Aplicación de la tecnología de generación de oxígeno VPSA en el calentamiento de cucharas

En 2020, la producción de acero bruto, arrabio y acero de China fue de 1.053 millones de toneladas, 887,52 millones de toneladas y 1.324,89 millones de toneladas respectivamente, lo que representa aumentos interanuales del 5,2%, 4,3% y 7,7%. La producción de acero bruto representó el 58% de la producción total mundial. De 2011 a 2020, las industrias manufactureras de China y la producción de acero bruto aumentaron anualmente en un promedio del 7,9% y 5,1%, apoyando el desarrollo de alta calidad de la economía china. Aunque el consumo total de energía por tonelada de acero de China disminuyó de 920 kgce/t en 2000 a 567 kgce/t en 2017, el consumo de energía de la industria del acero aún representa entre el 20 y 25% del total de los sectores industriales y el 15% del valor total nacional. Las emisiones de carbono de la industria del acero de China representan el 15% del total, lo que la convierte en el mayor emisor de carbono entre las 31 categorías de industrias manufactureras.

A medida que los problemas ambientales y climáticos globales se vuelven cada vez más prominentes en los últimos años, se han planteado serios desafíos a las empresas siderúrgicas y metalúrgicas de todo el mundo en cuanto a la producción respetuosa con el medio ambiente y el ahorro de energía. Muchas empresas en China están explorando nuevas medidas de producción ecológicas y de ahorro de energía en el contexto del "objetivo de doble carbono" de "pico de carbono y neutralidad de carbono". Se han llevado a cabo un gran número de estudios teóricos y pruebas industriales en combustión enriquecida con oxígeno y oxicombustión, lo que plantea la preocupación sobre las fuentes y la economía del oxígeno para las empresas.

1. Tecnología de generación de oxígeno VPSA

1.1 Descripción del proceso

VPSA es un proceso de generación de oxígeno mediante adsorción presurizada y desorción al vacío. Dependiendo de la capacidad de adsorción del tamiz molecular de oxígeno para diferentes gases en el aire, el N2 en el aire se adsorbe mediante presurización para generar O2. El adsorbente se regenera después de la desorción al vacío de N2, logrando así el suministro estable de oxígeno. Cuando el aire comprimido pasa a través del adsorbente (tamiz molecular de zeolita), una gran cantidad de N2 es capturada y adsorbida mientras que las moléculas de oxígeno se separan de las moléculas de nitrógeno. Cuando la presión disminuye, el N2 adsorbido por el tamiz molecular de zeolita se libera para regenerar el tamiz molecular. En la operación práctica, dado que la capacidad de adsorción del adsorbente para Ar y O2 es básicamente la misma, la pureza del O2 recolectado por el proceso VPSA es inferior al 95% con Ar y N2 no siendo completamente adsorbidos.

1.2 Flujo técnico

Adsorción por oscilación de presión al vacío (VPSA) se compone de un soplador, una bomba de vacío, válvulas de conmutación, torres de adsorción y tanques de compensación. El aire comprimido por el soplador Roots se alimenta al recipiente de adsorción después de eliminar las partículas de polvo mediante filtros en la zona de entrada. Los adsorbentes están cargados con adsorbente. H2O, CO2 y una pequeña cantidad de otros componentes gaseosos se adsorben primero y el N2 es adsorb

Cuando el adsorbente está completamente saturado con N2, las válvulas de conmutación activan la bomba de vacío para evacuar el absorbedor (en dirección opuesta a la adsorción) y el H2O, CO2, N2 y otros gases adsorbidos se ventilan a la atmósfera para regenerar el adsorbente.

Resumiendo lo anterior, el aire se envía a los recipientes de adsorción radial bajo presión a través de los filtros antes del soplador, y los dos absorbedores radiales trabajan alternativamente para completar el ciclo de adsorción y desorción. El O2 generado ingresa a los tanques de compensación para estabilizar la presión, formando así un suministro externo estable y de baja presión de O2.

1.3 Ventajas Técnicas

La amplia aplicación de la generación de oxígeno VPSA en la industria metalúrgica se beneficia de sus ventajas técnicas y económicas únicas en comparación con el proceso criogénico de separación de aire.

(1) proceso simple y estable, menos equipos auxiliares y móviles, menor costo de operación y mantenimiento.

(2) conjunto completo integrado de forma independiente, operación y producción flexibles, regulación de carga del 50~100% para adaptarse a las fluctuaciones de producción, arranque y parada rápidos en no más de 30 minutos.

(3) menor superficie ocupada, menor inversión. Caudal de 2,000-15,000 Nm³/h puede satisfacer mejor las necesidades de diferentes procesos. En los sectores industriales de China, unidades de oxígeno VPSA a gran escala que van desde 20,000 Nm³/h hasta 50,000 Nm³/h ya se han aplicado comúnmente.

(4) El O2 a baja presión se adapta mejor a la demanda de oxígeno a baja presión para la combustión en la mayoría de las empresas metalúrgicas y ahorra simultáneamente el consumo de energía de los compresores utilizados para el O2 a alta presión.

(5) Menor costo de producción de oxígeno. Se puede ahorrar gas natural mediante tecnologías de combustión enriquecida con oxígeno o de oxicombustión para reducir efectivamente el costo de producción de la empresa. Su costo de aproximadamente ¥0.2～0.3/Nm³ es mucho más bajo que el de la separación criogénica de aire tradicional de ¥0.5/Nm³.

