio (es decir, aunque el número de ciclos de los anillos de sellado se duplica, el ciclo de absorción se acorta y el número de encendidos/apagados aumenta).

3. Reducción en el Consumo de Energía

El consumo de energía es el indicador más importante para medir el rendimiento avanzado de los generadores de oxígeno VPSA. Con la adopción de nuevo adsorbente y adsorbedor radial, el consumo de energía se ha reducido en un 10%. 1 Nm³³ de oxígeno puro puede ahorrar alrededor de 0.04 kW/h de electricidad, calculado sobre la base de 6,000 Nm³³/h. Con una duración operativa anual supuesta de 8,400 horas, se puede lograr un ahorro sustancial de costos de aproximadamente $29 millones.

4. Servicio Remoto

La propuesta de "fabricación inteligente" ha promovido la integración de la tecnología de fabricación avanzada de China con la informatización. El sistema de análisis de datos remoto, Pioneer Cloud Service, es una nueva función práctica cargada en la planta de oxígeno. Los datos de funcionamiento se transmiten al cliente a través del sistema específico en tiempo real, luego el sistema compara esos datos con la curva estándar en condiciones de operación normales y presenta un informe de resultados visualizado. En caso de cualquier anomalía, se activará una alarma inmediata para guiar a los operadores a realizar ajustes y mantenimiento, fortaleciendo aún más su estabilidad, evitando riesgos desconocidos y eliminando problemas ocultos lo antes posible.

5. Otros

También se logra la reducción en recipientes de absorción, área de cobertura y adsorbente. El ajuste de carga se vuelve más fácil y rápido.

En resumen, la tecnología de producción de oxígeno por adsorción por oscilación de presión al vacío tiene las ventajas de bajo consumo de energía, alta confiabilidad, fácil operación y mantenimiento, ajuste rápido de carga, etc. Por lo tanto, su ámbito de aplicación se ampliará en gran medida. Una referencia completa a las aplicaciones tecnológicas de VPSA en acerías de varios países ayuda a la industria siderúrgica de China a reducir mejor los costos de producción y mejorar los beneficios empresariales, consolidando y aumentando así la competitividad en el mercado de las empresas siderúrgicas.