2. Caso de Aplicación

Una empresa siderúrgica en China reformó sus 3 sistemas de calentamiento de cucharas (120 t). La combustión anterior de gas natural con aire se actualizó a oxicombustión, es decir, el gas natural es asistido por oxígeno al 91% suministrado por una unidad de oxígeno VPSA. La capacidad de oxígeno del sistema de generación de oxígeno VPSA es de 800 Nm³/h con una pureza de ≥91% teniendo en cuenta el uso simultáneo de 3 calentadores de cuchara y el oxígeno residual disponible en la acería.

3. Principales Renovaciones

(1) Renovación del Quemador y del Sistema de Combustión

El quemador utiliza boquillas de gas natural y oxígeno de alta velocidad. Se adopta un suministro de oxígeno escalonado, que incluye boquilla central de gas natural, suministro primario central de oxígeno y suministro secundario excéntrico de oxígeno. El quemador está montado de forma integral con una capacidad de calentamiento de 2 MW, un caudal nominal de gas natural de 200 Nm³/h y un poder calorífico de 33,440 kJ/Nm³.

El sistema de combustión original fue remodelado eliminando el soplador de aire original y el sistema de tuberías para construir un nuevo conjunto de válvulas de control de suministro de oxígeno que contienen válvulas reguladoras de flujo y válvulas de cierre de emergencia para garantizar la seguridad del suministro de oxígeno.

(2) Actualizaciones de Control Automático

El sistema de control original se actualiza para realizar la advertencia de emergencia, el corte automático o el calentamiento basado en el control de la relación de volumen de gas natural y oxígeno.

(3) Otras Modificaciones

Modificando el tamaño y los requisitos de carga del quemador, la estructura de la tapa de la cuchara, el mecanismo de elevación del cabrestante, el revestimiento refractario dentro de la tapa de la cuchara y los brazos giratorios se renovaron en consecuencia.

4. Análisis de Efectos

4.1 Ahorro de Energía y Reducción de Emisiones

El consumo promedio de gas natural de una cuchara de 120 t antes de la transformación era de 227 Nm³/h. Después de la actualización, disminuyó a 131.6 Nm³/h, ahorrando en promedio 95.4 Nm³/h (42%), y se ahorraron simultáneamente 315.84 Nm³/h de consumo de O2. Considerando la frecuencia de uso de cada equipo de calentamiento de cuchara como 6,000 h anuales, se podrían ahorrar 572,400 Nm³ de gas natural por año. Además, tomando el poder calorífico del gas natural como 33,440 kJ/m³, el usuario puede ahorrar 654.1 tce/a y reducir 21,124.4 t/a de emisiones de CO, es decir, 0.3 Nm³ de gas natural se pueden ahorrar por 1 Nm³ de O2 introducido en el calentador de cuchara, y se pueden reducir 1.96 kg de emisiones de CO2.

4.2 Beneficios Económicos

Suministrado por tuberías, el precio promedio de su gas natural es de ¥3.5/Nm³ para todo el año, mientras que el oxígeno suministrado por la planta VPSA-O2 es solo de ¥0.4/Nm³ en contraste, considerando los costos de operación, mantenimiento y personal. El oxígeno generado por la tecnología VPSA es ≥91%. Para combustionar completamente el gas natural, el contenido de oxígeno se controla en aproximadamente 3%, y la relación de oxígeno a gas natural se mantiene en 2.4. Por lo tanto, el consumo promedio de O2 después de la modificación es de 131.6 m³/h×2.4=315.84 m³/h.

Sin considerar otros factores, el costo de oxígeno de un calentador = 315,84 × 6.000 × 0,4 = ￥758.016/a, el ahorro de gas natural = 95,4 × 6.000 × 3,5 = ￥2.003.400/a, y los beneficios económicos directos de un calentador tras la renovación = costo de gas natural ahorrado - costo de oxígeno = ￥1.245.000/a.

5. Conclusión

(1) La producción de oxígeno VPSA posee ventajas técnicas únicas frente al proceso criogénico y se adapta mejor a las demandas de bajo consumo de oxígeno con cargas variables en la industria metalúrgica. Favorece la reducción de costos y riesgos de inversión, terreno de construcción, operación y mantenimiento, entre otros, y ayuda a los usuarios a optimizar y actualizar el proceso de producción existente.

(2) Con un costo total de producción de oxígeno VPSA de aproximadamente ￥0,4/Nm³³, tras aplicar la combustión oxicombustible, 1 Nm³³ de oxígeno ahorra 0,3 Nm³³ de gas natural y reduce aproximadamente 1,96 kg de emisiones de CO₂. En conjunto, se podría ahorrar un costo de producción anual de aproximadamente ￥1.245.000, lo que genera importantes beneficios económicos y ambientales.

(3) Actualmente, la relación aire-gas en el calentador es de 2,4, y el contenido residual de oxígeno en los gases de combustión se mide en torno al 3%. Considerando la velocidad de combustión y la velocidad de propagación de la llama de la combustión enriquecida con oxígeno, la relación oxígeno-combustible aún tiene potencial para una mayor optimización.

(4) El artículo analiza la coproducción del equipo de oxígeno VPSA y el sistema de calentamiento de cucharas; la tecnología de generación de oxígeno VPSA también se aplica ampliamente en otros procesos, como la combustión enriquecida con oxígeno en altos hornos y la fabricación de acero en hornos eléctricos. Resulta de interés para mejorar la eficiencia y los beneficios de los usuarios.